PROJETO DE MPPT PARA UMA EMBARCAÇÃO SOLAR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10016468.pdf · O presente trabalho mostra o desenvolvimento de um conversor eletrônico

PROJETO DE MPPT PARA UMA EMBARCAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA

Jefferson Ribeiro de Souza

Projeto de Graduação apresentado ao Curso

de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção

do título de Engenheiro.

Orientador: Luís Guilherme Barbosa Rolim

Rio de Janeiro

Abril de 2016



PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE

ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Examinado por:

Prof. Luís Guilherme Barbosa Rolim, Dr.-Ing.

Prof. Walter Issamu Suemitsu, Dr.Ing.

Marcos Dantas Alves dos Santos, M.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

ABRIL DE 2016

iii

Souza, Jefferson Ribeiro de

Projeto de MPPT para uma Embarcação Solar

Fotovoltaica/ Jefferson Ribeiro de Souza. – Rio de

Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2016.

XIII, 71 p.: il.; 29,7 cm.


Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/

Curso de Engenharia Elétrica, 2016.

Referências Bibliográficas: p. 46-47

1. MPPT 2. Conversor CC-CC 3. Barco Solar

4. Rastreamento da Máxima Potência. I. Rolim, Luís

Guilherme Barbosa. II. Universidade Federal do Rio de

Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia

Elétrica. III. Projeto de MPPT para uma Embarcação

Solar Fotovoltaica.

iv

AGRADECIMENTOS

Toda minha trajetória na Universidade faz parte do sonho de muitos, a começar

por minha mãe, que disse não ao destino mais óbvio para seus filhos e lutou

para que eu estivesse aqui, minha avó que me sustentou com incentivos e

bons conselhos, minha irmã Francini que me inspira e me orgulha, meus tios

Cláudio e Flávio que reforçam este sonho e meu avô querido, um metalúrgico

que agora vê seu neto se tornar engenheiro.

Minha querida Juliana, companheira que escolho amar.

Meu pai que desde que chegou sempre esteve disposto a compartilhar e fazer

o bem. Minhas irmãs Aline, Alícia, Isabela, Ludmila e Mariana.

O LAFAE que me trouxe muito dos bons momentos na UFRJ e neles estão

pessoas como Rolim, Ocione, Dantas, entre outras. E de forma mais distante,

mas com admiração, Walter. Trouxe, também, o contato com muitos colegas,

da engenharia ou não, em ótimos momentos como os que envolveram o

IPUFRJ e o Desafio Solar Brasil. Há, ainda, o colega Felipe Maroja, que

desenvolveu comigo este projeto.

Esta etapa se finda com a certeza de que a UFRJ não só me proporcionou

possibilidades de ensino e pesquisa, como me possibilitou participar do

fascinante mundo da extensão universitária e acreditar que podemos mudar

muito desse mundo tão desigual.

A assistência estudantil, enquanto política nacional e sua presença na UFRJ,

permitiu que esse jovem de origem popular permanecesse na Universidade e

tivesse a chance de se formar. Por isso, não pode ser esquecida.

v

O movimento estudantil trouxe perspectivas e reflexões que estarão sempre

comigo. Além de me ensinar parte do sentido da luta política.

Por todos e por tudo isso, não me falta gratidão e certeza de que sozinho seria

impossível.

vi

“Não escrevo para que outros livros me aprisionem,

nem para encarniçados aprendizes de lírio,

mas para singelos habitantes que pedem

água e lua, elementos da ordem imutável,

escolas, pão e vinho, guitarras e ferramentas.”

A Grande Alegria

(Pablo Neruda)

vii

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à POLI/ UFRJ como parte dos

requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.



Abril/2016


Curso: Engenharia Elétrica

O presente trabalho mostra o desenvolvimento de um conversor eletrônico

utilizado em uma embarcação cuja propulsão é elétrica e a fonte de energia é

solar fotovoltaica. Este conversor processa a energia proveniente do arranjo

fotovoltaico conectado em sua entrada e carrega um banco de baterias

utilizado na propulsão da embarcação. São apresentados o projeto e a

implementação do circuito de potência e do controlador do conversor. São

feitas, ainda, breves revisões teóricas acerca dos principais métodos de

rastreamento da máxima potência e do comportamento de baterias de chumbo-

ácido. Além disso, é realizada uma descrição do Controlador Digital de Sinais

utilizado para implementação do controlador e de seu ambiente de

desenvolvimento. O circuito de potência consiste em um conversor boost

projetado a partir de uma ponte trifásica de MOSFET’s, já o controlador é

desenvolvido através de simulações em computador e possui algoritmos para

proteção do banco de baterias e para o rastreamento da máxima potência do

arranjo fotovoltaico, caracterizando um MPPT. São apresentados os resultados

dos testes feitos a partir implementação do projeto e, por fim, mostra-se o

comportamento do MPPT durante sua utilização no Desafio Solar Brasil 2015.

Palavras Chave: MPPT, Conversor CC-CC, Barco Solar, Rastreamento da

Máxima Potência

viii

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial

fulfillment of the requirements for the degree of Electrical Engineer.

MPPT PROJECT FOR A PHOTOVOLTAIC SOLAR POWERED BOAT


April/2016

Advisor: Luís Guilherme Barbosa Rolim

Course: Electrical Engineering

The present work shows the development of an electronic converter used in a

boat with electric propulsion and a solar photovoltaic energy source. This

converter processes the energy coming from the PV array that is connected into

it and loads a battery bank, which will be used to propulsion the boat. The

project and the implementation of the power circuit and the converter controller

are presented. There are also brief theoretical revisions about the main

methods of maximum power tracking and lead acid batteries behavior. The

Digital Signal Controller used to implement the controller and its development

environment are described too. The power circuit consists of a boost converter

designed from a three-phase MOSFET bridge. The controller is developed

through computer simulations and it has algorithms to protect the battery bank

and to track the maximum power of the PV array, which makes it an MPPT. The

results of the tests made with the project implementation are presented and,

lastly, the work shows the MPPT behavior during its use in the Brazil Solar

Challenge 2015.

Keywords: MPPT, DC-DC Converter, Solar Boat, Maximum Power Tracking

ix

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ......................................................................................... xi

LISTA DE TABELAS ...................................................................................... xiii

CAPÍTULO 1- INTRODUÇÃO ............................................................................ 1

1.1. Objetivo .................................................................................................... 3

1.2. Organização do trabalho .......................................................................... 5

CAPÍTULO 2 - CIRCUITO DE POTÊNCIA ........................................................ 7

2.1. Conversor CC-CC boost .......................................................................... 7

2.1.1. Topologia .......................................................................................... 7

2.1.2. Equações ........................................................................................ 11

2.1.3. Especificações ................................................................................ 12

CAPÍTULO 3 - CIRCUITO DE CONTROLE ..................................................... 15

3.1. O DSC TMS320F28335 ......................................................................... 15

3.1.1. O hardware do DSC TMS320F28335 ............................................. 16

3.1.2. O Ambiente de Desenvolvimento do DSC TMS320F28335 ............ 18

3.2. A Placa de Expansão ............................................................................. 19

3.3. O Drive ................................................................................................... 21

CAPÍTULO 4 - SOFTWARE DE CONTROLE ................................................. 22

4.1 Diminuição do ruído captado pelo conversor A/D ................................... 24

4.2. Rastreamento da máxima potência ........................................................ 25

4.2.1. Métodos de rastreamento da máxima potência .............................. 26

4.2.2. Implementação do rastreamento do MPP ....................................... 29

4.3. Proteções do banco de baterias ............................................................. 31

4.3.1. Proteção para excesso de tensão ................................................... 33

4.3.2. Proteção para excesso de corrente ................................................. 37

4.4. IHM (interface homem-máquina) ............................................................ 38

x

4.5. Diagrama esquemático completo ........................................................... 39

4.6. Desenvolvimento no PSIM ..................................................................... 41

CAPÍTULO 5 - IMPLEMENTAÇÃO ................................................................. 44

5.1. Monitoramento ....................................................................................... 45

5.2. Testes .................................................................................................... 46

5.3. Resultados dos testes ............................................................................ 46

5.4. Funcionamento em condições reais ....................................................... 48

CAPÍTULO 6 - CONCLUSÃO .......................................................................... 52

6.1. Objetivo Alcançado ................................................................................ 52

6.2. Trabalhos futuros .................................................................................. 52

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 54

APÊNDICE A - CÓDIGO PARA ATENUAÇÃO DE RUÍDO ............................ 57

APÊNDICE B - CÓDIGO DO MPPT ................................................................ 60

APÊNDICE C - CALIBRAÇÃO DOS SENSORES .......................................... 67

C.1. Calibração dos sensores de tensão ...................................................... 69

C.2. Calibração dos sensores de corrente .................................................... 71

APÊNDICE D - TESTES COM O CONVERSOR CC-CC................................. 73

ANEXO A - FOLHA DE DADOS DA BATERIA OPTIMA D51 ........................ 76

ANEXO B - FOLHA DE DADOS DO PAINEL JINKO JKM260-P ................... 78

xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Diagrama esquemático de funcionamento do MPPT ..................................... 4

Figura 2 - Circuito do conversor boost ............................................................................ 7

Figura 3 - Circuito do conversor boost com dois MOSFET’s .......................................... 8

Figura 4 - Circuito do conversor boost com dois MOSFET’s em outra perspectiva ....... 8

Figura 5 - Circuito do conversor boost com três pernas ................................................. 9

Figura 6 - Circuito de um inversor trifásico ................................................................... 10

Figura 7 - Conversor boost entrelaçado ....................................................................... 11

Figura 8 - DSC TMS320F28335 ................................................................................... 16

Figura 9 - Estrutura interna do DSC TMS320F28335 .................................................. 17

Figura 10 - Ambiente de trabalho do Code Composer Studio ...................................... 18

Figura 11 - Diagrama esquemático da placa de expansão .......................................... 19

Figura 12 - Placa de expansão ..................................................................................... 20

Figura 13 - Ligação dos componentes ......................................................................... 22

Figura 14 - Diagrama esquemático do funcionamento do controlador ......................... 23

Figura 15 - Atenuação de ruído .................................................................................... 24

Figura 16 - Curvas características de operação de um arranjo fotovoltaico para

diferentes quantidades de irradiância ........................................................................... 25

Figura 17 - Curvas características de operação de um arranjo fotovoltaico para

diferentes temperaturas ................................................................................................ 26

Figura 18 - Algoritmo Condutância Incremental ........................................................... 27

Figura 19 - Algoritmo P&O ............................................................................................ 28

Figura 20 - Gráfico da simulação do rastreamento do MPP ......................................... 31

Figura 21 - Curva de carga de uma bateria de chumbo-ácido ..................................... 32

Figura 22 - Comportamento da tensão durante o carregamento de uma bateria ........ 33

Figura 23 - Lógica de atuação das proteções .............................................................. 35

Figura 24 - Atuação da proteção de tensão ................................................................. 36

Figura 25 - Atuação da proteção de corrente ............................................................... 38

