BR102022007961A2

BR102022007961A2 - Sistema e método de conversão de corrente contínua em corrente alternada

Info

Publication number: BR102022007961A2
Application number: BR102022007961-7A
Authority: BR
Inventors: Luciano Reichelt Nicolau
Original assignee: Luciano Reichelt Nicolau
Priority date: 2022-04-26
Filing date: 2022-04-26
Publication date: 2023-11-07

Abstract

sistema e método de conversão de corrente contínua em corrente alternada. é descrito um sistema e método de conversão de corrente contínua de baixa tensão produzida em um painel fotovoltaico em corrente alternada senoidal de alta tensão para alimentar uma bomba vibratória (l) e bombear água sem necessidade de rede elétrica ou baterias, utilizando o princípio do circuito ressonante lc, elevando a tensão sem transformador e sem a necessidade de dissipador de calor por não causar aquecimento na etapa do circuito eletrônico, incluindo um módulo corretor de fator de potência dinâmico que altera a frequência de 55 a 65hz conforme a variação de pressão na bomba, reduzindo assim as correntes parasitas (corrente causada pela reatância indutiva) e aumentando o fluxo do bombeamento.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[01] A presente patente de invenção descreve um sistema e método de conversão de corrente contínua de baixa tensão produzida em um painel fotovoltaico em corrente alternada senoidal de alta tensão para alimentar uma bomba vibratória e bombear água sem necessidade de rede elétrica ou baterias, utilizando o princípio do circuito ressonante LC, elevando a tensão sem transformador e sem a necessidade de dissipador de calor por não causar aquecimento na etapa do circuito eletrônico, incluindo um módulo corretor de fator de potência dinâmico que altera a frequência de 55 a 65Hz conforme a variação de pressão na bomba, reduzindo assim as correntes parasitas (corrente causada pela reatância indutiva) e aumentando o fluxo do bombeamento.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[02] A transformação da energia elétrica de corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA) pode ser realizada através de circuitos ressonantes (RCL) que consistem de um resistor (R), um capacitor (C) e um indutor (L).

[03] O documento US2011080759 descreve um RCL em série formado por um capacitor associado à bobina de carga indutiva. O módulo de acionamento é um circuito capaz de fornecer corrente alternada para a carga indutiva, empregando a energia armazenada no campo elétrico dos capacitores. A conversão de energia ocorre por meio da alternância do sentido de corrente, via circuito ponte, em circuito série ressonante, composto pelo capacitor e carga indutiva. O controle do circuito de ponte é realizado pelo microcontrolador digital, baseado em um processador digital, de acordo com a informação do sensor de tensão e do sensor de corrente, dentro do circuito. No entanto, a frequência de saída é fixa e o dissipador de alumínio gera alto aquecimento e o risco de choque na carcaça da carga indutiva (no caso, uma bomba vibratória).

[04] Nesta anterioridade são utilizadas pontes de transistores MOSFET que operam com alta tensão, aumentando a complexidade e o custo. A forma de onda de saída não é senoide pura, mas sim uma senoide ceifada que causa perdas no desempenho da bomba porque, em se tratando de circuito ressonante LC em série, é necessária uma onda senoidal pura para ressonar com mais eficiência.

[05] O documento CN106787745 descreve uma fonte de alimentação de corrente direta que compreende um painel solar, um circuito BOOST, um conversor DC (Direct Current)/DC, uma carga e um circuito de controle, onde a entrada do circuito BOOST está conectada com a saída do painel solar; a saída do circuito BOOST está conectada com a entrada do conversor DC/DC; a saída do conversor DC/DC está conectada com a carga; e o circuito de controle está conectado com o circuito BOOST e o conversor DC/DC. Com o uso da fonte de alimentação corrente direta divulgada pela invenção, após o painel polar ser submetido a uma conversão de impulso, a fonte de alimentação de corrente direta é convertida em corrente direta estável através de um conversor ressonante LLC); um controlador MPPT pode permitir que o painel solar trabalhe em um ponto de energia máxima para melhorar a eficiência de conversão do painel solar; e o conversor de ressonante LLC pode ser alternado entre um modo de trabalho de PFM (Pulse Frequency Modulation) e um modo de trabalho de PWM (Pulse-Width Modulation) de modo a melhorar a eficiência de conversão do conversor. A fonte de alimentação de corrente direta tem as características de tensão de saída estável e alta eficiência de conversão.

