(modelo de capa de projeto de monografia)antenor/pdffiles/relatorio_tfc...de chaveamento, deve estar a 1/10 da comutação, o que permite uma atenuação de 40 dB (100 vezes). 5 (2.1)

Universidade Estadual de Campinas

Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação

Walter Luiz Manzi de Azevedo – RA 157573

Curso: Eng. Elétrica Integral - 11

Estudo do sistema de controle de inversor monofásico para geração distribuída

Orientador: Prof. Dr. José Antenor Pomilio

Campinas

2° Semestre/2019

2

RESUMO

Neste trabalho foi simulado um conversor CC/CA para operação com a rede elétrica

e em ilhamento. Dois tipos de controle foram considerados para cada situação. Um

controlador proporcional integral (PI) para a primeira situação que controla a corrente

e um controlador proporcional (P) para a para o controle da tensão no modo ilhado.

Foram analisados os resultados em regime permanente e no transitório causado

entre cada modo de operação. Em regime, o sistema teve um bom comportamento.

Durante as transições se verificou que ocorrem sobre tensões que podem causar

danos às cargas. Foram estudadas maneiras para aliviar o impacto da transição. Em

uma o controle proporcional da tensão atua permanentemente sobre o sistema. Na

segunda, alterou-se a impedância do filtro de saída do conversor.

Palavras-chave: Eletrônica de potência, Geração distribuída, conversores, filtro passa-baixa

3

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO. ...................................................................................................... 1

1.1 JUSTIFICATIVA .................................................................................................... 2

1.2 OBJETIVOS .......................................................................................................... 2

1.2.1 Objetivo Geral..................................................................................................... 2

1.2.2 Objetivos Específicos. ....................................................................................... 2

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 3

3 MATERIAIS E MÉTODOS ....................................................................................... 8

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................................... 10

5 CONCLUSÃO. ....................................................................................................... 30

REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 31

1

1 INTRODUÇÃO

As fontes fósseis de energia são predominantes até hoje na matriz energética mundial

e de diversos países individualmente. No entanto, a manutenção da situação atual não

é possível por uma série de razões. As principais são: 1) os limites nas reservas

disponíveis; e 2) os impactos ambientais, principalmente os das mudanças climáticas.

Devido a esses fatores e diante das projeções por maiores demandas de energia,

especialmente eletricidade, o interesse por formas de geração elétrica por vias mais

sustentáveis, eficientes e em grande quantidade tem crescido substancialmente.

Uma das formas que vem se destacando é a de geração distribuída (GD) por painéis

fotovoltaicos. Isso se deve ao fato de que são minimizadas perdas na transmissão,

considerando que a energia pode ser gerada próxima do consumidor, e devido ao

possível retorno financeiro já que se permite a venda da energia elétrica gerada para a

rede.

Este projeto procura estudar um sistema composto por um inversor (conversor CC-CA)

conectado a uma fonte CC (painéis fotovoltaicos e/ou banco de baterias) com aplicação

em geração distribuída. A modulação do conversor foi feita com PWM com um filtro LC

na sua saída para minimizar a propagação de alta frequência para a rede.

Foram consideradas características de operação com conexão à rede caso o usuário

queira vender a energia que produziu, e o funcionamento ilhado (sistema funcionando

desconectado da rede, alimentando cargas locais). No primeiro caso o conversor opera

como fonte de corrente, injetando na rede uma corrente em fase com a tensão, a partir

de uma referência de potência ativa (modo corrente). No segundo caso (ilhado) o

conversor tem operação no modo tensão, garantindo a carga local uma tensão senoidal

na frequência e amplitude nominais da rede. A situação ilhada pode ocorrer se houver

alguma falha na rede elétrica ou se usuário optar por tal operação.

Como critério de avaliação para o controle foram analisadas as respostas para

diferentes referências e cargas. Já para a análise dos transitórios os resultados obtidos

foram verificados de acordo com as normas.

2

1.1 JUSTIFICATIVA

Ao que tudo indica, formas renováveis de geração de energia devem ter parcelas cada

vez maiores na produção de energia elétrica.