Figura 26 - Diagrama esquemático completo ............................................................... 40

Figura 27 - Circuito de potência simulado .................................................................... 41

Figura 28 - Complemento do circuito de potência ........................................................ 41

Figura 29 - Controlador desenvolvido no PSIM ............................................................ 42

Figura 30 - MPPT desenvolvido ................................................................................... 45

Figura 31 - Funcionamento do monitoramento ............................................................. 46

Figura 32 - Ligação dos componentes na embarcação ................................................ 48

xii

Figura 33 - Esquema elétrico do catamarã Mangue ..................................................... 49

Figura 34 - Caixa estanque do catamarã Mangue ....................................................... 49

Figura 35 - Esquema de ligação do sensor de tensão LV 25-P. .................................. 67

Figura 36 – Sensor de tensão LV 25-P ........................................................................ 67

Figura 37 - Esquema de ligação do sensor de corrente HAS-100-S. ........................... 68

Figura 38 - Sensor de corrente HAS-100-S .................................................................. 68

Figura 39 - Curva de calibração do sensor de tensão P3 ............................................ 70

Figura 40 - Curva de calibração do sensor de tensão P4 ............................................ 70

Figura 41 - Curva de calibração do sensor de corrente P1 .......................................... 72

Figura 42 - Curva de calibração do sensor de corrente P2 .......................................... 72

Figura 43 - Esquema para teste do conversor CC-CC ................................................. 73

Figura 44 - Fonte Magna-Power Electronics XR50-40/208SP. .................................... 73

Figura 45 - Carga eletrônica NHR 4700. ...................................................................... 74

xiii

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 – Especificações do conversor boost .........................................................14

TABELA 2 – Teste com função MPPT..........................................................................47

TABELA 3 – Calibração dos Sensores de Tensão........................................................69

TABELA 4 – Calibração dos Sensores de Corrente......................................................71

TABELA 5 - Teste com potência nominal sem função MPPT.......................................75

CAPÍTULO 1- INTRODUÇÃO

INTRODUÇÃO

Este projeto se destina a desenvolver um dos equipamentos constituintes de

uma embarcação com propulsão elétrica cuja alimentação é garantida por meio

da energia solar fotovoltaica. Esta embarcação participa do Desafio Solar Brasil

(DSB), uma competição que reúne barcos ainda em nível de protótipo, que tem

como objetivos, entre outros, o desenvolvimento tecnológico e a popularização

das fontes alternativas de energia. [1]

A propulsão elétrica de embarcações não é uma novidade, uma vez que, há

registros do século XIX que mostram a utilização de uma lancha na Rússia cuja

alimentação era feita por baterias. A partir do início do século XX, a propulsão

elétrica passou a ser utilizada em grande escala, porém a fonte de energia para

os motores elétricos eram geradores que utilizavam combustíveis fósseis. Esse

arranjo foi bastante utilizado até a década de 1940, quando o desenvolvimento

de tecnologias mecânicas fizeram a propulsão elétrica perder espaço, só

retomando parte do protagonismo a partir das décadas de 1980 e 1990 em

virtude do desenvolvimento da eletrônica de potência. Ainda sim, com o mesmo

arranjo que utiliza combustíveis fósseis. [2]

Como mostram os estudos de veículos elétricos terrestres, que compartilham

de muitos problemas e soluções com as embarcações, o uso de um sistema

totalmente elétrico para movimentar os veículos está interligado à questão das

baterias. Os veículos elétricos chegaram a disputar mercado de forma

igualitária com os veículos que utilizavam motores a combustão no início do

século XX. Porém, os motores a combustão mostraram-se mais baratos e a

autonomia conseguida era imensamente maior que a obtida com os veículos

que possuíam baterias como fonte de energia. Assim, os veículos elétricos

foram sendo deixados de lado pelos fabricantes. [3]

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO

2

As limitações mencionadas para os veículos elétricos são análogas às

enfrentadas pelas embarcações, ou seja, o custo e a autonomia foram

empecilhos ao longo da história para o uso de uma propulsão totalmente

elétrica, fosse em grandes, médias ou pequenas embarcações.

Desde a última década, as baterias vêm sofrendo grandes mudanças de ordem

tecnológica e econômica, tornando-se cada vez mais leves e com menores

dimensões, além de mais baratas. Há, ainda, um novo aspecto, a preocupação

ambiental, que outrora não existia e hoje está cada vez mais presente. Os

sistemas de propulsão puramente elétricos não emitem localmente gás

carbônico (CO2), o gás que é apontado como um dos responsáveis pelo efeito

estufa, que leva ao aquecimento global. Essa é uma razão para que desde a

última década busquem-se soluções que diminuam a emissão de gás

carbônico. Ressalta-se que ainda há possibilidade de emissão de CO2

provocada pela fonte primária da energia elétrica utilizada nos sistemas de

propulsão puramente elétricos. Tal possibilidade se extingue apenas se a fonte

primária for renovável.

O desenvolvimento de soluções totalmente elétricas para propulsões navais

parece encontrar um contexto cada vez mais favorável. Uma possibilidade

adicional, que tornaria ainda mais atrativo o uso de um sistema elétrico de

propulsão seria a utilização de um sistema não poluente que recarregasse as

baterias durante a utilização da embarcação, o que aumentaria a autonomia

sem prejudicar o meio-ambiente.

Uma das maneiras de ter recarregamento sem emissão de poluentes durante o

uso da embarcação é através da utilização de um sistema fotovoltaico. Nesse

sistema, os equipamentos para propulsão são os mesmos que um sistema

elétrico comum, porém são alimentados por baterias que podem ser

carregadas por meio de um arranjo fotovoltaico e um controlador de carga.

O objeto deste trabalho é um tipo de controlador de carga, denominado

seguidor do ponto de potência máxima (SPPM ou MPPT do inglês maximum


3

power point tracker), que rastreia a máxima potência que pode ser fornecida

pelo arranjo fotovoltaico interligado à sua entrada, buscando transferir essa

máxima potência ao banco de baterias conectado em sua saída.

1.1. Objetivo

Este trabalho tem como objetivo o projeto e a implementação de um conversor

eletrônico CC-CC que processe a energia proveniente de um arranjo

fotovoltaico e carregue um banco de baterias, para alimentar o sistema de

propulsão elétrico de uma embarcação. O controle do conversor possui um

algoritmo que rastreia a máxima potência do arranjo fotovoltaico, tratando-se,

assim, de um rastreador do ponto de máxima potência (MPPT).

Em função dos valores nominais de tensão especificados para o arranjo

fotovoltaico e para o banco de baterias, bem como para reduzir o ripple da

corrente absorvida do arranjo fotovoltaico, foi escolhida a topologia de

conversor CC-CC boost entrelaçado, cujo chaveamento é feito por intermédio

de MOSFET’s.

O MPPT conta com proteções que garantem o funcionamento do banco de

baterias dentro de suas especificações. Tais proteções devem desligar o MPPT

caso o nível de tensão ou corrente de carga no banco de baterias superem os

valores especificados pelo fabricante.

O circuito de controle do MPPT tem como principal componente um

Controlador Digital de Sinais (DSC, do inglês, Digital Signal Controller). O

modelo utilizado é o TMS320F28335 (Delfino) da Texas Instruments. É através

dele que é feita a implementação digital do controlador. Há, ainda, os sensores,

a placa de expansão com circuitos de condicionamento de sinais, interfaces

analógicas e digitais, e o circuito de acionamentos dos MOSFET’s (gate drive).


4

O MPPT deve possuir, também, uma interface homem máquina (IHM) que

mostre se o funcionamento está correto, que permita o

desligamento/religamento manual e que possibilite o reinício do chaveamento,

também, manual.

O desligamento/religamento manual ocorre através de um relé que fornece

energia à fonte de alimentação do MPPT. Já o reinício manual do chaveamento

é feito por meio de uma interação via software.

A figura 1 mostra esquematicamente como funciona o MPPT.

Figura 1 - Diagrama esquemático de funcionamento do MPPT


5

1.2. Organização do trabalho

Este trabalho está estruturado da seguinte maneira:

Capítulo 1 – Introdução: Faz uma breve contextualização do uso de veículos

elétricos e suas implicações. Além disso, faz uma introdução do conversor CC-

CC desenvolvido.

Capítulo 2 – Circuito de Potência: Mostra a topologia empregada no conversor

CC-CC, além das equações que o regem e de suas especificações.

Capítulo 3 – Circuito de Controle: Traz as especificações dos circuitos e do

software utilizados como ferramenta para o desenvolvimento do trabalho.

Capítulo 4 – Programa de Controle: Nesse capítulo está todo o

desenvolvimento do controlador que realiza a operação do conversor CC-CC

conforme os objetivos estabelecidos.

Capítulo 5 – Implementação: Aqui é apresentado o processo para colocar em

prática o projeto desenvolvido e também são apresentados os resultados

práticos.

Capítulo 6 – Conclusão: São apresentadas as últimas considerações e

possíveis melhorias a serem desenvolvidas futuramente.

Referências Bibliográficas: Todas as fontes consultadas estão aqui.

Os apêndices A e B trazem os códigos implementados nesse trabalho. Já o

apêndice C apresenta o processo de calibração dos sensores utilizados no

projeto. O apêndice D descreve os testes realizados com o conversor CC-CC,

além de mostrar os resultados desses testes.


6

Por fim, nos anexos A e B estão presentes, respectivamente, as folhas de

dados da bateria e do módulo fotovoltaico utilizados no desenvolvimento do

conversor CC-CC.

CAPÍTULO 2 - CIRCUITO DE POTÊNCIA

CIRCUITO DE POTÊNCIA

Neste capítulo será mostrado projeto básico do conversor CC-CC com

topologia boost entrelaçada, quais as equações que regem esse conversor e

quais as especificações do conversor projetado.

2.1. Conversor CC-CC boost

2.1.1. Topologia

O circuito de um conversor boost é apresentado na figura 2.

Figura 2 - Circuito do conversor boost

No circuito acima uma tensão Vd é aplicada na entrada do conversor e na saída

é obtida uma tensão Vo com valor maior que a tensão de entrada. Neste

exemplo o chaveamento é feito através do MOSFET M1. Enquanto M1 estiver

conduzindo, a corrente no indutor L aumenta linearmente. Quando M1 é

bloqueado, a energia armazenada em L faz com que a corrente passe a ser

conduzida pelo diodo D2. O diodo D1, que aparece na figura em antiparalelo1

com M1, é um diodo que já vem integrado no mesmo encapsulamento de

muitos MOSFETs comercialmente disponíveis. Neste circuito, D1 não tem 1 Na verdade o nome correto da conexão é "em paralelo". O termo "em antiparalelo" denota apenas que o sentido considerado positivo para condução de corrente é oposto nos dois elementos da conexão em paralelo.

