Projeto de um conversor CC-CC de três portas não isolado: regulador de tensão com sistema de armazenamento de energia
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Universidade Federal de Lavras
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Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-graduação em Engenharia de Sistemas e Automação
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Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos do desesenvolvimento sustentável
Dados abertos
Resumo
No contexto das aplicações de conversores CC-CC de três portas (CTP), destaca-se o uso desses como
substitutos dos conversores convencionais de duas portas. Eles são amplamente adotados em sistemas
de energia renovável devido às suas vantagens, como maior eficiência, tamanho reduzido e menor
custo. Além disso, esses conversores têm a capacidade de operar em diferentes modos, adaptando-se
às necessidades específicas do sistema. Este estudo concentra-se no desenvolvimento de um protótipo
do conversor VR-BESS (Voltage Regulator - Battery Energy Storage System), que é um exemplo de
CTP não isolado projetado para sistemas de energia renovável com armazenamento em banco de
baterias. O objetivo principal é apresentar o funcionamento desse conversor e descrever o processo de
desenvolvimento do protótipo. O processo de desenvolvimento consiste em várias etapas.
Primeiramente, é realizado o projeto do módulo de potência e controle, onde são estabelecidos os
níveis de operação do sistema, calculadas as principais grandezas envolvidas e determinados os
valores dos componentes necessários para o funcionamento adequado do conversor. Em seguida, é
realizado o projeto e a montagem da placa de circuito impresso. Além disso, são especificadas as
fontes de energia necessárias para o funcionamento do sistema. Isso inclui a fonte de energia com
emulação fotovoltaica, responsável por fornecer a energia primária e as baterias do sistema, que
armazenam a energia excedente. Depois, é realizado a programação do DSP (Processador Digital de
Sinal) e medidos os ganhos dos sensores de tensão e corrente utilizados no protótipo. Por fim, é
realizada a simulação do conversor proposto utilizando o software Matlab/Simulink e, também, seu
ensaio prático. Nessa etapa é avaliado o desempenho do conversor e o comportamento das variáveis
envolvidas. Por fim a validação do desempenho do conversor é realizada por meio de simulações e
testes práticos, demonstrando sua capacidade de regular a tensão na carga e gerenciar a corrente de
carregamento e descarregamento das baterias. Além disso, os resultados práticos mostram uma
eficiência média de 87,4%, quando o conversor VR-BESS opera com potência 360 à 550 W entregues
a carga, em cada modo de operação. Como limitações, nota-se que a eficiência é prejudicada devido
aos altos valores de resistência dos MOSFETs (R dson ) e também devido à baixa dissipação de calor.
Abstract
In the context of three-port DC-DC converters (TPC) applications, the use of these stands out as
substitutes for conventional two-port converters. They are widely adopted in renewable energy
systems due to their advantages, such as higher efficiency, reduced size, and lower cost. Additionally,
these converters have the ability to operate in different modes, adapting to the specific needs of the
system. This study focuses on the development of a prototype of the VR-BESS convertor (Voltage
Regulator - Battery Energy Storage System), which is an example of a nonisolated TPC designed for
renewable energy systems with battery storage. The main objective is to present the operation of this
converter and describe the prototype development process. The development process consists of
several stages. First, the design of the power and control module is carried out, where the system’s
operating levels are established, the main involved quantities are calculated, and the values of the
components necessary for the proper functioning of the converter are determined. Next, the design and
assembly of the printed circuit board are carried out. Additionally, the necessary energy sources for the
system’s operation are specified. This includes the photovoltaic emulation power source, responsible
for providing primary energy, and the system’s batteries, which store excess energy. After that, the
programming of the DSP (Digital Signal Processor) is carried out, and the gains of the voltage and
current sensors used in the prototype are measured. Finally, the performance validation of the
converter is carried out through simulations and practical tests, demonstrating its ability to regulate
voltage at the load and manage the charging and discharging currents of the batteries. Additionally,
practical results show an average efficiency of 87.4% when the VR-BESS converter operates with a
power range of 360 to 550 W delivered to the load in each operating mode. As limitations, it is noted
that efficiency is compromised due to the high values of the MOSFETs’ (Rdson) resistance and also
due to low heat dissipation.
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KAI, B. H. D. Projeto de um conversor cc-cc de três portas não isolado: regulador de tensão com sistema de armazenamento de energia. 2024. 106 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Sistemas e Automação)–Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2023.
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