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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”

CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

MARCOS ALVES DE OLIVEIRA

FELIPE ALVARES GARCIA

INVERSOR DC/AC PARA SISTEMAS DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA SOLAR

GARÇA

2017

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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”

CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

MARCOS ALVES DE OLIVEIRA

FELIPE ALVARES GARCIA

INVERSOR DC/AC PARA SISTEMAS DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA SOLAR

Trabalho de conclusão de curso apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito para conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial.

Orientador: Prof. Me.Edson Mancuzo

GARÇA

2017

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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”

CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

MARCOS ALVES DE OLIVEIRA

FELIPE ALVARES GARCIA

INVERSOR DC/AC PARA SISTEMAS DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA SOLAR

Trabalho de conclusão de curso apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito para conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores: Data da aprovação: ----/-----/--------- _____________________________

Prof. Me.Edson Mancuzo FATEC Garça _____________________________ FATEC Garça _____________________________ FATEC Garça

GARÇA

2017

INVERSOR DC/AC PARA SISTEMAS DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA SOLAR

Marcos Alves de Oliveira

1

Karioka2002@hotmail.com Felipe Alvares Garcia

Felipegarcia090@gmail.com

Prof. Me. Edson Mancuzo2

edson.mancuzo@fatec.sp.gov.br

Resumo -Este trabalho tem por finalidade o desenvolvimento de um circuito inversor de tensão monofásico, para aplicação em alimentação de cargas em sistemas de captação de energia solar. O inversor de tensão foi elaborado utilizando-se a topologia pushpull, chaveado na frequência da rede elétrica para obtenção de energia elétrica alternada a partir de uma fonte de energia em corrente contínua. O projeto visa o aproveitamento de possíveis fontes de energia renováveis que possam ser armazenadas em forma de tensão

contínua, tais como, eólica, solar, hidroelétrica entre outras.

Palavras Chave: Energia Solar. Inversor de Tensão. Microcontrolador.

ABSTRACT - This work has the purpose of developing a single-phase voltage inverter circuit for the application of load power in solar energy capture systems. The voltage inverter was developed using a push-pull system, switched on at high frequency to obtain alternating electrical energy from a DC power source. A voltage reversing system using two static converters provides the output of the inverter, AC power, which can work in conjunction with the power utility's supply. The project aims to take advantage of possible renewable energy sources that can be stored in the form of continuous voltage, such as wind, solar, hydroelectric among others.

Keywords: Solar Energy. Voltage Inverter. Microcontroller.

1 Alunos do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial da FATEC-GARÇA 2 Docente da FATEC-GARÇA

1. INTRODUÇÃO

A Energia solar fotovoltaica, diferente de outras fontes de energia, além de

poder ser empregada em todas as áreas territoriais, não necessita de linhas de

transmissão e pode ser gerada e aplicada na própria área que será consumida.

Apenas uma minúscula fração da energia solar disponível é utilizada. Pelo fato da

energia solar ser de fácil obtenção, possui grande potencial para ser

explorada.Conforme um estudo publicado em 2007 pelo Conselho Mundial da

Energia (World Energy Council).

De acordo com Matakas e Komatsu, Inversores correspondem a designação

genérica referente a conversores estáticos que realizam a transformação de tensão

(ou corrente) contínua em tensão (ou corrente) alternada (2011, p. 1). Para uma

aplicação adequada ao objetivo do projeto, o inversor deve fornecer uma tensão

alternada, com frequência, forma e amplitude definidas de acordo com o sistema de

controle.

O principal papel dos inversores nos sistemas de geração

distribuída e de acumuladores de energia é entregar energia elétrica

à rede de distribuição em corrente alternada, dentro de padrões de

qualidade adequados. Isso requer, principalmente, que a forma de

onda da corrente resultante na rede tenha mínima distorção, ou seja,

que se aproxime da forma senoidal. (POMILIO. 2017, p. 1)

A tensão de saída do inversor dc/ac do projeto, tem uma forma de onda

periódica que, embora não-senoidal, pode, com uma boa aproximação, chegar a ser

considerada como mesmo efeito, mas não com o mesmo formato (KIFUNE, 2009).

