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Como citar este trabajoAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Inversor comutado em baixa frequência para aplicação de cacs na geração distribuída
Geomar Machado Martins; José Antenor Pomilio; Edson A. Vendrusculo
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação - Universidade Estadual de Campinas - C.P. 6101 CEP13081-970 Campinas - Brasil. e-mail:antenor@dsce.fee.unicamp.br
RESUMO
A conexão de sistemas de geração, baseados em células a combustível, com a rede, normalmente exige um conversor eletrônico de potência para permitir o processamento da energia gerada e a injeção no sistema elétrico. Uma vez que a célula a combustível fornece energia em corrente contínua, o conversor deve ser capaz de produzir uma corrente alternada com baixa distorção harmônica e alto fator de potência. Este artigo apresenta os resultados obtidos com o uso de inversores monofásico e trifásico comutados em baixa freqüência. Um circuito auxiliar é adicionado a fim de reduzir a distorção na tensão de saída e melhorar a forma de onda da corrente. As principais vantagens desta escolha estão na minimização das perdas de chaveamento (i.e, alta eficiência) e na eliminação de interferência eletromagnética (evitando-se os filtros para alta freqüência necessários nos inversores comutados em alta freqüência).
ABSTRACT
The connection of Fuel Cell Power Plants with the utility grid generally needs an electronic power converter for processing the locally generated power and injecting current into the system. Since the source provides a DC voltage, the converter must be able to produce a low-distortion, high-power factor AC current. This paper presents the results obtained with use of a three-phase and a single-phase inverter using low-frequency commutation. An auxiliary circuit is added to the inverter topologies in order to reduce the output voltage distortion, thus improving the current waveform. The main advantages of this approach are the minimization of the switching losses (i.e. high efficiency) and the elimination of the EMI (which avoids high-frequency filters necessary in high-frequency commutation inverters).
I. INTRODUÇÃO
Os aproveitamentos energéticos baseados em recursos renováveis tais como energia solar, eólica, ou biomassa de pequena e média escala, eram pouco utilizados devido a diversos fatores. Um deles, o custo do elemento principal de conversão, como exemplo os painéis fotovoltaicos e as células combustíveis, estão sendo implementados e tornando acessíveis aos consumidores domésticos, pequenas fabricas e alguns ramos de prestação de serviço, além do setor publico.
Porém, certos aspectos tecnológicos ainda não estão completamente resolvidos ou resultam em sistemas bastante complexos, prejudicando os níveis de confiabilidade desejados. Varias técnicas de controle e proteção eletrônicos são investigados. A escolha daquela que mais se adeque a uma aplicação especifica também é um passo crítico no projeto do sistema.
Uma aplicação típica, em pequena escala é a de um banco de células a combustível usado em residências, comércio, centros computacionais ou hospitais. Nestes casos, a falta da energia proveniente da rede publica pode ser imediatamente compensada através de uma fonte auxiliar de emergência com capacidade para manter em funcionamento, por um determinado período de tempo, as cargas essenciais. Nestes casos a faixa de potência varia de 1,0 a 10,0 KW, com um custo de instalação elevado, que pode atingir U$ 4.500,00/KW.
Em sistemas convencionais, que utilizam bancos de baterias ou geradores a diesel, a instalação é dimensionada para atender somente as cargas essenciais, com tudo isto não possibita a co-geração, o que torna o investimento pouco atrativo do ponto de vista econômico.
É neste contexto de alternativa de conversão de energia que surgiram no final da década passada os sistemas baseados em Células a Combustível (CaCs).
As CaCs são dispositivos de conversão eletroquímica de energia que produzem eletricidade diretamente por meio da oxidação do hidrogênio. As CaCs se contrapõem à tecnologia dominante para a geração distribuída de energia elétrica baseada no uso das máquinas térmicas, como turbinas a gás e motores a combustão. Estes últimos apresentam características como ruídos, vibrações, emissões de gases poluentes, indesejáveis num mundo preocupado com o resgate de condições ambientais favoráveis à sobrevivência das espécies. As CaCs convertem uma proporção notavelmente alta de energia química do combustível em eletricidade, tornando-a muito eficiente. A conversão eletroquímica também torna a eficiência da CaC insensível ao tamanho da unidade ou à quantidade de carga aplicada.