CAPÍTULO 2 – CIRCUITO DE POTÊNCIA

8

função, pois só há passagem de corrente através do M1. Esse circuito manteria

suas funcionalidades se o diodo D2 fosse implementado por um componente

idêntico ao MOSFET M1 (isto é, com diodo em antiparalelo), desde que o

MOSFET estivesse sempre bloqueado e, portanto, permitisse a passagem de

corrente apenas pelo seu diodo antiparalelo. Esta alteração pode ser

visualizada na figura 3, na qual o MOSFET associado ao diodo D2 é

denominado M2.

Figura 3 - Circuito do conversor boost com dois MOSFET’s

Para facilitar o entendimento, o circuito da figura 3 está redesenhado na figura

4.

Figura 4 - Circuito do conversor boost com dois MOSFET’s em outra perspectiva

Agora é mais fácil perceber que é possível inserir mais segmentos ou “pernas”

no conversor, sem que a tensão de saída seja modificada. Destaca-se que

para isso ocorrer, o duty cycle dos MOSFET’s do circuito com mais segmentos


9

deve ser o mesmo que o do circuito com um único segmento. Ou seja, o

MOSFET que esteja com posicionamento similar a M1 (parte de baixo) deve

chavear com a mesma razão cíclica que M1 e o MOSFET que esteja

posicionado similarmente a M2 (parte de cima) deve ser mantido bloqueado.

Caso isso não ocorra, pode haver circulação de correntes extremamente altas,

capazes de danificar os componentes do circuito. Na figura 5 há o circuito de

um conversor boost com três pernas. Nesta figura, cada conjunto formado por

um MOSFET em antiparalelo com um diodo recebeu um único rótulo,

diferentemente da representação feita nas figuras 2, 3 e 4. No restante do

trabalho, quando houver referência a MOSFET’s, deve ser entendido que tal

referência é para o conjunto formado pelo MOSFET em antiparalelo com o

diodo. Além disso, os MOSFET’s que devem ser mantidos em estado de

bloqueio serão nomeados como D1, D2 e D3. Já os MOSFET’s que devem

chavear segundo a razão cíclica (D) serão chamados de M1, M2 e M3.

Figura 5 - Circuito do conversor boost com três pernas

Os capacitores C1, C2 e C3 foram deixados separados apenas para facilitar o

entendimento. O circuito da figura 5 foi o circuito implementado neste trabalho.

Ele pode ser obtido a partir de uma ponte trifásica, cuja aplicação mais comum

é como um inversor trifásico. Um circuito típico de um inversor trifásico é

mostrado na figura 6.


10

Figura 6 - Circuito de um inversor trifásico

Para obter a topologia de um conversor boost com três pernas a partir de uma

ponte trifásica, primeiro a entrada e a saída são invertidas, depois cada

segmento dessa nova entrada (onde está Va, Vb e Vc) deve receber um indutor

(todos os indutores devem ter indutâncias iguais), esses indutores têm suas

entradas interligadas. A última etapa é conectar um capacitor, ou um conjunto

de capacitores em paralelo, na saída. A figura 7 apresenta o circuito resultante

dessas modificações. Este é o circuito com o qual o trabalho foi desenvolvido,

já com os capacitores reduzidos a um único equivalente. Também foi

modificada a nomenclatura das tensões, para ficar de acordo com a aplicação

pretendida, em que o suprimento de energia (entrada) vem de um arranjo

fotovoltaico e na saída a energia é armazenada em um banco de baterias. Vd

passa a ser Vpv (tensão nos terminais do arranjo fotovoltaico) e Vo passa a ser

Vbat (tensão nos terminais do banco de baterias). Como será descrito a seguir,

o comando (PWM) dos MOSFETs é feito de tal maneira que cada perna

chaveia em um instante diferente das outras, fazendo com que se tenha um

conversor que opera em modo entrelaçado.


11

Figura 7 - Conversor boost entrelaçado

2.1.2. Equações

O conversor deve operar no modo de condução contínua, as relações

desenvolvidas aqui vão considerar este modo de operação. Dada a frequência

de chaveamento (f), o período será

𝑇𝑠 =1

𝑓 (2.1)

O duty cycle2 (D) é a razão, dentro de um período, entre o tempo que a chave

(MOSFET) conduz e o tempo total do período. A relação entre o D e as tensões

Vpv e Vbat, no modo de condução contínua, é dada por [4]

𝑉𝑏𝑎𝑡

𝑉𝑝𝑣=

1

1−𝐷 (2.2)

Para garantir que o conversor se mantenha no modo de condução contínua,

cada indutor deve apresentar valor de indutância mínima dada por

2 Também conhecido como "ciclo de trabalho" ou "razão cíclica".


12

𝐿𝑚í𝑛 =𝑇𝑠𝑉𝑏𝑎𝑡

2𝐼𝑏𝑎𝑡𝐷(1 − 𝐷)2 (2.3)

A capacitância mínima do capacitor que garante o ripple da tensão de saída

(ΔVbat) dentro dos limites estabelecidos pode ser encontrada da seguinte

maneira

𝐶𝑚í𝑛 =𝐼𝑏𝑎𝑡𝐷𝑇𝑠

∆𝑉𝑏𝑎𝑡 (2.4)

Ressalta-se que com o conversor boost operando em modo entrelaçado, o

ripple é menor que o encontrado em um conversor boost simples.

As equações (2.1), (2.3) e (2.4) mostram que quanto maior for a frequência de

chaveamento, menor será Ts e menores, também, serão a capacitância do

capacitor necessária para se obter o ripple desejado3 e a indutância do indutor

para garantir a operação no modo de condução contínua4, porém o aumento da

frequência de chaveamento leva ao aumento das perdas. Portanto, é

necessário haver um compromisso entre esses fatores para a escolha da

frequência de chaveamento.

2.1.3. Especificações

Em um conversor cuja entrada consiste em um arranjo fotovoltaico e a saída de

um banco de baterias, os valores de tensão podem variar bastante. Assim, o

projeto considerou os valores para tensão de entrada (Vpv) e saída (Vbat) para

os quais se espera que o conversor opere na maior parte do tempo.

Evidentemente, a operação fora dessa faixa de valores pode ocorrer, no

entanto, pode-se perder parte da eficiência na operação, além de haver

possibilidade de não atendimento da especificação de ripple na saída.

3 Ou menor será o ripple, se a capacitância já estiver definida. 4 Ou menor será a corrente se a indutância já estiver definida.


13

A potência nominal do conversor é de 1 kW (de acordo com a potência do

arranjo fotovoltaico, em torno de 1 kWp, que deve ser conectado em sua

entrada) e a tensão nominal de saída (Vbat) é de 36 V. A frequência de

chaveamento (f) escolhida foi de 10 kHz, Vpv foi especificado entre 28,5 V e

31,1 V, já o Vbat, apesar do seu valor nominal, pode variar entre 31,5 V e 42 V.

O valor da frequência de chaveamento foi escolhido em um compromisso para

se ter um ripple pequeno, uma baixa corrente mínima para o modo de

operação em condução contínua e ao mesmo tempo para que as perdas por

chaveamento não sejam grandes. Os valores de tensão na entrada e na saída

estão de acordo com os valores de operação do arranjo fotovoltaico e do banco

de baterias utilizados com o MPPT. Esses valores podem ser conferidos nas

folhas de dados da bateria e do módulo fotovoltaico utilizados, que são

apresentados nos anexos A e B, respectivamente.

A partir da equação (2.2), foi encontrado que os valores de D deveriam variar

entre 0,013 e 0,321. Foi, então, estabelecido que os valores implementados de

D deveriam oscilar entre 0 e 0,35.

Por fim, foi necessário especificar os valores da indutância (L) e da

capacitância (C) utilizados no circuito da figura 7.

Para determinar a indutância de cada indutor, foi utilizada a equação (2.3), o

valor de corrente Ibat mínima foi considerada igual a 1 % do valor nominal, ou

seja, 0,28 A. Além disso, foi necessário encontrar o máximo da expressão

𝐷(1 − 𝐷)2, que ocorre quando D=0,33. Desse modo, encontrou-se L igual a 1

mH.

A especificação da capacitância equivalente (C) dos capacitores presentes no

circuito é feita com base na equação (2.4). Considerando o ripple de 0,5 %, que

o valor máximo de Ibat é igual a 34 A e que o valor máximo de D é 0,35, tem-se

𝐶𝑚í𝑛 =34 × 0,35 × 10−4

0,18= 6611 𝜇𝐹


14

Assim, foi escolhido um conjunto de capacitores com capacitância equivalente

de 6800 µF que garante, portanto, o atendimento da especificação de ripple de

0,5% em Vbat.

A tabela 1 resume as especificações do conversor.

TABELA 1 – Especificações do conversor boost

Faixa de Valores Valor Nominal

Potência - 1 kW

f - 10 kHz

D 0 a 0,35 -

Vpv 28,5 – 31,1 V -

Vbat 31,5 – 42 V 36 V

L - 1 mH

C - 6800 µF

CAPÍTULO 3 - CIRCUITO DE CONTROLE

CIRCUITO DE CONTROLE

Este capítulo faz um breve resumo sobre o hardware utilizado para a

implementação do controlador a ser desenvolvido. Também é descrito o

ambiente de desenvolvimento empregado para criação, depuração e testes do

software de controle a ser embarcado no DSC.

3.1. O DSC TMS320F28335

Os microcontroladores são dispositivos que possuem, basicamente, unidade de

processamento, unidade de memória e unidade de acesso para periféricos.

São utilizados em aplicações embarcadas, funcionando de maneira

independente e com baixo custo. Já os microprocessadores são circuitos

integrados capazes de executar instruções lógicas, aritméticas e de tomada de

decisão. Um Processador Digital de Sinais (DSP) é um tipo de

microprocessador que conta com arquitetura específica que reduz o número de

instruções e operações necessárias em algoritmos de processamento de

sinais. Como consequência os DSP’s possuem suporte a operações como

convolução de sinais, transformada discreta de Fourier, filtros digitais, entre

outras. Um Controlador Digital de Sinais (DSC) é um microcontrolador cuja

unidade de processamento é um DSP.

O DSC utilizado no projeto do MPPT é o TMS320F28335 da Texas Instruments

que pode ser visualizado na figura 8. Ele também será chamado neste trabalho

de F28335.

CAPÍTULO 3 – CIRCUITO DE CONTROLE

16

Figura 8 - DSC TMS320F28335. Fonte: [5]

3.1.1. O hardware do DSC TMS320F28335

As principais características de hardware do DSC TMS320F28335 estão

listadas a seguir:

Frequência do processador: 150 MHz;

Single-access RAM (SARAM): 34 kB;

Memória flash: 256 kB;

Canais de conversão A/D: 16 com resolução de 12 bits e 80 ns de tempo

de conversão;

Canais PWM: 18;

Pinos de entrada e saída (GPIO): 88;

Portas de comunicação serial: 3.

A estrutura interna do TMS320F28335 é apresentada na figura 9.


17

Figura 9 - Estrutura interna do DSC TMS320F28335. Fonte: [6]5

Uma característica que se destaca no F28335 é o fato de possuir dois

barramentos independentes que se comunicam entre si. Trata-se de um

barramento de programa (“Program Bus”) e de um barramento de dados (“Data

Bus”).

