Universidade de AveiroDepartamento deElectrnica, Telecomunicaes e Informtica.

2010

Rmulo JosMagalhesMartins Anto

Inversor Elctrico para Sistemas de Microgerao

Universidade de AveiroDepartamento deElectrnica, Telecomunicaes e Informtica.

2010

Rmulo JosMagalhesMartins Anto

Inversor Elctrico para Sistemas de Microgerao

Dissertao apresentada Universidade de Aveiro para cumprimentodos requisitos necessrios obteno do grau de Mestre em Enge-nharia de Electrnica e Telecomunicaes realizada sobre orientaocientfica dos professores:

Professor Dr. Rui Manuel Escadas Ramos Martins, Professor Auxiliardo Departamento de Electrnica, Telecomunicaes e Informtica daUniversidade de AveiroProfessor Dr. Alexandre Manuel Moutela Nunes da Mota, ProfessorAssociado do Departamento de Electrnica, Telecomunicaes e In-formtica da Universidade de Aveiro

o jri

Presidente Prof. Dr. Toms Antnio Mendes Oliveira e SilvaProfessor Associado da Universidade de Aveiro

Arguente Prof. Dr. Jos Antnio Barros VieiraProfessor Adjunto do Instituto Politcnico de Castelo Branco

Vogais Prof. Dr. Rui Manuel Escadas Ramos MartinsProfessor Auxiliar da Universidade de Aveiro (orientador)

Prof. Dr. Alexandre Manuel Moutela Nunes da MotaProfessor Associado da Universidade de Aveiro (co-orientador)

Agradecimentos Aos meus orientadores pela confiana, motivao e ajuda queme facultaram durante esta etapa final do meu Mestrado, aosamigos pelos bons momentos de evaso ao trabalho e, sobre-tudo, minha famlia por todos os incentivos dados durante estesanos e me levaram a ser a pessoa que sou.A todos um muito obrigado.

Palavras-chave Inversor DC-AC, PIC32MX, Fontes comutadas, Energias Reno-vveis, Arquitecturas de 32-bit

Resumo Esta dissertao tem como principal objectivo implementar o sis-tema de controlo de um inversor DC-AC para sistemas de mi-crogerao, com capacidade de ligao rede de distribuio,baseado no hardware desenvolvido em anos anteriores.Para realizar o controlo de todo o hardware foi desenvolvida umaplataforma baseada no microcontrolador PIC32MX, um disposi-tivo da recente gama de microcontroladores de 32-bit da Micro-chip. A placa de desenvolvimento criada constitui uma plata-forma verstil para a prototipagem de sistemas embutidos, umavez que disponibiliza num mdulo piggy-back todo o hardwarebsico necessrio operao do microcontrolador, proporcio-nando um incio rpido do trabalho nesta arquitectura e um fcilacesso a todos recursos do microcontrolador.Sendo a plataforma base deste projecto um trabalho de continui-dade, foram sendo efectuadas diversas correces nas placasde circuito impresso do inversor pelo que, de modo a tornar otrabalho futuro mais estvel, desenvolveram-se novas PCB combase na verso anterior destas. Estas apresentam alteraesfundamentalmente ao nvel do sistema de alimentao e isola-mento das seces de potncia e lgica de controlo.Como elemento auxiliar ao desenvolvido do inversor, foi criadoum modelo em Simulink deste, que permite testar algoritmos decontrolo bem como analisar o comportamento na frequncia dosistema.

Key-Words Grid-Connected DC-AC inverter, PIC32MX, Switched-ModePower Supplies (SMPS), Renewable Energies, 32-bit Architec-ture

Abstract This dissertation main purpose is the development of the controlsystem of a DC-AC inverter for renewable energy power sour-ces. The platform of the inverter is based on the previous yearsdevelopped hardware. The new control algorithm will allow theinverter to operate in the grid-connected mode.To implement all the hardware control, a development platformbased on the PIC32MX microcontroller, a recent device from the32-bit Microchip microcontrollers family, was built. This platformis very versatile for the embedded systems development process,as it already includes in a small piggy-back module, all the requi-red hardware for the microcontroller operation, allowing a quickstart in this architecture and easy access to all the microcontrol-lers resources.As this project base platform is a result of a continuous work

from previous years, over the time multiple fixes were made tothe printed circuit board. Therefore, to provide a more stable sys-tem for the upcoming work, new PCBs were produced. This newboards have improvements regarding the power supply sectionand electric insulation between the power and logic sections ofthe system.As a support to the developed inverter, a Simulink model of itwas created, allowing the test of control algorithms and betteranalysis of the frequency behaviour of the system.

Contedos

Contedos i

Imagens iii

Tabelas vii

1 Introduo 11.1 Motivao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objectivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4 Estrutura da dissertao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Conceitos Fundamentais sobre Inversores 72.1 Aplicaes dos inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Caractersticas do sistema inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.1 Tipos de Inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.2 Distoro harmnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.3 Islanding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3 Reviso das topologias de inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3 Arquitectura do sistema desenvolvido 213.1 Fonte Primria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.2 Elevao, Modulao e Isolamento Galvnico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3 Rectificao e Filtragem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.4 Ponte Inversora de Arcadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.5 Filtro de Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.6 Sistema de alimentaes isoladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.7 Controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.8 Modelo de simulao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4 Placa PIC32UA 474.1 Placa de Desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.2 Arquitectura do microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

i

4.2.1 Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.2.2 Memria do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.2.3 Bus Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.3 Software de Suporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.4 Sistema Operativo Tempo-Real (RTOS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.5 Comparao com o PIC18F458 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5 Software Controlo do Inversor 595.1 Sincronismo com a Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.2 Controlo da Ponte Inversora de Arcadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.3 Tarefas escalonadas no Sistema Operativo Tempo-Real . . . . . . . . . . . . . . 645.4 Algoritmo de Controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655.5 Modulao SPWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.6 Deteco de situaes de Islanding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

6 Resultados 736.1 Sincronizao com a Rede Elctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756.2 Funcionamento no modo Grid-Connected . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.3 Deteco de situao de Islanding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846.4 Resultados da simulao em Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

7 Concluses 917.1 Trabalho Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

A Conceitos e Dedues Matemticas 95A.1 Funo de Transferncia do Filtro LCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95A.2 Dimensionamento do Filtro LCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96A.3 Discretizao da Funo de Transferncia de um controlador PID . . . . . . . . . 101A.4 Conversor Forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102A.5 Mecanismos de falha dos MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

B Esquemas Elctricos 113B.1 Placa PIC32UA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

B.1.1 Esquema elctrico PIC32UA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114B.1.2 Layout PIC32UA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

B.2 PCB Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116B.2.1 Esquema elctrico da PCB de Controlo do Inversor . . . . . . . . . . . . 117B.2.2 Layout da PCB de Controlo do Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119B.2.3 Esquema elctrico da PCB de Potncia do Inversor . . . . . . . . . . . . 120B.2.4 Layout da PCB de Potncia do Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Bibliografia 123

ii

Imagens

2.1 Papel do Inversor numa Offline UPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Aplicao dos inversores no motor de um carro hbrido, Toyota Prius [18] . . . . 82.3 Inversor grid-connected interligado a uma mquina rotativa de gerao de energia 92.4 Aplicao de um inversor stand-alone, (Diagrama da empresa Windgen) . . . . . 102.5 Formas de onda sada de um inversor stand-alone . . . . . . . . . . . . . . . . 112.6 Aplicao de um inversor grid-connected, (Diagrama da empresa Windgen) . . . 122.7 Forma de onda da rede distorcida devido existncia de harmnicos . . . . . . . 122.8 Inversor comutado sem transformador de isolamento . . . . . . . . . . . . . . . 162.9 Inversor com transformador de isolamento de baixa frequncia . . . . . . . . . . 172.10 Inversor com transformador de isolamento a alta frequncia . . . . . . . . . . . . 182.11 Diagrama conceptual da implementao modular de um inversor DC-AC . . . . . 182.12 Inversor com transformador de isolamento a alta frequncia . . . . . . . . . . . . 19

3.1 Diagrama de blocos do Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2 fonte Primria do Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3 Diferentes tipos de fio de Litz da empresa New England Wire . . . . . . . . . . . 233.4 Alternncia da tenso aplicada ao enrolamento primrio utilizando uma topolo-

gia double-ended baseada em Full-Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.5 Implementao da Full-Bridge com MOSFETs em pares . . . . . . . . . . . . . 253.6 Implementao de um snubber RC para proteco do MOSFET do regime tran-

sitrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.7 Diagrama temporal das vrias tenses relevantes na Full-Bridge . . . . . . . . . 263.8 Mecanismo de Gerao dos sinais de controlo da ponte H . . . . . . . . . . . . 273.9 Relao entre sinal PWM de controlo do microcontrolador e os sinais individuais

de ataque aos MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.10 Circuito de proteco do Inversor contra sobre-correntes . . . . . . . . . . . . . 293.11 Sinal PWM com duty-cycle modulado sinusoidalmente . . . . . . . . . . . . . . 293.12 Tenso ao nvel do enrolamento secundrio do transformador de isolamento . . . 303.13 Locais possveis para colocao da resistncia de amortecimento do filtro . . . . 313.14 Filtro passa-baixo do tipo LC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.15 Variao da resposta em frequncia do filtro para trs coeficientes de amorteci-

mento: 1 - < 0.707; 2 - = 1; 3 - >> 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.16 Esquema da ponte inversora de arcadas, constituda por IGBT . . . . . . . . . . 34

iii

3.17 Mecanismo de deteco de passagens por zero da rede elctrica . . . . . . . . . 353.18 Indutncia a interligar duas fontes de tenso alternada . . . . . . . . . . . . . . . 363.19 Conversor Flyback com mltiplas sadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.20 Interfaces do microcontrolador utilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.21 Placa de desenvolvimento montada em breadboard . . . . . . . . . . . . . . . . 393.22 Topologia do inversor implementado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.23 Circuito equivalente do inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.24 Diagrama de Bode do filtro LCL equivalente para diferentes valores das resistn-

cias de perdas Ri e Rg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.25 Diagrama de Bode do filtro LCL equivalente sem resistncia de amortecimento

