2012-dis-emmteran

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ 
CENTRO DE TECNOLOGIA 
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SISTEMA FOTOVOLTAICO DE PEQUENO PORTE INTERLIGADO À 
REDE ELÉTRICA 
 
 
 
 
Eldin Mario Miranda Terán 
 
 
 
 
 
 
Fortaleza 
Março de 2012
ii 
 
 
 
Eldin Mario Miranda Terán 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SISTEMA FOTOVOLTAICO DE PEQUENO PORTE INTERLIGADO À 
REDE ELÉTRICA 
 
 
 
 
 
Dissertação submetida à Universidade Federal do 
Ceará como parte dos requisitos para obtenção do 
grau de Mestre em Engenharia Elétrica. 
 
Orientador: 
Prof. Dr. René Pastor Torrico Bascopé 
 
 
 
 
 
 
Fortaleza 
Março de 2012 
iii 
 
 
 
 
 
iv 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sola Scriptura 
Solus Christus 
Sola Gratia 
Sola Fide 
Soli Deo gloria 
v 
 
 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Ao professor René Pastor Torrico Bascopé, por ter aceitado me orientar nesta 
pesquisa, realizando o seu trabalho com excelência e profissionalismo invejáveis e, por ser 
não somente um orientador acadêmico, mas também um grande e verdadeiro amigo, 
juntamente com sua esposa, Jacira. 
Ao povo e ao Governo do Brasil, que através do Programa de Estudantes Convenio de 
Pós-Graduação (PEC-PG), vêm cooperando para o aperfeiçoamento de profissionais 
estrangeiros, de países em vias de desenvolvimento. 
Aos professores do Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica da UFC: Prof. 
José Carlos Teles Campos, Prof. Cícero Marcos Tavares Cruz, Prof. Fernando Luiz Marcelo 
Antunes, Prof. Sergio Daher, Prof. René Pastor Torrico Bascopé e Prof. Luiz Henrique 
Colado Barreto, agradeço pelo vasto conhecimento transmitido em sala de aula. 
Aos membros da banca examinadora que aportaram muito na melhoria desta obra 
graças a sua experiência e minuciosa revisão: Prof. Marcus de Castro, Prof. Demercil Oliveira 
e Prof. Sergio Daher. 
Aos meus caros colegas da pós: Bruno Almeida, Antônio Barbosa “Presidente”, Ailton 
Junior “Vozão”, Pedro Miranda, Rômulo Diniz, Cesar Orellana, Dalton Honório, Derivan 
Dutra, João Neto, Saulo e Lucas Ximenes e, a todos os membros do grupo de pesquisa, 
GPEC. 
Aos meus amados irmãos da Igreja Batista de Parquelândia, que cuidaram de nós 
(minha esposa e eu), fora da UFC e nos permitiram servir e crescer no caminho do Senhor ao 
seu lado. 
À minha amada mãe e à nossa família na Bolívia, que suportaram a nossa ausência 
com muita paciência e que nos apoiaram apesar das consequências e a distância. 
À minha amada esposa Sheila, minha companheira e meu apoio sempre. 
 
Soli Deo Gloria 
 
vi 
 
 
 
Miranda-Terán, E. M. “Sistema Fotovoltaico de Pequeno Porte Interligado à Rede Elétrica”, 
Universidade Federal do Ceará – UFC, 2011, 145p. 
 
A necessidade de obter uma matriz energética menos poluente e em harmonia com o 
meio ambiente é um tópico muito importante no século XXI. Este trabalho apresenta um 
conversor cc-ca de dois estágios para injetar a energia de um arranjo de painéis fotovoltaicos à 
rede elétrica. O primeiro estágio é um conversor elevador, isolado, baseado na Célula de 
Comutação de Três Estados (CCTE), responsável por elevar a tensão dos painéis fotovoltaicos 
de 48 Vcc para 400 Vcc e de extrair a máxima potência disponível deles. O segundo estágio 
consiste em um conversor monofásico cc-ca, ponte completa, responsável por injetar a 
energia na rede elétrica de baixa tensão (220 Vca, 60 Hz). São apresentados estudos teóricos e 
exemplos de projeto dos circuitos de potência e controle para ambos os estágios e, com o 
objetivo de validar a análise, são apresentados resultados de simulação computacional, 
complementados com resultados experimentais, correspondentes a um protótipo de 
laboratório de 850 W. O rendimento global obtido experimentalmente é aproximadamente 
86,5% enquanto que a distorção harmônica total da corrente entregue à rede elétrica obtida via 
simulação computacional é 3,8% a plena carga. 
 
Palavras chave – Sistemas fotovoltaicos interligados à rede elétrica. Conversor cc-cc 
Push-Pull modificado. Grampeamento ativo. MPPT. Controle por corrente média. 
 
vii 
 
 
 
Miranda-Terán, E. M. “A Low Power, Grid-Connected Photovoltaic System”, Federal 
University of Ceará – UFC, 2011, 145p. 
 
In the 21
st
 century, the need of a more clean and environment friendly power matrix 
has become a very important issue. Therefore this work presents a two stage cc-ac converter 
for connecting a photovoltaic array to the electrical grid. The 1
st
 stage it’s an isolated boost 
converter, based in the Three Stage Switching Cell (TSSC), in charge of boosting the 
photovoltaic array voltage from 48 Vcc to 400 Vcc and to track its maximum power point. 
The 2
nd
 stage is a single-phase cc-ac Full-Bridge converter responsible of injecting the 
photovoltaic power into the low voltage power grid (220 Vac, 60 Hz). Both, theoretical 
analysis and designs examples of power and control circuits are presented for the two stages 
and, in order to validate the analysis, simulation results complemented with experimental 
results from an 850 W laboratory prototype are presented. The overall efficiency obtained 
from the prototype was 86.5% while the total harmonic distortion of the current obtained via 
simulation was 3.8% at full load. 
 
Keywords – Grid-connected PV systems. Modified Push-Pull converter. Active 
clamping. MPPT. Average current control mode. 
 
 
 
viii 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. xii 
LISTA DE TABELAS ............................................................................................................. xv 
SIMBOLOGIA, ACRÔNIMOS E ABREVIATURAS ........................................................... xvi 
INTRODUÇÃO GERAL ........................................................................................................... 1 
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................................ 3 
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA, MOTIVAÇÕES E OBJETIVOS ...................................... 3 
1.1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 3 
1.2 OBJETIVO DO TRABALHO ..................................................................................... 5 
1.2.1 METODOLOGIA DO TRABALHO ................................................................... 5 
1.3 TOPOLOGIAS APLICADAS EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 
INTERLIGADOS À REDE ELÉTRICA................................................................................ 6 
1.3.1 Conversor cc-ca Push-Pull/Buck/Full-Bridge [6] ................................................ 7 
1.3.2 Conversor cc-ca Full-Bridge/Full-Bridge [7] ...................................................... 8 
1.3.3 Conversor cc-ca Buck-Boost/Full-Bridge [8] ....................................................... 8 
1.3.4 Conversor cc-ca Boost/Flyback [9] ...................................................................... 9 
1.4 TÉCNICAS DE RASTREAMENTO DO PONTO DE MÁXIMA POTÊNCIA 
(MPPT) ................................................................................................................................. 10 
1.4.1 Tensão de Circuito Aberto .................................................................................. 11 
1.4.2 Corrente de Curto Circuito ................................................................................. 11 
1.4.3 Condutância Incremental .................................................................................... 12 
1.4.4 Hill Climbinge P&O (Escalada e Perturba&Observa) ....................................... 13 
1.4.5 Controle da Lógica Fuzzy ...................................................................................16 
1.4.6 Outras Técnicas MPPT ....................................................................................... 17 
1.5 O SISTEMA PROPOSTO ......................................................................................... 17 
1.5.1 Topologia Proposta: Conversor cc-ca Push-Pull Modificado/Full Bridge ........ 19 
1.5.2 Especificações do Sistema Proposto .................................................................. 19 
ix 
 
 
 
1.6 CONCLUSÃO ........................................................................................................... 20 
CAPÍTULO 2 .......................................................................................................................... 21 
2 CONVERSOR CC-CC PUSH-PULL MODIFICADO COM GRAMPEAMENTO 
ATIVO ...................................................................................................................................... 21 
2.1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 21 
2.2 ANÁLISE QUALITATIVA ...................................................................................... 22 
2.2.1 Etapas de Operação ............................................................................................ 22 
2.3 ANÁLISE QUANTITATIVA ................................................................................... 26 
2.3.1 Ganho Estático .................................................................................................... 27 
2.3.2 Perda da Razão Cíclica ....................................................................................... 29 
2.3.3 Indutor de Comutação ........................................................................................ 30 
2.3.4 Tensão de Grampeamento .................................................................................. 30 
2.3.5 Esforços nos Componentes do Conversor cc-cc Push-Pull Modificado ............ 31 
2.4 ANÁLISE DA COMUTAÇÃO ................................................................................. 34 
2.4.1 No Bloqueio ........................................................................................................ 35 
2.4.2 Na Entrada em Condução ................................................................................... 35 
2.5 PROJETO DO CONVERSOR CC-CC PUSH-PULL MODIFICADO .................... 38 
2.5.1 Especificações e Considerações ......................................................................... 38 
2.5.2 Dimensionamento dos Componentes do Circuito de Potência ........................... 39 
2.5.3 Dimensionamento dos Componentes do Circuito de Grampeamento Ativo ...... 52 
2.6 CONTROLE DO CONVERSOR .............................................................................. 59 
2.6.1 Hardware Usado ................................................................................................ 59 
2.6.2 Software Desenvolvido ....................................................................................... 59 
2.7 CONCLUSÕES ......................................................................................................... 60 
CAPÍTULO 3 .......................................................................................................................... 62 
3 CONVERSOR CC-CA FULL-BRIDGE ........................................................................... 62 
3.1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 62 
x 
 
 
 