Na CPU, a maior parte das instruções de registrador é realizada pelo F28335

em um único clock. Como mostra a figura 9, estes registradores possuem 32

bits, além disso, eles realizam operações de ponto fixo. Na CPU ainda está

presente a FPU, que é uma unidade de hardware que lida com operações de

ponto flutuante.

Neste trabalho, faz-se o uso de 5 portas GPIO, 3 portas PWM e 4 canais de

A/D.

5 Disponível para baixar em http://cnx.org/contents/WhAChLus@2/Module-2-Architecture-of-the-T


18

3.1.2. O Ambiente de Desenvolvimento do DSC TMS320F28335

Para o desenvolvimento de aplicações no F28335 é necessário o emprego do

software Code Composer Studio (CCS). Trata-se de um ambiente de

desenvolvimento criado pela própria Texas Instruments. Encontra-se na figura

10 a tela de trabalho do Code Composer Studio V5.

Figura 10 - Ambiente de trabalho do Code Composer Studio

Para o desenvolvimento deste trabalho foi utilizado o PSIM, que é um software

projetado para simulações em eletrônica de potência. Possui interface

amigável, simulação rápida e apresenta os resultados como formas de onda

similares às apresentadas na tela de um osciloscópio. Além disso, dispõe de

modelos detalhados das chaves estáticas. Pode ser utilizado em circuitos

analógicos e digitais. Uma característica importante que o PSIM possui é que

ele foi projetado para trabalhar diretamente com o F28335. Todo o circuito de

potência e todo o controlador desenvolvido neste trabalho foram simulados no

PSIM.


19

A programação do DSC é feita através do Code Composer Studio, software

para desenvolvimento de sistemas embarcados que possui otimização do

compilador C/C++, editor de código fonte, ambiente de construção do projeto,

depurador, entre outras características. A integração entre o Code Composer

Studio e o PSIM é realizada através da ferramenta SimCoder do PSIM, nela

um código contendo todo o software de controle simulado é gerado. Esse

código deve ser importado para o Code Composer Studio, onde é embarcado

no DSC.

3.2. A Placa de Expansão

A placa de expansão é responsável por fazer a intermediação na comunicação

com o DSC. Ela traz funcionalidades que facilitam as possibilidades de uso do

F28335, além de possuir circuitos que condicionam os sinais recebidos por

sensores. Na figura 11 é possível observar o diagrama esquemático da placa

de expansão com os elementos utilizados neste trabalho e na figura 12 está a

imagem real da placa utilizada no projeto.

Figura 11 - Diagrama esquemático da placa de expansão


20

Terminais

dos Relés

Terminais

dos Botões

Entrada dos

Sensores

Saídas PWM e GPIO

para o Drive

Figura 12 - Placa de expansão

Entre as funcionalidades presentes na placa de expansão, estão relés cujas

entradas de comando (bobinas de acionamento) estão diretamente ligadas a

portas GPIO do DSC. Um desses relés é usado no projeto para acionar um

LED que indica o correto funcionamento do MPPT. A placa de expansão

também possui terminais destinados à conexão de botões que servem como

comando, tais terminais estão interligados a portas GPIO. Um desses terminais

é utilizado para a conexão de um botão de reinício manual do chaveamento do

MPPT.


21

Existem, ainda, circuitos de instrumentação eletrônica que têm como função

condicionar os sinais recebidos dos sensores de tal forma que possam ser lidos

pelo conversor A/D do F28335. Além disso, as portas PWM e as portas GPIO

não conectadas aos relés e aos terminais dos botões ficam disponíveis em um

conector separado.

3.3. O Drive

Para controlar as chaves eletrônicas, lembrando que no presente projeto

tratam-se de MOSFET’s, o DSC enviará os sinais por meio das portas PWM

e/ou GPIO. Entretanto, esses sinais não estão na forma adequada ou não

possuem potência suficiente para o controle dos MOSFET’s. Assim, o drive

deve receber a informação do DSC e condicioná-la de tal forma que o controle

das chaves eletrônicas possa acontecer de acordo com o sinal vindo do DSC.

CAPÍTULO 4 - SOFTWARE DE CONTROLE

SOFTWARE DE CONTROLE

Todo o funcionamento do MPPT é definido por um controlador que deve

determinar o valor de cada parâmetro de saída a cada instante de acordo com

os valores instantâneos dos parâmetros de entrada. Todo o desenvolvimento

do controlador foi feito no PSIM, fazendo uso de sua biblioteca específica de

integração com o DSC TMS320F28335 da Texas Instruments.

Esse controlador é implementado internamente no MPPT, e para que funcione

corretamente é necessário que as ligações dos componentes físicos do

sistema que utilizará o MPPT e também nas simulações ocorram conforme

mostra a figura 13.

MPPT

Sensores

(Vbat e Ibat)

Sensores

(Vpv e Ipv)

+ + + +

----

Figura 13 - Ligação dos componentes

Ressalta-se que a inserção de uma carga, como um motor, interligada ao

banco de baterias não altera o correto funcionamento do MPPT.

O controlador projetado tem como objetivo controlar o chaveamento dos

MOSFET’s. Esse controle é feito a partir do processamento das informações de

CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE

23

corrente e tensão do arranjo fotovoltaico e do banco de baterias. Como

resultado é obtida a definição da razão cíclica de modulação de cada MOSFET

do conversor CC-CC.

O controle dos MOSFET’s é realizado através da modulação por largura de

pulso (PWM, do inglês, Pulse-Width Modulation) quando o conversor está

ativado, ou mantendo um único estado quando o conversor está desativado, no

caso o de não condução, por meio de portas digitais. Além disso, o controlador

deve manter indicado, através de um LED, o estado de funcionamento de

MPPT e, por fim, deve ter um botão que permita o reinício manual. Na figura 14

há um diagrama esquemático mostrando as entradas e saídas do controlador.

Figura 14 - Diagrama esquemático do funcionamento do controlador

O controlador trabalha internamente com o sistema por unidade (pu). Desse

modo, após os valores Vpv, Ipv, Vbat e Ibat serem lidos, eles são divididos pelas

suas respectivas bases. Também há, internamente, um estágio de filtragem

digital para diminuição do ruído captado pelo conversor A/D.

A frequência de amostragem, isto é, a frequência que os parâmetros de

entradas são lidos e os parâmetros de saída são definidos é de 1000 Hz. Esse

valor permite que a convergência do algoritmo MPPT seja rápida o suficiente.


24

4.1 Diminuição do ruído captado pelo conversor A/D

É de prévio conhecimento que o conversor A/D do DSC a ser utilizado capta

ruído nas leituras dos parâmetros de interesse. Assim, é importante que no

projeto do controlador esteja prevista alguma forma de atenuação de tais

ruídos.

Neste trabalho foi inserido um bloco no projeto desenvolvido no PSIM que

atenua o ruído presente no sinal de entrada do controlador, mediante o cálculo

da média de grupos de amostras sucessivas, ou seja, trata-se de um filtro

média móvel. O código presente nesse bloco encontra-se no apêndice A. Na

figura 15 está demonstrada a atuação da atenuação projetada para um ruído

simulado no PSIM.

Figura 15 - Atenuação de ruído

Esse atenuador de ruído (filtro) é utilizado nas leituras das tensões e correntes

do arranjo fotovoltaico e do banco de baterias. Como fica nítido na figura 15,

ele diminui bastante as oscilações provenientes do ruído. Isso permite uma

leitura mais correta dos valores por parte do controlador.


25

4.2. Rastreamento da máxima potência

Em um arranjo fotovoltaico a geração de energia elétrica é intermitente e sofre

forte influência da nebulosidade e da temperatura. Esses fatores fazem com

que o ponto de operação que leva à extração da máxima potência do arranjo

fotovoltaico mude constantemente. Assim, rastrear esse ponto de máxima

potência (MPP, do inglês, Maximum Power Point) continuamente é uma forma

de garantir uma maior eficiência na conversão de energia.

As figuras 16 e 17 apresentam uma série de curvas características de um

arranjo fotovoltaico para diferentes situações de irradiância e temperatura,

respectivamente.

Figura 16 - Curvas características de operação de um arranjo fotovoltaico para diferentes quantidades de irradiância


26

Figura 17 - Curvas características de operação de um arranjo fotovoltaico para diferentes temperaturas

É possível observar como a variação da quantidade de radiação solar e da

temperatura influenciam na operação de um módulo ou arranjo fotovoltaico.

Para o caso da variação de temperatura, a máxima potência tem um

comportamento linear e oscila em -0,41%/°C. Isso faz com que o ponto de

operação necessite ser continuamente reajustado para garantir o rastreamento

da máxima potência de forma constante.

4.2.1. Métodos de rastreamento da máxima potência

Os dois métodos MPPT mais amplamente utilizados são o algoritmo da

condutância incremental e o algoritmo perturba e observa (P&O). No caso da

condutância incremental, utiliza-se o fato de a derivada da potência em relação

à tensão ser zero no ponto de máxima potência, obtendo-se a seguinte relação

𝑑𝑃

𝑑𝑉=

𝑑(𝑉𝐼)

𝑑𝑉= 𝐼.

𝑑𝑉

𝑑𝑉+ 𝑉.

𝑑𝐼

𝑑𝑉= 𝐼 + 𝑉.

𝑑𝐼

𝑑𝑉= 0 (5.1)


27

Assim, calculando ΔI e ΔV usando os valores atuais e os valores anteriores é

possível implementar um código com a seguinte lógica:

∆𝐼

∆𝑉= −

𝐼

𝑉 : o ponto de operação está no ponto de máxima potência;

∆𝐼

∆𝑉> −

𝐼

𝑉 : o ponto de operação está à esquerda do ponto de máxima

potência;

∆𝐼

∆𝑉< −

𝐼

𝑉 : o ponto de operação está à direita do ponto de máxima

potência.

O fluxograma do método da condutância incremental é mostrado na figura 18.

Figura 18 - Algoritmo Condutância Incremental


28

Portanto, a partir da lógica mostrada no diagrama de fluxo da figura 18 é

possível realizar o rastreamento da máxima potência através do algoritmo da

condutância incremental.

O algoritmo P&O possui uma lógica mais simples na qual se observa o efeito

de uma perturbação na tensão, ou seja, a tensão é aumentada ou diminuída.

Caso a potência fornecida pelo arranjo fotovoltaico aumente, a perturbação

deve ser mantida no mesmo sentido, caso a potência diminua, a perturbação

deve ser feita no sentido contrário. Na figura 19, encontra-se um diagrama de

fluxo que mostra o funcionamento do método P&O.

Figura 19 - Algoritmo P&O

O método empregado no projeto do MPPT foi o P&O com modificação no

algoritmo original para que se obtivesse uma rápida convergência no

rastreamento do ponto de máxima potência. A escolha desse método ocorreu


29

pela simplicidade da aplicação e pelos satisfatórios resultados obtidos em

simulação.