Há muitos tipos de inversores, classificados de acordo com o número de fases, com

a utilização de dispositivos semicondutores de potência, com os princípios de

comutação e com as formas de onda de saída. (AHMED,2000). Os circuitos

inversores são de importantíssima funcionalidade, já que diversos aparelhos

presentes no cotidiano da população são alimentados por tensão alternada. Poderia

ser possível aproveitar a tensão alternada fornecida pela própria concessionária de

energia, no entanto, tal valor fornecido trata-se de um valor fixo de tensão. Para

aplicações onde se necessita de diferentes valores de tensão e frequência, nada

mais adequado do que circuitos inversores, onde se aproveita a tensão contínua

fornecida por uma bateria. Esse modelo acaba se tornando mais prático, eficaz e

sustentável em relação ao fornecido pela concessionária, que possui sua origem

através de usinas hidrelétricas, térmicas ou nucleares.

1.1. Caracterização do Tema

Este trabalho tem por finalidade a elaboração de um circuito inversor de

tensão contínua em tensão alternada, a partir do uso da topologia push pull,

monofásico, de maneira que terá aplicação destinada a alimentação de cargas. A

obtenção da energia elétrica ocorrerá a partir de um sistema de captação de energia

solar. O trabalho terá baixo custo, grande eficiência e tal conversão será efetuada de

forma inteligente, uma vez que o inversor é microcontrolado e realiza o

sensoriamento da bateria e das cargas que serão alimentadas. Em situações que a

bateria apresente baixo nível de energia armazenada, sobre carga ou curto-circuito,

o equipamento desliga-se automaticamente.

1.2. Metodologia

O inversor de tensão foi desenvolvido utilizando um sistema microcontrolado

por chaveamento de transistores. Para tanto utilizou-se um microcontrolador da

família HCS08 da Nxp, Mosfets, resistores, capacitores, transistores de junção

bipolar, diodos, relês, transformador de tensão e placa de fenolite. O circuito inversor

funciona a partir do disparo do pino ‘gate’ do MOSFET, esse disparo é controlado

pelo microcontrolador. Os resultados obtidos serão apresentados neste artigo na

forma de gráficos e imagens.

1.3. Objetivo Geral

O presente projeto tem por finalidade proporcionar a completa e ampla

utilização da energia solar obtida por meio de um sistema de captação solar (Projeto

S.O.L.A.R), de modo que será feito o carregamento e controle de cargas. Tal

energia elétrica obtida, é armazenada em baterias de 12 volts de corrente continua,

e esta é transformada em tensão alternada de 110 volts, para que dessa forma

equipamentos de uso geral, tais como, sistemas de iluminação, computadores,

sistemas de monitoramento e muitas outras aplicações do dia a dia, possam ser

utilizados. Esse sistema possui grande abrangência de utilização, podendo ser

utlilizado em áreas rurais quanto urbanas, como por exemplo, escolas, hospitais,

comércio, indústrias e residências.

1.4. Justificativa

A economia sustentável é um mercado que não para de crescer no Brasil,

uma área que apesar da crise só tem aberto vagas no mercado de trabalho , esse é

o emprego verde, o emprego de um mundo de desenvolvimento mais sustentável.

Uma das principais características de nossa sociedade, ao menos sob um ponto de vista prático e material, é o aumento da demanda por abastecimento energético. A energia solar é uma das alternativas energéticas mais promissoras do novo milênio, ela é inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de luz e de calor. (OLIVEIRA, 2010)

Deve-se citar também que o mercado de painéis solares no Brasil, crescerá mais de

320 % neste ano de 2017, cada megawatt instalado, corresponde a 15 novos postos

de trabalho.( JORNAL HOJE, 2017).

