O Conversor Boost

O conversor utilizado para as simulações iniciais é do tipo elevador de tensão, ou Boost. Ele é composto de um capacitor em sua entrada, um indutor, um diodo, um capacitor em sua saída e uma chave de alta frequência para o controle do aumento da tensão. A Figura 31 mostra o esquemático desse equipamento e como se comportam algumas grandezas.

Figura 31 – Funcionamento do conversor Boost

D

L

V

_V

Gate

I

R

S

C

C

I

I

FV

Fonte: Martins e Barbi (2006) (Modificado).

FVsistema na figura é o sistema gerador fotovoltaico conectado ao conversor. Con-

siderando que a entrada do conversor Boost é o sistema gerador, chama-se o capacitor próximo a ela de Capacitor de Entrada, na Figura Cin, que tem a mesma tensão da geração

VF V.

É inserido um indutor de valor LBoost na linha e uma chave S em sua saída com

acionamento pelo sistema MPPT, chamado de Gate. Seguindo o desenho do sistema, é visto um diodo D e o fim do conversor é dado por um capacitor de saída, chamado de Cout

com tensão VCarga igual a da carga RCarga, que é alimentado pelo sistema.

Como a chave tem dois estágios, aberta e fechada, esse tipo de conversor é chamado de dois estágios. Observando as correntes no sistema, IF V é a corrente gerada no sistema

gerador fotovoltaico, enquanto que ILT 2 existe quando a chave é aberta, e a ILT 1, quando a

68 Capítulo 3. Componentes e princípios utilizados

O funcionamento do conversor é simples e leva em consideração o carregamento e a polarização do indutor LBoost. Quando a chave S se fecha, há o carregamento do indutor

pela corrente ILT 1, gerando um campo magnético. Abrindo-se a chave S, a corrente é

reduzida pela impedância alta, o campo magnético se desfaz para continuar fornecendo corrente para a carga e a polaridade do indutor se reverte, resultando em duas fontes em descarga que se somam, aumentando a tensão na saída. Durante o estágio de fechamento da chave, o diodo D impede que o capacitor se descarregue por ela.

O conversor deve ter no Gate da chave, obrigatoriamente, um valor de ciclo de trabalho. Esse valor é definido pelo MPPT para que a razão de tempos de chave aberta e fechada seja ótima, extraindo-se o máximo de potência do sistema.

Quanto ao equacionamento, devem ser definidos dados de operação, e a partir desses dados são calculados os valores dos componentes. Primeiramente se define a tensão de entrada VF V, que será obtida pelo agrupamento do sistema gerador fotovoltaico e a

potência que esse sistema irá gerar. Define-se uma tensão para a saída do conversor, que deve ser maior que a de entrada. Esse valor é definido pelo que deve vir após o conversor: se uma carga simples, há apenas o nível de tensão exigido pela carga; se um inversor, deve-se calcular a conexão do inversor com seu rendimento e o nível de tensão a que estará conectado. (SOUZA et al., 2016).

Souza (2018) também apresenta o critério de frequência de chaveamento:

Os critérios para determinar a frequência de operação em conversores de potência de modo geral baseiam-se tanto nos aspectos de potência do conversor quanto no porte/tamanho do indutor. Via de regra, quanto maior a potência a ser trabalhada no conversor menor será a capacidade de chaveamento da chave, pois trata-se de uma limitação física do dispositivo. Ao mesmo tempo que, quanto maior for a frequência de chaveamento, menor será o porte do indutor utilizado. Desse modo, é necessário um equilíbrio entre a frequência de chaveamento e o porte do indutor para que o projeto seja viável e factível.

Vale destacar que, para determinados valores de potência, caso a indu- tância do indutor esteja pequena em vista da potência trabalhada, tal conversor irá operar no modo descontínuo, dessa forma, comprometendo na sua eficiência de operação. (SOUZA, 2018)

Quanto aos componentes, inicialmente é necessário definir o valor de D, ou o Ciclo de Trabalho (adimensional), do inglês Duty Cycle, definido pela Equação 3.6.

D = (︃ 1 − Vin Vout )︃ (3.6) Em que:

Vin Tensão na entrada do Boost, em Volts (V ).

Para a definição do valor do indutor, é necessária a definição da variação de corrente que passa pelo LBoost, em Amperes (A), definido pela Equação 3.7.

∆I = RippleIadmitido×

Pin

Vin

(3.7)

Em que:

RippleIadmitido Valor de ondulação admitida na corrente pelo Boost, em percentual (%).

Pin Potência na entrada do Boost, em Watts (W ).

Vin Tensão na entrada do Boost, em Volts (V ).

Com o Duty Cycle e a variação de corrente que passa pelo indutor Lboost definidos,

o indutor segue a Equação 3.8 com seu valor em Henrys (H ):

Lboost =

Vin× D

fchave× ∆I

(3.8)

Em que:

Vin Tensão na entrada do Boost, em Volts (V ).

fchave Frequência de chaveamento do Boost, em Hertz (H ).

∆I Ondulação máxima da corrente que passa pelo Lboost, em Amperes (A).

O capacitor de entrada é o próximo componente a se calcular. A Equação 3.9 mostra qual deve ser o seu valor mínimo.

Cin ≥ Pin Vin × D fchave× Vin× ∆VCin (3.9) Em que:

Pin Potência na entrada do Boost, em Watts (W ).

Vin Tensão na entrada do Boost, em Volts (V ).

fchave Frequência de chaveamento do Boost, em Hertz (Hz).

∆VCin Ondulação máxima desejada na tensão do capacitor Cin, em porcentagem (%).

Para o cálculo do último componente do Boost, o capacitor de saída Cout, seu valor

mínimo é definido pela Equação 3.10.

Cout≥ (︄√ 2×Vprede Vout V_prede − 1 η×Vout )︄ × Pout

4 × π × frede× ∆VCout × Vout

(3.10)

70 Capítulo 3. Componentes e princípios utilizados

Vprede Tensão de pico de uma possível conexão com a rede, em Volts (V ).

Vout Tensão de saída do Boost, em Volts (V ).

η Rendimento do conversor Boost, adimensional. Pout Potência de saída do Boost, em Watts (W ).

frede Frequência de uma possível conexão com a rede, em Hertz (Hz).

∆VCout Ondulação máxima desejada na tensão do capacitor Cout, em porcentagem (%).

É possível, ainda, definir o valor de modulação M de uma possível conexão com um inversor. A Equação 3.11 mostra como calcular esse valor.

M = Vprede

Vout

(3.11)

Em que:

Vprede Tensão de pico de uma possível conexão com a rede, em Volts (V ).

Vout Tensão de saída do Boost, em Volts (V ).

Esse valor de modulação é próprio de uma possível conexão com o inversor e, consequentemente, à rede. Essa modulação pode ser relacionada com a modulação do conversor Boost pela Equação 3.12. (MACCARINI, 2009)

D (θ) = 1

2+ 1

2× M × sen (θ) (3.12)

Em que:

D Duty Cycle do conversor Boost, adimensional. M Duty Cycle do inversor, adimensional.

θ Ângulo da tensão da rede, em Graus (o_{), para 0}o _{≤ θ ≤ 180}o_.

Os cálculos apresentados nesta Seção foram todos interpretados de Martins e Barbi (2006).

Comercialmente, os conversores Boost são mais complexos e contam com mais componentes para sua operação, porém todos seguem o mesmo princípio das equações apresentadas. Portanto, é possível determinar todos os parâmetros necessários para a modelagem de um Boost que servirá aos propósitos das simulações realizadas. (KHU- TORYANSKY, 2017)