3.2 ANÁLISE QUALITATIVA ...................................................................................... 62 
3.2.1 Etapas de Operação ............................................................................................ 63 
3.3 ANÁLISE QUANTITATIVA ................................................................................... 65 
3.3.1 Modulação por Largura de Pulso Senoidal (SPWM) ......................................... 65 
3.3.2 Esforços nos Componentes do Conversor cc-ca Full-Bridge ............................. 68 
3.3.3 Filtro de Saída ..................................................................................................... 69 
3.4 PROJETO DO CONVERSOR CC-CA FULL-BRIDGE ........................................... 70 
3.4.1 Especificações e Considerações ......................................................................... 70 
3.4.2 Dimensionamento dos Componentes do Circuito de Potência ........................... 70 
3.4.3 Dimensionamento dos Componentes do Filtro de Saída .................................... 72 
3.5 PROJETO DE CONTROLE POR CORRENTE MÉDIA ......................................... 77 
3.5.1 Modelo Dinâmico do Conversor ........................................................................ 79 
3.5.2 Malha de Corrente .............................................................................................. 80 
3.5.3 Malha de Tensão ................................................................................................. 84 
3.6 CONCLUSÕES ......................................................................................................... 87 
CAPÍTULO 4 ........................................................................................................................... 89 
4 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO E EXPERIMENTAIS ............................................. 89 
4.1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 89 
4.2 RESULTADOS DO CONVERSOR CC-CC PUSH-PULL MODIFICADO COM 
GRAMPEAMENTO ATIVO ............................................................................................... 91 
4.2.1 Formas de Onda Experimentais .......................................................................... 91 
4.2.2 Rendimento do Conversor cc-cc Push-Pull Modificado .................................... 95 
4.2.3 Teste do Funcionamento do Algoritmo MPPT Hill Climbing. .......................... 96 
4.3 RESULTADOS CONVERSOR CC-CA FULL-BRIDGE ........................................ 97 
4.3.1 Formas de Onda Experimentais do Conversor cc-ca Full-Bridge ...................... 98 
4.3.2 Rendimento do Conversor cc-ca Full-Bridge ................................................... 100 
4.4 RESULTADOS DE AMBOS OS ESTÁGIOS INTERLIGADOS ......................... 101 
xi 
 
 
 
4.4.1 Formas de Onda de Simulação de Ambos os Estágios Interligados ................ 102 
4.4.2 Formas de Onda Experimentais de Ambos os Estágios Interligados ............... 104 
4.4.3 Rendimento de Ambos os Estágios Interligados .............................................. 105 
4.5 CONCLUSÕES ....................................................................................................... 106 
CONCLUSÃO GERAL E RECOMENDAÇÕES ................................................................. 108 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 111 
APÊNDICE 1 ......................................................................................................................... 116 
APÊNDICE 2 ......................................................................................................................... 129 
APÊNDICE 3 ......................................................................................................................... 135 
APÊNDICE 4 ......................................................................................................................... 144 
 
xii 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 1.1 – Irradiância solar média mundial W/m
2
(1990-2004). ............................................. 3 
Figura 1.2 – Potência fotovoltaica instalada MWp. ................................................................... 4 
Figura 1.3 – Planta fotovoltaica usando cadeia de conversores .................................................5 
Figura 1.4 – Topologias básicas de conversores aplicados a pequenos sistemas geradores de 
energia.(a) Múltiplos estágios (e.g. dois estágios cc-cc-ca) (b) Único estágio. ......................... 6 
Figura 1.5 – Conversor cc-ca Push-Pull/Buck/Full-Bridge........................................................ 7 
Figura 1.6 – Conversor cc-ca Full-Bridge/Full-Bridge. ............................................................. 8 
Figura 1.7 – Conversor cc-ca Buck-Boost/Full-Bridge. ............................................................. 9 
Figura 1.8 – Conversor cc-ca Boost/Flyback.............................................................................. 9 
Figura 1.9 – Curva característica potência-tensão de uma célula fotovoltaica (temp. 
constante). ................................................................................................................................. 10 
Figura 1.10 – Algoritmo de condutância incremental [12]. ..................................................... 13 
Figura 1.11 – Processo de rastreio do ponto de máxima potência [14]. ................................... 14 
Figura 1.12 – Diagrama de blocos, a) Técnica Hill Climbing,b) Técnica P&O [15]. .............. 14 
Figura 1.13 – Fluxograma MPPT Hill Climbing e P&O [14], [15]. ........................................ 15 
Figura 1.14 – Função de pertinência para entradas e saídas do controlador da lógica Fuzzy 
[17]. .......................................................................................................................................... 16 
Figura 1.15 – Diagrama de blocos simplificado do sistema proposto. ..................................... 18 
Figura 1.16 – Topologia proposta: Conversor cc-ca Push-Pull Modificado/Full-Bridge. ....... 19 
Figura 2.1 – Conversor cc-cc Push-Pull Modificado com grampeamento ativo. .................... 22 
Figura 2.2 – Topologias das etapas de operação conversor Push-Pull modificado. ................ 24 
Figura 2.3 – Topologias das etapas de operação conversor Push-Pull modificado. ................ 25 
Figura 2.4 – Principais formas de onda teóricas. ...................................................................... 26 
Figura 2.5 – Ganho estático do conversor cc-cc Push-Pull modificado. ................................. 29 
Figura 2.6 – Circuito equivalente durante a entrada em condução do interruptor. .................. 35 
Figura 2.7 – Tempo de descarga normalizado em função da frequência de comutação 
normalizada. ............................................................................................................................. 38 
Figura 2.8 – Núcleo NEE 55/28/21 (Catálogo de produtos da THORNTON)......................... 41 
Figura 2.9 – Núcleo NEE 30/15/07 (Catálogo de produtos da THORNTON)......................... 54 
Figura 3.1 – Conversor cc-ca Full-Bridge monofásico. ........................................................... 62 
xiii 
 
 
 
Figura 3.2 – Topologias das etapas de operação do conversor Full-Bridge (modulação 
bipolar). .................................................................................................................................... 64 
Figura 3.3 – Formas de onda teóricas principais (carga RL).................................................... 64 
Figura 3.4 – Modulação bipolar (dois níveis)........................................................................... 66 
Figura 3.5 – Filtro de saída LC. ................................................................................................ 69 
Figura 3.6 – Diagrama de blocos da técnica de controle por corrente média para injetar 
energia na rede elétrica. ............................................................................................................ 77 
Figura 3.7 – Circuito de potência conversor cc-ca acrescentando o circuito de controle. ....... 78 
Figura 3.8 – (a) Conversor Buck Clássico, (b) Modelo ca do conversor Buck [47] ................. 79 
Figura 3.9 – Ganho e fase da função de transferência de laço aberto sem controlador da malha 
de corrente. ............................................................................................................................... 81 
Figura 3.10 – Avanço de fase vs Fator k. ................................................................................. 82 
Figura 3.11 – Ganho e fase da função de transferência de laço aberto com controlador da 
malha de corrente...................................................................................................................... 84 
Figura 3.12 – Diagrama de blocos para o projeto da malha de tensão. .................................... 84 
Figura 3.13 – Ganho e fase da função de transferência de malha aberta de tensão sem 
controlador. ............................................................................................................................... 85 
Figura 3.14 – Ganho e fase da função de transferência de laço aberto com controlador da 
malha de tensão. ....................................................................................................................... 87 
Figura 4.1 – Fotografia do conversor cc-cc Push-Pull modificado com grampeamento ativo.89 
Figura 4.2 – Fotografia do conversor cc-cc Full-Bridge. ......................................................... 90 
Figura 4.3 – Fotografia do conversor cc-ca Push-Pull Modificado/Full Bridge. ..................... 90 
Figura 4.4 – Tensão e corrente no interruptor S1. ..................................................................... 91 
Figura 4.5 – Detalhe da comutação do interruptor S1 na entrada em condução. ...................... 92 
Figura 4.6– Tensão e corrente no interruptor S2’. .................................................................... 92 
Figura 4.7 – Detalhe da comutação do interruptor S2’ na entrada em condução. .................... 93 
Figura 4.8 – Tensão e corrente no capacitor CC. ...................................................................... 93 
Figura 4.9 – Tensão e corrente em um enrolamento do autotransformador. ............................ 94 
Figura 4.10 – Tensão e corrente em um diodo da ponte retificadora. ...................................... 94 
Figura 4.11 – Tensão e corrente de saída. ................................................................................ 95 
Figura 4.12 – Rendimento do conversor cc-cc Push-Pull Modificado. ................................... 95 
Figura 4.13 – Tensão, corrente e potência do arranjo fotovoltaico. ......................................... 97 
Figura 4.14 – Tensão e corrente no interruptor S5. ................................................................... 98 
xiv 
 
 
 
Figura 4.15 – Tensão e corrente no interruptor S3. ................................................................... 98 
Figura 4.16 – Tensão e corrente de saída. ................................................................................ 99 
Figura 4.17 – Tensão de saída e corrente através do indutor filtro. ......................................... 99 
Figura 4.18 – Tensão na entrada do filtro LC e corrente de carga. ........................................ 100 
Figura 4.19 – Rendimento do conversor cc-ca Full-Bridge. .................................................. 100 
Figura 4.20 – Diagrama de blocos do sistema proposto, para testes de interligação à rede. .. 101 
Figura 4.21 – Tensão e corrente saída conversor. .................................................................. 102 
Figura 4.22 – Sinal de controle e sinal triangular (controle corrente média). ........................ 103 
Figura 4.23 – Dinâmica do conversor (degraus de potência de entrada de 100 a 50% no 
instante 250 ms e de 50 a 100% no instante 400 ms). ............................................................ 104 
Figura 4.24 – Tensão da rede, tensão do barramento cc e corrente através do indutor Lf. .... 105 
Figura 4.25– Rendimento global do sistema. ........................................................................ 106 
 
 
xv 
 
 
 