[06] Os documentos do estado da técnica descrevem um pulsador, que armazena a energia vinda de um painel solar em um capacitor eletrolítico e envia essa energia, em forma de pulso, para a bomba. Esse modo de operação é descontínuo, ou seja, carrega, pulsa, aguarda, carrega e pulsa novamente. Dessa forma, a frequência máxima é 50Hz, sendo gerado grande aquecimento, com a necessidade da instalação de um dissipador de alumínio.

[07] O requerente, após diversos estudos e experimentos, desenvolveu um sistema e método que converte CC em CA por meio de um circuito ressonante LC em série (indutor-capacitor), elevando a tensão sem transformador e sem a necessidade de dissipador de calor por não causar aquecimento na etapa do circuito eletrônico, incluindo um módulo corretor de fator de potência dinâmico que altera a frequência de 55 a 65Hz conforme a variação de pressão na bomba, reduzindo assim as correntes parasitas (corrente causada pela reatância indutiva) e aumentando o fluxo do bombeamento.

SUMÁRIO

[08] A invenção descreve um sistema de conversão de corrente contínua em corrente alternada dotado de um controle de fator de potência dinâmico, que gera um ganho de até 30% no desempenho da bomba em relação ao estado da técnica.

[09] A invenção descreve um sistema de conversão de corrente contínua em corrente alternada com saída de frequência em modo continuo, não pulsante, gerando uma senoide pura na bomba, reduzindo perdas e alcançando ótima eficiência energética.

[010] A invenção descreve um sistema de conversão de corrente contínua em corrente alternada com Ponte H de transistores MOSFET operando em baixa tensão, dispensando dissipador por não gerar aquecimento.

[011] A invenção descreve um sistema de conversão de corrente contínua em corrente alternada que permite que os transistores sejam montados por máquina, impactando nos custos de produção.

[012] A invenção descreve um sistema e método de conversão de corrente contínua em corrente alternada que permite a variação da frequência de saída conforme a defasagem da tensão/corrente, uma vez que a bomba pode trabalhar com diferentes pressões e cada pressão causa uma defasagem (fator de potência) diferente.

[013] A invenção descreve um sistema e método de conversão de corrente contínua em corrente alternada potencialmente útil para alimentar uma bomba vibratória a partir da corrente contínua gerada por módulos fotovoltaicos, alterando a frequência de saída de 55 a 65Hz, conforme a variação da irradiação solar e a variação do fator de potência da bomba.

[014] A invenção descreve um sistema e método de conversão de corrente contínua em corrente alternada que converte energia de um painel solar de 260 a 600W para funcionar uma bomba vibratória em corrente alternada.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[015] A figura 1 apresenta o gráfico da frequência de ressonância (Fs), evidenciando a corrente consumida pela bomba vibratória (eixo I) na faixa de 55 Hz a 65Hz (fs).

[016] A figura 2 apresenta a topologia do circuito gerador de corrente alternada de onda quadrada de 55 a 65Hz, composto de uma ponte completa de transistores MOSFETs S1, S2, S3 e S4.

[017] A figura 3 apresenta o fluxograma do método de conversão de corrente contínua em corrente alternada.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[018] O sistema de conversão de corrente contínua em corrente alternada (AC), objeto da presente invenção, compreende um circuito ressonante LC em série constituído por um capacitor (C) e um indutor (L).

[019] O indutor (L) compreende uma bomba vibratória cuja bobina é associada ao capacitor (C) (painel fotovoltaico) que opera em frequência ressonante com a indutância da bomba (L).

[020] Um sensor de tensão (v1) monitora a defasagem no indutor (L) e envia os dados para o microcontrolador (M).

[021] Uma ponte H de transistores MOSFETs (S1, S2, S3 e S4) de baixa tensão gera onda quadrada em AC para a carga LC.

[022] Um circuito microcontrolador (M) dotado de um programa de computador controla e aciona os transistores (S1, S2, S3 e S4).

[023] Um sensor é instalado na boia (sb), enviando os dados de abertura e fechamento ao microcontrolador (M).

[024] No microcontrolador (M) são armazenados os parâmetros relacionados ao fator de potência desejado para a operação do circuito ressonante LC.

[025] O sensor de tensão (v1) mede a tensão de entrada na bomba (L) e envia os dados para o microcontrolador (M).

