Conversores DC/AC 18

A menos que a carga alimentada pela pilha de combustível seja do tipo DC, a potência gerada por esta tem de ser convertida para o tipo AC usando um conversor electrónico de potência. Recentemente tem havido um crescente interesse em projectar uma unidade conversora que se adapte à pilha da melhor forma possível. Existem várias formas de gerar uma tensão AC. Muitas delas usam um conversor DC/DC elevador (“boost”) em cascata com um inversor de tensão convencional (“Voltage Source Inverter”, VSI). Outras topologias omitem o conversor DC/DC usando um inversor especialmente projectado para o efeito, como por exemplo o "Z-Source Inverter", que tem capacidade de elevar a tensão dispensando assim o conversor DC/DC.

Numa terceira categoria é usado apenas um inversor de tensão convencional, sem usar o conversor DC/DC previamente. Esta solução é possível quando as variações de tensão da pilha

Sistemas electrónicos de POTÊNCIA PARA CONDICIONAMENTO DE PILHAS DE COMBUSTÍVEL 19

Versão Provisória (Julho de 2008) de combustível em toda a gama de funcionamento estão dentro de um intervalo que permite a correcta operação do inversor. Isso acontece quando o fluxo de combustível (hidrogénio, oxigénio) é proporcional à corrente fornecida pela pilha [13].

Na Figura 2.16 pode ver-se um exemplo desse caso. Aqui, as variações de tensão Vdc são

aceitáveis para o inversor, que é controlado em modulação de largura de impulso sinusoidal. Variando o índice de modulação, m, e o ângulo de fase, δf, é possível controlar o inversor.

Figura 2.16 - Diagrama esquemático de uma pilha interligada com a rede AC.

Tipicamente a tensão de saída da pilha, Vdc, é relativamente baixa. Para contornar esse

problema é introduzido um transformador elevador para interligar o inversor à rede. A reactância série do transformador, Xf, é normalmente assumida constante e como a potência

da pilha é muito menor que a da rede considera-se que esta é uma fonte ideal com uma amplitude Vs e frequência constante. A medida da tensão da rede é tida como a referência de

fase para o controlo do inversor. A potência complexa injectada na rede é denotada por Pr +

jQr, que tanto pode ser monofásica ou trifásica, dependendo da estrutura do inversor. Muitas

vezes o ripple de tensão associado à comutação no inversor é negligenciado e apenas se considera a componente fundamental, assumindo assim que este não contribui para a transferência de potência real. O ripple pode ser reduzido fazendo a sua filtragem tanto do lado DC como AC e aumentando a frequência de comutação.

O circuito de conversão DC/AC propriamente dito pode ser escolhido de entre várias topologias. A Figura 2.17 mostra dois inversores monofásicos. Na Figura 2.17(a) está presente um inversor com ponte em “H”, enquanto que a Figura 2.17(b) mostra que o barramento DC é composto por dois condensadores em série e cujo ponto médio é usado para criar a saída do inversor. Desta forma é possível usar apenas dois interruptores pelo custo de ter um barramento DC duas vezes mais elevado para se criar a mesma tensão na saída do inversor.

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Figura 2.17 - Inversores monofásicos DC/AC: (a) Inversor em ponte completa e (b) Inversor em meia ponte.

Nas aplicações trifásicas várias topologias de inversores trifásicos podem ser usadas [14]:  Inversor de tensão trifásico com comutação forçada, (VSI):

A sua topologia é bem conhecida e largamente utilizada em aplicações industriais. Tem a desvantagem de sofrer perdas de comutação.

Figura 2.18 - Inversor de tensão trifásico com comutação forçada (VSI).

 “Resonant-phase leg inverter” (RPLI):

É uma melhoria do inversor de comutação forçado permitindo que essa comutação seja feita a tensão nula (zero-voltage switching). Para realizar uma comutação suave ainda melhor pode usar-se uma modulação de frequência variável.

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Versão Provisória (Julho de 2008)

Figura 2.19 - “Resonant phase leg inverter”.

 “Auxiliary resonant commutated pole inverter” (ARCPI):

Usa transístores auxiliares para assistir a comutação em tensão nula dos transístores principais. Embora a gama de operação em comutação a tensão nula seja maior são necessários mais transístores e o circuito aumenta em termos de complexidade.

Figura 2.20 - “Auxiliary resonant commutated pole inverter” (ARCPI).

Um Z-Source Inverter, como mostra a Figura 2.21, é uma nova topologia que usa um inversor em ponte completa com uma impedância na entrada. Esta impedância de entrada consiste em duas pequenas bobinas e dois condensadores que são ligados entre si na forma de um “X”. Com esta impedância de entrada e um controlo cuidadoso dos interruptores tem-se a possibilidade de elevar a tensão no inversor através de técnicas de armazenamento de energia temporário. Em princípio, a amplitude da tensão de saída deste inversor pode chegar até ao infinito (situação idealizada). Este aspecto é extremamente atractivo para o circuito de condicionamento de pilhas de combustível pois estas têm baixa tensão de saída. Outra

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vantagem é o facto de dispensar o uso do tradicional conversor DC/DC em cascata com o inversor, reduzindo o sistema tanto em complexidade como em custo. Contudo também tem as suas desvantagens, incluindo o stress elevado nos dispositivos de potência, elevada tensão nominal para os condensadores da malha de impedância e uma corrente DC pulsada na fonte DC [8].

Figura 2.21 - Sistema de condicionamento com um Z-Source Inverter.

Um sistema de condicionamento com um conversor DC/DC e um inversor DC/AC pode ser construído pela combinação dos conversores acima apresentados. Um exemplo de uma pilha de combustível ligada através de uma interface electrónica a um sistema AC monofásico é apresentado na Figura 2.22, onde um conversor push-pull alimentado em corrente com transformador de isolamento e um inversor em ponte completa são usados [10].

Figura 2.22 - Exemplo de um sistema de condicionamento.