Embora a tecnologia exista a cerca de 40 anos, somente as pesquisas para a melhoria dos materiais e a redução de seus custos de fabricação e de seus componentes, é que tornaram possível a aplicação em larga escala. Suas características principais tais como operação silenciosa, não emissão de poluentes e alto rendimento são atrativas para as aplicações citadas anteriormente. No entanto, ainda existem desafios tecnológicos a serem vencidos tais como: o aumento da vida útil da membrana, no caso das células tipo polímero sólido PEM (próton exchange membrane), melhorias no controle dos fluxos de gases, água e distribuição de temperatura no interior dos módulos. A reforma do combustível, processo pelo qual se realiza a obtenção de hidrogênio a partir de uma fonte primária, e seu armazenamento também são questões ainda abertas a discussão.
Um sistema de conversão de energia baseado em CaCs exige um significativo número de sistemas periféricos para a correta operação do conjunto de células ligadas que formam a pilha. Os gases devem ser umidificados para manter-se a membrana úmida, mesmo com a existência de água como subproduto da reação. Quaisquer agentes contaminantes na fonte dos gases pode danificar a membrana. A pilha precisa ser refrigerada, mas como ela está conduzindo eletricidade, a água de refrigeração deve ser deionizada. O hidrogênio é mantido em uma pressão constante mas precisa ser recirculado para evitar danos à membrana. O oxigênio é obtido do ar, mas deve ser comprimido a uma taxa significativa com boa filtragem. A água, como subproduto deve ser condensada e re-circulada. Com todas as variáveis envolvidas, o controle da potência de saída da célula apresenta-se como um grande problema.
Contudo, os condicionadores de energia que custavam U$ 180/kW e eram necessários para realizar o aproveitamento de forma eficiente, hoje estão abaixo de US 120/kW. Mesmo assim, representam cerca de 30% do investimento total, sendo um dos itens de preocupação dos organismos de pesquisa e desenvolvimento. Uma alternativa é a adaptação de inversores de corrente continua em corrente alternada, já existentes, ou o desenvolvimento de novas topologias mais baratas. Nesse contexto, o Laboratório de Condicionamento de Energia Elétrica - LCEE, da Unicamp realiza pesquisas no sentido de minorar os custos associados com os circuitos auxiliares, respeitando as normas que delimitam a qualidade da energia injetada na rede. Adicionalmente, está em fase de desenvolvimento um protótipo de um sistema integrado de energia baseado em CaCs para aplicação em Geração Distribuída. Este protótipo permitirá realizar diversos estudos relacionados com a qualidade da energia gerada, determinação e dimensionamento de componentes, validação de modelos, entre outros. É neste ponto que este trabalho colabora, sugerindo o uso de um inversor comutado em baixa freqüência e empregando componentes que visam a redução do custo final do equipamento e de sua complexidade.
II. METODOLOGIA
Foram estudados os diversos modelos estáticos e dinâmicos de CaCs e as topologias aplicáveis aos conversores eletrônicos de energia elétrica, descritos na bibliografia. Foram avaliadas configurações de baixo custo para realizar o condicionamento da energia e estabelecidos procedimentos de dimensionamento dos diversos componentes tais como: indutores, capacitores e interruptores do circuito de condicionamento de energia. A seguir foi estudado o sistema de controle necessário para comandar o acionamento da planta ligada à rede CA. Após a integração de todos os elementos constituintes da planta passou-se à fase de testes, com a construção de protótipos, inicialmente alimentados por fontes de C.C.. A validação dos modelos utilizados em simulações, foi baseada em resultados práticos obtidos com a colocação em funcionamento do sistema com carga real. Resultados previstos teoricamente através de simulações computacionais foram comparados com aqueles obtidos do protótipo real.
III. ASPECTOS GERAIS DO PROJETO DE UM SISTEMA GERAÇÃO BASEADO EM CACS
A figura 1 mostra a estrutura genérica de uma geração baseada em CaCs. Esta compreende três partes distintas. Na primeira, a energia da fonte primária é convertida diretamente em elétrica. A interface eletrônica com a rede realiza a função de condicionamento da energia, permitindo a conexão do barramento em Corrente Contínua à rede em Corrente Alternada.
Um detalhamento desta estrutura é apresentada na figura 2. O coração do sistema é um conjunto de pilhas de célula à combustível tipo PEM dimensionada para fornecer a potência nominal da carga. A pilha é especificada em função da potência, em Watts, do número de células necessário e a da área ativa por célula, em cm2.