LISTA DE TABELAS 
 
Tabela 1.1 – Tabela base de regra fuzzy [11] ............................................................................ 17 
Tabela 2.1 – Especificações do conversor cc-cc Push-Pull modificado. ................................. 38 
Tabela 2.2 – Considerações para projeto do conversor cc-cc Push-Pullmodificado. .............. 39 
Tabela 2.3 – Dados para dimensionamento de Lb .................................................................... 40 
Tabela 2.4 – Dados para o dimensionamento do autotransformador. ...................................... 43 
Tabela 2.5 – Dados para o dimensionamento do transformador isolador. ............................... 46 
Tabela 2.6 – Especificações técnicas MOSFET IRFP4768PbF (25 °C) .................................. 48 
Tabela 2.7 – Especificações técnicas 30EPH06 (25 °C) .......................................................... 50 
Tabela 2.8 – Especificações técnicas do MOSFET IRFP460 (25 °C) ..................................... 58 
Tabela 2.9 – Características micro controlador dsPIC30F1010 ............................................... 59 
Tabela 3.1 – Especificações do conversor cc-ca Full-Bridge. ................................................. 70 
Tabela 3.2 – Considerações de projeto do conversor cc-ca Full-Bridge. ................................. 70 
Tabela 3.3 – Especificações técnicas do interruptor IGBT IRG4PC50UD (25 °C) ................. 71 
Tabela 3.4 – Especificações. Técnicas do diodo em antiparalelo incluído na cápsula do 
IRG4PC50UD (25 °C) .............................................................................................................. 72 
Tabela 3.5 – Dados para dimensionamento de Lf ..................................................................... 74 
Tabela 3.6 – Descrição dos elementos do circuito de controle. ............................................... 78 
Tabela 3.7 – Parâmetros do conversor Buck com do Modelo Ca. ............................................ 80 
Tabela 3.8 – Considerações de projeto da malha de corrente. ................................................. 81 
Tabela 3.9 – Considerações de projeto da malha de tensão. .................................................... 85 
Tabela 4.1 – Características elétricas do painel fotovoltaico SIEMENS SM55 ...................... 96 
Tabela 4.2 – Procedimento de interligação à rede. ................................................................. 101 
 
 
xvi 
 
 
 
SIMBOLOGIA, ACRÔNIMOS E ABREVIATURAS 
Símbolo Significado Unid. 
A- Área negativa volt-segundo da tensão sobre o indutor Lb. V x s 
A+ Área positiva volt-segundo da tensão sobre o indutor Lb. V x s 
ACu Área de cobre para a corrente ILb. cm
2 
Acuat Área de cobre para a corrente Iefat. cm
2 
ACuLf Área de cobre para a corrente Iefo2. cm
2 
AcuLr Área de cobre para a corrente IefLr. cm
2 
Acutp Área de cobre para a corrente Iefp. cm
2 
Acuts Área de cobre para a corrente Iefs. cm
2 
Ae Seção transversal do núcleo NEE-55/28/21. cm
2 
Ae30 Seção transversal do núcleo NEE-30/15/07. cm
2 
AeAw30 Produto de áreas do núcleo NEE-30/15/07. cm
4 
AeAwat Produto de áreas do núcleo do autotransformador. cm
4 
AeAwLb Produto de áreas do núcleo Lb. cm
4 
AeAwLf Produto de áreas do núcleo Lf. cm
4 
AeAwLr Produto de áreas do núcleo do indutor Lr. cm
4 
AeAwt Produto de áreas do núcleo do transformador isolador. cm
4 
AT Autotransformador conversor cc-cc Push-Pull modificado. - 
ATCu Área de cobre total indutor Lb. cm
2 
ATCuat Área de cobre total autotransformador. cm
2 
ATCuLf Área de cobre total indutor Lf. cm
2 
ATCuLr Área de cobre total indutor Lr. cm
2 
ATCut Área de cobre total transformador isolador. cm
2 
Aw Área da janela do núcleo NEE-55/28/21. cm
2 
Aw30 Área da janela do núcleo NEE-30/15/07. cm
2 
Cb Capacitor de bloqueio. F 
CC Capacitor de grampeamento do conversor cc-cc. F 
Cf Capacitor do filtro LC passa baixa. F 
Cfmax Capacitância máxima do Cf para Lfmin. F 
Ci(s) 
Controlador PI modificado (Tipo 2) para configuração inversora, 
correspondente à malha de corrente. 
- 
CO 
Capacitor de entrada do segundo estágio (ou capacitor filtro de saída do 
primeiro estágio). 
F 
CS1-CS2 Capacitores de comutação conversor cc-cc. F 
Cv(s) 
Controlador PI modificado (Tipo 2) para configuração não inversora, 
correspondente ao laço de tensão. 
- 
D1-D4 Diodos retificadores do conversor cc-cc Push-Pull modificado. - 
dI Derivada da corrente dos paineis fotovoltaicos. A 
dmax Diâmetro máximo do fio do indutor Lb. cm 
dmaxat Diâmetro máximo do fio do autotransformador. cm 
dmaxLf Diâmetro máximo do fio do indutor Lf. cm 
dmaxLr Diâmetro máximo do fio do indutor Lr. cm 
dmaxt Diâmetro máximo do fio do transformador isolador. cm 
dP Derivada da potência dos paineis fotovoltaicos. W 
Dpaso Magnitude da variação da razão cíclica no MPPT. % 
DS1'-DS2' Diodos em antiparalelo dos interruptores auxiliares do conversor cc-cc. - 
DS1-DS2 Diodos em antiparalelo dos interruptores principais do conversor cc-cc. - 
DS3-DS6 Diodos em antiparalelo dos interruptores do conversor cc-ca. - 
dV Derivada da tensão dos paineis fotovoltaicos. V 
E Erro no MPPT da Lógica Fuzzy. - 
xvii 
 
 
 
Símbolo Significado Unid. 
F Fator de espraiamento do indutor Lb. - 
fci Frequência de cruzamento da malha de corrente. H 
fcv Frequência de cruzamento da malha de tensão. H 
FLf Fator de espraiamento do indutor Lf. - 
FLr Fator de espraiamento do indutor Lr. - 
Fm(s) Modulador SPWM, que gera os sinais de gatilho. - 
fmoduladora Frequência da onda moduladora na modulação SPWM. H 
fo 
Frequência de ressonância do circuito de comutação equivalente na entrada em 
condução. 
H 
foLC Frequência de corte do filtro LC. H 
fpi Frequência do polo do controlador de corrente. H 
fportadora Frequência da onda portadora na modulação SPWM. H 
fpv Frequência do polo do controlador de tensão. H 
FTLAcci(s) Função de transferência de malha aberta com controlador (corrente). - 
FTLAccv(s) Função de transferência de malha aberta com controlador (tensão). - 
FTLAsci(s) Função de transferência de malha aberta sem controlador (corrente). - 
FTLAscv(s) Função de transferência de malha aberta sem controlador (tensão). - 
fzi Frequência do zero do controlador de corrente. H 
fzv Frequência do zero do controlador de tensão. H 
g1'-g2' Sinal de gatilho dos interruptores S1'-S6' V 
g1-g6 Sinal de gatilho dos interruptores S1-S6 V 
Gi(s) Função de transferência corrente de saída razão cíclica - (i҇efo2/d҇). - 
Gv(s) Função de transferência tensão entrada corrente de saída - (vi҇2/i҇efo2). - 
Hi(s) 
Função de transferência do sensor de efeito hall de amostragem de corrente de 
saída do conversor cc-ca. 
- 
Hv(s) 
Função de transferência do divisor resistivo de amostragem da tensão de 
entrada do conversor cc-ca. 
- 
I Corrente dos painéis fotovoltaicos. A 
ICC Corrente através do capacitor de grampeamento CC. A 
ID1 Corrente através do diodo D1. A 
Iefat Corrente eficaz através de um enrolamento do autotransformador. A 
IefCb Corrente eficaz através do capacitor Cb. A 
IefCc Corrente eficaz através do capacitor de grampeamento CC. A 
IefCo Corrente eficaz através do capacitor filtro Co. A 
IefD Corrente eficaz através dos diodos (D1-D4). A 
IefDS3 Corrente eficaz através dos diodos (DS3-DS6). A 
IefLb Corrente eficaz através do indutor boost Lb. A 
IefLb Corrente eficaz através do indutor boost Lb. A 
IefLr Corrente eficaz através do indutor de comutação Lr. A 
Iefp Corrente eficaz através do primário do transformador. A 
Iefs Corrente eficaz através do secundário do transformador. A 
IefS' Corrente eficaz através dos interruptores (S1'-S2'). A 
IefS1 Corrente eficaz através dos interruptores (S1-S2). A 
IefS3 Corrente eficaz através dos interruptores (S3-S6). A 
If Corrente de entrada. A 
Ii2Corrente de entrada conversor cc-ca Full-Bridge. A 
ILb Corrente através do indutor boost Lb. A 
ILr Corrente através do indutor de comutação Lr. A 
Imax Corrente máxima através do indutor boost Lb. A 
Imaxo2 Valor máximo da ondulação de corrente de saída do conversor cc-ca. A 
ImedD Corrente média através dos diodos (D1-D4) A 
xviii 
 
 
 
Símbolo Significado Unid. 
ImedLb Corrente média através do indutor boost Lb. A 
Imin Corrente mínima através do indutor boost Lb. A 
IMPP Corrente do ponto de máxima potência dos painéis. A 
inc Variavél que define o sentido da variação no MPPT. - 
Io2 Corrente de saída do conversor cc-ca Full-Bridge. A 
IP Corrente através do primário do transformador isolador. A 
IpkDS3 Corrente pico através dos diodos (DS3-DS6). A 
IpkLb Corrente pico através do indutor Lb. A 
IpkLr Corrente de pico através do indutor de comutação Lr. A 
IpkS3 Corrente pico através de qualquer interruptor (S3-S6). A 
IS1 Corrente através do interruptor principal S1. A 
IS2 Corrente através do interruptor principal S2. A 
ISC Corrente de corto circuito dos painéis fotovoltaicos. A 
j Número imaginario. - 
k Fator k, para alocação de polos do controlador. - 
k1 Constante de valor entre 0,7 e 0,8. - 
k2 Constante de valor entre 0,9 e 0,98. - 
ki Fator ki, para alocação de polos do controlador de corrente. - 
Kpat Fator do primário do autotransformador. - 
Ku Fator de possibilidade de execução física do indutor Lb. - 
Kuat Fator possibilidade de execução física do autotransformador. - 
KuLf Fator de possibilidade de execução física do indutor Lf. - 
KuLr Fator de possibilidade de execução física do indutor Lr. - 
Kut Fator de possibilidade de execução física do transformador. - 
kv Fator kv, para alocação de polos do controlador de tensão. - 
Lb Indutor boost do conversor cc-cc Push-Pull modificado. H 
Ld Indutância de dispersão do transformador isolador. H 
Lf Indutor do filtro LC passa baixa. H 
Lfmin Indutância minima do indutor Lf para ΔImaxo2. H 
lg Entreferro do núcleo do indutor Lb. cm 
lgLf Entreferro do núcleo do indutor Lf. cm 
lgLr Entreferro do núcleo do indutor Lr. cm 
Lm Indutância magnetizante do transformador isolador T. H 
Lr Indutor de comutação (ou ressonante). H 
Lref Indutor de comutação efetivo (ou ressonante). H 
M Índice de modulação. - 
mf Frequência de modulação. - 
Mfi Margem de fase desejada (controlador malha de corrente). - 
Mfv Margem de fase desejada (controlador malha de tensão). - 
MN Variável linguistica Muito Negativo do MPPT da Lógica Fuzzy. - 
MP Variável linguistica Muito Positivo do MPPT da Lógica Fuzzy. - 
N Número de pulsos por semiperíodo. - 
Nesp Número de espiras Lb. Espiras 
Nespat Número de espiras de T1 e T2 do autotransformador. Espiras 
Nespc Número de espiras corrigido pelo fator F do indutor Lb. Espiras 
NespcLf Número de espiras corrigido pelo fator FLf do indutor Lr. Espiras 
NespcLr Número de espiras corrigido pelo fator FLr do indutor Lr. Espiras 
NespLf Número de espiras do indutor Lf. Espiras 
NespLr Número de espiras do indutor Lr. Espiras 
Nesptp Número de espiras do primário do transformador isolador. Espiras 
Nespts Número de espiras do secundário do transformador isolador. Espiras 
xix 
 