(2), com resistncia de amortecimento (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.26 Modelo Simulink do circuito de modulao sinusoidal do sinal PWM . . . . . . . 443.27 Variveis necessrias para a implementao em diagrama de blocos do filto LCL 443.28 Implementao do filtro LCL em Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.29 Modelo Simulink do inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.1 Placa de desenvolvimento PIC32UA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.2 Layout da Placa de desenvolvimento PIC32UA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.3 Diagrama de Blocos da arquitectura PIC32MX . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.4 Diagrama de Blocos do Core MIPS M4K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.5 Efeito da Prefetch Cache no desempenho do sistema . . . . . . . . . . . . . . . 544.6 Acesso concorrente ao barramento segundo o conceito Bus Matrix . . . . . . . . 55

5.1 Variao do sinal de deteco de passagem por zero com o sinal de tenso darede elctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.2 Diagrama de blocos do sistema de sincronismo e gerao do Set-Point do con-trolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.3 Mecanismo de controlo de janelas temporais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.4 Mecanismo de controlo da comutao da Ponte H de Inverso de Arcadas . . . . 635.5 Malha de controlo do sistema, com feedback por corrente . . . . . . . . . . . . . 655.6 Grfico dos dados transmitidos para o MATLAB. Estes resultados so a mdia de

vrios perodos de 20ms, apresentando a comparao entre a onda de refernciapretendida, Iref , o sinal de corrente amostrado pelo microcontrolador na sadado sistema, Iout, e o sinal de controlo do inversor, Duty, durante uma situao deajuste do controlador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.7 Grfico com evoluo de algumas das componentes do controlador PID, comoa proporcional e integral, juntamente com o duty-cycle do sinal de controlo e acorrente de sada. A escala do eixo vertical encontra-se em unidades relativasaos clculos internos do microcontrolador, armazenados em variveis inteirascom sinal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.8 Sistema de modulao SPWM utilizando onde o ndice de modulao da ampli-tude m = 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.9 Sinal PWM resultante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

iv

5.10 Deteco de Islanding por salto de fase da tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.1 Bancada de testes experimentais ao inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746.2 Sistema de isolamento da rede elctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746.3 Variao do sinal de deteco de passagem por zero com o sinal de tenso da

rede elctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756.4 Variao do sinal de deteco de passagem por zero com o sinal de tenso da

rede elctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766.5 Circuito equivalente parcial do inversor com a segunda ponte H desligada . . . . 766.6 Onda de corrente injectada pelo inversor, para uma referncia de 2A rms . . . . 776.7 Desfasamento entre a onda de tenso e corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786.8 FFT da corrente injectada pelo inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786.9 FFT da corrente injectada pelo inversor, com maior detalhe s baixas frequncias 796.10 Inversor a operar com uma onda de referncia de 0.6A rms . . . . . . . . . . . . 816.11 Inversor a operar com uma onda de referncia de 1.4A rms . . . . . . . . . . . . 816.12 Inversor a operar com uma onda de referncia de 1.0A rms . . . . . . . . . . . . 816.13 Inversor a operar com uma onda de referncia de 1.8A rms . . . . . . . . . . . . 816.14 Relao entre a onda de tenso da rede (2) e a variao do duty-cycle do sinal de

controlo da ponte H (1), com onda referncia de corrente de 1.8A . . . . . . . . . 826.15 Relao entre a onda de tenso da rede (2) e a variao do duty-cycle do sinal de

controlo da ponte H (1), com onda referncia de corrente de 0.6A . . . . . . . . . 826.16 Relao entre a corrente injectada na rede (2) e a variao do duty-cycle do sinal

de controlo da ponte H (1), com onda referncia de corrente de 1.8A . . . . . . . 826.17 Relao entre a corrente injectada na rede (2) e a variao do duty-cycle do sinal

de controlo da ponte H (1), com onda referncia de corrente de 0.6A . . . . . . . 826.18 Comportamento do inversor numa situao de islanding, por desconeco fsica . 846.19 Tenso da rede e corrente de sada do inversor, fornecendo 10A na rede . . . . . 856.20 Corrente de sada do inversor e referncia do controlador, fornecendo 10A na rede 866.21 Tenso da rede e corrente de sada do inversor, fornecendo 2A na rede . . . . . . 876.22 Corrente de sada do inversor e referncia do controlador, fornecendo 2A na rede 876.23 Tenso da rede e corrente de sada do inversor, fornecendo 1A na rede . . . . . . 886.24 Corrente de sada do inversor e referncia do controlador, fornecendo 1A na rede 88

A.1 Circuito equivalente do filtro LCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95A.2 Circuito equivalente do filtro LCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95A.3 Filtro LCL equivalente frequncia do harmnico de ordem h . . . . . . . . . . 97A.4 Relao entre a atenuao do ripple da corrente de sada e o ndice r . . . . . . . 99A.5 Diagrama de Bode do filtro LCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100A.6 Topologia base de um conversor Forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102A.7 Conversor Forward com comutador S fechado e respectivo modelo equivalente

quando S est em conduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103A.8 Conversor Forward com comutador S aberto e respectivo modelo equivalente

quando S est cortado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

v

A.9 SOA genrica de um MOSFET. Situaes de falha so registadas, efectuando-sea delimitao de uma provvel zona de guarda para o funcionamento do disposi-tivo [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

A.10 Curva ID vs VDS para mltiplas tenses de gate aplicadas . . . . . . . . . . . . . 106A.11 Relao entre a tenso de gate aplicada a um IRF1405 e a corrente de dreno

resultante, evidenciando a variao da corrente com o aumento da temperaturado dispositivo [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

A.12 Imagem trmica da falha de um IRF1405Z - A imagem apresenta um pontoquente que se forma devido aos problemas de operao no modo linear [1] . . . . 108

A.13 Entrada do MOSFET no modo avalanche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109A.14 Circuito equivalente de um MOSFET de canal N . . . . . . . . . . . . . . . . . 109A.15 Origem do BJT parasita num MOSFET de canal N com estrutura vertical [5] . . 110A.16 Alguns exemplos de MOSFET com danos exteriores mais evidentes, resultantes

da operao incorrecta na ponte H do inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

B.1 Layout Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115B.2 Layout Superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115B.3 Layout Inferior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

vi

Tabelas

2.1 Limites de distoro da corrente em sistemas de distribuio de energia at 69kV[19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.1 Comparao dos tempos de execuo em diferentes tarefas . . . . . . . . . . . . 58

6.1 Tenses relativas s componentes espectrais dos harmnicos da corrente maisrelevantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

6.2 Comportamento para diferentes ndices de modulao da onda de corrente dereferncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

A.1 Parmetros do sistema considerados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

vii

viii

Captulo 1

Introduo

1.1 Motivao

A emergente consciencializao por parte da populao mundial da efemeridade dos stocksnaturais de combustveis fsseis, a consequente instabilidade do preo dos produtos petrolferose as cada vez mais restritivas medidas governamentais, com vista a cumprir os limites impostospelas cotas de emisso de carbono, tm impulsionado nos ltimos anos o crescimento do mer-cado das energias renovveis. A eficincia energtica e a sustentabilidade do desenvolvimentodas comunidades so temas cada vez mais em voga e o aparecimento de programas de incentivovocacionados para o mercado residencial, levou a um aumento da utilizao de paneis fotovoltai-cos e torres elicas como fontes auxiliares de produo de energia limpa. Estas fontes de energiapermitem a reduo da factura energtica das famlias e contribuir, em parte, para a reduodo impacto ambiental associado aos mtodos de produo de energia tradicionais, como so ascentrais termoelctricas e as barragens hidroelctricas.

Os sistemas de produo de energia elctrica com base em energia solar ou elica so sis-temas fortemente dependentes das condies atmosfricas e, consoante o estado mais ou menosfavorvel destas, caractersticas como a voltagem ou a frequncia da electricidade que estes pro-duzem so bastante variveis, pelo que, de modo a alimentar os dispositivos normalmente ligados rede de distribuio ou mesmo inserir corrente na rede, necessria uma etapa de conversoque realizada pelos inversores DC-AC. Existem diversos tipos de inversores DC-AC utilizadospara alimentar dispositivos elctricos mas, nesta dissertao, ser particularizado o estudo dosinversores ligados rede elctrica, conhecidos como grid-connected.

Utilizando estes dispositivos, no panorama actual mais vantajoso para o cliente vender rede de distribuio toda a energia que produz, uma vez que o preo a que o operador compraenergia superior ao preo a que este vende ao cliente. No entanto, num futuro prximo estasituao deixar de ser sustentvel e os inversores grid-connected tendero a ser utilizados comoa fonte primria de energia de um lar, com opo de utilizao de dispositivos de armazenamentode energia, recorrendo-se apenas ao operador em situaes pontuais como em alturas em que huma maior necessidade de potncia elctrica disponvel ou a energia armazenada j insuficientepara alimentar os dispositivos de si dependentes.

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Tendo o mercado dos inversores ligados rede de distribuio um futuro prspero, cons-tituindo de momento um negcio de nicho, com baixa penetrao por parte dos fabricanteschineses sendo dominado maioritariamente por marcas alems e dinamarquesas, o estudo dastopologias, das normas de operao, a compreenso do funcionamento e implementao de umprottipo constitui uma vantagem no contexto do desenvolvimento de produtos na rea da elec-trnica de potncia. Com o prottipo desta dissertao, pretende-se assim desenvolver um pro-duto segundo uma topologia mais compacta que as comummente encontradas no mercado, comalto rendimento e capaz de validar as especificaes de segurana associadas classe destes dis-positivos. Alm disso, dever respeitar as normas impostas aos dispositivos de fornecimento deenergia rede elctrica e, acima de tudo, apresentar um baixo preo de implementao, de modoa que, num futuro prximo, este prottipo possa constituir a base de um produto comercialmentevivel e competitivo.

1.2 ObjectivosEsta dissertao constitui mais uma fase no desenvolvimento de um inversor DC-AC, true

sine wave, para aplicaes de microgerao. A sua gama de tenses de entrada foi optimizadapara utilizao com aerogeradores, admitindo uma variao entre os 20V e os 50V. No entanto,a topologia do sistema facilmente adaptvel para admitir gamas de tenso mais elevadas, pos-sibilitando a utilizao de arrays de painis fotovoltaicos. Os componentes utilizados no sistemapermitem que este seja capaz de fornecer uma potncia mxima de 2.3kVA.

O primeiro objectivo desta dissertao integrar uma placa de desenvolvimento baseada naarquitectura PIC32MX, projectada na fase inicial desta dissertao, no hardware do inversorpreviamente desenvolvido.

