Os conversores podem ser classificados como isolados ou não isolados. Este isolamento é geral- mente realizado através de um transformador. As topologias apresentadas na Figura 4.5a e na Figura 4.5b são referentes a uma topologia isolada, com recurso a um transformador utilizado em alta-frequência [47, 48, 51].
Na Figura 4.5a o transformador é utilizado no estágio de conversão DC/DC, presente na entrada do sistema, responsável pela procura do ponto de máxima potência e pela disponibilização dos níveis de tensão adequados para que o estágio de conversão DC/AC possa ser interligado com a rede elétrica. Na Figura 4.5b a utilização do transformador em alta frequência é realizada no estágio de conversão DC/AC, responsável pela modulação da tensão DC.
a)
b)
Figura 4.5: Topologias isoladas com transformador em alta frequência.
Outra topologia com isolamento, ilustrada na Figura 4.6, faz uso do transformador em baixa frequência (frequência da rede). No entanto, a utilização do transformador dimensionado para esta frequência e com a necessidade de suportar potências elevadas, assume peso e dimensões consideráveis que aumentam o seu custo, tornando esta topologia pouco atrativa.
Figura 4.6: Topologia isolada com transformador em baixa frequência.
Nos últimos anos, com os avanços tecnológicos, os conversores sem isolamento exibem um cres- cente interesse por apresentarem uma boa eficiência, baixos custos e dimensões reduzidas. Na próxima secção, serão apresentadas algumas topologias de conversores DC/AC sem isolamento permitindo obter uma base de conhecimento que apoie o desenvolvimento do conversor.
4.2.1
Topologias sem Isolamento com um estágio de conversão
As topologias sem isolamento caraterizam-se pela utilização de um estágio de conversão ou pela utilização de dois ou mais estágios de conversão. Nos últimos anos, com a tendência de reduzir o número de estágios de conversão aumentando a eficiência global do sistema, fiabilidade e reduzir o custo/densidade de potência, as topologias com apenas um único estágio de conversão têm ganhado cada vez mais popularidade.
São diversas as topologias, que se podem encontrar na literatura, com apenas um estágio de conversão. A Figura 4.7 ilustra dois exemplos de topologias com apenas um estagio de conversão [52,53], que se baseiam nos princípios de funcionamento dos conversores DC/DC Buck, Boost ou
Buck-Boost. Resumidamente, este tipo de conversor é constituído por dois conversores DC/DC Buck-Boost modulados para produzir uma saída DC sinusoidal unipolar, com um desfasamento
de 180°entre si.
Filtro Filtro
Figura 4.7: Topologias sem isolamento com um estágio de conversão, na direita topologia antiparallel buck–boost inverter e na esquerda topologia Karschny.
4.2.2
Topologias sem Isolamento com dois estágios de conversão
Apesar da crescente popularidade das topologias com apenas um estágio, as topologias sem iso- lamento com dois estágios de conversão são as mais populares/utilizadas, tanto na literatura como pelos fabricantes de referência. A Figura 4.8 ilustra a topologia clássica em ponte com- pleta. As principais técnicas de modulação utilizadas são a Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) bipolar assim como a SPWM Unipolar.
Filtro s1 s2 s4 s 3 a b n Vdc
Figura 4.8: Topologia clássica em ponte completa.
Resumidamente, a modulação unipolar consiste na comparação entre duas formas de onda si- nusoidais desfasadas entre si de 180º (ondas moduladoras) com uma forma de onda triangular (onda portadora). A tensão aplicada ao filtro, saída do conversor de ponte completa, pode as-
sumir três níveis de tensão, concretamente, +Vdc, −Vdc e 0. A frequência de comutação dos
interruptores (S1- S4) é imposta pela frequência da onda portadora (forma de onda triangular).
Uma ilustração desta técnica pode ser observada na Figura 4.9.
Vdc Vdc Vdc -Vdc Van Vbn Vab 0 0 0 Vtri 0
Figura 4.9: Modulação SPWM Unipolar.
Já a modulação Bipolar consiste na comparação entre uma forma de onda sinusoidal (onda mo- duladora) com uma forma de onda triangular (onda portadora), conforme se ilustra na Figura 4.10. A tensão aplicada ao filtro, saída do conversor de ponte completa, pode assumir dois níveis de tensão, concretamente, +Vdc,−Vdc. A frequência de comutação dos interruptores (S1
- S4) é imposta pela frequência da portadora (forma de onda triangular).
Vdc Vdc Vdc -Vdc Van Vbn Vab 0 0 0 Vtri 0
Figura 4.10: Modulação SPWM Bipolar.
No entanto, a utilização de topologias sem isolamento implica a interação entre a rede elé- trica e as fontes de energia renováveis e endógenas. Essa interação possibilita o surgimento de correntes armazenadas em capacidades parasitas no sistema [54, 55].