Pensando na importância dessa mudança na matriz energética e no papel que energia

solar pode desempenhar nesse processo, nesse trabalho foi analisado, via simulação,

um conversor que faça a interface entre uma fonte CC e uma rede CA.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo Geral:

O projeto tem como objetivo estudar um sistema para geração distribuída, monofásico

e de fator de potência unitário. Deve operar conectado à rede elétrica e em ilhamento.

Além disso, a transição entre esses dois modos não deve produzir transitórios que

violem condições seguras para as cargas.

1.2.2 Objetivos Específicos:

Implementação da simulação de um inversor CC/CA utilizando PWM;

Implantar dois sistemas de controle, um para regular a tensão sobre a carga,

chamado de controle de tensão, e outro para injetar potência na rede ou na fonte

CC, chamado de controle de corrente;

O sistema deve fornecer uma tensão senoidal para cargas locais quando estiver

operando como controle de tensão;

Com controle de corrente, o sistema deve alimentar a rede elétrica ou a fonte

contínua conforme determinado pela referência de potência ativa;

Analisar se transitórios caso a rede seja desligada ou religada ao circuito estão

com conformidade com os limites das normas.

3

2 REVISÃO DE LITERATURA

Para a realização deste trabalho foram usadas a teoria de inversores e filtros na área

de eletrônica de potência, UPS (Uninterruptible Power Supplies ou No-Break), teoria de

projeto de controladores e as recomendações e normas técnicas.

UPS e GD

As UPS são um aparelho elétrico cuja parte principal é um conversor CC-CA. Elas

fornecem energia elétrica em casos de emergência quando a fonte de energia principal

falha. Embora a duração da bateria da maioria das UPS seja de curta duração, esse

tempo é suficiente para que ou uma fonte auxiliar de potência (grupo gerador) comece

funcionar, ou até que as cargas sejam desligadas de maneira apropriada.

A junção dessas fontes com sistema de geração distribuída permite que parte da

energia sendo gerada pelos painéis fotovoltaicos possa ser aproveitada por outra fonte

CC que seja bidirecional. Pensando nos painéis fotovoltaicos, a energia elétrica gerada

por eles é suficiente para suprir parte da energia requerida pelos equipamentos

conectados no ponto de acoplamento comum, bem como da energia requerida para

recarga das baterias. Esta parte da energia seria requerida da rede da concessionária,

caso o sistema não contasse com os painéis. Nessa configuração pode haver menor

consumo de energia da concessionária.

Especificamente para este trabalho, durante a operação no modo de corrente o

conversor pode ser considerado como uma UPS iterativa com a linha. A principal

vantagem deste tipo de UPS é o fato do inversor operar em conjunto com a rede, mas

sem ter que fornecer a potência para a carga, o que reduz as perdas no

processamento da energia.

Já no modo tensão, o conversor opera desconectado da rede. Isso significa que

quando ele for conectado à carga ou reconectado à rede, ele deve fazê-lo de modo que

sua tensão tenha a mesma amplitude e fase da tensão esperadas na linha.

Inversor e filtro

O inversor é um circuito capaz de receber energia de uma fonte CC e produzir uma

saída CA, graças ao comando adequado de transistores, contando com um filtro entre

4

o conversor e a rede. A configuração básica monofásica com o filtro LC é mostrada na

figura 2.1. Nela não são mostrados os sinais de comando por simplicidade.

Figura 2.1: Inversor monofásico com filtro LC

Para os sinais de comando do inversor foi utilizado o método de modulação por largura

de pulso (MPL) a três níveis, por apresentar um conteúdo espectral (em alta

frequência) menor que o MPL de dois níveis.

O MPL de três níveis consiste em se comparar uma tensão de referência (imagem da

tensão de saída buscada) e seu inverso, com um sinal triangular cuja frequência

determina a frequência de chaveamento. A frequência da onda triangular (portadora)

deve ser, no mínimo 10 vezes superior à máxima frequência da onda de referência,

para que se obtenha uma reprodução aceitável da forma de onda sobre a carga, após

efetuada a filtragem.

