Mesure de la conductivité hydraulique à saturation

Para o aproveitamento correto de energia em bancos de baterias se faz necessário o controle eficiente do fluxo de potência inserida na carga, assim como para a descarga das baterias. Esse controle permite manter a vida útil do equipamento, evitando danos causados por sobrecargas, elevação de temperatura e descargas profundas. Para realizar o controle dos modos de operação das baterias são utilizados carregadores ou descarregadores de baterias baseados em conversores estáticos de tensão. Esses circuitos são formados por elementos passivos e ativos, utilizados para adequar os diferentes níveis de tensão presentes entre as baterias e fontes de geração (BARBI, DENIZAR, 2006).

A escolha do conversor tem como principal critério a necessidade da aplicação em que está inserido, de se elevar ou reduzir determinada tensão de entrada. Essa característica é de grande interesse em diversas aplicações, assim como fontes chaveadas, controle de motores, carregadores de baterias e filtros ativos de potência (BARBI, 2006).

Para o caso em questão o conversor atua reduzindo a tensão do barramento CC para a carga das baterias, ou elevando a tensão do banco de baterias para a tensão do barramento CC em casos de falhas na operação do barramento. Também deve apresentar baixa ondulação de tensão e corrente em ambos os lados do conversor, assim como indicado pelas normas vigentes para acumuladores de energia e recomendações dos fabricantes (BARBI, DENIZAR, 2006), (ABNT NBR 14204, 2011), (CBS, 2017).

Os modos de carga e descarga das baterias envolvem fluxo de potência bidirecional – tanto da entrada do conversor para a saída, como da saída para a entrada – assim como em

muitas aplicações envolvendo armazenamento de energia. Como exemplo tem-se sistemas como UPS’s, veículos elétricos e sistemas híbridos de produção de energia, situações para as quais são indicados conversores com características bidirecionais.

Um conversor bidirecional é normalmente implementado a partir de configurações unidirecionais, substituindo diodos simples por chaves semicondutoras com diodos em antiparalelo. Dessa forma é permitido que exista fluxo de energia em ambas as direções de acordo com a ordem de acionamento do conversor (RASHID, 2011). Devido a característica bidirecional, esses conversores permitem realizar a carga e a descarga das baterias em um único equipamento, evitando a utilização de diferentes estruturas para os diferentes modos de operação das baterias (FOROUZESH et al. 2017). Dessa forma, os conversores bidirecionais controlam a direção do fluxo de potência processada entre baterias e barramento CC, característica que é de fundamental importância para este trabalho.

Outra questão importante para a escolha do conversor diz respeito a sua implementação, que pode ser realizada na forma de conversores isolados e não isolados. Apesar de ter estrutura mais simples, os conversores não isolados não são indicados para casos que exijam grandes relações de transformação entre a entrada e saída do conversor. Para esses casos é adequado o uso de conversores isolados (WEN, XIAO, SU, 2014), (WU et al. 2014), (FOROUZESH et al. 2017). Além de apresentar a vantagem de operar com grandes diferenças de tensões os conversores isolados fazem o uso de transformadores para isolar eletricamente as diferentes partes do circuito, aumentando assim a segurança das baterias.

Nas configurações tradicionais de UPS’s, por exemplo, é comum a utilização de transformadores de baixa frequência para isolar e adequar os níveis de tensão entre a rede, carregador e banco de baterias. A desvantagem de se utilizar esses componentes é que são volumosos e responsáveis pela redução da eficiência do sistema (BOCK et al., 2001), (GUERRERO, 2011).

Ao se optar por utilizar conversores isolados, é possível através da operação em alta frequência reduzir o volume do transformador e consequentemente as perdas relacionadas com o cobre e indutâncias de dispersão (BOCK et al., 2001). Para o projeto em questão essa característica é interessante não somente por aumentar os ganhos de tensão do conversor, mas também por permitir isolar eletricamente o banco de baterias do barramento CC, dessa forma é

possível aumentar a segurança de operação, assim como das baterias, que apresentam grande custo agregado.

Devido as diferentes situações apresentadas para o desenvolvimento do trabalho é definido que o conversor deve atender os seguintes critérios:

 Possuir características bidirecionais a fim de integrar o banco de baterias ao barramento CC, realizando a carga e descarga das bateiras em um único equipamento.

 Reduzir a tensão do barramento CC de 230 V fornecendo um nível de tensão adequado para a carga das baterias.

 Elevar o nível de tensão do banco de baterias de 60 V para 230 V, em casos de falha do barramento.

 Processar uma potência nominal de 200 W.

 Ser implementado de forma isolada devido as grandes relações de transformação presentes no circuito, além de servir como elemento de proteção para o banco de baterias.

 Para reduzir o tamanho do transformador e filtros envolvidos, o conversor deve operar em alta frequência.

Em relação a tensão do banco de baterias, o mesmo foi escolhido de acordo com os valores apresentados na literatura e citados anteriormente no Capítulo 1. O barramento CC de 230 V foi assim definido pensando nos valores de tensão tipicamente adotados na entrada de inversores de tensão monofásicos de 127 Vrms. A ideia é permitir que o trabalho desenvolvido tenha prosseguimento com o projeto do inversor, possibilitando a conexão do banco de baterias à rede elétrica.

Para os valores da frequência de operação, os trabalhos encontrados na literatura relacionados a conversores bidirecionais de baixa potência, se utilizam de frequências de comutação na ordem de 20 kHz até 100 kHz. Como frequências mais elevadas acarretariam em maiores problemas relacionados com as perdas em comutação, circuitos de driver e indutâncias de dispersão do transformador, a frequência de 50 kHz foi escolhida por representar um valor intermediário e dentro de uma faixa de valores que permita comparações com os demais

trabalhos citados. A operação em alta frequência permite reduzir o volume dos elementos magnéticos e capacitores, consequentemente, o custo agregado ao conversor. Para definir uma topologia que se adeque ao caso em estudo, a seção seguinte investiga as principais configurações de conversores unidirecionais com possibilidade de atuação na configuração bidirecional.