4.2.2.1 Capacidades Parasitas
Em concreto, devido às características intrínsecas dos materiais que constituem os painéis fo- tovoltaicos e à sua estrutura mecânica (necessária na sua instalação) apresentam capacidades parasitas, que se encontram distribuídas como ilustrado na Figura 4.11. O valor dessa capa- cidade depende da área da superfície, da espessura do módulo, dos materiais utilizados na sua construção, além de, fatores exógenos que contribuem para a aumento dos valores dessas capacidades parasitas, como por exemplo, a humidade e a poeira [54].
Vidro
Estrutura
Painel Fotovoltaico Água
Figura 4.11: Capacidades Parasitas [54].
A presença dessas capacidades parasitas provoca o aparecimento de correntes de fuga em modo comum, que passam por todos os condutores no mesmo sentido e cujo percurso de retorno é pela terra, como ilustrado na Figura 4.12.
Conversor
Figura 4.12: Representação das correntes de fuga em modo comum.
Devido a este fenómeno, o valor da tensão em modo comum depende da topologia e do tipo de modulação utilizada. De modo a garantir um valor constante na tensão em modo comum, na literatura, são utilizadas diversas topologias com circuitos auxiliares e diferentes tipos de modulação. No anexo D é feita uma revisão bibliográfica das diversas topologias existentes na literatura. De seguida, é detalhada uma topologia bastante difundida na literatura, ilustrada na Figura 4.13, patenteada pela empresa SMA, designada como H5 [49, 53, 55–58].
4.2.2.2 Topologia sem isolamento H5
A topologia sem isolamento H5 utiliza um interruptor adicional com a finalidade de desacoplar (desacoplamento DC) eletricamente os painéis fotovoltaicos da rede elétrica, nos períodos de funcionamento dos díodos de roda livre.
Filtro s1 s2 s3 s4 s5
Figura 4.13: Topologia sem isolamento H5.
Esta topologia utiliza SPWM Híbrida, visando uma saída unipolar, para obter um valor constante para a tensão de modo comum. Para tal, os interruptores S1e S3comutam à frequência da onda
moduladora, enquanto que, os restantes interruptores, comutam com uma frequência imposta pela onda portadora. A Figura 4.14 ilustra a estratégia de controlo desta topologia.
s1 0 0 s3 0 s5 0 s2 0 s4
Figura 4.14: Estratégia de modulação híbrida da topologia sem isolamento H5.
Na Figura 4.14 podemos visualizar que durante o ciclo positivo da onda moduladora, o interruptor
S1encontra-se sempre ativo e os interruptores S5e S4comutam sincronizados. Nos períodos de
funcionamento dos díodos de roda livre, o circuito fecha-se pelos interruptores S1e o díodo do
interruptor S3, garantindo assim o desacoplamento da rede elétrica. Nessa situação, a tensão
aplicada ao filtro, vab, é igual a zero, em que van= Vdc/2 e vbn= Vdc/2, resultando numa tensão
em modo comum de vcm= Vdc/2.
No entanto, é importante referir que as tensões van e vbn são tensões flutuantes e o correto
funcionamento baseia-se na simetria das comutações. Em condições desequilibradas, a tensão em modo comum pode assumir valores diferentes dos desejados [58], como ilustrado na Figura 4.15.
Vin Vin VAN VBN Vin V =cm 2 Vin V =cm 2 VAN VBN
Figura 4.15: Simetria e assimetria de comutações.
Em relação ao ciclo negativo da onda moduladora, o interruptor S3 encontra-se sempre ativo
e os interruptores S5 e S2 comutam sincronizados. Nos períodos de funcionamento dos díodos
de roda livre o circuito fecha-se pelos interruptores S3e o díodo do interruptor S1, garantindo
assim o desacoplamento da rede elétrica. As duas etapas de condução são ilustradas na Figura 4.16. A Tabela 4.1 resume o valor das diferentes tensões em função das etapas de condução.
Tabela 4.1: Valor da tensão em modo comum nas diversas etapas de condução.
vab van vbn vcm=
van+ vbn
2
Ciclo Positivo Etapa1 +Vdc +Vdc 0
Vdc/2
Etapa2 0 Vdc/2 Vdc/2 Vdc/2
Ciclo Negativo Etapa1 −Vdc 0 Vdc
Vdc/2 Etapa2 0 Vdc/2 Vdc/2 Vdc/2 S5 S5 S5 S5 S1 S1 S1 S1 S2 S2 S2 S2 S3 S3 S3 S3 S4 S4 S4 S4 a a a a b b b b n n n n
Figura 4.16: Etapas de condução da topologia sem isolamento H5.