A partir dessa comparação, criam-se dois sinais PWM, um com a própria referência e

outro com seu inverso. Cada um dos sinais PWM é usado para comandar um par de

transistores (S1/S2 e S3/S4 respectivamente, figura 2.1). A tensão resultante na saída

CA do conversor sobre a carga se apresenta com três níveis. A largura do pulso do

modulador varia de acordo com a amplitude relativa da referência em comparação com

a portadora (triangular). Então, a tensão de saída aplicada ao filtro é formada por uma

sucessão de ondas retangulares de amplitude igual à tensão CC e duração variável.

Para se calcular os parâmetros de filtro passivo passa-baixa LC (figura 2.1) que

recupera a forma de onda da referência, usou-se sua frequência de corte (fc) que é

dada pela equação (2.1). Tal frequência, para uma efetiva atenuação das componentes

de chaveamento, deve estar a 1/10 da comutação, o que permite uma atenuação de 40

dB (100 vezes).

5

(2.1)

Controles de corrente e tensão

Foram previstos dois modos de operação: o modo de corrente no qual se trabalha em

conjunto com a rede elétrica e o modo de tensão no qual o sistema atua como fonte de

tensão (ilhamento), com as respectivas estratégias de controle.

Para o modo tensão foi usado um compensador proporcional (P), cuja saída é

diretamente proporcional ao sinal de erro E(s) de acordo com um ganho constante

(Kp), figura 2.2 e equação 2.2. Essa é a forma mais simples de compensação, pois

consiste na variação da constante de ganho da malha aberta. Note-se que a referência

no modo tensão é uma onda senoidal, de modo que a inclusão de um compensador

integral não permite obter um erro de regime nulo. Para evitar a redução da margem de

fase introduzida por um integrador, o controlador de tensão foi estabelecido como

proporcional. O ajuste do valor eficaz pode ser adicionado em uma outra malha com

resposta mais lenta.

Figura 2.2: Diagrama de blocos de um controlador proporcional (P)

(2.2)

Para a operação no modo de corrente foi utilizado um compensador proporcional

integral (PI) que atua a partir de uma referência de potência ativa. Nesse caso, como a

referência é um valor contínuo, o elemento proporcional garante erro de regime nulo,

enquanto juntamente com a parte proporcional possibilita ajustar as margens de fase e

a frequência de corte.

6

Figura 2.3: Diagrama de blocos para um controlador proporcional-integral (PI)

2.3

Normas

Como dito na introdução os resultados obtidos foram comparados às exigências

pedidas por algumas normas.

Entre estas a ABNT NBR 16149:2013 que traz recomendações específicas para a

interface de conexão entre os sistemas fotovoltaicos e a rede de distribuição de energia

elétrica e estabelece seus requisitos. Nela são verificados parâmetros de qualidade de

energia (tensão, cintilação, frequência, distorção harmônica e fator de potência) e

baseado neles quando o sistema fotovoltaico deve ser desconectado da rede.

Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede normalmente não regulam tensão, e sim a

corrente injetada na rede. Para os fins deste trabalho foram comparadas tensão,

frequência e fase na saída do inversor com as respectivas grandezas aa rede.

Para os transitórios foram utilizadas as curvas de tolerância de tensão para as fontes

de alimentação de equipamentos eletrônicos mostradas na figura 2.4, adotadas pela

ITIC (Information Technology Industry Council) e pela norma IEEE 466 como uma

“prática recomendada para sistemas de alimentação de emergência, em aplicações

industriais e comerciais”.

Essa figura determina a região dentro da qual o valor eficaz da tensão suprida ao

equipamento deve permanecer. Em outras palavras, se a tensão de alimentação

estiver dentro dos limites não devem ocorrer mau funcionamento dos equipamentos

alimentados. Porém, a violação desses limites pode provocar falhas. As curvas,

portanto, definem um envelope dentro do qual deve estar a tensão suprida ao

equipamento.

Em geral o elemento que sustenta a alimentação do equipamento na ocorrência de

falhas de curta duração são as capacitâncias das fontes, de modo que, eventualmente,

mesmo violações mais demoradas do que aquelas indicadas podem ser suportadas.