Aps a concretizao desta etapa, pretende-se que o inversor cumpra os seguintes requisitos:

Seja capaz de operar no modo grid-connected, sincronizando o seu funcionamento com arede elctrica.

Apresente sua sada uma onda de corrente sinusoidal, com baixa distoro harmnica,de modo a respeitar as regulamentaes relativas aos dispositivos produtores de energialigados rede de distribuio.

Apresente um mecanismo de deteco de situaes de Islanding, como medida preventivacontra situaes de funcionamento contnuo mesmo em caso de falha de rede.

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1.3 MetodologiaA presente dissertao constitui a continuao do desenvolvimento de um inversor DC-AC,

cujo hardware foi implementado em anos transactos. Sendo um trabalho de continuidade, aleitura de toda a documentao previamente produzida constituiu o ponto de partida desta dis-sertao, permitindo estabelecer o primeiro contacto com o hardware e os conceitos subjacentesao funcionamento do inversor. Do trabalho precedente, resultou um inversor configurado paraoperar no modo stand-alone, modo em que o inversor funciona independentemente da rede elc-trica, efectuando o controlo da sua sada por tenso de modo a apresentar uma onda sinusoidalcom 230V rms s cargas a si ligadas. Na presente dissertao, a meta desenvolver o softwarede controlo do inversor de modo a que este possa operar no modo grid-connected, sincronizandoo seu funcionamento com a rede elctrica, inserir energia na rede respeitando as normas relativas qualidade da rede de distribuio aplicveis, bem como desenvolver um mecanismo de detec-o de situaes de falha da rede, como medida preventiva para evitar situaes de risco para osfuncionrios que efectuam a manuteno da rede elctrica.

No trabalho efectuado nos anos anteriores, o controlo de todo o sistema foi sempre realizadopor microcontroladores da Microchip, tendo sido numa primeira verso implementado micro-controlador da famlia PIC18, dispositivos de 8-bit, sendo posteriormente actualizado por doismicrocontroladores da famlia PIC24, dispositivos de 16-bit. Os microcontroladores utilizados,embora tenham executado as tarefas de monitorizao e controlo do inversor com sucesso, apre-sentaram sempre limitaes relativas ao seu desempenho, sendo evidncia mais notria destefacto a utilizao, na ltima verso do projecto, de dois microcontroladores para controlar duasseces distintas do inversor. De modo a simplificar a unidade central de controlo e aplicar osltimos desenvolvimentos na rea dos microcontroladores neste projecto, foi criada uma placade desenvolvimento baseada nos microcontroladores da famlia PIC32MX da Microchip, dispo-sitivos com uma arquitectura de 32-bit, com elevada integrao de perifricos e elevadas capaci-dades de processamento de dados, proporcionadas em parte pela existncia de um core MIPS aoperar a 80MHz e unidades de multiplicao e diviso dedicadas. Este projecto constituiu assimum bom case-study das potencialidades desta plataforma, destacando as vantagens relativas utilizao de uma placa que providencia todos os componentes base e apresenta um bom suporteao nvel do software para uma rpida iniciao do utilizador no desenvolvimento de sistemasembutidos com base na arquitectura PIC32MX.

Tendo sido testado o prottipo da placa de desenvolvimento com aplicaes bsicas de de-monstrao das suas potencialidades, efectuando uma comparao com um dispositivo da fam-lia PIC18 na execuo de tarefas comuns que fazem uso das capacidades matemticas, de acesso memria e velocidade de execuo de instrues recorrentemente utilizadas, procedeu-se integrao do novo microcontrolador na arquitectura prvia do inversor, desenvolvendo-se osdevice drivers necessrios operao do sistema. O ponto de partida foi a implementao dosistema de controlo do conversor flyback que regula as diversas tenses de alimentao do sis-tema, passando-se de seguida ao controlo das pontes H do inversor. O inversor apresenta duaspontes H que operam com caractersticas distintas. A primeira ponte H, localizada no lado daentrada do inversor, composta por MOSFETs de potncia, Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor, e responsvel pela modulao da tenso DC proveniente da fonte primria,

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podendo tambm ser vista como parte integrante de um conversor Forward responsvel pela ele-vao da tenso de entrada do inversor e implementao do isolamento galvnico entre a entradae a sada do inversor. Esta ponte opera a uma frequncia de comutao elevada, 133kHz, sendocontrolada por um sinal PWM gerado pelo microcontrolador. A segunda ponte H do inversor, co-locada mais perto da sada do inversor, composta por IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistore opera a uma frequncia de 100Hz, sincronizando a sua comutao com as passagens por zeroda rede elctrica e sendo responsvel pela inverso de arcadas de tenso sinusoidais rectificadaspositivamente.

Desenvolvendo-se os algoritmos de controlo responsveis pela correcta comutao das pontesH, definiu-se um set-point bastante limitativo relativamente potncia envolvida na operao doinversor, como medida preventiva em situaes de falha do sistema, que se encontrava aindanuma fase prematura do desenvolvimento. Para proceder calibrao do algoritmo de controloimplementou-se um sistema de comunicao entre o microcontrolador e o programa MATLABcom o intuito de ajustar iterativamente os parmetros do controlador PID utilizado, procurandoobter sada do inversor uma onda de corrente sinusoidal em fase com a tenso da rede.

Durante o perodo de desenvolvimento, o inversor no se encontrou directamente ligado rede de distribuio, utilizando para o efeito um sistema de isolamento composto por dois trans-formadores de baixa potncia, constituindo estes uma proteco contra eventuais situaes decurto-circuito. No processo de calibrao do algoritmo de controlo, constatou-se que os com-ponentes responsveis pela filtragem da tenso se encontravam incorrectamente dimensionados,originando estados oscilatrios na corrente de sada do inversor, para determinados ganhos docontrolador. Com base em literatura de suporte, estes componentes foram redimensionados. Noentanto, devido indisponibilidade em tempo til de todos os componentes do filtro, foi alteradaapenas uma indutncia do filtro LCL, que apresentava um peso mais significativo no compor-tamento do sistema, e foi adicionada uma resistncia de amortecimento da resposta do filtro,melhorando o comportamento do sistema fsico.

Paralelamente a esta etapa foi tambm desenvolvido um modelo do sistema no ambienteSimulink, que permitiu estudar o comportamento do filtro de rede e simular algoritmos de con-trolo do sistema. No entanto, devido existncia de alguns comportamentos no lineares dosistema no foi possvel estabelecer uma comparao directa dos resultados obtidos na simula-o e no sistema fsico. No obstante, foi fundamental para perceber as dependncias dos vriosparmetros do controlador e valores dos componentes do filtro com o comportamento do sistema.

Conseguindo controlar o funcionamento do inversor uma baixa corrente de sada, foi-se in-crementalmente aumentando a potncia fornecida por este rede, tendo-se atingido o patamarlimitativo da bancada de testes, devido s caractersticas da fonte primria utilizada. O inversordesenvolvido, embora projectado para ser capaz de fornecer uma potncia de 2.3kVA, foi testadofornecendo uma potncia mxima de 500VA. J na fase final do trabalho, o inversor foi ligadodirectamente rede elctrica, tendo-se efectuado nessas condies todas as medidas e capturasapresentadas nesta dissertao.

Como j foi referido, a plataforma do inversor utilizada tem como base o hardware desen-volvido em anos anteriores. Tendo sido o seu desenvolvimento um processo sujeito a mltiplascorreces, o sistema actual apresenta j um elevado nmero ligaes feitas a posteriori, consti-tuindo estas pontos de elevada fragilidade e causas de algumas situaes de mau funcionamento

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do inversor. Assim foram desenvolvida simultaneamente com a implementao do modo grid-connected na plataforma antiga, novas PCB com algumas alteraes no que toca ao sistema dealimentao, isolamento de tenses entre zonas de potncia e lgica de controlo e incluso de me-canismos de ligao entre placas mais robusto. Estas PCB encontram-se parcialmente montadas,e recomenda-se a sua finalizao na continuao deste projecto.

1.4 Estrutura da dissertaoA presente dissertao encontra-se dividida em sete captulos, onde so expostos todos os

conceitos envolvidos no desenvolvimento do trabalho realizado. No seu final, esto presentesdois anexos adicionais. Seguidamente apresentado um breve resumo de cada um dos captulos.

No Captulo 1, Introduo, feita uma exposio dos objectivos, motivao e metodolo-gias seguidas na realizao do projecto que est na base desta dissertao.

No Captulo 2, Conceitos Fundamentais sobre Inversores, pretende-se realizar umabreve apresentao das aplicaes mais comuns dos inversores DC-AC, dando particu-lar relevncia aos inversores com aplicabilidade no campo das energias renovveis. Soexpostas tambm algumas consideraes tpicas destes sistemas, como so a sua formade onda sada, requisitos operacionais como distoro harmnica, desfasamento entrea tenso e a corrente e situaes de operao indevida como a ocorrncia de Islanding.Apresentam-se tambm algumas das topologias mais comuns relativamente aos inversoresDC-AC, analisando parmetros como a existncia de isolamento galvnico entre os seusterminais de entrada e sada, a frequncia de operao do seu transformador e o nmero deetapas necessrias para realizarem a converso DC-AC.

No Captulo 3, Arquitectura do Sistema Desenvolvido, realiza-se uma descrio maisdetalhada da arquitectura do inversor implementado. efectuada uma segmentao dosistema, apresentando-se detalhadamente os mecanismos subjacentes operao de cadaseco. Tambm descrita a modelao do sistema em Simulink.

No Captulo 4, Placa PIC32, d-se particular nfase placa de desenvolvimento, baseadana arquitectura num microcontrolador PIC32, criada no mbito deste projecto e com umaaplicabilidade alargada rea de criao de sistemas embutidos em geral. Efectua-se umacontextualizao relativamente ao panorama da utilizao dos microcontroladores no de-senvolvimento de hardware, apresenta-se a motivao para a criao de uma plataformabaseada num microcontrolador de 32-bit, bem como alguns dos aspectos particulares maisrelevantes no contexto da evoluo da arquitectura dos microcontroladores alcanados par-ticularmente com os produtos desta gama da Microchip.

No Captulo 5, Software de Controlo do Inversor, so apresentados todos os fundamen-tos subjacentes aos mecanismos de sincronismo do sistema com a rede, gerao dos sinaisde referncia para o controlo da corrente, mecanismos de proteco em situaes de fun-cionamento indevido e a segmentao do sistema em tarefas.