Entre os outros componentes importantes que complementam o sistema está o processador de combustível denominado reformador de oxidação parcial (POX), que converte o combustível usual em hidrogênio puro para uso pela pilha CaC a partir de gás natural, GLP (gás liquefeito de petróleo) ou propano engarrafado.
A CaC converte a energia do hidrogênio em energia elétrica. Assim, necessita-se de um condicionador de energia para converter a corrente contínua gerada para a mais comumente usada, a corrente alternada. O armazenamento e o condicionamento da energia é muito similar àqueles usados em sistemas eólicos e fotovoltáicos, empregando baterias e inversores. A tensão elétrica de saída da célula deve ser condicionada para alimentar os circuitos auxiliares, tais como bombas d´água e ventiladores e os componentes dos subsistemas (relés, válvulas solenóides, etc.), através de um conversor CC/CC. O inversor CC/CA inverte e transforma a entrada CC fornecida pelo conjunto de células, em uma saída de 110/220Vca. O banco de baterias ou outro mecanismo de armazenamento se faz necessário porque o reformador do combustível não responde instantaneamente à demanda da CaC. Embora esta possa responder mais rapidamente à variação da carga, quando alimentada com hidrogênio e oxigênio suficientes, não há uma forma do processador de combustível antecipar uma exigência de carga, produzir e distribuir o hidrogênio rapidamente.
Dependendo da potência e da tecnologia da CaC, deve ser previsto um sub-sistema de gerenciamento de água e temperatura. Este sub-sistema mantém o combustível da pilha e o processador em um equilíbrio térmico e de massa. Neste caso, são usados bombas, ventiladores, trocadores de calor, e controles, que criam uma demanda de energia para a pilha CaC enquanto ela estiver funcionando. A partida a frio da maior parte dos sistemas de CACs que utilizam reformadores é um processo moroso. Até 20 minutos são necessários para produzir vapor e levar o sistema ao equilíbrio.
Os sub-sistemas da célula combustível incluem ainda um ventilador que fornece a alimentação do oxidante, um sistema de circulação de água para resfriamento da pilha e umidificador do ar de entrada e fluxos do reformador. O computador de controle gerencia a operação do sistema, coleta os dados de operação, e fornece uma interface ao usuário. Uma bateria de partida é incluída no sistema para acionar o computador de controle e cargas dos sub-sistemas na partida. Quando a CaC recebe ar e hidrogênio, rapidamente estará pronta, absorvendo as cargas parasitas e recarregando a bateria de partida.
IV. O CONDICIONAMENTO DA ENERGIA E A TOPOLOGIA PROPOSTA
Os sistemas de aproveitamento local e a própria rede elétrica normalmente exigem a conversão da saída CC da CaC, a menos que seja utilizada para aplicações em corrente contínua. Portanto, é necessário um condicionador de energia a estado sólido. Ele pode ser do tipo linha-comutado (para equipamentos conectados à uma rede CA) ou eletronicamente auto-comutado. Nos últimos 10 anos, o desenvolvimento dos componentes eletrônicos de potência e dos circuitos tornaram possível os sistemas auto-comutados. Estes usam IGBTs (insulated Gate Bipolar Transistors), que podem conduzir alguns milhares de ampères. Seu desenvolvimento resultou do avanço do estado da arte dos IGBTs e do vasto uso em outras aplicações, tais como variadores de velocidade de motores elétricos.
O custo dos condicionadores ainda é bastante elevado em relação ao sistema de geração baseado em CACs, chegando a 30% do total do investimento. A importância deste tópico é verificada ainda hoje, pois para minimizar o seu impacto nos projetos futuros, o governo americano, através do Department of Energy, Department of Defense, IEEE Power Electronics Society, IEEE Industry Applications Society e IEEE Industrial Electronics Society, tem incentivado o desenvolvimento dos condicionadores de energia de sistemas baseados em CACs, através do "Future Energy Challenge Compettion", edições de 2001 e 2004.
A meta é chegar a um inversor de 10 kW de baixo custo para CaCs ou fontes similares para fins residenciais e industriais, isolados ou ligados à rede. Os atuais, de maior porte, são muito caros e os menores não atingem as exigências mínimas de desempenho necessárias para as fontes alternativas de energia.