7

Figura 2.4: Curva ITIC com as tolerâncias de tensão para equipamentos eletrônicos

8

3 METODOLOGIA

Primeiramente, foi desenvolvido o diagrama de blocos para o sistema, figura 3.1. Em

seguida, foi implementado utilizando PSpice. Para encontrar os parâmetros dos

sistemas de controle PI foi utilizada a função sisotool do Matlab. No Pspice foram

medidas as curvas da referência de potência, da potência média produzida, tensão e

corrente em diversas situações.

A figura 3.1 mostra a fonte CC e o conjunto de transistores comandados de acordo com

as malhas de controle de corrente (azul claro) e tensão (vermelho claro). Isso produz o

PWM de três níveis que, após passar pelo filtro passa-baixa LC, resulta em um sinal

senoidal. Esse sinal tem sua corrente e tensão medidos por um amperímetro (A) e um

voltímetro (V) (linhas vermelho e azul escuras respectivamente) cujos resultados são

reenviados para as malhas de controle.

Figura 3.1: Diagrama de blocos

A análise dos transitórios foi feita para a rede sendo desconectada e reconectada do

restante do circuito para quatro tipos de carga: R=50kΩ, RL em série (R=50kΩ,

L=50mH), RLC paralelo (R=50kΩ, L=50mH, C=5uF) e retificador mostrado na figura

3.2. Na situação em que a rede é desconectada, trocou-se a malha de corrente pela de

9

tensão e na situação em que a rede é reconectada foi feita a operação contrária. Os

resultados obtidos foram analisados e comparados às recomendações ITIC.

Figura 3.2: Retificador usado como carga para as simulações.

Como não é possível prever quando ocorrerá a desconexão da rede em caso de falhas

(não foram focalizadas as técnicas de detecção de ilhamento), foram analisados os

momentos em que isso ocorre quando a tensão instantânea é nula e máxima (no pico

positivo). Também foi levado em conta um atraso de 10ms entre a desconexão da rede

e a saída/entrada de cada laço de controle. Esse tempo seria a demora entre a falha na

rede ocorrer e uma ação ser tomada por parte do sistema, como desativar ou reativar

cada malha de controle.

Por outro lado, na situação em que a rede é reconectada, considerou-se apenas o

instante em que a tensão é nula, porque nesse caso é possível escolher o momento

em que a reconexão ocorre.

Feito isso, esse procedimento foi repetido para o caso em que a malha de tensão está

sempre operando, ou seja, apenas a malha de corrente é retirada ou reativada

segundo o estado da conexão com a rede.

Também foi testado o efeito da impedância do filtro sobre esses transitórios.

10

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

O circuito montado no Pspice pode ser visto na figura 4.1. A fonte Vac faz o papel da

rede elétrica. O filtro LC foi calculado para ter uma frequência de corte de 1 kHz, assim,

utilizando a equação 2.1, escolheu-se L=5mH e C=5uF. A resistência RL mostra o lugar

de conexão das cargas.

Os transistores são realizados por chaves controladas por tensão S1, S2, S3 e S4 a

partir de um comando PWM obtido a partir de uma portadora triangular em 10 kHz por

meio dos comparadores U1 e U2. Isso produz o PWM de 3 níveis que é filtrado por LC.

Figura 4.1: Circuito do sistema inversor montado no Pspice

A malha de controle de corrente (figura 3.1) é formada por uma fonte de tensão

controlada por corrente (H1), que representa o transdutor de corrente, e uma fonte de

tensão controlada por tensão (E1), que capta a forma de onda da tensão no ponto de

acoplamento. Tais transdutores fornecem os sinais de corrente (Ica) e tensão (Vca*).

Em seguida esses dois sinais foram multiplicados e filtrados por um filtro passa-baixa

de frequência de corte de 10 Hz resultando, assim, na potência ativa média. Esse valor

é comparado com a potência de referência, produzindo o erro de potência. O erro entra

no PI e é multiplicado por Vca* fornecendo a referência de corrente que é comparada

com Ica. Um controlador proporcional com ganho 20 produz o sinal que é enviado para

a modulação do PWM, fechando a malha.

A malha de tensão (figura 3.1) é composta pela referência (Vref) a qual é comparada

11

com o valor medido Vca*. O erro é multiplicado por um ganho proporcional igual a 20, o

resultado vai para o modulador, fechando também essa malha.