4.2.2. Implementação do rastreamento do MPP

A implementação do algoritmo P&O foi realizada de tal forma que se

perturbava o valor de referência (Vref) e, em seguida, verificava-se a potência,

tal qual o previsto no método escolhido. No entanto, foi incluída uma limitação

em Vref. Essa limitação foi necessária porque foi verificado que muitas vezes o

Vref assumia valores elevados, fazendo com que, quando fosse preciso inverter

o sinal do incremento, houvesse uma grande demora na convergência. A

limitação corrigiu esse problema.

O Vref é utilizado para calcular qual o valor de razão cíclica (D) do controle por

PWM deve ser implementado naquele instante. O cálculo do D a cada iteração

é feito conforme a seguinte equação:

𝐷 =𝑉𝑏𝑎𝑡−𝑉𝑟𝑒𝑓

𝑉𝑏𝑎𝑡 (5.2)

Ou seja, a referência Vref substitui a variável Vpv.

Já a potência é calculada utilizando a tensão Vpv medida pelo sensor e a

corrente Ipv, também medido pelo sensor, da seguinte maneira

𝑃 = 𝑉𝑝𝑣 × 𝐼𝑝𝑣 (5.3)

Assim, ajusta-se o valor Vref de acordo com o rastreamento da potência. Com

isso o controle do chaveamento é realizado através da definição do duty cycle.


30

É importante salientar que esse controle ocorre para os MOSFET’s M1, M2 e

M3. Destaca-se, ainda, que cada um desses MOSFET’s é acionado com uma

diferença de um terço do período de chaveamento (Ts), um em relação ao

outro. Isso faz com que nenhum dos três MOSFET’s sejam acionados

simultaneamente.

Os MOSFET’s D1, D2 e D3 devem ficar na condição de bloqueio durante todo

o tempo. Para que isso aconteça, são utilizadas portas digitas de saída que

devem garantir que esses MOSFET’s terão nível lógico baixo em seus gates.

Os circuitos presentes no drive possuem configuração inversora. O que faz

com que seja necessário que o controlador estabeleça valores lógicos inversos

ao desejados. A consequência disso é que o valor do duty cycle enviado pelo

controlador deve ser igual a 1 − 𝐷 e que o nível lógico de controle dos

MOSFET’s D1, D2 e D3 deve ser alto para que permaneçam em estado de

bloqueio.

Como forma de garantir que o MPPT não vai operar fora de sua faixa nominal

de operação, um limitador de duty cycle que não permite que o D fique fora da

faixa estabelecida na tabela 1 é adicionado na saída do bloco que contém o

código de rastreamento da máxima potência.

Tem-se na figura 20 um gráfico obtido a partir de uma simulação do MPPT que

mostra a potência máxima possível do arranjo fotovoltaico simulado e a

potência que o MPPT consegue extrair.


31

Figura 20 - Gráfico da simulação do rastreamento do MPP

No gráfico é da figura 20 pode ser observado que o MPPT consegue rastrear a

máxima potência quando a potência máxima se mantém constante e quando a

potência máxima está diminuindo ou aumentando. Além disso, quando há uma

mudança brusca no sentido do crescimento da potência, ou seja, quando ela

está diminuindo e passa a aumentar e vice-versa, o MPPT faz o correto

acompanhamento dessas mudanças.

4.3. Proteções do banco de baterias

O MPPT trabalha injetando corrente no banco de baterias, que, por sua vez,

impõe a tensão na saída do conversor. Não há qualquer restrição ou imposição

de tensão ao banco de baterias, justamente por serem as baterias as

responsáveis por definir a tensão de saída do MPPT.

Conforme é carregada, ou seja, recebe corrente, uma bateria aumenta o seu

nível de tensão. Similarmente, conforme descarrega, ou seja, fornece corrente,


32

uma bateria tem seu nível de tensão reduzido. Assim o valor de tensão é um

bom indicativo da carga de uma bateria. Na figura 21 é mostrado um exemplo

de curva de carga de uma bateria de chumbo-ácido.

Figura 21 - Curva de carga de uma bateria de chumbo-ácido. Fonte: [7]

Como revela a figura 21, a tensão da bateria tem um determinado limite, que

no gráfico mostrado é de 13,5 V. Quando a bateria atinge essa tensão, a

corrente de carga começa a diminuir e o carregamento se torna mais lento.

Chegando a um ponto que uma pequena quantidade de corrente é suficiente

para manter a bateria carregada, estando, portanto, no estágio de flutuação.

Além disso, as baterias possuem limite de corrente carga.

O MPPT descrito nesse trabalho pode, caso não haja algo que o impeça,

injetar mais corrente que o necessário para manter o estágio de flutuação nas

baterias interligadas a ele. A consequência disso é que a tensão pode subir

para níveis muito maiores que os limites recomendados pelos fabricantes e

danificar as baterias. Outra causa de possíveis danos é o carregamento com

correntes acima do recomendado pelos fabricantes


33

Em virtude do exposto no parágrafo anterior, foram projetadas proteções que

limitam a corrente de carga e a tensão do banco de baterias. As proteções

atuam paralisando o chaveamento, isso interrompe o fluxo de potência do

arranjo fotovoltaico para o banco de baterias. Assim, as baterias param de

receber corrente. Outro ponto importante projetado é que, uma vez que, uma

das proteções tenha atuado, o MPPT só volta a chavear caso haja uma ação

manual de reinício.

A atuação da proteção ocorre acionando o comando de Stop PWM. Assim, o

chaveamento é imediatamente paralisado. Quando há o acionamento manual

para que o chaveamento retorne, o comando Stop PWM é desativado e o

comando Start PWM é acionado. Isso leva o MPPT a operar novamente.

4.3.1. Proteção para excesso de tensão

Conforme já foi dito anteriormente, a injeção de corrente em uma bateria faz a

sua tensão aumentar. Porém, há mais uma questão a ser considerada, quando

uma bateria está recebendo corrente, sua tensão fica em determinado patamar,

assim que essa injeção de corrente é cessada, a tensão imediatamente

diminui. Tal diminuição não leva a tensão para o patamar anterior à injeção de

corrente, mas a um patamar menor que o encontrado durante o carregamento,

configurando um comportamento similar a uma histerese. O gráfico da figura 22

demonstra o comportamento descrito para uma situação de carga.

Figura 22 - Comportamento da tensão durante o carregamento de uma bateria


34

A figura 22 indica que enquanto a corrente injetada está aumentando ou é

constante, a tensão aumenta. A partir do momento em que a corrente de carga

diminui, a tensão também sofre um decréscimo. Quando a corrente de carga é

zerada, a tensão não volta ao patamar original por estar mais carregada que no

início do processo.

Como as baterias possuem um limite de tensão no qual podem operar com

segurança, a proteção projetada paralisa o chaveamento em determinado nível

de tensão, o que vai fazer a tensão da bateria diminuir imediatamente. Em

seguida modifica o nível de tensão limite para um valor mais baixo para que o

chaveamento não recomece em virtude da diminuição da tensão.

A proteção só deve atuar se a bateria estiver sendo carregada. Em uma

situação na qual o MPPT esteja operando, mas houver uma carga ligada ao

banco de baterias que esteja consumindo a potência fornecida pelo MPPT e

ainda esteja descarregando as baterias, o controlador verifica, através do

sentido da corrente, que o banco de baterias está fornecendo corrente e não

aciona a atuação da proteção, pois a carga que consome corrente da bateria

atua diminuindo a sua tensão e não há, portanto, necessidade de paralisar o

fornecimento de energia através do MPPT. A lógica de atuação das proteções

está resumida na figura 23. Para que o conversor volte a operar após a

proteção atuar, é necessário que o operador reinicie o chaveamento

manualmente. Isso ocorre acionando uma chave denominada I/O. É importante

salientar que essa chave controla o MPPT e é controlada pelo operador, não

sofrendo qualquer influência da proteção.


35

Figura 23 - Lógica de atuação das proteções

Para a verificação do funcionamento das proteções, foram realizadas

simulações em que a ligação dos componentes ocorreu conforme mostrou a

figura 13. Os resultados dessas simulações são apresentados nas figuras 24 e

25.

O gráfico da figura 24 mostra a atuação da proteção quando se faz necessário

e, também, mostra quando a proteção não deve atuar, mesmo que o nível de

tensão exceda o valor recomendado.


36

Figura 24 - Atuação da proteção de tensão

No gráfico superior da figura 24 está a potência extraída pelo MPPT do arranjo

fotovoltaico e a potência máxima disponível, já no gráfico inferior é mostrado o

limite de tensão para o banco de baterias simulado, além da tensão desse

banco. Há ainda a representação de uma chave que define se o MPPT deve ou

não chavear. Quando a chave está em nível alto, o MPPT chaveia

normalmente, extraindo potência do arranjo fotovoltaico, quando está em nível

baixo, não chaveia.

No início da simulação a tensão do banco de baterias é superior ao limite, no

entanto, as baterias estão descarregando e, consequentemente, a tensão está

caindo. Nessa situação, o MPPT deve permanecer operando e a proteção não

deve atuar. É exatamente o que o gráfico mostra.


37

A partir do instante 0,284 s, a tensão do banco de baterias volta a ficar superior

ao limite, porém dessa vez em condição de carregamento. Nessa situação, a

proteção atua, fazendo com que o MPPT pare de extrair potência do arranjo

fotovoltaico. Ele só volta a operar normalmente após ter sido reiniciado, como

indica a curva da chave de controle, no instante 0,33 s.

4.3.2. Proteção para excesso de corrente

Para o caso da corrente, a proteção tem um funcionamento mais simples. Ela

deve identificar se há uma corrente de carga acima do limite estabelecido.

Caso haja, deve paralisar o chaveamento do MPPT sem a necessidade de

modificar o valor limite como acontece no caso da tensão. A única ressalva é

que deve ser identificado o sentido da corrente, pois baterias possuem um

limite relativamente baixo para corrente de carga, mas não para corrente de

descarga. Além disso, o MPPT nunca será responsável por uma grande

descarga.

Na figura 25 é apresentado o resultado da simulação para diferentes situações

de corrente no banco de baterias.


38

Figura 25 - Atuação da proteção de corrente

O gráfico da figura 25 mostra que a proteção de corrente atua somente quando

o valor excedido é positivo. A partir de 0,2 s a corrente possui módulo superior

ao limite estabelecido, porém com sinal negativo. Isso corresponde a uma

situação de descarga da bateria. Nessa situação a proteção não atua e o

chaveamento continua normalmente. O reinício do chaveamento do MPPT

ocorre por uma ação manual, como mostra a curva da chave.

4.4. IHM (interface homem-máquina)

A interface homem-máquina (IHM) do MPPT possui duas ligações com o

controlador. Essas ligações ocorrem por meio da placa de expansão, conforme

pode ser observado na figura 26. Uma das ligações é a partir de uma porta

digital de saída que aciona um LED que permanece acesso enquanto o MPPT

está chaveando e apaga caso pare de chavear. A outra ligação se dá por uma


39

porta digital de entrada ligada ao terminal de um botão na placa de expansão e

serve para reiniciar o chaveamento do MPPT, ou seja, é a chave I/O.