Figura 1:Geração de empregos proporcionados pela Energia eólica

Fonte: Jornal Hoje, 2017.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Inversor Push-pull

O inversor push-pull modulado por pulso único, é o mais empregado na

indústria para alimentar cargas críticas onde a forma de onda não é muito

importante. Em conformidade com SANTANDER (1993, p. 5), cada chave do

conversor Push-Pull, quando modulado por pulso único, conduz uma única vez por

período de funcionamento.

O conversor possui dois interruptores e seu comando é simples, mas não

garante na saída tensão constante para variações de carga, além de não compensar

variações da fonte de entrada. Para garantir na saída do conversor push-pull uma

tensão constante independente da carga e compensar as variações da fonte de

entrada, a alternativa mais econômica é a criação do terceiro nível de tensão.

Este conversor possuir inúmeras razões que justificam a sua utilização, tais

quais:

Aplicação em baixas potências;

Necessidade de um transformador com derivação central (circuito naturalmente isolado);

Uso de duas chaves.

Figura 2:Inversor push-pull

Fonte: Inversores de onda quadrada, 2013.

Ao inverter-se o sentido de corrente, a tensão na carga passa a ser

alternada, mesmo estando conectada a uma fonte DC.

2.2 Mosfet’s

Mosfet é um tipo de transistor, componente usado como chave ou

amplificador de sinais elétricos. Possui normalmente 3 terminais: Porta,

Fonte e Dreno (ou Gate, Source e Drain respectivamente). Há dois tipos essenciais:

o canal N e o canal P, e se diferenciam basicamente pela polarização. A corrente a

ser fornecida para um circuito, que circulará entre o terminal Fonte e o Dreno do

FET, é controlada pela tensão aplicada no terminal Porta. Este último possui uma

separação dielétrica dos outros dois, consumindo, portanto, uma corrente quase

nula no gate, e um campo elétrico que influencia no Dreno e no Fonte (GARAGEM,

2012).

Figura 3: Mosfet dos tipos N e P

Fonte:Laboratório de garagem, 2012.

2.3 Transformadores de tensão

De acordo com Bertini (2003, p. 5), transformadores ou trafos são dispositivos

elétricos que possuem o desígnio de elevar ou reduzir uma tensão. Há

transformadores de diversos tipos, com finalidades distintas com construção e

tamanho específicos.

É composto por, no mínimo, duas bobinas (enrolamentos de fios condutores)

e um núcleo ferromagnético, sendo que uma das bobinas é denominada

enrolamento primário e a outra de enrolamento secundário, existem transformadores

com mais de um enrolamento secundário, esse tipo de transformador é muito

utilizado em eletrônica, pois é capaz de produzir vários valores de tensões

diferentes.

Teoricamente, um transformador deve transferir toda a potência do primário

para o secundário. Entretanto, na prática, é ocasionada a perda de potência,

ocasionada por diversos motivos, como a resistência de fio, correntes pelo núcleo,

chamados de correntes de Foucault etc. (BERTINI, 2003. p. 5).

Figura 4: Relação de transformação de tensão

Fonte: TRANSFORMADORES: Teoria, Prática e Dicas, 2003.

2.3 Bateria de chumbo–Ácido

Em conformidade com Villalva e Gazoli (2012, p.103), nos sistemas

autônomos a geração e o consumo de energia nem sempre coincidem devido a

característica intermitente e aleatória da radiação solar ao longo do tempo, e por

esta razão, a presença de uma bateria é essencial de modo a proporcionar

fornecimento constante de energia.

A bateria é constituída por dois eletrodos, envoltos por um eletrólito. No

momento da carga, sofrem reações de oxirredução, com a captação e a liberação de

elétrons e realiza a transferência de carga durante a eletrólise. No momento da

descarga, os eletrodos voltam ao seu estado inicial (SILVA, 2015. P.32).

É a bateria mais econômica quando o problema do peso pode ser

desprezado, sendo amplamente utilizada em equipamentos hospitalares, cadeira de

rodas elétricas, luz de emergência e nobreaks.