 
 
Símbolo Significado Unid. 
Nfp Número de fios em paralelo Lb. - 
Nfpat Número de fios em paralelo autotransformador. - 
NfpLf Número de fios em paralelo Lf. - 
NfpLr Número de fios em paralelo do indutor Lr. - 
Nfptp Número de fios em paralelo do primário do transformador. - 
Nfpts Número de fios em paralelo do secundário do transformador. - 
Pci Defasagem para a frequência de cruzamento fci. ° 
Pcv Defasagem para a frequência de cruzamento fcv. ° 
PN Variável linguistica Pouco Negativo do MPPT da Lógica Fuzzy. - 
PP Variável linguistica Pouco Positivo do MPPT da Lógica Fuzzy. - 
PP Profundidade de penetração do fio do indutor Lb. cm 
Ppat Profundidade de penetração do fio do autotransformador. cm 
PPLf Profundidade de penetração do fio do indutor Lf. cm 
PpLr Profundidade de penetração do fio do indutor Lb. cm 
Ppt Profundidade de penetração do fio do transformador isolador. cm 
Qrr Carga de recuperação reversa dos diodos (D1-D4). C 
R1 Resistência do divisor resistivo para amostragem de Vi2. Ω 
R2 Potenciometro do divisor resistivo para amostragem de Vi2. Ω 
RCo Resistência interna serie do Co. Ω 
Ro Resistência de carga do conversor cc-cc Push-Pull modificado. Ω 
S1'-S2' Interruptores auxiliares do conversor cc-cc. - 
S1-S2 Interruptores principais do conversor cc-cc. - 
S3-S6 Interruptores do conversor cc-ca Full-Bridge. - 
SCu Seção de cobre do fio do indutor Lb. cm
2 
Scuat Seção de cobre do fio do autotransformador. cm
2
 
SCuLf Seção de cobre do fio do indutor Lf. cm
2 
ScuLr Seção de cobre do fio do indutor Lr. cm
2 
Scut Seção de cobre do fio do transformador isolador. cm
2 
Sfio Seção do fio do indutor Lb com isolamento. cm
2 
Sfioat Seção do fio do autotransformador com isolamento. cm
2 
SfioLf Seção do fio do indutor Lf com isolamento. cm
2 
SfioLr Seção do fio do indutor Lr com isolamento. cm
2 
Sfiot Seção do fio do transformador isolador com isolamento. cm
2 
T Transformador isolador do conversor cc-cc. - 
T1 Enrolamento primário do autotransformador do conversor cc-cc. - 
T2 Enrolamento secundário do autotransformador do conversor cc-cc. - 
tb Tempo de bloqueio ou de carga de CS1 ou CS2. s 
tc Tempo de entrada em condução ou de descarga de CS1 ou CS2. s 
V Tensão dos painéis fotovoltaicos. V 
Vab Tensão de saída do conversor cc-ca Full-Bridge, não filtrada. V 
VCC Tensão sobre o capacitor de grampeamento CC. V 
VCo Tensão sobre o capacitor filtro Co. V 
VCS1 Tensão sobre CS1 ou CS2. V 
VD1 Tensão sobre o diodo D1. V 
Ventrada Tensão de entrada do filtro LC passa baixa. V 
Vgatilho Tensão de gatilho (gate-source), acionamento interruptores. V 
Vmaxat Tensão máxima sobre os os enrolamentos do autotransformador. V 
VmaxDS1 Tensão máxima sobre os diodos em antiparalelo (DS1-DS2). V 
VmaxDS3 Tensão máxima sobre os diodos (DS3-DS6). V 
Vmaxp Tensão máxima sobre os o primário do transformador. V 
Vmaxs Tensão máxima sobre os o secundário do transformador. V 
xx 
 
 
 
Símbolo Significado Unid. 
VmaxS' Tensão máxima sobre os interruptores auxiliares (S1'-S2'). V 
VmaxS1 Tensão máxima sobre os interruptores principais (S1-S2). V 
VmaxS3 Tensão máxima sobre os interruptores (S3-S6). V 
VMPP Tensão do ponto de máxima potência dos painéis fotovoltaicos. V 
Vo2 Tensão de saída do conversor cc-ca Full-Bridge. V 
VOC Tensão de circuito aberto dos painéis fotovoltaicos. V 
VP Tensão sobre o primário do transformador isolador. V 
Vpaso Magnitude da variação da tensão de referencia no MPPT. V 
Vpko2 Amplitude máxima da tensão de saída do conversor cc-ca. V 
Vref Tensão de referência do controlador de tensão. V 
Vrefp Tensão de referência de operação dos painéis fotovoltaicos. V 
VrmaxD Tensão reversa máxima sobre os diodos (D1-D4). V 
VS Tensão sobre o secundário do transformador isolador. V 
VS1 Tensão sobre o interruptor principal S1. V 
VS2 Tensão sobre o interruptor principal S2. V 
Vsaída Tensão de saída do filtro LC passa baixa. V 
Vsinc Tensão de sincronismo com a rede elétrica. V 
VSMED Tensão média sobre os interruptores principais (S1-S2). V 
VT Amplitude do sinal triangular (modulador SPWM). V 
VT1 Tensão sobre o primário do autotransformador T1. V 
X Multiplicador de sinais - 
Zcarga Impedância da carga filtro LC. Ω 
ZE Variável linguistica Zero no MPPT da Lógica Fuzzy. - 
α Avanço de fase. ° 
αi Avanço de fase requerido para Mfi. ° 
αv Avanço de fase requerido para Mfv. ° 
ΔD Perda de razão cíclica. % 
ΔE Variação do erro no MPPT da Lógica Fuzzy. - 
ΔI Variação da corrente dos paineis fotovoltaicos. A 
ΔILr Variação de corrente através do indutor de comutação Lr. A 
Δtx 
Tempo necessário para que a corrente no indutor Lr se extinga em um periodo 
de comutação Ts. 
s 
ΔV Variaçãoda tensão dos paineis fotovoltaicos. V 
ΔVi Ganho do controlador de corrente. dB 
ΔVv Ganho do controlador de tensão. dB 
 
 
xxi 
 
 
 
Abreviatura Significado 
A/D Entradas analógica/digital. 
ACMC Controle por Corrente Média (Average Current Mode Control) 
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica 
AWG American Wire Gauge 
ca Corrente Alternada 
cc Corrente Contínua 
CCTE Célula de Comutação de Três Estados 
TSSC Three State Switching Cell 
CI Circuito integrado 
IEEE Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos 
MCC Modo de Condução Contínua 
MPP Ponto de Máxima Potência (Maximum Power Point) 
MPPT Rastreio do Ponto de Máxima Potência (Maximum Power Point Tracking) 
P&O Perturba e Observa (Perturb and observe) 
PCB Placa de Circuito Impresso (Printed Circuit Board) 
PFC Correcção de Fator de Potência (Power Factor Correction) 
PI Proporcional Integral 
PWM Modulação por Largura de Pulso (Pulse Width Modulation) 
RCC Controle por Correlação de Ondulação (Ripple Correlation Control) 
SPWM Modulação por Largura de Pulso Senoidal (Sinusoidal Pulse Width Modulation) 
THD Distorção Harmônica Total (Total Harmonic Distortion) 
VSI Conversores cc-ca de Tensão (Voltage Source Inverters) 
ZVS Comutação Sob Tensão Nula (Zero Voltage Switching) 
 
 
1 
 
 
INTRODUÇÃO GERAL 
 
Em meados do século XVIII a Grã Bretanha presenciou o inicio da Revolução 
Industrial: um conjunto de avanços tecnológicos que mudaram todo o sistema produtivo 
conhecido até então. O motor a vapor e depois o motor a combustão foram os principais 
atores nesta revolução. 
Esta revolução espalhou-se rapidamente pela Europa, pelos Estados Unidos e pelo 
mundo todo no século XIX. Paralelamente, grandes avanços na área da eletricidade foram 
realizados e a máquina elétrica foi desenvolvida. Já no século XX muitos países atingiram 
altos níveis de industrialização enquanto a energia elétrica mudou o estilo de vida da 
humanidade toda. A energia primária que foi usada para impulsionar esta revolução e que 
ainda continua alimentando o sistema produtivo do planeta é baseada em combustíveis fósseis 
e carvão. No ano de 2009 aproximadamente 88% do consumo energético mundial teve origem 
nestas fontes (petróleo, carvão e gás natural) [1]. 
É sabido que esta dependência global dos combustíveis fósseis tem provocado sérios 
problemas no clima do planeta e que no futuro o custo da sua produção vai aumentar mais e 
mais, a medida que seja mais complexo realizar a exploração destes recursos, ocasionando 
problemas econômicos e sociais. 
Diante deste panorama, as fontes de energia renovável, como a solar, hidráulica e eólica 
entre outras, perfilam-se a ser a solução à demanda energética no futuro, sendo uma resposta 
tecnicamente viável e amigável com o meio ambiente, porém cara, quando comparada com as 
tecnologias convencionais na atualidade, precisando de subsídios e apoio dos governos para 
serem implementadas
1
 [2]. Em países altamente desenvolvidos como Espanha, Alemanha, 
Itália, Japão e outros, há diversos incentivos tributários a produção de energia renovável, 
entretanto, na América do Sul ainda não se conta com legislações que incentivem a produção 
de energia renovável em grande escala. 
A eletrônica de potência desempenha um papel importante na atividade de 
processamento da energia renovável, particularmente das energias fotovoltaica e eólica. No 
caso da energia fotovoltaica tem-se uma fonte de corrente contínua que deve ser transformada 
em corrente alternada para ser interligada aos sistemas elétricos e às cargas elétricas 
 