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O Captulo 6, Resultados, apresenta as diversas situaes de funcionamento do sistemaoperando no modo Grid-Connected, nomeadamente o instante de sincronismo com a redeelctrica, o funcionamento do sistema, aps sincronizao com a rede, para diferentes n-veis de potncia injectada na rede e a operao do mecanismo de deteco de situaes deislanding. tambm efectuada uma anlise dos resultados obtidos. Para concluir a an-lise do funcionamento do inversor, so tambm apresentados os resultados do simuladorimplementado em Simulink.

O Captulo 7, Concluso, o captulo final desta dissertao e apresenta as ilaes retira-das da sua realizao. Tambm so apresentadas algumas propostas para continuao dodesenvolvimento do inversor e eventuais solues para corrigir o comportamento errneodeste em determinadas situaes de operao.

O Anexo Conceitos e Dedues Matemticas apresenta-se como um anexo tcnico emque se encontram equaes matemticas necessrias durante o processo de estudo/projectodo inversor. Tambm feita uma breve anlise aos mecanismos de falha dos MOSFETs,um dos grandes contratempos do processo de desenvolvimento deste inversor.

O Anexo Esquemas Elctricos a ltima seco desta dissertao e apresenta os esque-mas elctricos e layout das PCB do inversor e da placa de desenvolvimento.

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Captulo 2

Conceitos Fundamentais sobre Inversores

2.1 Aplicaes dos inversoresUm inversor elctrico um sistema utilizado para efectuar a converso da energia forne-

cida por fontes de corrente contnua (DC) em energia sob a forma de corrente alterna (AC).Estes dispositivos encontram-se aplicados em mltiplos sistemas tais como fontes de alimenta-o ininterruptas (UPS), sistemas de aquecimento por induo, controladores de motores AC eem sistemas de produo de energia como painis fotovoltaicos ou geradores elicos.

Enquanto elemento de fontes de alimentao ininterruptas, sistemas que asseguram a ma-nuteno da rede elctrica aos dispositivos a si conectados em caso de falha da rede principal,baterias de alta capacidade ou clulas de combustvel so utilizadas como fontes DC. Neste caso,o inversor dever facultar sua sada uma tenso alterna de caractersticas semelhantes s darede de distribuio. Nestes dispositivos, o inversor poder entrar em funcionamento apenas emsituaes de ausncia da rede elctrica, como o caso das UPS Offline, ou ento operar continu-amente, actuando como um buffer, facultando uma alimentao prxima das condies ideais darede a dispositivos bastante sensveis a flutuaes desta, como o caso das UPS Online [35].

Figura 2.1: Papel do Inversor numa Offline UPS

Em sistemas de aquecimento por induo, como fornos de fundio ou soldadores, o inversor utilizado como gerador de corrente alterna a alta frequncia. Ao gerar uma corrente de alta

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frequncia que percorre um indutor, este gera campos magnticos rapidamente variveis que, aonvel dos metais induzidos, conduzem ao aparecimento de correntes de Focault responsveis porelevadas perdas energticas sob forma de calor. A fonte DC destes sistemas provm tipicamentedo processo de rectificao e filtragem da tenso alterna da rede elctrica.

A capacidade dos inversores em operarem como fontes AC de frequncia e amplitude vari-vel, evidenciada na aplicao anterior, apresenta tambm utilidade em sistemas em que se pre-tende regular a velocidade de rotao de motores AC, sendo a base dos controladores Variable-Frequency Variable-Voltage Drive amplamente utilizados em sistemas de ventilao e sistemasde traco de mquinas elctricas. Um exemplo de aplicao emergente dos inversores o mer-cado dos carros elctricos, apresentando-se na figura 2.2 um diagrama conceptual da integraode dois inversores DC-AC no sistema de transmisso de um carro hbrido. Nestes veculos, ba-terias de alta capacidade so utilizadas como sistema de armazenamento de energia e o motorelctrico do veculo responsvel pela rotao dos eixos tipicamente um motor trifsico peloque, de modo a se providenciar potncia ao motor, um conversor DC-AC ter de ser utilizado.

Figura 2.2: Aplicao dos inversores no motor de um carro hbrido, Toyota Prius [18]

Com a crescente demanda por alternativas aos combustveis fsseis, menos poluidoras e maiseconmicas, tem-se observado nos ltimos anos um aumento da utilizao de sistemas baseadosem energias renovveis, tais como a energia elica ou solar. Tambm ao nvel domstico, tmaumentado os incentivos para a utilizao destas fontes, quer enquanto um complemento rededomstica, alimentando independentemente alguns aparelhos da habitao, quer como fontes demicrogerao permitindo a venda de electricidade rede de distribuio. No caso dos painisfotovoltaicos, uma vez que estes produzem electricidade sob a forma DC, apenas necessriaa converso para AC respeitando os parmetros da rede elctrica. Relativamente aos geradores

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elicos, existe a possibilidade de se utilizarem quer geradores DC quer geradores AC. No caso dautilizao de geradores AC, a frequncia e tenso de pico encontram-se fortemente dependentesda velocidade do vento e do binrio produzido pela rotao das ps do gerador elico pelo que,de modo a compatibilizar a energia produzida com a rede elctrica, necessria realizar umaconverso AC-DC, atravs de um processo de rectificao e filtragem, seguindo-se uma novaconverso DC-AC realizada por um inversor, respeitando as caractersticas da rede elctrica.Este ltimo exemplo encontra-se apresentado na figura 2.3

Figura 2.3: Inversor grid-connected interligado a uma mquina rotativa de gerao de energia

2.2 Caractersticas do sistema inversorEm todas as aplicaes anteriormente evidenciadas foi apresentada, de uma maneira genera-

lista, a utilidade dos sistemas inversores. No entanto, dependendo da aplicao a que se destinam,diferentes caractersticas podero ser apresentadas de acordo com as necessidades e regulamen-taes existentes para a sua operao. Como foi anunciado no captulo 1, no mbito desta dis-sertao pretende-se dar particular nfase aos inversores com aplicaes relativas converso daenergia produzida por fontes renovveis pelo que o objectivo do inversor a utilizar ser produziruma sada alternada com caractersticas compatveis com os equipamentos elctricos usualmenteligados rede de distribuio.

2.2.1 Tipos de InversoresOs inversores utilizados em sistemas de produo energtica podem ser distribudos por duas

categorias dependendo da capacidade de estes operarem ou no em conjunto com a rede elctrica.Assim, de uma maneira geral, estes dispositivos podem ser denominados como inversores stand-alone, caso no apresentem capacidade de conexo rede de distribuio, ou inversores grid-connected caso sejam capazes de se sincronizarem com a rede elctrica e fornecerem energia mesma.

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Inversores Stand-Alone

Os inversores stand-alone so sistemas que operam independentemente da rede elctrica etipicamente so utilizados em situaes onde no existe a possibilidade de ligao rede de dis-tribuio como em localizaes remotas, em barcos ou auto-caravanas, e onde h a necessidadede existncia de uma fonte de alimentao alternada para a operao de diversos dispositivos.

Figura 2.4: Aplicao de um inversor stand-alone, (Diagrama da empresa Windgen)

Uma consequncia da independncia destes inversores relativamente rede elctrica a li-berdade que a forma de onda sada destes sistemas pode apresentar. No mercado dos inversoresstand-alone existem trs grandes categorias de sistemas relativamente ao tipo de onda que estesproduzem.

Onda sinusoidal - apresenta-se como a melhor forma de onda que se pode obter atravs deum inversor por apresentar a formatao ideal do sinal da rede elctrica. Devido maiorqualidade da energia fornecida carga, estes sistemas apresentam tambm custos maiselevados.

Onda quadrada - A onda quadrada a forma de onda menos desejada que se pode ob-ter atravs de um inversor pois afasta-se tanto quanto possvel da situao ideal da redeelctrica, para o qual os dispositivos que operam com tenses alternadas foram especifi-cados. Como consequncia da sua maior simplicidade, estes inversores so tipicamentebaratos mas podero levar a baixo rendimento, causar mau funcionamento e at avariasnos dispositivos a si conectados. Contrariamente onda sinusoidal da rede elctrica, quea nvel espectral apresenta praticamente toda a sua potncia frequncia de 50Hz, a ondaquadrada apresenta a sua potncia distribuda por inmeros harmnicos da sua frequnciafundamental que podero causar os problemas referidos. Para alm do contedo espectral,a tenso de pico da forma de onda quadrada inferior ao valor de pico da onda sinusoi-dal, o que para dispositivos mais sensveis impede o seu correcto funcionamento. Como

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consequncia da forma de onda rudimentar, mesmo considerando os preos bastante redu-zidos, este tipo de inversores no apresenta geralmente uma boa relao qualidade/preoface s limitaes operacionais que apresentam.

Onda quadrada modificada - Esta forma de onda apresenta-se num nvel intermdio faces duas situaes anteriormente expostas. Neste caso, a largura dos pulsos positivos enegativos mais achatada permitindo uma maior aproximao ao valor de pico do seno.Ao mesmo tempo, a simplicidade de construo assemelha-se de um inversor de formade onda quadrada, o que lhe confere uma boa relao qualidade/preo.

Na figura 2.5 apresentada uma comparao entre os trs tipos de forma de onda.

Figura 2.5: Formas de onda sada de um inversor stand-alone

Inversores Grid-Connected

Os inversores Grid-Connected so sistemas que apresentam a capacidade de serem ligados rede de distribuio elctrica e fornecerem corrente elctrica a esta. Devido a esta possibilidade,este tipo de inversores tem o seu campo de aplicao em sistemas de microgerao, permitindoque um utilizador particular para alm de ser um consumidor seja tambm um produtor de ener-gia elctrica. No entanto, uma vez que a rede elctrica um meio de distribuio partilhado, do interesse da entidade proprietria a manuteno de nveis de qualidade desta dentro de par-metros aceitveis. Assim, contrariamente ao inversor stand-alone, em que possvel estabelecerum compromisso entre a qualidade da forma de onda e o custo final do produto, no caso dosinversores grid-connected so impostos limites muito mais rgidos relativamente distoro quea forma de onda de corrente pode apresentar, assim como frequncia e sincronismo com a ondade tenso da rede.

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Figura 2.6: Aplicao de um inversor grid-connected, (Diagrama da empresa Windgen)

2.2.2 Distoro harmnicaOs harmnicos so tenses e correntes alternadas cuja frequncia um mltiplo inteiro da

frequncia fundamental da rede elctrica.