4.5. Diagrama esquemático completo

A figura 26 mostra o diagrama esquemático completo de funcionamento do

MPPT. Toda simulação no PSIM e implementação prática do projeto foram

feitas de acordo com o que mostra o diagrama.


40

Figura 26 - Diagrama esquemático completo


41

4.6. Desenvolvimento no PSIM

Na figura 27 o circuito de potência simulado é apresentado. Nela é possível

observar a presença de um painel que modela o arranjo fotovoltaico e também

de uma fonte de tensão que modela o banco de baterias. Estão presentes

ainda todos os sensores utilizados no controle e também para as simulações.

Figura 27 - Circuito de potência simulado

Para que a simulação funcione corretamente é necessário fornecer os valores

de irradiância e temperatura para o arranjo modelado. Além disso, é preciso

calcular a potência produzida a cada instante no arranjo fotovoltaico. A figura

28 apresenta o restante dos elementos da simulação do circuito de potência,

que incluem as fontes que informam os valores de temperatura e irradiância e o

circuito que calcula a potência extraída do arranjo fotovoltaico.

Figura 28 - Complemento do circuito de potência

A figura 29 apresenta todo o controlador desenvolvido no PSIM.


42

Figura 29 - Controlador desenvolvido no PSIM


43

É possível operar o conversor sem a função de rastreamento da máxima

potência, com definição manual do duty cycle. Para isso foram incluídas

variáveis que definem se o conversor dever atuar como MPPT e qual deve ser

o valor da razão cíclica D.

Todo o código presente no bloco MPPTCode está no apêndice B.

CAPÍTULO 5 - IMPLEMENTAÇÃO

IMPLEMENTAÇÃO

Para a implementação do controlador projetado, o código gerado no PSIM foi

importado para o F28335. Com o código do controlador carregado no DSC,

iniciou-se a etapa prática de testes. Os testes realizados verificaram o

comportamento do conversor CC-CC, ainda sem o rastreamento da máxima

potência e, também, após o rastreamento ser ativado. Foi feito, também, um

breve estudo sobre a eficiência do MPPT.

Durante as simulações e o projeto do controlador, sempre houve a suposição

de que os valores das tensões e correntes do arranjo fotovoltaico e do banco

de baterias estavam disponíveis. Porém, na prática, há um caminho mais

complicado para ter acesso a tais parâmetros. Por isso, a primeira etapa

prática consistiu em implantar um sistema de monitoramento que

disponibilizasse os parâmetros necessários para o controlador.

Após todos os testes práticos realizados, o MPPT foi utilizado em sua

destinação inicial, no caso no catamarã Mangue.

O MPPT desenvolvido pode ser visto na figura 30.

CAPÍTULO 5 – IMPLEMENTAÇÃO

45

Figura 30 - MPPT desenvolvido

5.1. Monitoramento

Para que o controlador tenha as informações sobre o estado da tensão e da

corrente do arranjo fotovoltaico e do banco de baterias a cada instante é

necessário que haja um eficiente sistema de monitoramento.

O sistema de monitoramento conta com sensores de tensão e corrente que

utilizam como princípio de funcionamento o efeito Hall. Esses sensores

informam em seus terminais de leitura um determinado valor de tensão para

cada valor lido (seja de corrente ou tensão). Os terminais de leitura dos

sensores estão interligados a circuitos de instrumentação presentes na placa

de expansão. O objetivo desses circuitos é rejeitar ruídos e condicionar os

valores para que sejam lidos pelo conversor A/D do DSC. Por fim, é feita a

leitura no DSC e os valores ficam disponíveis para o controlador. A figura 31 é

uma síntese do que foi descrito.


46

Figura 31 - Funcionamento do monitoramento

Antes de serem implementados, os sensores precisam ser calibrados para se

encontrar, para cada sensor, uma equação que faça a correspondência entre o

valor lido pelo controlador e o valor real. Esse trabalho encontra-se no

apêndice C.

5.2. Testes

Após o sistema de monitoramento ter sido implementado, foram realizados

testes que verificaram a resposta do conversor CC-CC a diferentes situações

de tensão de entrada e de carga. O detalhamento dos testes feitos encontra-se

no apêndice D. Foi verificado que o conversor CC-CC necessita em média de

80 W para funcionar quando opera com a potência nominal de 1 kW. A

eficiência, portanto, é de 92 % nessa condição de operação.

Os testes mencionados no parágrafo anterior foram realizados sem que a

função para rastrear o ponto de máxima potência fosse ativada. Após essa

etapa foi realizada a última etapa de testes, já com a função de rastreamento

ativada, ou seja, foi testado o MPPT, propriamente dito. Para isso foi utilizado

um arranjo como o que foi mostrado na figura 13.

5.3. Resultados dos testes

Em virtude do exíguo tempo disponível para o desenvolvimento do MPPT, uma

vez que era necessário que o projeto fosse implementado a tempo de ser

utilizado no DSB 2015, não foram realizados testes na quantidade esperada

para um novo equipamento. Além disso, os testes realizados não foram

completamente documentados, faltando, por exemplo, registro de tela de


47

osciloscópio em testes que este equipamento foi utilizado. Ainda assim, é

apresentada a documentação produzida nos testes realizados.

Os testes do MPPT foram feitos com duas configurações. Em ambas as

configurações eram utilizados dois módulos MSX-77 da Solarex ligados em

série, cujo arranjo tem as seguintes características, em STC:

Pmáx: 154 W

Vmpp: 33,8 V

Impp: 4,56 A

O que diferenciou as configurações foram os bancos de baterias utilizados,

ambos formados por baterias OPTIMA YELLOWTOP modelo D51R. Um dos

bancos possuía três baterias e tensão de 36 V, já o outro banco possuía 4

baterias e tensão de 48V.

Era importante verificar se não haveria mudança significativa no ponto de

operação do arranjo fotovoltaico, mesmo que a tensão no banco de baterias

fosse modificada. A tabela 2 exibe os resultados obtidos:

TABELA 2 – Teste com função MPPT

Configuração 1 Configuração 2

Potência (W) 130 Potência (W) 132

Tensão (V) 32,1 Tensão (V) 32,2

Corrente (A) 4,05 Corrente (A) 4,10

É notável que o rastreamento da máxima potência foi realizado em ambas as

configurações. Destaca-se que os testes foram feitos com o tempo nublado, o

que fez com que os valores da máxima potência fossem inferiores ao mostrado

pelo fabricante em condições STC.


48

5.4. Funcionamento em condições reais

O MPPT foi implementado em condições reais de uso, ou seja, na embarcação

para a qual se destina, no caso o catamarã Mangue. A ligação dos

componentes se deu conforme apresentado na figura 32. Com essa

implementação foi possível verificar o comportamento do MPPT durante um

longo período de operação e em condições desfavoráveis de instalação,

sobretudo em relação à temperatura e à vibração. Além disso, a alocação do

MPPT se dá dentro da mesma caixa que conta com outros equipamentos

elétricos e eletrônicos, tornando a questão da interferência no sinal dos

sensores algo também relevante.

MPPT

Sensores

(Vbat e Ibat)

Sensores

(Vpv e Ipv)

Carga

+ + + +++

------

Figura 32 - Ligação dos componentes na embarcação

Para se ter ideia de como as questões anteriores são importantes, são

mostradas nas figuras 33 e 34 o esquema elétrico do catamarã Mangue e sua

caixa estanque, respectivamente.


49

Figura 33 - Esquema elétrico do catamarã Mangue

Figura 34 - Caixa estanque do catamarã Mangue

No esquema elétrico apresentado na figura 33 é possível observar que no

mesmo compartimento do MPPT estão presentes um banco de baterias, duas

fontes, três sensores (que não são os sensores do MPPT), uma placa de


50

prototipagem e uma ventoinha. Já na foto da caixa estanque mostrada na

figura 34 é notável como a distância entre os equipamentos é pequena.

Como não foram realizados muitos testes com o MPPT antes dele ser utilizado

no catamarã Mangue, a verificação completa de que o MPPT estava

funcionando corretamente veio da análise do seu comportamento durante o

DSB 2015.

Nas condições reais de uso, o MPPT teve comportamento muito próximo com o

apresentado nos testes em bancada e nas simulações, fazendo o rastreamento

da máxima potência, fato verificado comparando a tensão de operação do

arranjo fotovoltaico e a tensão especificada pelo fabricante do painel

fotovoltaico utilizado. Essa tensão de operação não se alterava conforme a

tensão da bateria oscilava, a alteração da tensão ocorria somente quando

havia mudança de temperatura e insolação. Esse fato mostra que o conversor

estava seguindo o ponto de máxima potência. Ressalta-se que a tensão da

bateria muitas vezes sofria oscilações rápidas seja quando o nível de carga

estava elevado (oscilação para cima) ou quando o motor da embarcação

estava sendo utilizado com um alto nível de potência (oscilação para baixo).

O sistema de proteção funcionou como o previsto no projeto. Por muitas vezes

a tensão do banco de baterias subia para valores acima dos limites

estabelecidos, tal fato ocorria porque a bateria estava totalmente carregada e

continuava recebendo injeção corrente. Nessas situações, o conversor

paralisava o chaveamento e só retornava com o acionamento da chave

manual.

O IHM também teve funcionamento adequado. O MPPT só funcionava com a

chave manual acionada e o LED ficava acesso enquanto ocorria chaveamento

e apagava sempre que uma proteção atuava, paralisando o chaveamento, ou a

chave manual desligava o MPPT.


51

Não houve qualquer problema com interferência causada por outros

equipamentos elétricos e eletrônicos presentes na caixa estanque do catamarã

Mangue e nem com a vibração a que o MPPT foi submetido durante o DSB

2015.

O único contratempo apresentado se deu pela alta temperatura durante a

operação. Isso levou à danificação de uma trilha que interligava um dos

indutores ao MOSFET’s do circuito de potência. A solução encontrada foi

refazer a ligação desse indutor através de uma solda direto no ponto de

conexão com o circuito de potência, sem passar pela trilha. Após este fato, foi

implementado um sistema de ventilação forçada para que o MPPT funcionasse

adequadamente e não houvesse danos aos componentes dos circuitos. Mesmo

após este incidente, o MPPT continuou a funcionar corretamente.

CAPÍTULO 6 - CONCLUSÃO

CONCLUSÃO

Este capítulo conclui o trabalho abordando como o objetivo proposto foi

atingido e quais melhorias podem ser feitas no futuro.

6.1. Objetivo Alcançado

O MPPT foi utilizado nas provas do Desafio Solar Brasil 2015. O que permitiu

uma avaliação bastante completa de seu comportamento em condições

extremas e por um longo tempo. Como foi dito no capítulo 5, a única questão

que efetivamente trouxe problemas foi a temperatura. Por conta disso, foi

necessário inserir ventilação forçada na caixa que abriga o MPPT. Após essa

modificação, o funcionamento foi normal.