1
 No ano de 2009, os governos do mundo começaram a gastar aproximadamente 188 bilhões de dólares em 
programas, subsídios e estímulos tributários relacionados às energias renováveis (o chamado “estimulo verde” 
ou “green stimulus”), o maior estimulo registrado na historia. 
2 
 
 
convencionais. Este processamento de energia é realizado mediante o uso da eletrônica de 
potência, através de conversores estáticos. 
Assim, neste trabalho foi desenvolvido um sistema de energia fotovoltaica de pequeno 
porte interligado à rede elétrica, formado por dois estágios de processamento de energia: 
 O primeiro estágio é um conversor cc-cc elevador (Boost) responsável por 
aumentar a tensão entregue pelos painéis fotovoltaicos a uma tensão adequada 
para ser transformada em corrente alternada e, por extrair a máxima potência 
elétrica disponível nos painéis fotovoltaicos. 
 O segundo estágio é um conversor cc-ca Full-Bridge (ponte completa) 
responsável por transformar a corrente continua entregue pelo primeiro estágio 
em corrente alternada num nível de tensão, frequência e fase úteis à rede elétrica 
de baixa tensão. 
No capítulo 1 do trabalho tem-se uma revisão bibliográfica geral focada na área da 
eletrônica de potência, ou seja, nas topologias de conversores aplicáveis em sistemas 
fotovoltaicos interligados à rede elétrica. Além disso, apresenta-se informação sobre energia 
solar fotovoltaica com foco nas técnicas de rastreamento de máxima potência, os objetivos do 
trabalho e a proposta do estudo. 
Nos capítulos 2 e 3 são apresentados o primeiro estágio (cc-cc) e segundo estágio (cc-
ca) de processamento de energia, respectivamente. As topologias escolhidas são analisadas 
qualitativa e quantitativamente e os projetos dos conversores são realizados; também é 
detalhada a técnica de rastreamento de máxima potência (MPPT) usada no primeiro estágio e 
a metodologia de controle aplicada no segundo estágio. 
Finalmente, no capitulo 4 são apresentados resultados de simulação complementados 
com resultados experimentais para validar os estudos teóricos feitos nos capítulos anteriores. 
 
3 
 
 
CAPÍTULO 1 
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA, MOTIVAÇÕES E OBJETIVOS 
 
1.1 INTRODUÇÃO 
 
O sol é a maior fonte de energia disponível no planeta, e praticamente todas as outras 
formas de energias conhecidas têm como fonte primária, quer seja direta ou indiretamente, o 
sol. Na Figura 1.1 mostra-se o mapa mundial de irradiância solar média num período de 14 
anos, onde se observa o gigantesco potencial fotovoltaico disponível no planeta. 
 
 
Figura 1.1 – Irradiância solar média mundial W/m2(1990-2004). 
Fonte: Mines Paris, CNRS, Armines (2006). 
 
Na América do Sul observam-se algumas regiões privilegiadas com irradiâncias solares 
médias de até 250 W/m
2
. A zona andina, em países como Equador, Peru, Bolívia, Chile e 
Argentina, e o nordeste do Brasil são as que apresentam as condições mais favoráveis para 
empreendimentos fotovoltaicos. Todavia o uso da energia fotovoltaica no continente tem sido 
limitado principalmente a sistemas isolados (stand-alone PV systems), ou seja, para energizar 
povoados rurais isolados da rede elétrica mediante programas subsidiados pelos governos 
destes países. 
Em relação aos sistemas fotovoltaicos interligados à rede elétrica (grid-connected PV 
systems) os empreendimentos na América do Sul são praticamente nulos em termos de 
potência instalada. No ano de 2008 a potência fotovoltaica instalada no mundo era distribuída 
segundo o indicado na Figura 1.2. 
4 
 
 
 
Figura 1.2 – Potência fotovoltaica instalada MWp. 
(Plantas geradoras de grande porte, maiores a 200 kWp, 2008) 
Fonte: Renewable Insight – Energy Industries Guide, 2010. 
 
Países como Espanha, Alemanha
2
e Japão lideram no aproveitamento de energia 
fotovoltaica no mundo. As plantas geradoras fotovoltaicas de grande porte são geralmente 
formadas por um conjunto de pequenos módulos independentes de alguns kW. Este é o 
conceito de cadeia de conversores (string inverter concept), assim, a acumulação destes 
permite atingir potências que vão desde dezenas de kW até dezenas de MW. Também existem 
plantas geradoras fotovoltaicas de conversão de tipo centralizada com unidades conversoras 
individuais de até 2MW, ambas as tecnologiaspossuem diferentes vantagens, assim a escolha 
de uma delas depende das particularidades do projeto [3]. Na Figura 1.3 tem-se uma 
fotografia de uma planta geradora fotovoltaica usando o conceito de cadeia de conversores. 
O uso de sistemas de pequeno porte injetando energia à rede elétrica também é usado 
amplamente, particularmente na Alemanha e Japão, sendo usados principalmente em 
residências ou prédios em zonas urbanas. O princípio de funcionamento destes sistemas não é 
diferente dos de grande porte. A diferença está na quantidade de potência processada (alguns 
kW) e no nível de tensão em que se entrega a energia. Nestes sistemas é usual realizar a 
interligação à rede de baixa tensão, no entanto, em sistemas de grande porte a interligação é 
realizada normalmente à rede de média tensão. 
 
 
2 Observe na Figura 1.1 que em países como Alemanha a irradiância solar média é muito baixa quando 
comparada a irradiância disponível na América do Sul. 
3631
89,4%
266
6,6%
157
3,9% 6
0,1%
Europa Estados Unidos Asia Resto do Mundo
5 
 
 
 
Figura 1.3 – Planta fotovoltaica usando cadeia de conversores 
Fonte: Renewable Insight – Energy Industries Guide, 2010. 
 
Seja qual for o caso, fica claro que o desenvolvimento de sistemas capazes de aproveitar 
a energia fotovoltaica para injeção à rede elétrica é importante, tendo em vista a 
sustentabilidade energética futura do planeta, o grande potencial fotovoltaico disponível na 
América do Sul e a urgência de diminuir o uso de combustíveis fósseis agressivos ao meio 
ambiente. 
 
1.2 OBJETIVO DO TRABALHO 
 
O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um conversor cc-ca, monofásico, de 
pequeno porte, para injetar energia fotovoltaica à rede elétrica de baixa tensão. 
 
1.2.1 METODOLOGIA DO TRABALHO 
 
Para atingir o objetivo do trabalho com sucesso, foram realizadas, basicamente, as 
tarefas descritas como segue: 
1. Estudo teórico do sistema. 
2. Projeto/dimensionamento dos estágios de processamento de energia e elementos 
de controle do sistema. 
3. Validação do estudo usando ferramentas de simulação computacional e 
mediante a montagem de um protótipo experimental, em laboratório. 
 
6 
 
 
1.3 TOPOLOGIAS APLICADAS EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 
INTERLIGADOS À REDE ELÉTRICA 
 
Existem dois tipos genéricos principais de conversores aplicados em pequenos sistemas 
geradores de energia [4], [5]. Estes conversores, usados com muita frequência em sistemas 
fotovoltaicos interligados à rede elétrica, são classificados pela quantidade de estágios de 
processamento eletrônico de energia. Assim tem-se: 
 Topologias de múltiplos estágios de processamento. 
 Topologias de único estágio de processamento. 
Na Figura 1.4 são apresentados dois diagramas de blocos simplificados que 
exemplificam ambas as topologias indicadas. 
 
Conversor cc-cc 
elevador (boost)
Conversor cc-ca RedeFonte
Transformador de baixa 
frequência
Conversor cc-ca RedeFonte
(a)
(b)
 
Figura 1.4 – Topologias básicas de conversores aplicados a pequenos sistemas geradores de 
energia.(a) Múltiplos estágios (e.g. dois estágios cc-cc-ca) (b) Único estágio. 
 
Do ponto de vista da isolação galvânica entre a fonte e a rede, estas duas topologias 
básicas de conversores se subdividem em isoladas e não isoladas. Por exemplo, na Figura 
1.4(b) observa-se uma topologia de único estágio isolada galvanicamente através de um 
transformador elevador em baixa frequência, já na Figura 1.4(a) a isolação galvânica poderia 
existir ou não mediante a utilização de um transformador de alta frequência. 
A tendência na atualidade, para sistemas de pequeno porte, é o uso das topologias de 
múltiplos estágios com isolação galvânica, isto por causa do excessivo peso e tamanho do 
transformador de baixa frequência usado comumente nas topologias de único estágio. Os 
7 
 
 
transformadores de alta frequência permitem reduzir consideravelmente o peso e o tamanho 
do transformador nas topologias de múltiplos estágios [5]. 
Todavia, as topologias de múltiplos estágios geralmente são mais complexas e 
possuem maior número de componentes que as topologias de único estágio, desde que são 
usados dois ou mais conversores para atingir a interligação à rede elétrica [4]. 
Nos próximos tópicos, descrevem-se brevemente algumas das topologias de múltiplos 
estágios existentes com isolação galvânica. 
 
1.3.1 Conversor cc-ca Push-Pull/Buck/Full-Bridge [6] 
 
Esta topologia consiste em três estágios de processamento de energia (cc-cc-cc-ca). O 
primeiro estágio (Push-Pull) é responsável por isolar a fonte da rede através de um 
transformador de alta frequência e elevar a tensão da fonte; no segundo estágio tem-se um 
conversor abaixador (Buck) usado para o controle da topologia; já o terceiro estágio (Full-
Bridge) converte a tensão cc entregue pelo conversor buck em corrente alternada que é 
filtrada mediante um filtro CL antes de ser inserida à rede elétrica. Uma explicação mais 
detalhada da topologia encontra-se em [6], e a mesma é mostrada na Figura 1.5. 
 
FONTE
REDE
S S
S
S S
S S
D
D
D
D D
D D
Trans. A.F.
L
L L
C
C
Primeiro 
Estágio
Segundo 
Estágio
Terceiro 
Estágio
 
Figura 1.5 – Conversor cc-ca Push-Pull/Buck/Full-Bridge. 
 