Figura 2.7: Forma de onda da rede distorcida devido existncia de harmnicos

O aparecimento de harmnicos na rede elctrica est relacionado com a existncia de com-portamentos no lineares dos dispositivos a ela ligados. Uma fonte comum de harmnicos soos transformadores que apresentam um comportamento linear numa gama limitada de densidadede fluxo no ncleo [31], podendo apresentar uma forma de onda distorcida aos seus terminais.Outros dispositivos como rectificadores, inversores, conversores de frequncia, que possuem sis-temas comutados baseados em semicondutores tambm so fontes significativas de harmnicosna rede devido s interrupes abruptas que causam nas formas de onda de corrente durante a

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transio entre os estados de conduo e de corte.Para alm de distorcerem a forma de onda sinusoidal da tenso e corrente da rede, a existncia

de harmnicos na rede reduz a capacidade de fornecimento de potncia real e aumenta tambm asperdas por dissipao trmica nos cabos de transmisso. Os sistemas de distribuio de energiaelctrica apresentam-se dimensionados para serem capazes de fornecer uma corrente mximaIrms a todas as cargas a si conectadas. No caso da rede elctrica se apresentar constituda apenaspela onda de corrente frequncia fundamental, a potncia entregue s cargas ser a sua potncianominal. No entanto, caso existam harmnicos, o valor de Irms depender tambm da correntes frequncias relevantes, resultando a expresso 2.1.

Irms =I21 + I

22 + I

23 + ...+ I

2N (2.1)

Como as cargas da rede consomem apenas potncia real, entregue pela corrente frequnciafundamental, a existncia de componentes a altas frequncias reduz efectivamente a potncia tildos sistemas de distribuio, fazendo no entanto uso da capacidade destes. Alm disso, os har-mnicos da onda de corrente resultam num aumento das perdas por dissipao trmica nos fioscondutores e transformadores da rede. A impedncia destes elementos a frequncias elevadas superior relativamente ao valor que apresentam frequncia fundamental devido ao apareci-mento do efeito pelicular nos condutores. Este efeito caracteriza-se pela tendncia apresentadapelas correntes a alta frequncia circularem apenas nas regies perifricas dos condutores, o queleva a uma reduo efectiva da seco de conduo e consequente aumento da resistncia deste.Ao nvel dos transformadores, para alm do aumento das perdas nos enrolamentos, as corren-tes a altas frequncias podem levar ao aumento das perdas por dissipao trmica causadas porcorrentes de Foucault ao nvel do ncleo e a maiores perdas por histerese magntica.

Um outro problema indirecto causado pela existncia de harmnicos na rede a possibili-dade de existncia de fenmenos de ressonncia. Certos harmnicos podero excitar frequnciasressonantes dos sistemas, causando eventualmente danos como consequncia das altas tensesque surgem nestas situaes.

Devido aos efeitos adversos causados pelos harmnicos da rede nos dispositivos elctricose por forma a reduzir a presena destes na rede elctrica, foi criada a norma IEEE 519-1992que define prticas recomendveis para efectuar o controlo dos harmnicos da rede, estipulandotambm a distoro harmnica mxima permitida em vrios tipos de sistemas. A distoro har-mnica total (THD) uma relao que permite avaliar a distoro da rede elctrica face aos seusvalores nominais, comparando o valor da potncia espectral do sinal com a potncia apresentada frequncia fundamental, encontrando-se apresentada em 2.2.

THD% =PTotal Pfundamental

Pfundamental 100 (2.2)

A tabela 2.1 apresenta os valores limites para a corrente dos diversos harmnicos da rede emsistemas de distribuio at aos 69kV, dependendo da relao da corrente de curto-circuito e acorrente nominal no ponto de ligao entre a rede e o dispositivo a ela ligado ( ICC

IL) . Esta relao

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permite quantificar a significncia das perturbaes causadas pelo inversor na qualidade da redede distribuio, quando este opera indevidamente.

Distoro harmnica mxima em percentagem de ILHarmnicos de Ordem mpar

ICC/IL h < 11 11 h < 17 17 h < 23 23 h < 35 35 h THD %< 20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.020 50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.050 100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0

100 1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0> 1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0

Os harmnicos pares esto limitados a 25% dos valores apresentados para os harmnicos impares* Todos os dispositivos de gerao de energia esto limitados a este valor independentemente da relao ICC/IL

Tabela 2.1: Limites de distoro da corrente em sistemas de distribuio de energia at 69kV[19]

Os valores apresentados devero ser aplicados no pior caso de funcionamento, em situaesde operao anormal dos sistemas durante perodos superiores a uma hora. Em situaes tran-sitrias, causadas por arranques e condies no usuais, os limites apresentados podero serexcedidos em 50% [19].

A existncia de harmnicos na rede elctrica continuar a ser um problema uma vez quecada vez mais dispositivos que os produzem so adicionados s redes elctricas. No entanto, umprocesso de desenvolvimento destes sistemas tendo em considerao a existncia deste problemalevar a um melhor controlo e reduo dos efeitos negativos causados por estas perturbaes.

2.2.3 IslandingUma das preocupaes relativas instalao e operao de sistemas distribudos de gerao

de electricidade prende-se com a deteco de situaes de islanding. O conceito de islanding definido pela norma IEEE 1547 como uma condio em que parte de uma rede de distribuiocontinua a ser alimentada por um sistema de produo de energia, ainda que a rede principaldeixe de estar presente. Esta situao pode ser bastante perigosa para trabalhadores que realizema manuteno de instalaes elctricas, uma vez que podem no se aperceber que, embora tenhasido desligada a rede, esta continua a ser alimentada por um outro dispositivo a ela ligado. Poresta razo, geradores distribudos devero ser capazes de detectar estas situaes de falha e cessarimediatamente o fornecimento rede, sendo este mecanismo conhecido como anti-islanding.

Existem vrios mtodos utilizados para detectar esta situao sendo agrupados em trs ca-tegorias distintas: mtodos passivos, activos e mtodos envolvendo redes de comunicaes. Osmtodos passivos limitam-se a monitorizar as variaes de parmetros da rede como o valorde pico da voltagem, a frequncia, saltos de fase ou o contedo espectral da rede, cessando asua operao quando estes se afastam das gamas de operao admissveis. Os mtodos activosdeterminam o estado da rede introduzindo deliberadamente perturbaes no circuito, tais comodesvios de frequncia na corrente injectada ou medio de impedncia da rede avaliando a res-posta da rede segundo parmetros esperados. O terceiro mtodo baseia-se na utilizao de redes

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de comunicao atravs do qual os sistemas ligados rede recebem informaes sobre o estadodesta, normalmente enviada a partir de sistemas de controlo centralizados [4].

A existncia de diferentes metodologias para detectar as situaes de falha da rede elctricadeve-se ao facto de poderem ocorrer situaes em que a sensibilidade destes sistemas e os tiposde carga apresentados sua sada impossibilitarem a correcta distino entre o funcionamentonormal da rede e as situaes problemticas em que o inversor se encontra a suportar a rede.Assim, existiro zonas de no-deteco que devero ser avaliadas e condicionaro a aceitao eutilizao dos inversores em sistemas ligados rede de distribuio.

2.3 Reviso das topologias de inversoresOs recentes avanos na tecnologia dos semicondutores, observvel ao nvel do aumento da

robustez dos componentes de comutao, capazes de suportar altas potncias e altas frequnciasde comutao, e o aparecimento de ferrites capazes de operar a frequncias cada vez mais ele-vadas, com menores perdas por histerese e correntes de Foucault, tiveram um grande impacto naevoluo das topologias dos inversores, a nvel da sua eficincia, tcnicas de controlo utilizadase potencial de reduo de custos de produo. Embora a reduo de custos e o aumento da efi-cincia sejam os aspectos mais positivos para o mercado de vendas destes produtos, a robustez,segurana, compatibilidade electromagntica e funcionalidades de monitorizao tm recebidocada vez mais ateno por parte dos projectistas. Alm disso, a especificidade da aplicao a quese destinam como a potncia nominal pretendida e a gama de tenses de entrada que permitem aoperao do sistema, acabam por definir as abordagens a utilizar e condicionar a complexidadedas topologia em prol dos melhores resultados na etapa de converso de DC para AC.

Seguidamente sero apresentadas algumas topologias deste tipo de sistemas.

Inversor comutado sem transformador de isolamento

Nos ltimos anos, a cota de mercado dos inversores sem transformadores de isolamento temaumentado ligeiramente por apresentarem geralmente uma boa eficincia, baixos custos de pro-duo e reduzidas dimenses. No entanto, estes possuem uma grande desvantagem que ainexistncia de isolamento galvnico entre a fonte da entrada e a rede elctrica, existindo entoa possibilidade de correntes no desejadas flurem entre as duas seces do sistema. Como con-sequncia de no existir desacoplamento da rede elctrica, em situaes de falha no controlo,existe a possibilidade de corrente DC ser injectada nesta levando saturao dos ncleos dostransformadores de outros dispositivos e consequentemente danific-los por sobreaquecimento.Do ponto de vista do lado DC do sistema, no caso da fonte de entrada ser um painel fotovol-taico, conhecido que a sua superfcie forma um condensador relativamente terra, tanto maiorquanto maior for a rea do painel pelo que, inversores sem transformador e que no garantamuma ligao terra na sua entrada, permitem que flutuaes de potencial entre a terra e o painelcarreguem a capacidade parasita destes e, no caso de uma pessoa ligada terra tocar no pai-nel fotovoltaico, haja uma descarga atravs desta causando acidentes elctricos [24, 28]. Nestastopologias, dependendo da tenso disponibilizada pela fonte DC entrada, poder ser ou no

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necessria uma etapa de elevao de tenso, atravs da utilizao de conversores DC-DC. Segui-damente realizada a converso DC-AC atravs da utilizao de uma ponte inversora constitudapor circuitos de comutao que alternam o seu funcionamento a uma frequncia bastante elevada,sendo o duty-cycle de funcionamento da ponte modulado por uma onda sinusoidal a 50Hz. Se-guidamente procede-se a uma fase de filtragem, de modo a eliminar o contedo espectral a altafrequncia da corrente, antes de se efectuar a ligao rede elctrica.