Os parâmetros do controlador PI foram calculados utilizando a função sisotool do

Matlab. Para isso foram definidas as funções de transferência para cada componente

do circuito do Pspice.

A função FPB se refere ao filtro FPB de 3.1, Yf à admitância do filtro LC, H ao filtro RC

na saída de H1 em 4.1, PI ao controlador proporcional integral e K ao ganho

proporcional de 20 no final de ambas as malhas mais o ganho de 30 da modulação.

Com essas funções, foram analisados os diagramas de Bode e Fase, mostrados na

imagem 4.2, para se conseguir margens de fase satisfatórias, entre 60° e 90°. Os

ganhos escolhidos foram Ki=50, Kp=2

Figura 4.2: Diagrama de Bode e fase do sistema com o compensador escolhido

12

Terminado esse procedimento, foram feitas as simulações.

Para o controle no modo corrente foram obtidas as curvas da referência de potência,

ponto P*, a potência média medida, ponto P, e a corrente na saída do inversor ponto 1

em 4.3

Figura 4.3: Figura com a corrente (curva superior azul) e tensão (curva superior

vermelha) na saída do filtro, mais a potência de referência e potência média fornecido

pelo circuito, curvas inferiores vermelha e azul respectivamente

No gráfico inferior da imagem 4.3, pode-se perceber que antes de 150ms se tem uma

potência de referência positiva (em vermelho) e a potência medida pelo sistema (verde)

seguindo-a, graças ao compensador PI. Nesse caso, energia é injetada na rede a partir

da fonte CC. Após 150ms a potência de referência é alterada para negativa. Nessa

situação o fluxo de energia se inverte, ou seja, potência é retirada da rede e enviada

para a fonte CC, o que é confirmado pela defasagem de 180° entre a tensão e a

corrente.

A resposta para o controle de tensão foi obtida medindo-se a tensão de referência Vref

e a tensão entre os pontos de saída do filtro na figura 4.1, os resultados podem ser

vistos na figura 4.4.

13

Figura 4.4: Figura com as curvas da tensão produzida pelo sistema, em azul, e a

tensão da referência, em vermelho.

Antes de 100ms a tensão de referência em vermelho foi definida com um valor de 180

V de pico, nesse período percebe-se que a tensão entregue pelo controle em verde na

saída do filtro LC foi bem próxima da pedida. Há um erro de regime devido às

limitações do controlador proporcional.

Para comprovar que o controle consegue seguir a referência, em 100ms a referência é

reduzida pela metade e, como se pode ver, a tensão entregue se aproximou bastante

desse valor.

Análise do Transitórios

Para a análise dos transitórios foram medidas tensão e corrente na saída do filtro LC

da figura 4.1, utilizando as cargas já mencionadas. No caso em que a rede é

reconectada ao sistema os resultados são mostrados nas figuras 4.5 - 4.9. Nelas o

conversor opera de maneira ilhada até 60ms, depois disso a rede é religada ao inversor

e a malha de tensão é trocada pela malha de corrente.

14

Figura 4.5: Curvas de tensão (verde) e corrente (azul) na saída do inversor para uma

carga nula na situação em que a rede é reconectada ao circuito


carga R=50kΩ na situação em que a rede é reconectada ao circuito

15


carga R=50kΩ, L=50mH em série na situação em que a rede é reconectada ao circuito


carga R=50kΩ, L=50mH e C=5uF em paralelo quando a rede é reconectada ao circuito

Analisando as figuras 4.5 até 4.8, vê-se que em todos os casos a tensão e a corrente

tiveram o mesmo comportamento. Durante a operação da malha de tensão, tempo

anterior à 60ms a tensão é um pouco menor do que a da rede (erro de regime) e com

pouca corrente. Depois de 60ms malha de corrente é ligado levando a produção de

uma corrente (rms) maior.

16

Figura 4.9 Gráfico superior: corrente na saída do filtro. Gráfico inferior: tensão na saída

do filtro (em azul) e tensão na saída do retificador (em vermelho). Retificador como

carga para a rede sendo reconectada na tensão instantânea nula

No caso da figura 4.9, vemos que o retificador não deixa de funcionar como se pode

ver pela tensão na sua saída em vermelho. Nela é possível ver também que durante a

operação em modo tensão, tempo anterior a 100ms, apenas aparece corrente pelo

filtro LC quando o capacitor do retificador está sendo carregado, o que já era esperado.