Foi inventada em 1859 pelo físico francês Gaston Planté, sendo as primeiras

baterias para uso comercial. Atualmente as baterias de chumbo-ácido são usadas

em automóveis, empilhadeiras e nobreacks3(ANJOS,2016.p.12).

Figura 5: Bateria de chumbo

Fonte:STA: Sistemas e tecnologia aplicada.

2.4 Microcontrolador

O microcontrolador utilizado é MC9S08SH8 da NXP®. Ele é um dispositivo

SISC (Complex Instruction Set Computer) de 8 bits, com 8Kbytes de Memória Flash

e 256 Kbytes de RAM. Possui 20 pinos e pode ser encontrado em diversos

encapsulamentos. Para este trabalho, vamos utilizar o PDIP (Dual in Package –

Plastic), por ser de mais fácil manipulação para elaboração do protótipo e

programação em linguagem C, vide anexo 1.

Figura 6: Pinos MC9S08SH8 – PDIP²

Fonte:Datasheet: MC9S08SH8

3Nobreacks: é um condicionador que regula a voltagem e a pureza da energia que chega até os eletrônicos conectados a ele.

12 canais de conversor analógico / digital de 8 bits;

1 timer geral (MTIM) de 8 bits;

2 timers específicos (PWM) de 16 bits com dois canais cada;

Possui oscilador interno;

Possui interrupção externa.

Alimentação 5 volts.

A gravação do microcontrolador é feita através de uma interface nativa BDM

(Background Debug Mode) e gravador modelo USB Multilink.

3 METODOLOGIA DO PROTÓTIPO

3.1 Elaboração e diagramação do Hardware

Para o desenvolvimento do diagrama esquemático e da placa de circuito

impresso do projeto foi utilizado o software de desenvolvimento de projetos

eletrônicos “Altium Designer Summer 8”.

Utilizando um transformador de tensão com capacidade de 500 watts, um sistema

de transistores mosfets, controlados por um microcontrolador NXP, que faz o

controle e chaveamento em frequência nominal de 60 hz , transforma-se tensão 12

volts continua em 110 volts alternada, para alimentar cargas alternadas de uso geral.

Faz o monitoramento da corrente, da carga e curto circuito, e, em caso de algo

irregular, o sistema desliga automaticamente

3.2 Leds de sinalização

Os leds do circuito indicam os estados em que o inversor se encontra, e tem a

função de orientar o usuário a respeito de seu funcionamento

Piloto: pisca-pisca;

Liga/desliga;

Sobrecarga;

Bateria baixa;

Bateria carregada.

Figura 6: Microcontrolador e leds de sinalização

Fonte: Os autores

3.1.1 Fonte de alimentação

A alimentação do circuito depende totalmente da bateria de 12volts-7

amperes,porém determinados componentes trabalham com tensões inferiores a 12

volts, como por exemplo, o microcontrolador que necessita de 5 volts como tensão

de trabalho, por isso foi utilizado um regulador de tensão 78l05 e capacitores como

filtro.

Figura 7: Fonte de alimentação

Fonte: Os autores

3.1.2 Circuito comparador

O circuito comparador é responsável pelo controle e segurança do sistema de

chaveamento dos transistores mosfet’s e é constituído pelo ci lm 324 e resistores.

Figura 8: Circuito comparador

Fonte: Os autores

3.1.3 Conversor pushpull

Os conversores push-pull, tendo como seus principais componentes o transistor

mosfet irf3205 e o transformador de tensão aumentador, utilizam-se do acoplamento

magnético para obter na saída tensões menores ou maiores.

As principais vantagens dos conversores push-pull são:

capacidade de trabalhar com potências de trabalho maiores em corrente

contínua (devido ao uso dos dois chaveadores), sendo utilizados em aplicações

de fontes CC industriais;

Maior rendimento no inversor devido à forma de construção;

Robustez e simplicidade de construção;

O negativo da fonte é um terminal comum a ambos os chaveamentos.