Figura 2.8: Inversor comutado sem transformador de isolamento

Existem no entanto topologias no isoladas que permitem minimizar os problemas da ine-xistncia de isolamento entre a rede e a fonte entrada, como a topologia flying inductor, querealiza a elevao e modulao da tenso DC para AC numa nica etapa e permite que a entradado sistema esteja ao mesmo potencial da sada [24].

Inversor com transformador operando a 50Hz

Quando a existncia de isolamento galvnico um requisito obrigatrio na implementaode um inversor, torna-se necessria a utilizao de um transformador. O modelo apresentadona figura 2.9 um exemplo de uma topologia em que est presente do lado AC do sistema umtransformador que, para alm da sua utilizao enquanto elemento elevador de tenso, permitetambm efectuar o isolamento galvnico entre os dois terminais do inversor.

Nesta topologia, a modulao da tenso DC realizada a baixa tenso e, aps passagem poruma etapa de filtragem, obtm-se um sinal sinusoidal a 50Hz, que apenas necessita de ser elevadoa uma tenso superior da rede elctrica. Esta ltima etapa efectuada recorrendo a um transfor-mador elevador especificado para operar a 50Hz. No entanto, um transformador dimensionadopara esta frequncia de operao e capaz de suportar potncias razoavelmente elevadas apresentaum ncleo de grandes dimenses de modo a no saturar, o que se torna bastante dispendioso.

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Devido a esta ltima fase, este sistema no adoptado quando so necessrias grandes potncias[24].

Figura 2.9: Inversor com transformador de isolamento de baixa frequncia

Inversor com transformador operando a alta frequncia

Uma vez que a utilizao de um transformador, elemento necessrio para realizar o isola-mento galvnico do sistema, um componente que compromete as dimenses e o custo final dosistema, importante que a topologia deste permita a utilizao de um com menores dimensespelo que, este dever ser colocado numa seco em que opere a altas frequncias.

Na topologia apresentada na figura 2.10, o isolamento e a elevao de tenso so realizadosao nvel do conversor DC-DC presente entrada do sistema. A etapa seguinte ser realizar a mo-dulao da tenso DC, j a uma tenso superior da rede elctrica, utilizando-se uma portadorade alta frequncia modulada por uma onda sinusoidal de 50Hz, sendo posteriormente realizada aligao rede atravs de um filtro passa baixo de modo a se ter uma onda sinusoidal frequnciada rede.

Uma das grandes vantagens desta topologia vem da modularidade e expansibilidade que apre-senta, pois a elevao da tenso e a sua modulao so realizadas em etapas distintas. Assim,em situaes em que existem mltiplas fontes de energia possvel utilizar vrios conversoresDC-DC, que maximizam individualmente a potncia extrada de cada fonte, e so conectados aum nico conversor DC-AC centralizado, conceito apresentado na figura 2.11 [36].

No entanto, para sistemas em que apenas se pretende utilizar uma nica fonte DC, a modu-laridade da topologia apresentada no constitui uma vantagem uma vez que apresenta potencial-mente mais perdas ao nvel dos componentes de comutao e maior rudo a alta frequncia pois necessrio proceder a comutaes a alta frequncia em duas fases distintas, na etapa de elevaoe na modulao da tenso DC.

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Figura 2.10: Inversor com transformador de isolamento a alta frequncia

Figura 2.11: Diagrama conceptual da implementao modular de um inversor DC-AC

Inversor comutado com isolamento galvnico e modulao no primrio do transformador

Seguindo o mesmo princpio de isolamento do sistema apresentado anteriormente, tambmnesta topologia, apresentada em 2.12, se utiliza um conversor comutado para realizar a elevaoda tenso da fonte DC e garantir a existncia de isolamento galvnico entre a entrada e a sadado sistema. No entanto, ao invs de na primeira etapa se efectuar unicamente a elevao do nvelDC, a comutao do primrio do transformador realizada de modo sada do conversor seguirum set-point varivel ao longo do tempo, modulado por arcadas sinusoidais positivas a 100Hz.Aps uma primeira filtragem passa-baixo para eliminar a componente de alta frequncia do sinal, requerido um sistema adicional que realize a inverso das arcadas a 100Hz, de modo a se obteruma sinuside com uma frequncia de 50Hz. A filtragem presente na etapa final do sistema,para alm de permitir eliminar algum rudo resultante da etapa de inverso das arcadas a baixafrequncia, permite desacoplar o primeiro filtro da rede e tambm controlar o fluxo de correnteinjectada na rede, quando se pretendem interligar dois sistemas alternados.

Esta implementao permite tambm reduzir o nmero de elementos comutadores a operara alta frequncia, comparativamente topologia apresentada anteriormente, diminuindo o po-

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tencial de perdas nos elementos comutadores, reduzir as dimenses do sistema por agrupar asfases de modulao, elevao e isolamento numa nica etapa e, consequentemente, minimizar oscustos de implementao.

Figura 2.12: Inversor com transformador de isolamento a alta frequncia

com base nesta topologia que se implementou o inversor desta dissertao pelo que, nocaptulo seguinte ser realizada uma exposio detalhada de todas as etapas do mesmo.

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Captulo 3

Arquitectura do sistema desenvolvido

O inversor desenvolvido nesta dissertao um dispositivo que apresenta uma sada monof-sica, tem uma gama de tenses de entrada entre os 20V e os 50V e uma potncia mxima 2.3kVAcom capacidade de operar no modo grid-connected. A topologia do sistema baseada no inver-sor com isolamento galvnico e modulao no primrio, brevemente apresentada no captulo2, e ser agora exposta de uma forma mais detalhada. Para tal, efectuou-se uma segmentaodo sistema nos blocos funcionais apresentados em 3.1, explicados individualmente nas secesseguintes.

Figura 3.1: Diagrama de blocos do Inversor

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3.1 Fonte Primria

A fonte primria utilizada para realizar os testes apresentados nesta dissertao constitudapor um banco de baterias ligadas em srie, duas de 12V e uma de 6V, que totalizam uma tensoDC de 30V, ligadas em paralelo com uma fonte DC, que efectua o carregamento contnuo destas.Em condies finais de desenvolvimento, de acordo com a regulamentao nacional relativa microgerao, um inversor que opere no modo grid-connected no necessita de um bancode baterias uma vez que toda a energia produzida , muito vantajosamente, vendida rede dedistribuio. No entanto, num futuro prximo, o produtor poder optar por armazenar energianum banco de baterias, quando a produo energtica superior ao seu consumo e utilizar arede de distribuio apenas em situaes pontuais.

Em paralelo com a entrada encontra-se um conjunto de quatro condensadores de alta capa-cidade, totalizando 40mF, que permitem manter o ripple da tenso em nveis reduzidos quandoh um grande fluxo de corrente na entrada do inversor, e actuar como buffer durante alguns ci-clos em caso de falha da fonte primria. Na figura 3.2 encontra-se representada esta seco dosistema.

Figura 3.2: fonte Primria do Inversor

3.2 Elevao, Modulao e Isolamento Galvnico

Uma das caractersticas particulares deste inversor o facto da implementao do sistema dedesacoplamento galvnico, elevao e modulao da tenso DC da fonte primria ser realizadanuma nica etapa.

O isolamento galvnico entre a seco DC e a seco AC do sistema bem como a elevaoda tenso so realizados atravs da utilizao de um transformador com uma relao de espirasapropriada. A funo do transformador transferir energia entre a sua entrada e sada atravsde um campo magntico mas, devido existncia de comportamentos no ideais ao nvel do seuncleo, existem limitaes no que concerne ao fluxo magntico mximo suportado e consequen-temente potncia mxima do transformador. Em situaes em que necessrio transferir gran-des potncias, a utilizao de transformadores a baixa frequncia implica a utilizao de ncleosde grande dimenso, de modo a que o limiar da saturao destes nunca seja atingido pelo fluxomagntico gerado. Ainda que esta soluo seja eficaz do ponto de vista dos resultados, o maior

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peso e dimenses resultantes tornam este componente muito volumoso e dispendioso. Na im-plementao de um inversor, em vez de se aumentar o tamanho do ncleo, prefervel aumentara sua frequncia de operao. No entanto, a operao a altas frequncias leva ao aparecimentode novos mecanismos de perdas quer no ncleo, relacionados o aparecimento de correntes deFoucault, quer nos condutores, devido ao efeito pelicular e de proximidade, que se revelam naforma de maior dissipao trmica. Para ultrapassar estes problemas, torna-se necessrio utilizarncleos com elevada resistividade a altas frequncias, como ferrites, ncleos de ferro laminadoou ncleos de p de ferro [20] e condutores que garantam uma distribuio de corrente uniformepelo condutor como o caso do fio de Litz, em que os elementos condutores alternam a suaposio relativa ao longo do cabo como apresentado na figura 3.3.

Figura 3.3: Diferentes tipos de fio de Litz da empresa New England Wire

Em concordncia com os conceitos expostos, o transformador utilizado neste inversor foidimensionado para operar a 133kHZ, apresentando um ncleo de ferrite de material N30 dofabricante EPCOS, um enrolamento primrio feito em folha de cobre de modo a apresentar umamenor resistncia passagem das correntes elevadas e possibilitar uma maior rea de dissipaotrmica do condutor, e um enrolamento secundrio realizado com fio de Litz. Relativamente aoltimo, optou-se pela utilizao de um enrolamento simples, sem tomada central, uma vez que,sendo este transformador um elevador de tenso para valores superiores ao pico da rede elctrica,a tenso diferencial que se obtm aos terminais do secundrio ser metade da que se teria no casodo transformador ter tomada central, que seria bastante elevada e possvel fonte de problemas desegurana/isolamento no sistema [32].

Para controlar a tenso aplicada aos terminais do enrolamento primrio e consequente fluxomagntico que percorre o ncleo do transformador, existem duas categorias gerais de sistemasde comutao, conhecidos como topologias single-ended e topologias double-ended. Nas topo-logias single-ended, o enrolamento primrio sempre submetido a uma tenso com a mesmapolaridade durante o tempo em que os circuitos de comutao esto fechados. Devido a estefacto, de modo a evitar a magnetizao do ncleo do transformador, necessrio garantir a exis-tncia de um perodo, no qual os comutadores esto em aberto, suficientemente grande de modo

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a permitir a anulao do fluxo magntico no ncleo. Neste caso, a desmagnetizao do ncleo realizada de forma natural, o que resulta num uso ineficiente das capacidades deste e con-sequentemente impe uma limitao na transferncia mxima de energia atravs do ncleo dotransformador [11].

