Capacitação

O Desafio dos Calouros permite a capacitação dos novos membros nas áreas técnicas e interpessoais, tendo que se adaptar aos métodos gerenciais e técnicos do grupo, assim como ao trabalho em equipe.

Programação

O controle de potência é realizado por um programa em C desenvolvido 100% pelos membros, o código foi escrito especificamente para a aplicação no circuito do projeto.

Prototipagem eletrônica

O projeto incluiu todos os passos do desenvolvimento de um circuito eletrônico, desde simulação até o design e montagem de uma placa de circuito impresso.

Arduino

A plataforma educacional Arduino serviu como base computacional para os cálculos envolvidos no controle do circuito, assim como um amperímetro conectado ao circuito.

Desafio dos Calouros:

Este projeto faz parte do Desafio dos Calouros, proposta que tem como objetivo integrar os novos petianos ao clima organizacional e metodologia de projetos do grupo. Ao entrarem, os calouros são designados para uma área de atuação, onde devem fazer uma proposta de projeto a ser desenvolvido no seu primeiro semestre no grupo.

Os petianos Arthur Moreira de Deus, Carlos Alberto Juraszek e Davi Antônio Moskven desenvolveram seu projeto na área de eletrônica de potência, controle e programação.

 

Energias Renováveis:

Atualmente, devido à grande pertinência da discussão acerca da utilização de combustíveis fósseis e fontes de energia poluentes, as energias renováveis surgem como uma alternativa promissora para a crise energética iminente.

Dentre as fontes de energia renováveis encontra-se a energia solar fotovoltaica, cujos sistemas são uma tendência no mercado de energia mundial por conta de sua aplicabilidade, geração limpa e retorno do capital investido relativamente rápido quando comparado à outras fontes.

A geração solar fotovoltaica depende de módulos, que estabelecem determinado potencial elétrico entre seus terminais. A energia gerada pelos módulos, por sua vez, está ligada às condições de irradiação e temperatura do ambiente. Para que se possa aproveitar essa energia, é necessário realizar uma série de transformações a fim de que possa ser utilizada.

 

O Projeto:

O projeto desenvolvido foi um controlador de carga para baterias de chumbo-ácido alimentadas por um módulo fotovoltaico. O foco foi no desenvolvimento de um conversor CC-CC Buck, da programação do algoritmo do Rastreador do Ponto de Máxima Potência (MPPT, sigla em inglês) e do controle Proporcional Integral (P.I.) referente à topologia de conversor escolhida.

Foi realizada prototipagem do conversor e a integração do MPPT ao controle, faltando apenas a montagem completa.

Circuito:

A proposta do projeto trouxe em primeira instância um desafio, encontrar uma forma simples e eficiente de controlar a tensão de saída do módulo fotovoltaico, de modo a prover uma tensão constante para a bateria a ser carregada. Como a tensão do módulo fotovoltaico pode variar de cerca de 15Vcc até 30Vcc e a tensão de carregamento da bateria é de 12 a 13Vcc, optamos por utilizar um conversor de potência buck.

Os conversores buck são um tipo de conversor DC-DC step-down, ou seja, transformam uma certa tensão de entrada Vin em uma tensão de saída Vout que deve ser constante quando Vin>Vout, tendo Vout dentro da tensão máxima permitida pelo circuito.

Neste modelo de conversor, a tensão de saída é controlada através do tempo em que a chave, no nosso caso um Transistor de Efeito de Campo de Óxido de Metal Semicondutor(MOSFET), se encontra fechada em relação ao período em que ela se encontra aberta. Um sinal de onda quadrada com regulação de largura de pulso(PWM) controla esta relação, quanto maior for a largura de pulso D, maior será o tempo em que a chave estará fechada, e maior será a tensão de saída Vout. A largura de pulso D desde sinal se dá pela relação:

D = Vout/Vin

Circuito DC-DC Buck
Algoritmo MPPT

MPPT:

O Maximum Power Point Tracker (MPPT) desempenha um papel importantíssimo no processo de transformação da energia solar em energia elétrica, haja vista que é esse componente que busca sempre extrair o máximo de potência que o módulo ou arranjo pode  oferecer.
Para a realização dessa tarefa existem diversos métodos de  rastreamento, o grupo decidiu por implementar o método Perturba e Observa, que trata-se de um método heurístico. Os métodos heurísticos baseiam-se em medidas de tensão e corrente do sistema, não requerendo grandes esforços no processamento dos dados e também dispensando o conhecimento prévio do módulo com o qual será ligado. O método Perturba e Observa consiste em gerar uma pequena perturbação na tensão ou na corrente operante nos  terminais do conversor e observar suas consequências na potência fornecida.

A figura ao lado demonstra seu funcionamento.

Controle:

Além do MPPT, foi necessário aplicar técnicas de controle para regular a corrente injetada nos terminais da carga, visto que a bateria tem uma corrente de carga máxima e esta precisa ser relativamente constante. A variável de processo do sistema, ou seja, a variável que é controlada, é a corrente de saída do conversor. Para tal usaremos como variável de controle, ou variável manipulada, a razão cíclica do conversor, D. A razão cíclica será controlada por pulsos PWM(pulse width modulation) e irá ditar o a frequência de chaveamento do semi-condutor presente no conversor usado.
O controlador escolhido até o momento foi o controlador PI (proporcional integral), por unir a velocidade de assentamento do controlador proporcional com a precisão do controlador integral. Ao utilizarmos um controlador proporcional, independente do ganho (Kp) escolhido nunca alcançaremos o valor de referência, já com o PI podemos alcançar este valor de referência, tornando o controle mais suave.

Exemplo de Controle PI para um Conversor Buck CC-CC

Circuito Final:

Com o auxílio do GRUCAD e do INEP, desenvolvemos in-house os componentes necessários para o desenvolvimento físico do circuito, entre eles um indutor bobinado sob medida e um arranjo de capacitores específico. Após a montagem em uma placa de fenolite perfurada, o circuito funcionou perfeitamente e está integrado à programação através das saídas de tensão e corrente presentes.

Progresso 70%