OBJETIVOS DA TESE

A principal contribuição desta tese consiste na proposta de uma metodologia de projeto otimizado para conversores de energia aplicados a sistemas onde a energia processada é variante ao longo do tempo. A busca pela melhor solução será realizada através de um método de varredura de um conjunto de soluções, para intervalos de parâmetros de entrada finitos e discretos. Soluções que proporcionem conversores compactos e com uma elevada eficiência são os objetivos a serem alcançados.

Para aplicações onde a energia processada é variante no tempo, não basta projetar o conversor para que o mesmo apresente uma máxima eficiência na potência nominal do sistema, em um pior caso ou em um ponto previamente definido. Na maior parte do tempo, estes conversores irão operar em diversas outras regiões de processamento de carga. Logo, o comportamento da energia que será processada irá ser levado em consideração para o desenvolvimento da metodologia de projeto. Dessa forma, é necessário ter conhecimento desta informação, bem como sua periodicidade, se existir. Caso contrário tem-se que conhecer a previsão da energia gerada, ou a carga a ser processada pelo conversor.

Uma equação que represente o comportamento da energia gerada por um sistema PV será obtida a partir dos dados estatísticos de irradiação da estação meteorológica de São Martinho da Serra/RS. A maximização da conversão desta energia gerada, em conjunto com a minimização do volume de um conversor Boost CC/CC, utilizado na etapa de rastreamento da máxima potência de um sistema PV, serão os critérios a serem otimizados pela metodologia. Uma configuração string, com três módulos em série será considerada. O conversor responsável pela conexão com a rede não será investigado neste trabalho.

Diante disso, outras contribuições importantes para se atingir o objetivo principal desta tese são listados:

1. Definir a equação de referência que representa o comportamento da energia gerada em São Martinho da Serra/RS, a partir da média dos dados estatísticos de temperatura e irradiação, de 2005 a 2012. Com esse par de irradiações global média e temperaturas de superfície média é possível calcular a capacidade de produção e o comportamento de energia desta estação específica, para um módulo fotovoltaico pré-escolhido.

2. Propor uma função objetivo, onde eficiência energética e volume compõe esta função, além de uma variável de priorização. Esta variável dará maior importância a um ou outro objetivo de forma que maximize tal função objetivo e será selecionada pela proposta. Diferentemente das metodologias discutidas anteriormente, onde esta variável é fixada ou definida conforme necessidade ou experiência do projetista.

3. Selecionar a melhor solução através do método de varredura dos parâmetros de projeto e combinações de diversos tipos, modelos e tecnologia de componentes que constituem o conversor em questão, ou seja, através da comparação de todas as possíveis soluções, será selecionado o projeto que maximize a função objetivo proposta. A busca por uma solução de critério único (maximização da função objetivo), tentará resolver um problema multi-critérios (eficiência energética e volume).

4. Escolher a melhor solução através da definição a priori dos seguintes parâmetros de projeto e componentes:

Frequência de chaveamento;
Ondulação de corrente;
Ondulação da tensão de saída;

Densidade de corrente nos condutores dos indutores;
Variável de priorização;

Número de núcleos dos elementos magnéticos a serem empilhados;
Banco de dados com diversos componentes:

 Materiais magnéticos do tipo iron powder;  Materiais magnéticos do tipo ferrite;  MOSFETs do tipo CoolMOS;  Diodos do tipo SiC;

 Capacitores Eletrolíticos;

5. Estimar numericamente os valores das perdas por meio da modelagem dos principais mecanismos de perdas nos dispositivos que constituem o conversor. Além disso, estimar a elevação de temperatura destes dispositivos e validar os modelos matemáticos considerados por meio de resultados experimentais.

6. Demonstrar teoricamente que o uso da função objetivo proposta pode proporcionar soluções com uma boa eficiência energética e volume reduzido.

8. Comparar a metodologia proposta com os métodos convencionais de projeto apresentados na revisão bibliográfica.

9. Analisar o impacto do uso do intercalamento de células sobre a eficiência e volume do conversor aplicado ao sistema PV.

1.4 ORGANIZAÇÃO DA TESE

Este trabalho está organizado em sete capítulos, sendo que o Capítulo 2 destaca matematicamente as principais perdas presentes no conversor estático estudado nesta tese. Perdas por condução e comutação dos semicondutores, perdas no cobre e no núcleo para os indutores e perdas de condução dos capacitores serão investigadas. Após, o projeto de todos os componentes é detalhado.

A metodologia de projeto proposta é abordada no Capítulo 3, no qual são detalhadas todas as etapas de execução da mesma. Inicialmente, somente a eficiência energética é considerada para um melhor entendimento da metodologia. Em seguida, uma comparação entre as diferentes soluções obtidas para cada tipo de material magnético é apresentada, acompanhada de uma breve discussão dos resultados obtidos.

Em seguida, o Capítulo 4 apresenta a função objetivo proposta, considerando eficiência energética e volume. Uma variável de priorização é utilizada para dar maior ênfase a um ou outro objetivo. Resultados de simulação são apresentados e comparados aos resultados do capítulo 3.

O uso da técnica de interleaving é abordado no Capítulo 5. Além disso, os resultados de simulação considerando o uso do material magnético do tipo ferrite são apresentados. Novamente os resultados são discutidos e comparados aos resultados do Boost convencional.

Resultados experimentais que comprovam a eficácia da metodologia proposta são apresentados no Capítulo 6. Tais resultados foram obtidos considerando os componentes disponíveis em laboratório. Além disso, uma comparação da metodologia proposta com a metodologia convencional é realizada. O objetivo desta comparação é demonstrar a melhoria obtida na eficiência energética do conversor aplicado a um sistema fotovoltaico utilizando a metodologia proposta.

Para finalizar, o Capítulo 7 destaca as conclusões obtidas nesta tese, os trabalhos publicados até o momento e considerações finais. Alternativas que podem proporcionar melhorias quanto eficiência e volume são também apresentadas.