Os inversores pertencem a um grande grupo de conversores estáticos, que inclui muitos dos modelos atuais.'dispositivos capazes de“converter”Os parâmetros elétricos de entrada, como tensão e frequência, são definidos para produzir uma saída compatível com os requisitos da carga.

De forma geral, os inversores são dispositivos capazes de converter corrente contínua em corrente alternada e são bastante comuns em aplicações de automação industrial e acionamentos elétricos. A arquitetura e o projeto dos diferentes tipos de inversores variam de acordo com cada aplicação específica, mesmo que a essência de sua função principal seja a mesma (conversão de CC para CA).

1. Inversores autônomos e conectados à rede

Os inversores utilizados em aplicações fotovoltaicas são historicamente divididos em duas categorias principais:

:Inversores autônomos

:Inversores conectados à rede

Os inversores autônomos são utilizados em aplicações onde a usina fotovoltaica não está conectada à rede elétrica principal. O inversor é capaz de fornecer energia elétrica às cargas conectadas, garantindo a estabilidade dos principais parâmetros elétricos (tensão e frequência). Isso os mantém dentro de limites predefinidos, permitindo suportar situações de sobrecarga temporária. Nessa situação, o inversor é acoplado a um sistema de armazenamento de energia em baterias para garantir um fornecimento de energia constante.

Os inversores conectados à rede, por outro lado, conseguem sincronizar-se com a rede elétrica à qual estão conectados porque, nesse caso, a tensão e a frequência são“imposto”pela rede principal. Esses inversores devem ser capazes de se desconectar caso a rede principal falhe, a fim de evitar qualquer possível fornecimento reverso à rede principal, o que poderia representar um sério perigo.

Figura 1 - Exemplo de sistema autônomo e sistema conectado à rede. Imagem cedida por Biblus.

2. Qual é a função do capacitor de barramento?

O objetivo de um inversor é transformar uma tensão CC em um sinal CA para injetar energia em uma carga (por exemplo, a rede elétrica) em uma determinada frequência e com um pequeno ângulo de fase (φ ≈0). Um circuito simplificado para modulação por largura de pulso (PWM) unipolar monofásica é mostrado na Figura.2 (O mesmo esquema geral pode ser estendido a um sistema trifásico). Neste esquema, um sistema fotovoltaico, atuando como uma fonte de tensão CC com alguma indutância, é transformado em um sinal CA por meio de quatro transistores IGBT em paralelo com diodos de roda livre. Esses transistores são controlados no gate por um sinal PWM, que normalmente é a saída de um circuito integrado que compara uma onda portadora (geralmente uma onda senoidal na frequência de saída desejada) e uma onda de referência em uma frequência significativamente mais alta (tipicamente uma onda triangular de 5 a 20 kHz). A saída dos IGBTs é transformada em um sinal CA adequado para uso ou injeção na rede elétrica por meio da aplicação de diversas topologias de filtros LC.

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Figura 2: Modulação por Largura de Pulso (PWM) monofásicaConfiguração do inversor. Os interruptores IGBT, juntamente com o filtro de saída LC, transformam o sinal de entrada CC em um sinal CA utilizável. Isso induz umondulação de tensão prejudicial nos terminais do painel fotovoltaico. O barramentoO capacitor é dimensionado para reduzir essa ondulação.

A operação dos IGBTs introduz uma ondulação de tensão nos terminais do painel fotovoltaico. Essa ondulação é prejudicial ao funcionamento do sistema fotovoltaico, uma vez que a tensão nominal aplicada aos terminais deve ser mantida no ponto de máxima potência (MPP) da curva IV para que se extraia a maior potência possível. Uma ondulação de tensão nos terminais do painel fotovoltaico fará com que a potência extraída do sistema oscile, resultando em...

uma potência média de saída mais baixa (Figura 3). Um capacitor é adicionado ao barramento para suavizar a ondulação da tensão.

Figura 3: Uma ondulação de tensão introduzida nos terminais do painel fotovoltaico pelo inversor PWM desloca a tensão aplicada do ponto de máxima potência (MPP) do arranjo fotovoltaico. Isso introduz uma ondulação na potência de saída do arranjo, de modo que a potência média de saída seja menor que o MPP nominal.

A amplitude (pico a pico) da ondulação de tensão é determinada pela frequência de comutação, tensão do painel fotovoltaico, capacitância do barramento e indutância do filtro, de acordo com:

onde:

VPV é a tensão CC do painel solar.

Cbus é a capacitância do capacitor do barramento.

L é a indutância dos indutores do filtro.

fPWM é a frequência de comutação.

A equação (1) aplica-se a um capacitor ideal que impede o fluxo de carga através do capacitor durante o carregamento e, em seguida, descarrega a energia localizada no campo elétrico sem resistência. Na realidade, nenhum capacitor é ideal (Figura 4), sendo composto por múltiplos elementos. Além da capacitância ideal, o dielétrico não é perfeitamente resistivo e uma pequena corrente de fuga flui do ânodo para o cátodo ao longo de uma resistência de derivação finita (Rsh), contornando a capacitância do dielétrico (C). Quando a corrente flui pelo capacitor, os pinos, as lâminas e o dielétrico não são perfeitamente condutores e existe uma resistência em série equivalente (ESR) em série com a capacitância. Finalmente, o capacitor armazena alguma energia no campo magnético, portanto, existe uma indutância em série equivalente (ESL) em série com a capacitância e a ESR.

Figura 4: Circuito equivalente de um capacitor genérico. Um capacitor écomposto por muitos elementos não ideais, incluindo capacitância dielétrica (C), uma resistência shunt não infinita através do dielétrico que contorna o capacitor, resistência em série (ESR) e indutância em série (ESL).

Mesmo em um componente aparentemente simples como um capacitor, existem múltiplos elementos que podem falhar ou se degradar. Cada um desses elementos pode afetar o comportamento do inversor, tanto no lado CA quanto no CC. Para determinar o efeito da degradação de componentes capacitivos não ideais na ondulação de tensão introduzida nos terminais do painel fotovoltaico, um inversor unipolar em ponte H com modulação por largura de pulso (Figura 2) foi simulado usando o SPICE. Os capacitores e indutores do filtro foram mantidos em 250 µF e 20 mH, respectivamente. Os modelos SPICE para os IGBTs foram derivados do trabalho de Petrie et al. O sinal PWM, que controla as chaves dos IGBTs, é determinado por um circuito comparador e um circuito comparador inversor para as chaves dos IGBTs de lado alto e baixo, respectivamente. A entrada para os controles PWM consiste em uma onda portadora senoidal de 9,5 V e 60 Hz e uma onda triangular de 10 V e 10 kHz.

Solução CRE

A CRE é uma empresa de alta tecnologia especializada na produção de capacitores de película, com foco em aplicações de eletrônica de potência.

A CRE oferece uma solução consolidada de capacitores de filme em série para inversores fotovoltaicos, incluindo barramento CC, filtro CA e circuito snubber.