O rastreamento da máxima potência foi confirmado através da verificação da

tensão de operação dos painéis fornecidos pela organização da competição.

As proteções também atuaram corretamente.

Assim, todas as etapas deste trabalho foram cumpridas. Desde o projeto,

passando pelas simulações e testes, até chegar ao uso em condições reais do

MPPT.

6.2. Trabalhos futuros

As melhorias possíveis de serem feitas no MPPT são diversas e serão

elencadas aqui. A eficiência é a que apresenta a maior prioridade. Há ainda

melhorias de IHM, introdução de um filtro para retirada de ruído e melhoria do

sistema de refrigeração.

CAPÍTULO 6 – CONCLUSÃO

53

Para a eficiência poder ser otimizada com a topologia utilizada atualmente é

necessário fazer um estudo detalhado das perdas em cada parte do hardware

(DSC, placa de expansão, drive, fonte, conversor CC-CC). Assim, é possível

determinar onde ocorre a maior parte das perdas que podem ser evitadas.

O IHM existente hoje é extremante rudimentar. A sua melhoria representaria

um grande avanço, sobretudo, em relação à possibilidade de haver o

monitoramento das variáveis de tensão e corrente em tempo real. Hoje as

únicas informações existentes são que o funcionamento está normal ou que o

chaveamento foi paralisado, mas não há informação vinda do MPPT que diga o

motivo.

A diminuição dos ruídos introduzidos pelo conversor A/D funciona

relativamente bem, porém, a introdução de um filtro melhoraria essa situação e

faria com que a precisão das informações lidas dos sensores fosse maior,

melhorando o rastreamento da máxima potência e a precisão das proteções.

Como foi mencionado, durante o Desafio Solar Brasil, foi necessário introduzir

uma ventilação forçada para que o MPPT continuasse a operar. Portanto, é

necessário que haja, futuramente, um projeto de melhoria na refrigeração.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BIBLIOGRÁFICAS

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20/01/2016.

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COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2007.

[3] BARAN, R., LEGEY, L. F. L. Veículos elétricos: história e perspectiva no

Brasil. Disponível em

<https://web.bndes.gov.br/bib/jspui/bitstream/1408/1489/1/A%20BS%2033%20

Ve%C3%ADculos%20el%C3%A9tricos%20-

%20hist%C3%B3ria%20e%20perspectivas%20no%20Brasil_P.pdf> Acesso

em 03/02/2016.

[4] MOHAN, N.; UNDELAND, T. M.; Robbins, W. P.; Eletrónica de potencia:

Convertidores, aplicaciones y diseño. 3ed. Cidade do México: McGrawHill,

2009.

[5] Sítio do Controlador Digital de Sinais TMS320F28335. Disponível em

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[6] Curso sobre a arquitetura do TMS320F28335. Disponível em

<http://cnx.org/contents/WhAChLus@2/Module-2-Architecture-of-the-T> Acesso

em 27/03/2016.

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http://docs-

europe.electrocomponents.com/webdocs/0b5b/0900766b80b5b643.pdf>

Acesso em 31/01/2016.


55

[8] Folha de dados do sensor de tensão LEM LV 25-P. Disponível em

<http://www.lem.com/docs/products/lv%2025-p.pdf> Acesso em 28/12/2015.

[9] Folha de dados do sensor de corrente LEM HAS-100-S. Disponível em

<http://www.lem.com/docs/products/has%2050%20600-s%20e.pdf> Acesso em

28/12/2015.

[10] Sítio da fonte Magna-Power Electronics XR50-40/208SP. Disponível em

<http://www.magna-power.com/products/programmable-dc-power-supplies/xr-

series> Acesso em 28/12/2015.

[11] Sítio da carga eletrônica NHR 4700. Disponível em

<http://nhresearch.com/ac-dc-electronic-loads/dc-electronic-loads/high-current-

dc-electronic-loads-4700-series/> Acesso em 28/12/2015.

[12] VILLALVA, M. G.; GAZOLI, J. R.; Energia solar fotovoltaica: conceitos e

aplicações. 1ed. São Paulo: Érica, 2012.

[13] PINHO, J. T.; GALDINO, M. A.; Manual de Engenharia para Sistemas

Fotovoltaicos. 2ed. Rio de Janeiro: CEPEL-CRESESB, 2014.

[14] RASHID, M. H., Eletrônica de potência: circuitos, dispositivos e

aplicações. 2ed. São Paulo: Makron Books,1999.

[14] SOBREIRA JR., P. A., Conversor CC-CC boost entrelaçado aplicado no

processamento da energia de arranjo solar fotovoltaico. Dissertação de

Mestrado, UFJF, Juiz de Fora, MG, Brasil, 2011.

[15] Folha de dados da bateia OPTIMA YELLOWTOP D51R. Disponível em

<http://d26maze4pb6to3.cloudfront.net/optimabatteries/4713/4583/5068/YELLO

WTOP_Full_Specs_Sheet.pdf> Acesso em 30/12/2015.

[16] COLLARES, F. S., Comparação quantitativa de métodos de paralelismo de

módulos fotovoltaicos com a rede elétrica para geração distribuída através do

controle de conversores de potência. Dissertação de Mestrado, UFMG, Belo

Horizonte, MG, Brasil, 2012.


56

[17] VIEIRA, L. P., Guia de Utilização do Controlador Digital de Sinal

TMS320F28335. Monografia, UFJF, Juiz de Fora, MG, Brasil, 2013.

[18] Manual do Controlador Digital de Sinais TMS320F28335. Disponível em

<http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tms320f28335.pdf> Acesso em 20/01/2016.

[19] PSIM: Simulador de conversores estáticos. Disponível em

<http://intranet.ctism.ufsm.br/gsec/Apostilas/psim.pdf> Acesso em 27/03/2016.

APÊNDICE A - CÓDIGO PARA ATENUAÇÃO DE RUÍDO

CÓDIGO PARA ATENUAÇÃO DE RUÍDO

static int Start=0;

static int i=0;

static int a;

static int delay;

static int teste=0;

static float v1=0;

static float v2=0;

static float v3=0;

static float v4=0;

static float cont=0;

static float media_1;




float vetor_1[21];

float vetor_2[21];

float vetor_3[21];

float vetor_4[21];

if (cont<21)

{

media_1=x4;

media_2=x3;

media_3=x1;

media_4=x2;

APÊNDICE A – CÓDIGO PARA ATENUAÇÃO DE RUÍDO

58

cont++;

}

if (i<20){

vetor_1[i]=x1;

vetor_2[i]=x2;

vetor_3[i]=x3;

vetor_4[i]=x4;

v1=v1+vetor_1[i];

v2=v2+vetor_2[i];

v3=v3+vetor_3[i];

v4=v4+vetor_4[i];

y1=media_1;

y2=media_2;

y3=media_3;

y4=media_4;

i=i+1;

}

if(i==20)

{

media_1=v1/20;

media_2=v2/20;

media_3=v3/20;

media_4=v4/20;

APÊNDICE A – CÓDIGO PARA ATENUAÇÃO DE RUÍDO

59

y1=media_1;

y2=media_2;

y3=media_3;

y4=media_4;

i=0;

v1=0;

v2=0;

v3=0;

v4=0;

}

APÊNDICE B - CÓDIGO DO MPPT

CÓDIGO DO MPPT

/* ---------------------- Declaração de Variáveis ------------------- */

/* ------------- Variáveis de Funcionamento ------------*/

static float Ch=0; /*Chave manual - Ch=1 liga / Ch=0 desligada*/

static float start=0; /*Inicialização do PWM*/

static float stop=1; /*Interrupção do PWM*/

static float Led=0; /*Led de sinalização de funcionamento normal*/

static float D=0.15; /*Duty Cycle*/

static float bloq=0; /*Bloqueio do MPPT*/

static float MPPT; /*Rastreamento de máxima potência - MPPT=1 ativado /

MPPT=0 desativado*/

/* --- Variáveis de Rastreamento de Potência---*/

static float P;

static float Pant = 0;

static float deltaP = 0;

static float V;

static float Vant = 0;

static float deltaV = 0;

static float VRef = 0.8;

static float I;

static float delta = 0.002;

static float Vbat;

static float Ibat;

APÊNDICE B – CÓDIGO DO MPPT

61

/* -------- Variáveis de Leitura -------*/

static float Vbat_proc;

static float Vpv_proc;

static float Ipv_proc;

static float Ibat_proc;

/* ------- Variáveis Auxiliares -------*/

static float Vlimit=1.3;

static float delay=0;

static float a=0;

/* ----------------------------------------------------------------------- */

y4=Led;

/* --------- Leitura e escrita de dados no Code Composer ------- */

Vbat_proc=x1;

Vpv_proc=x2;

Ipv_proc=x4;

Ibat_proc=x3;

/* ---- Conversão para os valores pu. Bases são 36V e 50A ---*/

Vbat=(((Vbat_proc-1.3952)/0.0123)/36);

V = (((Vpv_proc-1.3974)/0.0122)/36);

I = (((Ipv_proc-1.3957)/0.0026)/200); /*São dadas 4 voltas do fio no sensor*/

Ibat=(((Ibat_proc-1.395)/0.0026)/50);

y5=36*Vbat;

y6=36*V;

y7=50*Ibat;


62

y8=50*I;

Ch=x5;

MPPT=x6;

/* -------------- Delay para resolver bug na inicialização ----------- */

if (delay==0)

{

if (a<3)

{

a=a+1;

}

else

{

delay=1;

}

}

/* ----------------------------- Programa ---------------------------- */

else

{

if (Ch==0)/*Chave desligada*/

{

bloq=0;

Led=0;

y4=Led;


63

Vlimit=1.3; /*Retorna o limite original*/

y1=0.4;

start=0;

stop=1;

y2=start;

y3=stop;

}

if (((Ibat>0.8) || (Vbat>Vlimit)) && (Ibat>0)) /*Proteções da bateria*/

{

y1=0.2;

start=0;

stop=1;

y2=start;

y3=stop;

bloq=1;

Led=0;

y4=Led;

if (Vbat>Vlimit)

{

Vlimit=1.17;

}

}

if (bloq==1)

{

y1=0.2;

start=0;


64

stop=1;

y2=start;

y3=stop;

Led=0;

y4=Led;

}

if (Ch==1 && bloq==0) /*Caso a chave esteja acionada o conversor é

iniciado*/

{

start=1;

stop=0;

y2=start;

y3=stop;

Led=1;

y4=Led;

/* ---------------- Rastreamento da Máxima Potência --------------- */

if (MPPT==1)

{

P = V*I;

deltaP = P - Pant;

deltaV = V - Vant;

if (deltaP > 0)

{

if(deltaV > 0)

{VRef = VRef + delta;


65

}

if (deltaV < 0)

{VRef = VRef - delta;

}

}

if (deltaP < 0)

{

if(deltaV > 0)

{VRef = VRef - delta;

}

if (deltaV < 0)

{VRef = VRef + delta;

}

}

if (VRef>1.25)

{ VRef=1.25;}

if (VRef<0)

{VRef=0;}

y9=VRef;

Vant = V;

Pant = P;

D=(Vbat-VRef)/Vbat;

y1=1-D; /*Devido a configuração inversora do Drive*/

}


66

/* ----------------- Conversor sem função MPPT --------------- */

else if (MPPT==0)

{

D=x7;

y1=1-D; /*Devido a configuração inversora do Drive*/

}

}

}

APÊNDICE C - CALIBRAÇÃO DOS SENSORES

CALIBRAÇÃO DOS SENSORES

O MPPT possui ao todo quatro sensores (2 de tensão e 2 de corrente) que são

essenciais para o seu funcionamento, tanto para sua função primordial de

rastreamento da máxima potência, quanto para proteção do banco de baterias.