Em sistemas em que seja necessrio maximizar a transferncia de energia entre os enrola-mentos do transformador, opta-se pela utilizao de topologias double-ended. Estas permitemalternar a polaridade da tenso aplicada ao primrio do transformador o que, sendo efectuado deuma forma simtrica, fora o anulamento da magnetizao do ncleo. Esta soluo necessita,no entanto, de mais do que um circuito de comutao e, eventualmente, transformadores comenrolamentos mais complexos. De entre as diversas topologias double-ended conhecidas, comoa configurao Push-Pull, Half-Bridge ou Full-Bridge, foi utilizado um circuito segundo o con-ceito Full-Bridge pois permite a utilizao de um transformador com dimenses mais reduzidoscomparativamente s restantes topologias, para os mesmos resultados ao nvel da transfernciade potncia para o enrolamento secundrio do transformador. Na topologia Full-Bridge, o anula-mento forado do fluxo magntico no est tambm dependente de condies de exacta simetriados enrolamentos, como o caso da topologia Push-Pull. O conceito de funcionamento destesistema encontra-se apresentado em 3.4

Figura 3.4: Alternncia da tenso aplicada ao enrolamento primrio utilizando uma topologiadouble-ended baseada em Full-Bridge

Ao nvel da implementao da Full-Bridge, necessria a utilizao de quatro circuitos co-mutadores dispostos em ponte H, como apresentado na figura 3.4. Devido elevada correnteque circula no enrolamento primrio, foram utilizados como circuitos comutadores em cada sec-o da ponte dois MOSFETs de potncia, com baixa resistncia de conduo (RDS), na ordemdos 10m. Estando estes componentes dispostos em paralelo, como evidenciado em 3.5, cadaMOSFET necessita de suportar apenas metade da corrente mxima que flui pelo enrolamentoprimrio, e a reduo consequente da resistncia de conduo equivalente do comutador permiteuma maior reduo das perdas por dissipao trmica, dada por P = RDS I2.

Outra vantagem relativa utilizao de uma Full-Bridge o facto da tenso mxima de VDSinverso a que um MOSFET est sujeito se encontra sensivelmente limitada a VDC . Devido ine-

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Figura 3.5: Implementao da Full-Bridge com MOSFETs em pares

xistncia de acoplamento magntico ideal entre os enrolamentos do transformador, existe energiaque no transferida para o enrolamento secundrio ficando armazenada em indutncias de fu-gas no enrolamento primrio. No instante em que se desligam os MOSFETs em conduo nopode ocorrer um anulamento brusco no fluxo magntico da indutncia de fugas uma vez que issocausaria o aparecimento de uma tenso bastante elevada aos seus terminais. No caso da Full-Bridge, uma vez que os MOSFETs apresentam dodos roda-livre intrnsecos em paralelo, quandoum par de MOSFETs passa ao estado OFF, a brusca inverso de tenso aos terminais do primriodo transformador polariza directamente dois dodos de roda livre do par de MOSFETs oposto,sendo desta forma realizado o clamping ao pico de tenso gerado. No entanto, de modo a salva-guardar o sistema do facto dos dodos de roda livre no entrarem em conduo instantaneamenteaps o corte da corrente no MOSFET, mesmo usando dispositivos onde os dodos intrinsecos sogarantidamente rpidos, e de forma a existir sempre um caminho por onde a energia armazenadana bobine possa fluir durante o perodo em que nenhum dos comutadores se encontra aberto,paralelamente aos MOSFETs esto colocados snubbers, circuitos que na forma mais simples socompostos por uma resistncia e um condensador em srie, que efectuam o amortecimento dopicos de tenso gerado durante um curto perodo de tempo. A implementao do snubber RCencontra-se apresentada na figura 3.6.

Devido existncia destes componentes de proteco, no necessrio utilizar MOSFETscom capacidade para suportar tenses VDS bastante elevados, que normalmente apresentamRDS(ON) maiores, reduzindo as perdas por dissipao nestes componentes.

Na figura 3.7 apresentado um diagrama temporal relativo a dois perodos de comutao daponte, onde so observveis os nveis de tenso em vrios pontos da ponte H.

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Figura 3.6: Implementao de um snubber RC para proteco do MOSFET do regime transitrio

Figura 3.7: Diagrama temporal das vrias tenses relevantes na Full-Bridge

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Nesta configurao, dois dos circuitos de comutao, localizados no topo da ponte H, estoreferenciados a uma tenso flutuante, pelo que necessria a utilizao de drivers opticamenteisolados de ataque s respectivas gates com alimentaes independentes. Ainda que no sejanecessrio, os MOSFETs da seco inferior da ponte so actuados tambm utilizando driversisolados, estando desta forma todos os componentes da seco de potncia DC isolados do cir-cuito lgico de controlo do inversor ou qualquer outro dispositivo de monitorizao a si ligado,como um computador atravs de um cabo srie ou USB, eliminando tambm todas as pertur-baes eventualmente causadas pela comutao a alta frequncia da Full-Bridge no circuito decontrolo.

Numa topologia Full-Bridge possvel, teoricamente, que o transformador tenha um duty-cycle de operao de 100% o que significa que sua entrada est aplicada uma tenso na to-talidade do tempo e este est a fornecer potncia sua sada continuamente. No entanto, re-lativamente aos circuitos de comutao, uma vez que o funcionamento destes numa ponte H alternado, na situao referida cada comutador estar no mximo 50% do tempo no estado ON,de modo a que a tenso mdia aplicada ao primrio seja nula ao fim de um periodo. com baseneste conceito que feito o controlo dos MOSFETs da ponte H, sendo o perodo de tempo em queo transformador est em operao controlado por um sinal PWM, proveniente do microcontrola-dor, com uma frequncia de 133kHZ e um duty-cycle varivel. De modo a evitar a ocorrncia decurto circuitos ao nvel da comutao da Full-Bridge e proteger o sistema de elevadas correntes sua entrada, os MOSFETs da ponte H so controlados atravs de um circuito digital que garantea exclusividade mtua das activaes dos segmentos da ponte, reduzindo assim a possibilidadede erros de software causarem problemas.

Figura 3.8: Mecanismo de Gerao dos sinais de controlo da ponte H

Atravs de um circuito de diviso de frequncia e lgica adicional, apresentado na figura 3.8, obtido o sinal de controlo individual de cada segmento da ponte H. Na realidade, uma vezque a transio entre o estado ON e o estado OFF dos MOSFETs no instantneo e existem

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atrasos relativos actuao dos drivers de ataque. De modo a evitar a ocorrncia de curto-circuitos na ponte entre as transies de estados, dever-se- garantir um tempo morto nas trocasdos MOSFETs em conduo, limitando-se o tempo mximo de funcionamento do transformadorconservativamente a 85% do perodo de controlo. Esta situao encontra-se evidenciada na figura3.9.

Figura 3.9: Relao entre sinal PWM de controlo do microcontrolador e os sinais individuais deataque aos MOSFETs

Uma vez que o anulamento do fluxo magntico totalmente controlado pela Full-Bridge, possvel que a existncia de assimetrias no mecanismo de comutao no garantam uma ten-so mdia aplicada ao primrio do transformador nula. Desta forma, existir sempre um fluxomagntico remanescente que, ao fim de alguns ciclos de operao poder levar saturao doncleo do transformador e, consequentemente, ao aparecimento de correntes bastante elevadasque causam desgaste no transformador e podem exceder as especificaes do sistema. De modo aproteger o sistema destas situaes, foi utilizado um circuito de comparao rpido, apresentadogenericamente na figura 3.10, cujo resultado desactiva o circuito de ataque aos MOSFETs at aofim do ciclo de actuao quando o limite de corrente mxima ultrapassado, efectuando-se assimo ajuste dinmico do valor mximo do duty-cycle dependendo das condies de funcionamentodo sistema.

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Figura 3.10: Circuito de proteco do Inversor contra sobre-correntes

O sinal Pulse-Width Modulation que controla a comutao da Full-Bridge permite obter aonvel do secundrio do transformador um sinal de tenso que apresenta apenas valores de tensodiscretos, Vsec , Vsec e 0. De modo a se produzir uma onda de corrente compatvel com arede elctrica sada do inversor, necessrio utilizar uma tcnica de modulao do valor doduty-cycle do sinal de PWM de forma a que, aps a utilizao de um filtro com caractersticapassa-baixo, se consiga recuperar uma onda sinusoidal com a frequncia de 50Hz.

Figura 3.11: Sinal PWM com duty-cycle modulado sinusoidalmente

Na figura 3.11 apresentado um sinal PWM com uma frequncia portadora baixa, de modoa permitir uma fcil observao da dinmica deste mtodo. Este tcnica ser alvo de uma abor-dagem mais detalhada no captulo 5.

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3.3 Rectificao e FiltragemComo foi explicitado na seco anterior, de modo a ser possvel transferir energia atravs do

transformador, foi realizada a modulao sinusoidal a alta frequncia de uma tenso DC aplicadaao enrolamento primrio do transformador. De modo a evitar a saturao do ncleo do transfor-mador, a polaridade da tenso aplicada ao nvel do enrolamento primrio foi alternada a umafrequncia de 133kHz, o que se reflecte da mesma forma ao nvel do enrolamento secundrio,como apresentado na figura 3.12. Assim, antes de realizar a filtragem do sinal de alta frequn-cia, necessrio proceder a uma etapa de rectificao da tenso aps o enrolamento secundrio,utilizando um sistema de rectificao passivo constitudo por uma ponte de dodos, especificadospara operar a elevadas frequncias e suportar grandes tenses inversas.

Figura 3.12: Tenso ao nvel do enrolamento secundrio do transformador de isolamento

Para recuperar o sinal AC a 50Hz necessrio utilizar um filtro passa baixo que apresenteuma atenuao to elevada quanto possvel ao nvel da frequncia portadora utilizada. De modoa garantir uma boa relao entre a dimenso dos componentes do filtro e a atenuao deste foiutilizado um filtro LC. Este filtro de segunda ordem e apresenta uma atenuao de 40db/dec,acima da sua frequncia de corte, dada por fc = 1/(2 pi

LC).

Um factor crtico relacionado com a implementao de filtros de segunda ordem a atenuaoque estes apresentam sua frequncia de ressonncia. Para frequncias bastante prximas destevalor, o ganho do sistema idealmente infinito o que poder causar instabilidade e at danos nosistema devido s grandes tenses que podem surgir, caso haja excitao do filtro frequnciareferida. De acordo com [27], para limitar o ganho do filtro dever-se- colocar uma resistncianuma das posies evidenciadas na figura 3.13.