As principais vantagens da topologia são: estratégia de controle simples, robustez, 
baixa distorção harmônica da corrente e isolação natural. A principal desvantagem é a alta 
quantidade de componentes semicondutores. 
 
8 
 
 
1.3.2 Conversor cc-ca Full-Bridge/Full-Bridge [7] 
 
Na Figura 1.6 mostra-se o circuito de potência correspondente a esta topologia, 
formada por dois estágios de processamento de energia cc-cc-ca. O primeiro estágio (Full-
Bridge) é responsável por isolar a fonte da rede através de um transformador de alta 
frequência e elevar a tensão da fonte, já o segundo estágio (Full-Bridge) converte a tensão cc 
em corrente alternada que é filtrada mediante um filtro LC antes de ser inserida à rede 
elétrica. Esta topologia foi proposta por Jung et al em [7]. 
 
FONTE
S
C
S
S S
Trans. 
A.F.
L
REDE
S S
S S
D D
D D
L
C
Primeiro 
Estágio
Segundo 
Estágio
 
Figura 1.6 – Conversor cc-ca Full-Bridge/Full-Bridge. 
 
Esta topologia apresenta várias vantagens como: baixa distorção harmônica da 
corrente e isolação galvânica em alta frequência, além disso, apresenta menor quantidade de 
componentes semicondutores, quando comparada com a proposta em 1.3.1. 
 
1.3.3 Conversor cc-ca Buck-Boost/Full-Bridge [8] 
 
Esta topologia consiste em dois estágios de processamento de energia (cc-cc-ca), como 
mostra a Figura 1.7. O primeiro estágio consiste de um conversor Buck-Boost isolado em alta 
frequência e o segundo estágio trata-se de um inversor alimentado em corrente (CSI – Current 
Source Inverter). 
As principais vantagens da topologia são: estratégia de controle simples, baixa 
quantidade de componentes semicondutores, o que diminui o custo e aumenta a confiabilidade 
do sistema e isolação galvânica. Entretanto, o nível de potência processado é baixo quando 
comparado com os conversores em 1.3.1 e 1.3.2. 
9 
 
 
FONTE
S
C C
S S
S S
REDE
L
Primeiro 
Estágio
Segundo 
Estágio
Trans. 
A.F.
D
 
Figura 1.7 – Conversor cc-ca Buck-Boost/Full-Bridge. 
 
O primeiro estágio (Buck-Boost) é responsável por isolar a fonte da rede através de um 
transformador de alta frequência e elevar a tensão da fonte, já o segundo estágio (Full-Bridge) 
converte a tensão cc em corrente alternada e a injeta na rede elétrica. Em [8] podem ser 
analisados mais detalhes sobre o funcionamento e o controle desta topologia. 
 
1.3.4 Conversor cc-ca Boost/Flyback [9] 
 
Esta topologia consiste em dois estágios de processamento de energia (cc-cc-ca), o 
primeiro estágio (Boost) é basicamente para realizar o rastreamento de máxima potência. Já 
no segundo estágio(Flyback), é obtida a isolação galvânica e a elevação de tensão mediante o 
transformador de alta frequência e, a conversão cc-ca mediante um adequado método de 
controle e comutação dos interruptores S3 e S4. Na Figura 1.8 é mostrado o circuito de 
potência da topologia, e os detalhes do conversor podem ser conferidos em [9]. 
 
FONTE
C C
S
S
D
D
C
LL D
D
S
S
REDE
Trans. A.F.
Primeiro 
Estágio
Segundo 
Estágio 
Figura 1.8 – Conversor cc-ca Boost/Flyback. 
Esta topologia apresenta: alto fator de potência, baixa quantidade de componentes 
semicondutores (o que diminui o custo do sistema), baixa distorção harmônica da corrente, 
10 
 
 
pequeno volume e isolação galvânica. No entanto, como no caso do conversor apresentado em 
1.3.3, o nível de potência processado é baixo quando comparado com os conversores em 1.3.1 
e 1.3.2, considerando que utiliza apenas um semicondutor no primeiro estágio. 
 
1.4 TÉCNICAS DE RASTREAMENTO DO PONTO DE MÁXIMA 
POTÊNCIA (MPPT) 
 
As técnicas MPPT (Maximum Power Point Tracking) são empregadas em sistemas 
fotovoltaicos para garantir a operação no ponto de máxima potência. Essa energia depende 
principalmente da irradiância solar que incide nos painéis fotovoltaicos e também da 
temperatura ambiente no local onde estão instalados. Então, sabe-se que a energia disponível 
irá variar em função do horário, e das condições climáticas instantâneas. 
Por exemplo, a energia disponível ao meio dia, em um dia ensolarado será maior do 
que aquela disponível em um dia chuvoso, no mesmo horário. 
Na Figura 1.9 mostra-se a curva característica de potência-tensão de uma célula 
fotovoltaica para diferentes valores de irradiância. 
 
P
o
tê
n
c
ia
 W
Tensão V
Ponto Máxima Potência 1000 W/m
2
600 W/m
2
800 W/m
2
 
Figura 1.9 – Curva característica potência-tensão de uma célula fotovoltaica (temp. constante). 
 
Existem várias técnicas MPPT desenvolvidas e algumas delas são explicadas 
brevemente. 
 
11 
 
 
1.4.1 Tensão de Circuito Aberto 
 
Esta técnica consiste na amostragem da tensão de circuito aberto dos painéis 
fotovoltaicos (VOC) e a estimação da tensão de máxima potência dos painéis (VMPP) através de 
(1.1). 
 
 𝑉𝑀𝑃𝑃 ≈ 𝑘1 ∙ 𝑉𝑂𝐶 (1.1) 
 
Onde k1 é uma constante com um valor tipicamente entre 0,7 e 0,8 [10], assim, uma 
vez calculada a tensão de máxima potência, pode-se aplicar um laço fechado de controle no 
conversor encarregado de executar o rastreamento de máxima potência, para atingir ou manter 
a tensão desejada. 
A amostragem de VOC pode ser realizada, desligando os painéis fotovoltaicos do 
sistema por um curto período de tempo ou usando um pequeno painel de amostragem 
exclusivo que possui um comportamento similar ao do arranjo completo. Em ambos os casos, 
existirá perda de potência. 
Esta técnica, na realidade, nunca permite que o sistema opere no ponto de máxima 
potência considerando que (1.1) é simplesmente uma aproximação linear, portanto, esta não 
deve ser considerada uma técnica MPPT real como indicado em [11]. 
 
1.4.2 Corrente de Curto Circuito 
 
Esta técnica é baseada no fato que a corrente do ponto de máxima potência dos painéis 
fotovoltaicos (IMPP) tem uma relação aproximadamente linear com a corrente de curto circuito 
(ISC), logo IMPP pode ser obtida através de (1.2). 
 
 𝐼𝑀𝑃𝑃 ≈ 𝑘2 ∙ 𝐼𝑆𝐶 (1.2) 
 
Onde k2 é uma constante com um valor tipicamente entre 0,9 e 0,98 [10]. Nesta 
técnica o sistema deve possuir um interruptor adicional, que aplique um curto-circuito na 
saída dos painéis para amostrar ISC. Isto é um problema que resulta na utilização de maior 
número de componentes e a elevação do custo do sistema. Como no caso da técnica de tensão 
de circuito aberto, esta também não deve ser considerada como uma técnica MPPT real [11]. 
12 
 
 
1.4.3 Condutância Incremental 
 
O método de condutância incremental baseia-se no fato de que a inclinação na curva 
de potência-tensão é igual a zero no ponto de máxima potência (MPP), é positiva no lado 
esquerdo do MPP e negativa no lado direito do MPP[11]. Como pode ser observado na Figura 
1.9. Sabe-se também que a potência é igual ao produto da tensão pela corrente, logo é possível 
deduzir que: 
 
 
𝑑𝑃
𝑑𝑉
=
𝑑(𝑉 ∙ 𝐼)
𝑑𝑉
= 𝐼 + 𝑉
𝑑𝐼
𝑑𝑉
≈ 𝐼 + 𝑉
∆𝐼
∆𝑉
 (1.3) 
 
E, 
 
∆𝐼 ∆𝑉 = −𝐼 𝑉, 𝑛𝑜 𝑀𝑃𝑃 
∆𝐼 ∆𝑉 > −𝐼 𝑉, 𝑒𝑠𝑞𝑢𝑒𝑟𝑑𝑎 𝑀𝑃𝑃 
∆𝐼 ∆𝑉 < −𝐼 𝑉, 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑖𝑡𝑎 𝑀𝑃𝑃 
 (1.4) 
 
Onde P, V e I são a potência, tensão e corrente dos painéis fotovoltaicos 
respectivamente. Assim, realizando uma amostragem periódica da tensão e corrente 
instantânea, calculando o incremento de condutância (∆𝐼 ∆𝑉 ) e comparando com os valores 
instantâneos é possível rastrear o MPP segundo o algoritmo mostrado na Figura 1.10. 
Na Figura 1.10, Vrefp é a tensão de referência onde os painéis são forçados a operar. 
Quando se atinge o MPP a tensão de referência é igual à tensão de máxima potência dos 
painéis fotovoltaicos. Esta técnica apresenta maior complexidade e um custo mais elevado 
considerando que precisa de um sensor adicional, entretanto, é uma técnica MPPT real muito 
mais eficiente quando comparada com aquelas dos itens 1.4.2 e 1.4.3. A velocidade de 
convergência no MPP depende do tamanho do incremento da tensão de referência. Assim, o 
fato de usar incrementos grandes resulta em uma maior velocidade de convergência, contudo 
isto ocasionará também uma oscilação maior ao redor do MPP. Logo, é necessário escolher 
um valor de incremento da tensão de referência que permita ter um equilíbrio adequado entre 
velocidade e oscilação. 
13 
 
 
Inicio
Amostragem: 
V(t), I(t).
Cálculos: 
ΔI=I(t)-I(t-1)
ΔV=V(t)-V(t-1)
ΔI/ΔV=-I/V ΔI=0
ΔI/ΔV>-I/V ΔI>0
Incrementa 
Vrefp
ΔV=0
Decrementa 
Vrefp
Decrementa 
Vrefp
Incrementa 
Vrefp
Cálculos: 
ΔI=I(t)-I(t-1)
ΔV=V(t)-V(t-1)
Retorna
Sim
Não
Sim
Sim
Sim
Sim
Não Não
Não Não
 
Figura 1.10 – Algoritmo de condutância incremental [12]. 
 