[026] Quando o programa de computador instalado no microcontrolador (M) identifica um aumento ou diminuição do fator de potência da bomba (L), pela tensão detectada pelo sensor de tensão (v1), é verificado se a boia está aberta por meio de sinal recebido do sensor (sb) e o módulo corretor de fator de potência dinâmico altera a frequência de saída de 55 a 65Hz, consequentemente alterando a reatância capacitiva de forma inversa à reatância indutiva da bomba compensando assim a potência reativa indutiva na bomba (L) e o consumo de energia do painel fotovoltaico fica apenas com corrente ativa (o que realmente gera trabalho), essa correção é alcançada através do parâmetro de defasagem da tensão de saída previamente programado no microcontrolador (M).

[027] Quando a corrente na bomba (L) estiver no valor programado no microcontrolador (M), o microcontrolador (M) para de incrementar a frequência, evitando sobrecarga. Caso altere a pressão de trabalho da bomba (L), a defasagem tensão-corrente muda e o microcontrolador (M) desloca a frequência, de forma a corrigir essa defasagem, havendo um ganho considerável no bombeamento utilizando a mesma energia originada no painel fotovoltaico.

[028] Quando a irradiação solar reduz, consequentemente reduzindo a tensão de entrada, o microcontrolador (M) reduz a frequência para aliviar a corrente.

[029] Caso mude a pressão que a bomba (L) opera, o microcontrolador (M) corrige a frequência para, por consequência, corrigir o fator de potência, eliminando correntes reativas parasitas.

[030] Portanto, o incremento de frequência é realizado sempre que três condições forem satisfeitas: (1) corrente de saída abaixo do programado no microcontrolador (M); (2) defasagem da tensão na bobina da bomba (L) menor que a programada no microcontrolador (M) e (3) irradiação solar de sobra. Pelo menos uma das condições não atendida implica em defasagem de tensão da bobina da bomba (L), devendo ser incrementada ou decrementada a frequência.

[031] Testes foram realizados variando a pressão da bomba, sendo mantido o controle de fator de potência dinâmico desativado (Tabela 1) e o controle do fator de potência dinâmico ativado (Tabela 2).

[032] Tabela 1 - controle do fator de potência desativado

[033] Tabela 2 - controle do fator de potência ativado

[034] Conforme apresentado na Tabela 1, ao ser ajustada a frequência máxima para obter melhor desempenho em 20 MCA, as demais faixas tiverem diminuição de desempenho.

[035] Na tabela 2, com o controle do fator de potência ativado, todas as faixas de pressão da bomba tiveram ganho de desempenho, chegando a 38,35%.

Claims

1. SISTEMA DE CONVERSÃO DE CORRENTE CONTÍNUA EM CORRENTE ALTERNADA caracterizado por compreender: a) um circuito ressonante LC em série constituído por um capacitor (C) e uma bomba vibratória (L) cuja bobina é associada ao capacitor (C) que opera em frequência ressonante com a indutância da bomba (L); b) um sensor de tensão (v1) que monitora a defasagem no indutor (L); c) um microcontrolador (M) dotado de um programa de computador que recebe os dados do sensor de tensão (v1) e controla e aciona os transistores (S1, S2, S3 e S4) da ponte H de transistores MOSFETs de baixa tensão que gera onda quadrada em AC para a carga LC; d) um sensor instalado na boia (sb) que envia os dados de abertura e fechamento ao microcontrolador (M).

2. MÉTODO DE CONVERSÃO DE CORRENTE CONTÍNUA EM CORRENTE ALTERNADA utilizando o sistema reivindicado em 1, caracterizado por compreender as etapas de: a) sensor de tensão (v1) mede a tensão de entrada na bomba (L) e envia os dados para o microcontrolador (M); b) microcontrolador (M) identifica um aumento ou diminuição do fator de potência da bomba (L) c) microcontrolador (M) identifica se a boia está aberta por meio do sinal do sensor de boia (sb); d) módulo corretor de fator de potência dinâmico altera a frequência de saída de 55 a 65Hz até alcançar o parâmetro de defasagem da tensão de saída previamente programada no microcontrolador (M) por meio do acionamento dos transistores (S1, S2, S3 e S4) da ponte H de transistores MOSFETs de baixa tensão que gera onda quadrada em AC para a carga LC; e) quando a corrente na bomba (L) estiver no valor programado no microcontrolador (M), o microcontrolador (M) para de incrementar a frequência.