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Figura 3.13: Locais possveis para colocao da resistncia de amortecimento do filtro

No filtro implementado colocou-se uma resistncia em srie com o condensador de filtragemuma vez que esta situao resulta em menores perdas no elemento resistivo pois apenas a cor-rente frequncia dos harmnicos mais elevados fluir por este, cuja magnitude , j em parte,atenuada pela indutncia Li. Caso se colocasse nas restantes posies, a corrente frequnciafundamental, que a componente de maior relevncia neste caso, seria responsvel por perdasmais significativas na resistncia, reduzindo o rendimento do sistema. O comportamento do sis-tema para diferentes valores de Rd poder ser mais bem compreendido analisando a funo detransferncia deste sistema.

Figura 3.14: Filtro passa-baixo do tipo LC

A funo de transferncia do filtro apresentado em 3.14 dada por 3.1

VgVi

=

1LiCf

+ sRdLi

s2 + sRdLi

+ 1LiCf

(3.1)

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Sendo este sistema um sistema de segunda ordem, a sua funo de transferncia poder serreescrita de forma aos seus coeficientes terem significado fsico, resultando a forma padro apre-sentada em 3.2.

VgVi

=2n

s2 + 2ns+ 2n(3.2)

Igualando a equao caracterstica do filtro do sistema de segunda ordem vem 3.3, em quen a frequncia natural no amortecida do sistema, correspondente frequncia de ressonnciado filtro passa baixo, e o coeficiente de amortecimento do sistema.

2n =1

LC =

RdC

2L

(3.3)

Os plos do filtro sero dados por 3.4.

s1,2 = n jn

1 2 (3.4)

Dependendo do valor de , o filtro apresentar um maior ou menor amortecimento frequn-cia de ressonncia. Para < 1, os plos do filtro so complexos conjugados, o que confereum comportamento com peaking resposta do sistema. Coeficientes de amortecimento muitosuperiores a 1 atenuam bastante a resposta do filtro frequncia de ressonncia mas aumentamtambm a largura de banda do filtro. Existe assim um compromisso entre atenuao frequnciade ressonncia e s altas frequncias sendo utilizados factores de amortecimento tipicamente su-periores a 0.707 mas pouco superiores a 1. Este ajuste efectuado seleccionando uma resistnciaRd apropriada, com base na expresso 3.5, sendo os diagramas de Bode para as trs situaes deamortecimento referidas apresentados na figura 3.15, para L=330H e C = 3 F .

Rd = 2

L

C(3.5)

De modo a se concretizar uma filtragem eficaz do sinal AC, a frequncia de corte destefiltro dever estar a uma frequncia bastante inferior frequncia do sinal PWM, 133kHz, demodo a atenuar eficazmente o contedo espectral resultante da modulao a alta frequncia. Odimensionamento deste filtro encontra-se apresentado no Anexo A.

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Figura 3.15: Variao da resposta em frequncia do filtro para trs coeficientes de amorteci-mento: 1 - < 0.707; 2 - = 1; 3 - >> 1

3.4 Ponte Inversora de Arcadas

Devido ao facto da polaridade do enrolamento secundrio do transformador de isolamentoser alternada, a uma frequncia de 133kHz, entre uma tenso positiva e negativa e, de modo a serpossvel efectuar uma filtragem passa-baixo deste sinal, se ter recorrido a uma ponte de rectifica-o, sada da etapa de filtragem obtm-se arcadas positivas de sinuside com uma frequnciade 100Hz. De modo a recuperar uma onda AC com uma frequncia de 50Hz, recorreu-se auma ponte H para, a uma frequncia de 50Hz, inverter a polaridade do sinal. Com o inversor aoperar no modo grid-connected as comutaes desta ponte devero estar sincronizadas com aspassagens por zero da rede elctrica e em fase com esta, de modo que a tenso sada da ponteesteja sempre acima da tenso da rede, no caso das arcadas positivas, e abaixo desta nas arcadasnegativas.

A ponte H utilizada composta por componentes de comutao forada, sendo as transiesentre os estados ON e OFF realizadas pelo microcontrolador. Os circuitos comutadores utiliza-dos nesta seco so IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistors. Estes componentes combinamas melhores caractersticas dos transstores bipolares e dos MOSFETs, podendo ser vistos comouma configurao Darlington dos dois componentes anteriores. Tal como os MOSFETs, os IGBTapenas necessitam de uma tenso suficientemente alta na gate para conduzirem e, tal como ostransstores bipolares, estes apresentam uma capacidade de conduo de correntes elevadas entreo colector e emissor. Alm disso, os IGBT apresenta uma tenso de conduo que varia muito

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pouco com a corrente de conduo e a temperatura do componente, o que o torna mais imune destruio por embalamento trmico que ocorre nos MOSFETs. Na situao dos MOSFETs, aresistncia de conduo que estes apresentam depende da corrente de conduo e, quando maispotncia este dissipar emRds, mais o MOSFET aquece e consequentemente maior a resistnciaque este apresenta o que conduz a uma ainda maior dissipao trmica. As vantagens apresen-tadas fazem com que actualmente os MOSFETs sejam preteridos pelos IGBT em sistemas combaixas frequncias de operao, que envolvem grandes tenses e onde onde as comutaes doscomponentes so suaves, tipicamente nas passagens por zero da tenso.

semelhana da Full-Bridge previamente apresentada, tambm este circuito pode causardanos acentuados no inversor caso seja mal comutado. Uma vez que esta ponte totalmentecontrolada pelo microcontrolador, ao nvel do cdigo esto implementadas medidas que salva-guardam os tempos mnimos de transio entre estados dos comutadores, de modo a evitar aocorrncia de curto-circuitos na ponte, pois o inversor encontra-se ligado rede elctrica e estaponte tem obrigatoriamente um duty-cycle de operao prximo dos 100%.

Tambm nesta ponte H so utilizados quatro drivers de ataque s gates dos IGBT, optica-mente isolados sendo necessrias trs alimentaes independentes, duas utilizadas pelos circui-tos responsveis pelo ataque do High-Side da ponte H e a terceira utilizada pelos dois circuitosde ataque aos comutadores Low-Side. Os sinais de comutao desta ponte provm de dois por-tos digitais do microcontrolador. Em condies normais de funcionamento, esta ponte apresentareduzidas perdas relativas comutao por esta ser realizada em instantes em que a tenso ecorrente so muito baixas ou nulas. No entanto, na eventualidade da corrente no estar em fasecom a tenso torna-se necessria a utilizao de snubbers de modo a proteger os IGBT de danoscausados por consecutivos picos de tenso que podem surgir no caso de se realizar uma comu-tao quando a corrente no nula. O esquema referente a esta seco do inversor encontra-seapresentado na figura 3.16.

Figura 3.16: Esquema da ponte inversora de arcadas, constituda por IGBT

O controlo desta ponte totalmente realizado por software e a comutao de estado de condu-o dos IGBT sincronizada com as deteces de passagem por zero, de modo a que o inversor

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injecte corrente em fase com a tenso da rede elctrica. A cada passagem por zero gerada umainterrupo no microcontrolador. O circuito que permite detectar as passagens por zero da redeelctrica encontra-se apresentado na figura 3.17.

Figura 3.17: Mecanismo de deteco de passagens por zero da rede elctrica

Este sistema, embora funcione bastante bem quando a qualidade do sinal da rede ideal, nocaso da tenso da rede apresentar algum rudo ou quedas abruptas (por interferncia de outrosdispositivos por exemplo), conduz a um ritmo de deteces de passagens por zero mais elevadodo que o esperado que, caso no seja filtrado devidamente, ser responsvel pelo mau sincro-nismo do inversor com a rede. Esta filtragem realizada ao nvel do software de controlo doinversor e ser abordada com mais detalhe no captulo 5.

3.5 Filtro de RedeEsta nova etapa de filtragem constituda por uma indutncia em srie com a sada do sis-

tema. Este filtro passa baixo utilizado para atenuar os harmnicos da corrente causados pelacomutao forada dos IGBT da ponte inversora, situao que ocorre quando a corrente no estexactamente em fase com a tenso, e a comutao dos IGBT no ocorre num instante de correntenula. Alm disso, a bobine em srie permite controlar o ripple da corrente injectada na rede elc-trica, que ser tanto menor quanto maior for a indutncia utilizada. No entanto, quanto maior fora indutncia da bobine utilizada pior a dinmica de resposta do sistema, uma vez que para umamaior variao da corrente necessria sada, a bobine necessita de integrar tenso durante umperodo de tempo superior.

Outra funo bastante importante deste ltimo filtro permitir o desacoplamento do sistemainversor relativamente rede elctrica. Uma vez que o inversor se encontra conectado a uma rede,existe sempre uma impedncia de carga para o inversor que bastante varivel devido a condici-onantes como a distncia ao posto de transformao ou o tipo de cargas ligadas na rede. Devidoa este facto, a frequncia de ressonncia do filtro LC, exposto previamente, apresentar varia-es, no sendo possvel assegurar um comportamento uniforme deste em diferentes instalaes

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e garantir que se vai realizar uma filtragem eficaz frequncia de modulao e seus harmnicos.Assim, esta ltima etapa de filtragem permite que a anlise do filtro LC entre em consideraounicamente com uma carga indutiva de valor conhecido, tipicamente de valor bastante superiorao da rede, resultando esta situao efectivamente num filtro LCL.

Figura 3.18: Indutncia a interligar duas fontes de tenso alternada

Este filtro pode ser apresentado ainda como o elemento de ligao entre duas fontes alternadascom a mesma frequncia, tal como apresentado na figura 3.18, controlando o fluxo de energiade acordo com a magnitude das suas tenses e o desfasamento existente entre estas. No casodo inversor ligado rede, pretende-se que o desfasamento entre estas duas fontes seja nulo e amagnitude da onda de tenso gerada pelo inversor seja superior da rede, de modo a que potnciaactiva circule para a rede elctrica.

3.6 Sistema de alimentaes isoladas

Como foi evidenciado durante a anlise da implementao do inversor, este sistema pode sersegmentado basicamente em duas grandes seces: uma relacionada com a lgica de controlo eoutra associada aos circuitos de potncia. Associada a este particionamento do sistema, devido stopologias adop