1.4.4 Hill Climbinge P&O (Escalada e Perturba&Observa) 
 
As técnicas Hill Climbing e P&O são amplamente usadas por causa da sua 
simplicidade de implementação e efetividade. Ambas são muito similares e baseiam-se no 
mesmo principio lógico [13]. A Figura 1.11 mostra o processo de rastreio do MPP. A 
diferença básica entre estes métodos é que a técnica P&O fornece uma tensão de referência e 
um controlador PI que regula a tensão de saída do painel fotovoltaico, enquanto a técnica Hill 
14 
 
 
Climbing fornece o valor da razão cíclica aplicada no conversor diretamente, como pode ser 
conferido nos diagramas de blocos na Figura 1.12 e no algoritmo na Figura 1.13. 
 
Potência W
Tensão referência V,
Razão Cíclica D
Regime 
permanente
Pontos iniciais 
possíveis
Potência 
Máxima 
 
Figura 1.11 – Processo de rastreio do ponto de máxima potência [14]. 
 
PAINÉIS 
FOTOVOLTAICOS
CONVERSOR CARGA
HILL CLIMBING MPPT
Ip Vp
S
in
a
is
 G
a
ti
lh
o
PAINÉIS 
FOTOVOLTAICOS
CONVERSOR CARGA
PERTURBA & 
OBSERVA
MPPT
S
in
a
is
 G
a
ti
lh
o
PI
a)
b)
+
-
Vref
Ip Vp
GERADOR PWM
Razão cíclica
GERADOR PWM
S
in
a
l 
c
o
n
tr
o
le
E
rr
o
r
 
Figura 1.12 – Diagrama de blocos, a) Técnica Hill Climbing,b) Técnica P&O [15]. 
15 
 
 
Estas técnicas realizam uma amostragem periódica da tensão e corrente instantânea do 
painel fotovoltaico para calcular a potência e comparar os valores atuais com os anteriores. 
Com essa informação, é possível determinar o sentido que se deve seguir para encontrar o 
ponto de máxima potência. Por exemplo: se a amostra de potência atual for maior que a 
anterior, o sentido da perturbação da tensão de referência (P&O), ou da razão cíclica (Hill 
Climbing), deve ser mantido para atingir o MPP; se acontecer o contrário o sentido da 
perturbação deve mudar. Na Figura 1.13 observa-se o algoritmo MPPT correspondente às 
técnicas Hill Climbing e P&O. 
 
Inicio
Amostragem: 
V(t),I(t).
Cálculos: 
P(t)=V(t)*I(t)
P(t)>P(t-1)
P(t)=P(t-1)
Muda sinal 
inclinação (inc)
Para MPPT P&O:
Vref(t)=Vref(t-1)+inc*Vpasso
Para MPPT Hill Climbing:
D(t)=D(t-1)+inc*Dpasso
Retorna
Sim
Não
Sim
Não
Atualiza valores:
P(t-1)=P(t)
V(t-1)=V(t)
I(t-1)=I(t)
 
Figura 1.13 – Fluxograma MPPT Hill Climbing e P&O [14], [15]. 
 
16 
 
 
Existem duas variáveis importantes que determinam o bom desempenho do MPPT: o 
período de amostragem e o valor da perturbação. Se o período de amostragem escolhido for 
muito curto, é possível que o sistema se comporte de maneira instável; se for muito longo o 
sistema não responderá corretamente a mudanças atmosféricas rápidas. Por outro lado, se o 
valor do incremento for muito grande, a oscilação ao redor do MPP será excessiva, 
ocasionando perdas de potência. Caso seja muito pequeno, o tempo de convergência no MPP 
será muito longo. Para ambas as variáveis deve-se encontrar equilíbrios adequados, no 
entanto, existem algumas metodologias como indicado em [16] que usam dois valores 
diferentes de perturbação: um valor grande durante o processo de rastreamento do MPP, 
garantindo uma convergência rápida e outro pequeno nas proximidades do MPP com o intuito 
de reduzir a oscilação. 
 
1.4.5 Controle da Lógica Fuzzy 
 
O MPPT baseado na lógica de controle fuzzy, normalmente consiste de três etapas: 
fuzzificação, pesquisa na tabela base de regra e defuzzificação [11], [17]. 
Na etapa de fuzzificação as variáveis de entrada numéricas são transformadas em 
variáveis linguísticas segundo uma função de pertinência como a mostrada na Figura 1.14. 
Nessa função cinco níveis fuzzy são usados: MN (Muito Negativo), PN (Pouco Negativo), ZE 
(Zero), PP (Pouco Positivo) e MP (Muito Positivo). 
 
0 a b-a-b
ZE PP MPPNMN
Variável numérica
Variável lingüística
 
Figura 1.14 – Função de pertinência para entradas e saídas do controlador da lógica Fuzzy [17]. 
 
A segunda etapa usa as variáveis numéricas transformadas em linguísticas como 
entradas na tabela base de regra fuzzy para determinar o valor linguístico da variável de saída. 
As variáveis de entrada comumente usadas para o MPPT são o erro (E) e a mudança no erro 
(ΔE), calculadas como indicam (1.5) e (1.6) considerando que dP/dV é zero no ponto de 
máxima potência. A variável de saída normalmente é a razão cíclica (D) do conversor 
17 
 
 
responsável pelo MPPT, sendo que os valores linguísticos contidos na tabela base de regra 
fuzzy dependem da topologia do conversor. Na Tabela 1.1 pode-se observar um exemplo de 
tabela base para um conversor elevador (Boost). 
 
 𝐸 𝑛 =
𝑃 𝑛 − 𝑃(𝑛 − 1)
𝑉 𝑛 − 𝑉(𝑛 − 1)
 (1.5) 
 ∆𝐸 𝑛 = 𝐸 𝑛 − 𝐸(𝑛 − 1) (1.6) 
 
Finalmente, na etapa de defuzzificação a variável de saída linguística é convertida 
numa variável numérica realizando o processo inverso ao da primeira etapa, usando mais uma 
vez a função de pertinência da Figura 1.14. 
 
Tabela 1.1 – Tabela base de regra fuzzy [11] 
Entradas 
Variação Erro (ΔE) 
MN PN ZE PP MP 
E
rr
o
 (
E
) 
MN ZE ZE MN MN MN 
PN ZE ZE PN PN PN 
ZE PN ZE ZE ZE PP 
PP PP PP PP ZE ZE 
MP MP MP MP ZE ZE 
 
1.4.6 Outras Técnicas MPPT 
 
Existem também outras técnicas de MPPT baseadas em: redes neurais [18], controle 
por correlação de ondulação (Ripple Correlation Control - RCC) [19], varredura de corrente 
(Current Sweep) [20], queda de tensão sobre o capacitor do barramento cc (DC-Link 
capacitor Droop Control) [21] e outras. 
 
1.5 O SISTEMA PROPOSTO 
 
Este estudo propõe um conversor cc-ca, monofásico, de pequeno porte, para a injeção 
de energia fotovoltaica à rede elétrica de baixa tensão, com dois estágios de processamento de 
energia descritos como segue: 
18 
 
 
1. Primeiro estágio: Conversor cc-cc Push-Pull modificado alimentado em corrente 
com grampeamento ativo, responsável por: 
 Elevar a tensão entregue pelos painéis fotovoltaicos a uma tensão 
adequada para ser transformada em corrente alternada útil à rede elétrica 
de baixa tensão. 
 Realizar o rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT) com 
microcontrolador, usando a técnica Hill Climbing. 
 Proporcionar isolação galvânica através do transformador de alta 
frequência próprio da topologia. 
2. Segundo estágio: Conversor cc-ca Full-Bridge (ponte completa), responsável 
por: 
 Transformar a corrente contínua entregue pelo primeiro estágio em 
corrente alternada. 
 Injetar a energia na rede elétrica de baixa tensão, usando a técnica de 
Controle por Corrente Media. 
Ambos os conversores, do primeiro e segundo estágio, são estudados de forma 
independente nos Capítulos 2 e 3 respectivamente. Já o diagrama de blocos simplificado do 
sistema proposto, onde é possível identificar os principais componentes do sistema, é 
apresentado na Figura 1.15. 
 
PAINÉIS 
FOTOVOLTAICOS
CONVERSOR CC-CC 
PUSH-PULL 
MODIFICADO
CONVERSOR CC-CA 
FULL-BRIDGE
REDE ELÉTRICA
MPPT HILL CLIMBING
Ip Vp
S
in
a
is
 G
a
ti
lh
o
CONTROLADOR POR 
CORRENTE MÉDIA
IoVi
S
in
a
is
 G
a
t.
 
Figura 1.15 – Diagrama de blocos simplificado do sistema proposto. 
 
Este sistema pode ser considerado como um módulo independente que poderia ser 
usado sozinho ou associado em paralelo a outros módulos idênticos numa configuração do 
tipo em cadeia (ver Figura 1.3). Logo, a sua aplicação possível é muito ampla considerando 
19 
 
 
que poderia ser usado em pequenos sistemas residenciais monofásicos em zonas urbanas, mas 
também, em sistemas de geração de energia fotovoltaica de maior potência. Por exemplo, um 
sistema trifásico poderia ser implementado usando três módulos idênticos referenciados a 
cada uma das três fases da rede. 
 
1.5.1 Topologia Proposta: Conversor cc-ca Push-Pull Modificado/Full Bridge 
 
Na Figura 1.16 observa-se o circuito de potência da topologia proposta. No primeiro 
estágio de processamento de energia tem-se o conversor cc-cc Push-Pull Modificado [22], 
[23], acrescido de um circuito de grampeamento ativo, que permite a comutação dos 
interruptores do conversor sob tensão nula (Zero Voltage Switching - ZVS). Já no segundo 
estágio tem-se um conversor cc-ca Full-Bridge convencional. Observe que existe um filtro LC 
na saída do conversor cc-ca antes de entregar a energia à rede elétrica, para a redução dos 
harmônicos de alta frequência produzidos pela comutação dos interruptores e limitação da 
ondulação da corrente de saída, como visto no item 3.3.3. 
 