Passados 100ms o controle de corrente é ativado e é feito um esforço para tornar essa

corrente senoidal.

É importante dizer que nesse caso foi colocada uma pequena resistência em série com

a fonte Vca (rede), o que a torna não mais ideal. É por esse motivo que se pode ver

corrente pelo indutor no modo de corrente, pois como o sistema compete com a rede

para fornecer energia à carga caso ela seja ideal ela terá prioridade. Isso poderá ser

visto nos resultados para o caso da rede sendo desconectada.

Para a rede sendo desconectada com as malhas de controle operando

separadamente os resultados podem ser vistos nas figuras 4.10-4.17. Existem dois

tipos de figuras. Em uma o sistema opera em modo corrente até que em 60ms a rede é

retirada e em 70ms a malha de corrente é trocada pela de tensão, caso de tensão

instantânea nula. Na outra os tempos usados são 65ms e 75ms, picos de tensão.

Para o retificador os tempos são diferentes.

17

Figura 4.10: Curvas de tensão (vermelho) e corrente (azul) na saída do inversor para

uma carga R=50kΩ na situação em que a rede é desconectada na tensão nula


uma carga R=50kΩ na situação em que a rede é desconectada no pico de tensão

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uma carga R=50kΩ, L=50mH em série na situação em que a rede é desconectada na

tensão nula


uma carga R=50kΩ, L=50mH em série na situação em que a rede é desconectada no

pico de tensão

19


uma carga R=50kΩ, L=50mH e C=5uF em paralelo na situação em que a rede é

desconectada na tensão nula


uma carga R=50kΩ, L=50mH e C=5uF em paralelo na situação em que a rede é

desconectada no pico de tensão

Pelas figuras 4.10 a 4.15, percebe-se que ocorrem distorções nas curvas de tensão e

corrente para todos os tipos de carga a partir do momento que a rede é retirada.

Durante os 10ms iniciais o PI tenta corrigir a forma de onda da corrente mesmo não

havendo rede. Isso leva a tensão a oscilar em torno da tensão da fonte CC (300 V), por

causa dos diodos ligados às chaves S1, S2, S3 e S4 e a corrente em torno de 0A.

Passados 10ms após desconexão de rede (marca de 70ms e 75ms) o controlador

proporcional da malha de tensão entra em ação, como o erro inicial é muito grande o

ganho também é alta o que produz as ondulações na tensão e na corrente vistas nas

20

nessas figuras depois desse tempos. Transcorrido um certo tempo ele consegue

diminuir o erro e o sistema estabiliza. Isso mostra uma limitação do compensador

proporcional, porque quanto maior o ganho P menor é o erro de regime, mas maior é o

tempo de transitório.

Nessas figuras, percebe-se que em nenhuma delas o transitório esteve dentro das

especificações das curvas ITIC, ou seja, a transição é problemática e pode produzir

problemas em equipamentos.

Hoje em dia, com as fontes de alimentação universal esses valores de 300 V na

transição não representariam problema, pois para uma tensão eficaz de 220V a tensão

de pico é de cerca de 311V. Ainda assim, se for usada uma tensão eficaz de 220V no

inversor em vez de 127V as tensões no transitório podem sim ultrapassar os limites de

operação mesmo para essas fontes.

Figura 4.16: Gráfico superior: corrente na saída do filtro. Gráfico inferior tensão na

saída do filtro (em azul) e tensão na saída do retificador (em vermelho). Retificador

como carga para a rede sendo desconectada na tensão instantânea nula

21



como carga para a rede sendo desconectada na tensão instantânea máxima

Por 4.16 e 4.17, vemos na transição em 0°, tensão nula existe um afundamento na

tensão retificada em vermelho. Isso, porque durante os 10ms não havia tensão na

entrada do retificador para recarregar o seu capacitor. Na transição de 90°, tensão

máxima, houve sua elevação. Para uma carga não-linear o PI possui uma maior

dificuldade de controlar o sistema, porque a corrente é distorcida, o que atrapalha a

potência média medida e o seu integrador.