Um dos sensores mede a tensão, enquanto outro sensor mede a corrente do

arranjo fotovoltaico. O mesmo ocorre com o banco de baterias.

O sensor de tensão utilizado é o modelo LV 25-P da LEM. Trata-se de um

transdutor cuja faixa de operação depende dos resistores ligados ao primário

(R1) e ao secundário (RM). A figura 35 mostra o esquema de ligação do sensor,

enquanto a figura 36 exibe o sensor fisicamente.

Figura 35 - Esquema de ligação do sensor de tensão LV 25-P. Fonte [8]

Figura 36 – Sensor de tensão LV 25-P

APÊNDICE C – CALIBRAÇÃO DOS SENSORES

68

O sensor de corrente empregado é o HAS-100-S. É um transdutor que mostra

uma tensão nos terminais de medida para cada corrente aferida. Não há

necessidade de fazer ligação com resistores, apesar de o esquema prever tal

possibilidade. A figura 37 exibe o esquema de ligação do sensor, enquanto a

figura 38 mostra o sensor fisicamente.

Figura 37 - Esquema de ligação do sensor de corrente HAS-100-S. Fonte [9]

Figura 38 - Sensor de corrente HAS-100-S

Cada sensor mostra uma tensão nos seus terminais de medida para cada

grandeza aferida, seja tensão ou corrente. Assim, é necessário encontrar uma

função que relacione a grandeza medida com o valor da tensão mostrada. Esta

é a função da calibração.


69

C.1. Calibração dos sensores de tensão

O procedimento adotado aqui foi ligar a fonte de tensão aos terminais +HT e –

HT do sensor de tensão. Com a ligação efetuada, a tensão da fonte sofreu

incrementos e para cada incremento foi feita a leitura da tensão medida. Essa

medida foi realizada já no DSC, ou seja, o sinal lido já passou pelo circuito de

condicionamento de sinal, pelo conversor A/D e está com offset. A tabela 3

mostra o resultado das medições efetuadas, nela P3 e P4 se referem à tensão

lida no DSC.

TABELA 3 – Calibração dos Sensores de Tensão

Fonte (V) P4 (V) P3 (V)

5,00 1,456747 1,459266

8,01 1,49417 1,495443

10,02 1,518028 1,51979

13,00 1,555038 1,556382

16,01 1,592948 1,593457

20,02 1,644177 1,642313

23,02 1,680007 1,679377

26,01 1,715112 1,716573

28,02 1,741069 1,740377

30,00 1,764401 1,764946

33,01 1,801699 1,801912

36,01 1,838588 1,838203

39,00 1,877604 1,875293

Com os dados obtidos foi possível plotar as retas que descrevem o

comportamento de cada sensor. Elas podem ser vistas nas figuras 39 e 40.


70

Figura 39 - Curva de calibração do sensor de tensão P3

Figura 40 - Curva de calibração do sensor de tensão P4

A partir das curvas é possível encontrar as equações correspondentes. Como

P3 foi o sensor utilizado para leitura da tensão do arranjo fotovoltaico (Vpv) e P4

fez a leitura do banco de baterias (Vbat), temos as seguintes equações para

encontrar os valores reais a partir das leituras dos sensores:

𝑉𝑃𝑉 = 81,96723111 × 𝑃3 − 114,5409836

𝑉𝐵𝐴𝑇 = 81,30081301 × 𝑃4 − 113,4308943


71

C.2. Calibração dos sensores de corrente

Para a calibração dos sensores de corrente é utilizada a mesma fonte utilizada

anteriormente, porém é feito um curto-circuito e a corrente é limitada aos

valores do incremento desejado. Para evitar a circulação de uma corrente

excessivamente alta pelos condutores, foram dadas três voltas de cada

condutor em cada sensor. Assim, a corrente lida IP equivale a três vezes a

corrente fornecida pela fonte. Na tabela 4, os valores já estão multiplicados.

Destaca-se também o fato de haver diferenciação de sentido, o que resulta em

sinais diferentes.

Todo o tratamento dos dados é similar ao feito anteriormente. Aqui sensores

são nomeados de P1 e P2 e os resultados são apresentados na tabela 4.

TABELA 4 – Calibração dos Sensores de Corrente

Fonte (A) P1 (V) P2 (V)

84,30 1,614009 1,618407

76,20 1,592578 1,596866

69,24 1,574747 1,578578

61,26 1,553335 1,556785

53,25 1,533245 1,535369

45,27 1,512612 1,514414

37,17 1,491478 1,493009

29,16 1,47052 1,471813

21,18 1,44935 1,451052

13,11 1,429651 1,430475

5,01 1,407546 1,408033

-20,91 1,341006 1,340808

-45,12 1,278896 1,277893

-84,06 1,17654 1,174552


72

Os dados aquisitados permitem a plotagem das retas que descrevem o

comportamento de cada sensor. Elas podem ser vistas nas figuras 41 e 42.

Figura 41 - Curva de calibração do sensor de corrente P1

Figura 42 - Curva de calibração do sensor de corrente P2

As equações correspondentes dos sensores de corrente obtidas a partir das

curvas são:

𝐼𝑃𝑉 = 384,6153846 × 𝑃2 − 536,5384615

𝐼𝐵𝐴𝑇 = 384,6153846 × 𝑃1 − 536,8076923

y = 0,0026x + 1,395

0

0,5

1

1,5

2

-100 -50 0 50 100

Corrente - P1

P1 Linear (P1)

y = 0,0026x + 1,3957

0

0,5

1

1,5

2

-100 -50 0 50 100

Corrente - P2

P2 Linear (P2)

APÊNDICE D - TESTES COM O CONVERSOR CC-CC

TESTES COM O CONVERSOR CC-CC

Aqui serão descritos os testes realizados com o conversor sem a função de

rastreamento da máxima potência ativado. Estes testes contaram com uma

fonte e uma carga eletrônica, funcionando, respectivamente, como Vpv e Vbat,

seguindo a nomenclatura adotada no circuito da figura 7. Na figura 43 o

esquema utilizado no teste é mostrado.

Figura 43 - Esquema para teste do conversor CC-CC

A fonte utilizada é a Magna-Power Electronics modelo XR50-40/208SP, ela

pode ser vista na figura 44. Nos testes realizados os níveis de tensão foram

ajustados para valores fixos e a corrente sempre foi limitada de maneira a

garantir a segurança do teste. Isso foi possível porque essa fonte permite tal

configuração, tendo, portanto, uma importante característica de permitir a

limitação da corrente fornecida.

Figura 44 - Fonte Magna-Power Electronics XR50-40/208SP. Fonte [10]

APÊNDICE D – TESTES COM O CONVERSOR CC-CC

74

A carga eletrônica usada é a NHR do modelo 4700, ela pode ser visualizada

na figura 45. Esse equipamento permite que se faça variadas programações

nas quais se define qual o parâmetro da carga deve ser mantido constante.

Assim, é possível definir que a carga, por exemplo, deve sempre consumir uma

determinada potência, independentemente de como a tensão e a corrente

variam. Para os testes realizados com o conversor, o parâmetro mantido

constante foi a corrente, assim foi possível observar como o conversor

modificava os patamares de tensão quando funcionava com a potência próxima

do valor nominal de 1kW.

Figura 45 - Carga eletrônica NHR 4700. Fonte [11]

Na tabela 5 estão os resultados obtidos com os testes. É possível verificar o

valor esperado na saída Vbat, de acordo com o D escolhido, e o valor real

encontrado. Além disso, há também informação das perdas para cada

situação.

APÊNDICE D – TESTES COM O CONVERSOR CC-CC

75

TABELA 5 – Teste com potência nominal sem função MPPT

Vpv

(V)

Vbat

(V) esperado

Vbat

(V) real

ΔVbat

(V)

Ppv

(W)

Pbat

(W)

Perda

(%)

28,01 32 30,04 1,96 974,75 913,22 6,31

28,01 36 33,87 2,13 1003,88 937,52 6,61

28,01 38 35,82 2,18 975,31 925,95 5,06

28,00 42 39,60 2,40 995,40 909,22 8,66

28,01 48 45,30 2,70 1019,56 874,74 14,20

29,01 36 33,92 2,08 1006,65 884,29 12,15

29,01 38 35,84 2,16 1016,80 938,29 7,72

29,01 42 39,70 2,30 956,46 921,44 3,66

29,01 48 45,40 2,60 985,76 929,79 5,68

30,01 36 33,96 2,04 1011,34 931,86 7,86

30,01 38 35,85 2,15 1038,35 963,65 7,19

30,01 42 39,80 2,20 1051,55 975,10 7,27

30,01 48 45,50 2,50 1034,75 926,38 10,47

31,01 36 33,95 2,05 1057,13 979,12 7,38

31,01 38 35,92 2,08 1078,22 1004,32 6,85

31,00 42 39,70 2,30 1076,01 979,40 8,98

31,01 48 45,60 2,40 1035,73 928,87 10,32

A partir dos dados é possível verificar que existe uma queda de tensão que se

concentra entre 2 V e 2,5 V, porém, o conversor responde adequadamente ao

D programado. A queda de tensão se deve ao chaveamento e, também, às

quedas de tensões nos diodos antiparalelos presentes nos MOSFET’s

utilizados como chaves. Também é constatado nos dados que a perda de

potência tem um comportamento aleatório em relação ao chaveamento. A

média da perda é de, aproximadamente, 8% quando a potência de entrada é

de 1kW em média. A perda se dá no chaveamento e também no consumo da

fonte interna, do DSC, do drive, etc. Não foi feito um estudo sobre a parcela de

cada um dos fatores na perda global.

ANEXO A - FOLHA DE DADOS DA BATERIA OPTIMA D51

FOLHA DE DADOS DA BATERIA OPTIMA D51

ANEXO A – FOLHA DE DADOS DA BATERIA OPTIMA D51

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ANEXO B - FOLHA DE DADOS DO PAINEL JINKO JKM260-P

FOLHA DE DADOS DO PAINEL JINKO JKM260-P

ANEXO B – FOLHA DE DADOS DO PAINEL JINKO JKM260-P

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PROJETO DE MPPT PARA UMA EMBARCAÇÃO SOLAR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10016468.pdf · O presente trabalho mostra o desenvolvimento de um conversor eletrônico