S1
T
DS1
CS1
S2
DS2
CS2
CC
S1' DS1' S2' DS2'
FONTE
Lb
T1
T2
Lr
D1 D2
D3 D4
CO
S5 S6
S3 S4
Lf
R
E
D
E
Segundo 
Estágio
Primeiro 
Estágio
Cf
AT
DS5 DS6
DS3 DS4
 
Figura 1.16 – Topologia proposta: Conversor cc-ca Push-Pull Modificado/Full-Bridge. 
 
1.5.2 Especificações do Sistema Proposto 
 
Nos itens 2.5 e 3.4 são desenvolvidos os projetos para cada conversor do sistema 
proposto, sendo apresentadas as especificações e considerações relativas a cada estágio de 
processamento de energia. O sistema proposto atende as seguintes especificações: 
 
 Potência processada de 850 W. 
 Eficiência mínima de 85%. 
20 
 
 
 Tensão de entrada de 48 Vcc ± 20%, considerando um arranjo fotovoltaico 
segundo o descrito no item 4.2.3. 
 Tensão de saída nominal de 220 Vca, 60 Hz [24]. 
 Distorção harmônica total máxima da corrente injetada (THDi) de 10% [24]. 
 
1.6 CONCLUSÃO 
 
Neste capítulo foi realizada uma revisão bibliográfica sobre sistemas fotovoltaicos 
interligados à rede elétrica. Inicialmente foi feita uma breve contextualização sobre a energia 
fotovoltaica no âmbito mundial e regional. Além disso, estudaram-se algumas topologias de 
conversores cc-ca, isolados, de múltiplos estágios e explorou-se algumas das técnicas de 
rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT), mais destacadas na literatura. 
Finalmente, apresentou-se o sistema fotovoltaico interligado à rede proposto e suas 
especificações. 
O sistema proposto é uma topologiaque consta de dois estágios (cc-cc e cc-ca), com 
isolação galvânica em alta frequência. No primeiro estágio tem-se o conversor cc-cc Push-
Pull modificado acrescido de um circuito de grampeamento ativo, que usa a técnica de 
rastreamento do ponto de máxima potência Hill Climbing para obter a máxima energia 
disponível nos painéis fotovoltaicos. 
Esta topologia foi escolhida considerando que proporciona: alto ganho de tensão, 
isolação galvânica através de um transformador de alta frequência e redução de perdas de 
comutação nos interruptores por causa do circuito de grampeamento ativo. Por outro lado, a 
técnica MPPT citada foi escolhida por causa de sua fácil implementação e eficiência. 
No segundo estágio, optou-se pelo conversor cc-ca Full-Bridge controlado mediante a 
técnica de controle por corrente média. Este conversor apresenta boa capacidade de 
processamento de potência e trabalha adequadamente nos níveis de tensão do projeto. Já a 
técnica de controle escolhida é adequada para sistemas interligados à rede elétrica. As 
características do sistema são estudadas com maior detalhe nos capítulos seguintes. 
O nível de potência especificado em 1.5.2 responde à capacidade instalada do arranjo 
fotovoltaico disponível em laboratório. 
 
21 
 
 
CAPÍTULO 2 
2 CONVERSOR CC-CC PUSH-PULL MODIFICADO COM 
GRAMPEAMENTO ATIVO 
 
2.1 INTRODUÇÃO 
 
Neste capítulo apresenta-se um estudo do Conversor cc-cc Push-Pull Modificado 
baseado na Célula de Comutação de Três Estados (CCTE) [25], acrescido de um circuito de 
grampeamento ativo, que permite comutação suave sob tensão nula (Zero Voltage Switching - 
ZVS) [26], nos interruptores da topologia. Este conversor é indicado para uso em sistemas 
fotovoltaicos de pequeno porte e de maneira geral em qualquer aplicação onde seja necessário 
elevar a tensão de entrada a um nível requerido por conversores cc-ca de tensão (voltage 
source inverters - VSI) [22]. 
Neste tipo de aplicação é muito comum o uso do conversor cc-cc Push-Pull 
convencional [27], como mostrado no primeiro estágio da Figura 1.5. No entanto, esta 
topologia apresenta problemas de saturação do núcleo do transformador por causa de sinais de 
gatilho assimétricos nos interruptores e/ou pela construção assimétrica do transformador. 
Além disso, devido à indutância de dispersão do transformador acontecem sobretensões 
perigosas durante a comutação dos interruptores. Estas sobretensões obrigam o uso de 
circuitos snubber ou circuitos de grampeamento ativo, como proteção para evitar a 
danificação dos interruptores. Em [28] pode-se conferir o conversor Push-Pull convencional 
operando com grampeamento ativo. Além disso, podem ser conferidos outros conversores 
com ZVS em [29] e [30]. 
A topologia proposta soluciona os problemas do conversor cc-cc Push-Pull 
convencional descritos, no entanto, a quantidade de componentes e a complexidade da 
topologia são maiores, como pode ser conferido na Figura 2.1. O problema de saturação é 
resolvido pelo fato de que o transformador consta de somente um enrolamento primário, o que 
permite a instalação de um capacitor de bloqueio em serie. Já o problema de sobretensão nos 
interruptores é resolvido acrescentando o circuito de grampeamento ativo. Este circuito eleva 
a eficiência geral do conversor ao diminuir as perdas de comutação. 
No item 4.2.2, mostra-se o resultado de uma comparação da eficiência do conversor cc-
cc Push-Pull modificado operando com o circuito de grampeamento ativo (ZVS), e operando 
com um circuito snubber. 
22 
 
 
O circuito de grampeamento ativo é formado pelos interruptores auxiliares S1’ e S2’, 
pelos diodos em antiparalelo DS1’ e DS2’ (geralmente, estes diodos são intrínsecos aos 
interruptores S1’ e S2’), pelos capacitores de comutação CS1 e CS2, pelo capacitor de 
grampeamento CC e pelo indutor de comutação (ou ressonante) Lr. 
 
T
+vT1-
io
ip
iLb
vp
-
vs
+
-
+vLr-
-v
S
1
+
iCC
iS1
iS2
iD1
+
v
L
b
-
+
v
D
1
-
-V
o
+
-v
C
c
+
-v
S
2
+
+
CCVi
D
S
1
C
S
1
D
S
2
C
S
2
S1 S2
DS1' DS2'
S1' S2'
D1
D2
D3D4
Lb
T1
T2
Lr
Co Ro
 
Figura 2.1 – Conversor cc-cc Push-Pull Modificado com grampeamento ativo. 
 
2.2 ANÁLISE QUALITATIVA 
 
O conversor é analisado em regime permanente, operando em modo de condução 
contínua (MCC), com razão cíclica maior que 0,5 (0,5<D<1). Nestas condições de operação, 
os sinais de controle dos interruptores principais apresentam superposição em alguns 
intervalos, onde ocorre o armazenamento de energia no indutor. Além disso, é importante 
esclarecer que o conversor opera com modulação por largura de pulso (Pulse Width 
Modulation - PWM) que permite manter a frequência de comutação constante. 
 
2.2.1 Etapas de Operação 
 
Os intervalos de operação descritos a seguir ocorrem a cada semiperíodo da frequência 
de comutação dos interruptores. Por motivos de espaço, as topologias correspondentes a estes 
intervalos são apresentados em duas figuras. A Figura 2.2 detalha os primeiros três intervalos 
de operação, enquanto que a Figura 2.3, os últimos quatro. Por outro lado, a Figura 2.4 mostra 
algumas das formas de onda teóricas mais importantes do conversor. 
 
 Intervalo [t0,t1]: Esta etapa inicia no instante quando a corrente através do 
enrolamento primário do transformador (ip) se extingue e finaliza quando o 
23 
 
 
interruptor principal S1 é bloqueado. Durante o intervalo ambos os interruptores 
principais S1 e S2 estão em condução. A corrente que circula através de ambos 
os enrolamentos do autotransformador é igual, o que torna o fluxo magnético 
resultante nulo. Neste intervalo toda a tensão de entrada é aplicada sobre o 
indutor de armazenamento Lb, cuja corrente cresce linearmente desde um valor 
mínimo (Imim) até o valor máximo (Imax). Através de cada interruptor principal e 
enrolamento do autotransformador circula a metade da corrente ILb. Nesta etapa 
o capacitor filtro Co fornece energia à carga Ro. A topologia do intervalo é 
mostrada na Figura 2.2(a). 
 Intervalo [t1,t2]: No instante t1 o interruptor principal S1 é bloqueado dando 
inicio à etapa de operação, a finalização acontece no instante quando o 
interruptor auxiliar S1’ recebe sinal de gatilho. A energia armazenada em Lr 
circula pelo capacitor de comutação CS1 carregando-o e permitindo a comutação 
sob tensão nula do interruptor S1. A tensão sobre o interruptor principal S1 
cresce até atingir a tensão sobre o capacitor de grampeamento CC. Neste 
intervalo ainda não existe transferência de energia a carga. A topologia do 
intervalo é mostrada na Figura 2.2(b). 
 Intervalo [t2,t3]: A etapa inicia quando o interruptor auxiliar S1’ entra em 
condução. A corrente do indutor ressonante Lr é transmitida ao capacitor de 
grampeamento CC através do diodo DS1’ intrínseco em S1’ até zerar no instante 
t3. Nesta etapa a transferência de energia à carga é efetuada através do 
interruptor principal S2. A topologia do intervalo é mostrada na Figura 2.2(c). 
 Intervalo [t3,t4]: A partir do instante t3 o sentido da corrente através do indutor 
Lr muda e começa a circular através do interruptor S1’, enquanto que o 
interruptor principal S2 permanece conduzindo. Desta maneira, o capacitor 
grampeador CC entrega a energia acumulada à carga. No instante t4 o interruptor 
auxiliar S1’ é bloqueado finalizando a etapa. Note que a transferência de energia 
da entrada para a saída permanece. A topologia do intervalo é mostrada na 
Figura 2.3(a). 
 Intervalo [t4,t5]: No instante t4 quando o interruptor auxiliar S1’ é desligado 
inicia a etapa de operação. O capacitor de comutação CS1 é descarregado, este 
processo ocorre de maneira ressonante com o indutor de comutação Lr. Note que 
o interruptor S1 somente poderá ser ligado quando a tensão sobre o capacitor CS1 
24 
 
 
atinja zero. A etapa finaliza quando o interruptor principal S1 recebe sinal de 
gatilho novamente. A topologia do intervalo