Nessas figuras, percebe-se que não há corrente pelo filtro LC durante o tempo em que

a rede permanece ligada, isso porque nesse caso não foi usado uma resistência em

serie com Vac, ou seja, foi usada uma fonte ideal.

Para tentar diminuir esses transitórios, colocou-se a malha de tensão para atuar

permanentemente, ou seja, durante o tempo em que a rede permanece conectada ao

inversor ambos os controles (corrente e tensão) atuam juntos, e quando ela retirada

também se retira a malha de corrente. Os transitórios nessa configuração estão

ilustrados nas figuras 4.18-4.25

22


uma carga R=50kΩ onde rede é desconectada na tensão instantânea nula. Controles

de corrente e tensão operando juntos


uma carga R=50kΩ onde rede é desconectada na tensão instantânea máxima.

Controles de corrente e tensão operando juntos

23


uma carga R=50kΩ, L=50mH em série onde rede é desconectada na tensão

instantânea nula. Controles de corrente e tensão operando juntos


uma carga R=50kΩ, L=50mH em série onde rede é desconectada na tensão

instantânea máxima. Controles de corrente e tensão operando juntos

24


uma carga R=50kΩ, L=50mH e C=5uF em paralelo onde rede é desconectada na

tensão instantânea nula. Controles de corrente e tensão operando juntos


uma carga R=50kΩ, L=50mH e C=5uF em paralelo onde rede é desconectada na

tensão instantânea máxima. Controles de corrente e tensão operando juntos

Nas figuras 4.22 e 4.23, ocorre um deslocamento CC negativo na corrente, depois da

transição, algo entre -5A e -10A. Esse comportamento se deve ao fato de a tensão

permanecer com polaridade negativa por muito tempo, cerca de três quartos de ciclo.

25



como carga para a rede sendo desconectada na tensão instantânea nula. Controles de

corrente e tensão operando juntos



como carga para a rede sendo desconectada na tensão instantânea máxima. Controles

de corrente e tensão operando juntos

Comparando as imagens 4.10-4.17 com as 4.18 a 4.23, podemos notar que as

oscilações dos transitórios diminuíram, embora ainda alcancem os 300V. Esse

resultado é coerente pois sempre haverá pelo menos um compensador proporcional

integral agindo. Esse fato pode ser visto mesmo para a carga não linear que teve seus

picos de tensão e corrente reduzidos na transição.

26

Outra forma de melhorar a transição foi alterando a impedância do filtro LC.

Para testar o efeito da impedância do filtro sobre o transitório da saída da rede, a

tensão e a corrente foram medidas novamente para com filtro LC de L=1,28mH e

C=20uF, se chegou nesses valores da seguinte forma:

Para um inversor de 2,5 kW e 127V (180V de pico) tem-se uma corrente:

Para essa corrente toma-se como aceitável uma variação de corrente di=5,6 A, em 10

kHz a partir de uma tensão CC de 300 V. A diferença na tensão de pico V= 300V-180V,

e largura de pulso de dt=300/180, colocando tudo na equação do indutor:

Esse L é colocado na equação 2.1, para uma frequência de corte de 1 kHz e obtém

C=20 uF.

As novas curvas resultantes são mostradas nas figuras 4.26-4.33.

Figura 4.26: Transitório para o filtro de baixa impedância, carga R=50kΩ na tensão

igual a zero. Tensão (em vermelho) e corrente (em azul) na saída do filtro.

27

Figura 4.27: Transitório para o filtro de baixa impedância, carga R=50kΩ no pico de

tensão. Tensão (em vermelho) e corrente (em azul) na saída do filtro.

Figura 4.28: Transitório para o filtro de baixa impedância, carga R=50kΩ, L=50mH em

série na tensão igual a zero. Tensão (em vermelho) e corrente (em azul) na saída do

filtro.

Figura 4.29: Transitório para o filtro de baixa impedância, carga R=50kΩ, L=50mH em

série no pico de tensão. Tensão (em vermelho) e corrente (em azul) na saída do filtro.