Figura 9: Conversor push-pull

Fonte: Os autores

3.1.4 Placa de circuito impresso

O circuito impresso foi desenvolvido com a ferramenta de desenvolvimento de

circuitos da Altium-Designer Summer 8 em face simples.

Figura 10: Pcb

Fonte: Os autores

3.2 Resultados

3.2.1 Inversor montado com seus componentes internos e externos

A placa acabada, já com seus componentes soldados, foi montada em uma

estrutura de madeira, onde foi acomodado também as baterias e o transformador

que farão parte do circuito.

Figura 11: Circuito pronto e montado

Fonte: Os autores

3.2.2 Tensão na bateria carregada

Foi utilizado um voltímetro de mão para medição da tensão na bateria utilizada para

alimentação do circuito e foi obtido um valor de 13,1 volts em corrente continua.

Figura 12: Medição da bateria com voltímetro

Fonte: Os autores

3.2.3 Forma de onda e tensão de saída do inversor

A forma de onda gerada no circuito inversor é do tipo quadrada, e é a mais comum

utilizadas em inversores de tensão, pelo seu baixo custo e grande área de aplicação.

As tensões obtidas em corrente alternada na saída do inversor foram:

Pico a pico: 378 volts;

Máxima: 186 volts;

Mínima: -192 volts;

Tensão RMS: 118.88 volts.

Figura 13: Forma de onda na saída do inversor

3.2.4 Autonomia

Em testes realizados utilizando uma carga de 65 watts, a mesma permaneceu ligada

durante o período de 2 horas e 40 minutos, quando a bateria atingiu a tensão

mínima de trabalho, o circuito desligou-se automaticamente, garantindo o bom

funcionamento da bateria e suas condições ideais de trabalho.

4.Conclusão

Com a aplicação do inversor DC/AC para sistemas de captação de energia

solar, possibilita-se, utilizar sistemas de painéis solares dotados de banco de bateria,

que normalmente fornecem tensão 12V para alimentar eletrodomésticos

convencionais 127V como ventiladores, televisores, computadores, lâmpadas, etc,

seja no âmbito doméstico, comercial, industrial e até na zona rural.

Portanto, conclui-se que, com um baixo custo e um equipamento compacto, é

possível reduzir o consumo de energia elétrica de residências e fazer uso de uma

energia que normalmente é desperdiçada, e, com isso, além da economia ao

usuário, contribuir para a não utilização de fontes energéticas que são danosas ao

meio ambiente, como usinas termoelétricas por exemplo, uma vez que existe um

menor consumo de energia.

RFERÊNCIAS

AHMED, Ashfag. Eletrônica de Potência. Prentice Hall, 2000.

ANJOS, Talita Alves dos. Acumuladores de chumbo. Disponível em:

<http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/acumuladores-chumbo.htm>.

Acessoem: 07 Set. 2017.

KIFUNE, H.; HATANAKA, Y., Resonant frequency tracking control by

using one CT for high frequency inverter. Power Electronics and Applications,

2009. 13th European Conference on.

MATAKAS, Lourenço ; KOMATSU, Wilson. INVERSORES, Disponível em:

<https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/1589063/mod_resource/content/1/Apostila_

de_inversores_v09062011.pdf>. Acesso em 15 Ago. 2017.

OLIVEIRA, Antonio Magalhães de. A energia solar. Disponível em:

<https://www.webartigos.com/artigos/a-importancia-da-energia-solar/32718/>.

Acesso em 20 Ago. 2017

POMILIO , José Antenor. Eletrônica de Potência para Geração,

Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica. Disponível em:

<http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/it744/cap5.pdf>. Acesso em 15

Ago. 2017

SILVA, Debora. Acumuladores de chumbo. Disponível em:

<https://www.estudopratico.com.br/acumuladores-de-chumbo-historico-

funcionamento-e-conceitos/>. Acesso em 09 Set 2017.

VILLAVA, Marcelo Gradella; GAZOLI, Jonas Rafael. Energia Solas

Fotovoltaica: Conceitos e aplicação. São Paulo: Érica LTDA, 2012.