A figura 3 mostra a topologia do conversor proposto para injeção de potência em uma rede trifásica. A estrutura inversora é composta por um circuito principal formado por seis chaves IGBTs (S1 a S6) principais ligadas na configuração de ponte completa, e por um circuito auxiliar, arranjado por três chaves auxiliares (Sa1, Sa2 e Sa3) bidirecionais, dois capacitores C1 e C2 e três indutores (La, Lb e Lc). As chaves da ponte inversora são controladas de tal forma a aplicar aos terminais do inversor uma tensão que resulte uma corrente de linha quasi-senoidal. Cada uma das chaves da ponte opera na frequência da rede, enquanto as chaves auxiliares operam a duas vezes a frequência da rede, como é mostrado na figura 4.
O controlador eletrônico tem por finalidade manter a tensão média, "E", no barramento CC estabilizada em torno de um valor de referência protegendo o sistema de geração contra as flutuações de tensões. O algoritmo de controle é aplicado através de um sistema digital baseado em um DSP TMS320F2407. Sua atuação ocorre sobre o ciclo de trabalho e o ângulo de atraso de entrada em condução das chaves. Desta forma, é possível manter o fator de potência da corrente injetada na rede muito próximo ao valor unitário, e a tensão de saída dentro do valor desejado, mesmo sob variação da carga.
A tensão no barramento C.C., "E", é uma tensão contínua que se altera com as variações da carga elétrica. Esta tensão é controlada pelo inversor CC/CA operando em baixa freqüência associado a um circuito auxiliar de comutação. O conversor é chaveado por um sinal de controle fornecido pelo controlador, variando a largura dos pulsos e sua "fase" a fim de manter constante a tensão no barramento CC.
A componente fundamental da tensão do inversor (vinv1) deve ser ajustada de forma a produzir a corrente desejada através dos indutores La, Lb e Lc de saída.
O procedimento de projeto é orientado para selecionar o valor mínimo de indutância que permite, ao mesmo tempo, injetar energia na potência nominal e atender os requisitos de harmônicos de corrente estipulados nas normas existentes. A tensão entre os terminais dos indutores, VL, deve ser orientada a 90° da respectiva tensão de linha para minimizar-se a corrente eficaz de linha, como é visto na Fig. 5. Este procedimento maximiza o fator de potência resultante.
Sem a operação do circuito auxiliar, a tensão de linha de saída apresenta uma forma de onda com três níveis enquanto a tensão fase-neutro possui quatro níveis. Ambas as formas apresentam transições bruscas, como é visto na Fig. 6. As harmônicas de corrente dependerão das componentes harmônicas de tensão entre fase e neutro, divididos pela reatância respectiva.
O efeito do circuito auxiliar, mostrado na Fig. 7, é o de suavizar as transições. Dessa forma, os componentes harmônicos da tensão de saída do inversor e o valor de projeto das indutâncias (La, Lb e Lc) são reduzidos.
V. RESULTADOS DE SIMULAÇÕES
A figura 8 mostra a forma de onda da corrente para a potência nominal de 10 kW. Na simulação, considerando uma rede trifásica de 127/220 V, a corrente injetada é de 26 A (valor eficaz). O valor de tensão CC é 305 V. A Taxa de Distorção Harmônica, THD, da corrente é de 10% e as harmônicas encontram-se dentro dos limites recomendados por normas internacionais.
VI. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Um protótipo preliminar trifásico, acoplado à rede elétrica através de transformadores, foi testado a fim de verificar o comportamento do circuito. As formas de onda principais são mostradas na figura 9. A tensão CC é de 50V, a tensão de linha CA é de 55V (valor eficaz).
VII. CONCLUSÕES
O inversor comutado em baixa frequência proposto apresenta algumas características interessantes como baixo custo e boa qualidade para aplicação em sistemas de geração distribuída de baixa potência, baseados em células a combustível, conectados à rede. Considerando o parâmetro qualidade de energia e os limites de distorção de corrente estabelecidos nas normas internacionais é visto que a corrente injetada na rede possui baixa distorção e alto fator de potência.
Como o circuito opera na frequência da rede, os filtros de interferência eletromagnética (IEM) não são necessários e as perdas de chaveamento podem ser desprezadas, portanto, reduzindo o volume dos dissipadores de calor.
O procedimento de projeto minimiza o valor da indutância e o valor da tensão CC. Adicionalmente, é possível o controle da potência injetada na rede, através do controle do tempo de condução das chaves auxiliares.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP e CAPES pelo suporte deste projeto.
REFERÊNCIAS
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