28

Figura 4.30: Transitório para o filtro de baixa impedância, carga R=50kΩ, L=50mH e

C=5uF em paralelo na tensão igual a zero. Tensão (em vermelho) e corrente (em azul)

na saída do filtro.

Figura 4.31: Transitório para o filtro de baixa impedância, R=50kΩ, L=50mH e C=5uF

em paralelo no pico de tensão positivo. Tensão (em vermelho) e corrente (em azul) na

saída do filtro.

As figuras 4.30 e 4.31, também, tiveram um deslocamento CC negativo na corrente

como em 4.22 e 4.23 e pela mesma razão. Fazendo essa simulação novamente para a

fase oposta, ou seja, com a transição ocorrendo em 55ms, tem-se a curvas da figura

4.32.

29

Figura 4.32: Transitório para o filtro de baixa impedância, R=50kΩ, L=50mH e C=5uF

em paralelo no pico de tensão negativo. Tensão (em vermelho) e corrente (em azul) na

saída do filtro.

Em 4.32 o deslocamento CC da corrente é positivo ao contrário dos demais casos onde

esse deslocamento ocorre. Isso, porque diferentemente deles tensão fica um tempo

maior na polaridade positiva entre 58ms e 70ms.

Figura 4.33: Transitório para o filtro de baixa impedância, carga retificador na tensão

igual a zero. Tensão (curva inferior azul) e corrente (curva superior azul) na saída do

filtro mais a tensão do retificador (curva inferior vermelha)

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Figura 4.34: Transitório para o filtro de baixa impedância, carga retificador no pico de

tensão. Tensão (curva inferior azul) e corrente (curva superior azul) na saída do filtro

mais a tensão do retificador (curva inferior vermelha)

As imagens 4.26 a 4.34 mostram que a impedância do conversor influencia no

transitório dos controles. Quanto menor o L e maior o C mais suave e menos

oscilações de tensão são produzidas. No entanto, isso faz aumentar a ondulação na

corrente. No caso em que o filtro possui valores de L e C mais elevados (mais estável)

mostrados nas figuras 4.18 a 4.25 a corrente varia por volta de 0,7A a 0,9A nos piores

casos. Mas, no caso do filtro com os valores de L e C 4 vezes menores (menos

estável) a corrente varia dentro da faixa de 3A.

Logo essa solução não pode ser estendida além de um certo limite de ondulação na

corrente.

5 CONCLUSÕES

Pelo trabalho, pode-se concluir que o sistema possui um bom desempenho

operando em regime, para o controle e filtro propostos. No entanto, durante a

transição entre os sistemas de controle foram produzidos transitórios fora das

recomendações de operação. Para se contornar esse problema, novos tipos de

controle e filtro devam ser implementados.

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REFERÊNCIAS

J. A. Pomilio, “Conversores cc-ca: inversores operando em frequência constante”, Apostila da disciplina EE833 – Eletrônica de Potência, Disponível em: http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/ee833/Modulo6.pdf J. A. Pomilio, “Conversores CC-CA Como Fontes de Alimentação com Frequência Fixa”, Apostila da disciplina IT302 – Eletrônica de Potência I, Disponível em: http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/eltpot/cap6.pdf David C. Griffith: “Uninterruptible Power Supplies”, Marcel Dekker, Inc., NY, USA Ogata, K.: Engenharia de Controle Moderno – 5ª Edição, 2003, Pearson, (OGATA, 2003)

ABNT NBR IEC 62116, Procedimento de ensaio de anti-Ilhamento para inversores de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica ABNT NBR 16149:2013 - Sistemas fotovoltaicos (FV) -Características da interface (requisitos) de conexão com a rede elétrica de distribuição. Válida a partir de: 01/03/2014 (publicada (publicada 01/03/2013). Projeto Temático FAPESP “Pesquisas Interdisciplinares em Redes Inteligentes de Energia Elétrica”, FEEc – Unicamp, Proc. 2016/08645-9

http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/ee833/Modulo6.pdf

http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/eltpot/cap6.pdf

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(modelo de capa de projeto de monografia)antenor/pdffiles/relatorio_tfc...de chaveamento, deve estar a 1/10 da comutação, o que permite uma atenuação de 40 dB (100 vezes). 5 (2.1)