minha dissertacao 26-5-09 -...
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Agradecimentos
iii
Agradecimentos
Aqui deixo o meu agradecimento às pessoas que mais contribuíram para o
sucesso desta dissertação.
Ao meu orientador Professor Manuel João Sepúlveda Freitas, por toda a ajuda,
incentivo e apoio, bem como as sugestões e críticas dadas no decorrer do trabalho as
quais foram determinantes para o sucesso final.
Aos meus colegas de laboratório Carlos Silva, Daniel Santos e Ricardo Sá,
incansáveis na ajuda e no apoio, bem como o bom ambiente sempre presente.
Aos técnicos das oficinas pelos apoios dados ao longo de todo o meu percurso
académico.
Aos demais colegas que, desde o primeiro dia me ajudaram e me deram força
para a chegada ao fim de meu percurso académico.
Aos meus pais, António Gonçalves, Maria Armanda e demais família, pelo
apoio e coragem dadas ao longo de todo este tempo.
À Cândida Lourenço por esperar pacientemente e por me ajudar e estar sempre
ao meu lado nos bons e maus momentos.
Ao meu avô Félix Fernandes, pela coragem e amizade transmitida ao longo de toda a vida.
Pensamento
v
“Não são as ervas más que
afogam a boa semente, e sim a
negligência do lavrador.”
Confúcio
Resumo
vii
Resumo
A energia eléctrica provém maioritariamente de grandes centrais térmicas e
hidroeléctricas distanciadas dos pontos onde é consumida, tendo de ser transportada até
aos locais de consumo. Assim sendo, tem havido alguns esforços por várias entidades
para começar a haver uma produção local de energia eléctrica, principalmente para
pequenos consumos ou para locais de difícil acesso onde se torna bastante vantajoso
este tipo de aplicações.
Dia após dia, o consumo energético tem vindo a aumentar devido ao crescente
apoio das tecnologias e dos bens pessoais que cada um adquire. Assim, os governos de
diversos países têm vindo a apostar cada vez mais em fontes de energia renovável, em
detrimento das tradicionais centrais térmicas e termonucleares que são prejudiciais para
o planeta e para o ser humano.
Com este projecto pretende-se conceber, desenvolver e testar um sistema gerador
de energia eléctrica baseado em alternador de velocidade de accionamento variável,
juntamente com um sistema electrónico de potência capaz de converter a tensão de
amplitude e frequência variável do alternador numa tensão compatível com a rede
eléctrica.
O sistema gerador desenvolvido será uma unidade independente capaz de ser
acoplada a uma máquina primária rotativa, como por exemplo, uma turbina hidráulica,
constituindo o conjunto uma central micro-hídrica.
Para o desenvolvimento deste projecto foram efectuados estudos e elaboração de
conversores CC-CC (corrente contínua – corrente contínua) para elevar a tensão de
saída do gerador, bem como inversores CC-CA (corrente contínua – corrente
alternada) comutados para adaptação da tensão de saída. Também foi elaborado um
filtro LC (indutivo e capacitivo) para diminuir a distorção da tensão de saída e utilizado
um transformador para adequar níveis de tensão desejados.
Palavras-chave: Alternador, Conversor CC-CC, Conversor CC-CA, Fontes de
Energia Renovável, Modulação de Largura de Impulso (PWM).
Abstract
ix
Abstract
The electric energy is essentialy provided from large hydroelectric and thermal
power stations located at a considerable distance where it is consumed. Because of this
it has to be transported to the places of consumption. Accordingly, there has been some
effort by several entities to start having a local production of electricity, mainly for
consumption in small places of difficult access where such applications are very
advantageous.
Day after day the energy consumption increases because of the growing use of
technology and personal electronic devices that each one acquires. Therefore,
governments of various countries have been betting increasingly on renewable sources
of energy, to the detriment of traditional and thermonuclear power stations that are
harmful to the planet and to human beings.
This project aims to design, develop and test a system to create an electrical power
generator based on the variable speed drive, along with a power electronics system,
capable to convert an alternator voltage which is variable in frequency and amplitude
into a voltage with constant amplitude and frequency compatible with de electric
network.
The developed system, will be an independent unit, capable of being coupled to a
primary rotating machine, such as a hydraulic turbine, constituting the set, a
micro-hydroelectric power station.
For the development of this project several studies have been made. It was studied,
DC-DC converters to increase the output voltage of the generator, a DC-AC inverter to
adjust the output voltage. It was also prepared an LC filter (inductive and capacitive) to
reduce the distortion of the output voltage. At last it was used a transformer to adjust the
output voltage to the desired levels.
Keywords: Alternator, DC-DC Converter, DC-AC converter, renewable energy,
Pulse Width Modulation (PWM).
Índice
xi
Índice
Agradecimentos............................................................................................................................. iii Resumo ........................................................................................................................................ vii Abstract ......................................................................................................................................... ix Índice ............................................................................................................................................. xi Índice Figuras ............................................................................................................................... xv Índice de Tabelas ........................................................................................................................ xix Lista de acrónimos e abreviaturas .............................................................................................. xxi
Capítulo 1 Introdução ................................................................................................................. 1
1.1.Identificação do Problema .......................................................................................... 1
1.2.Motivação do Estudo .................................................................................................. 2
1.3.Objectivos do Trabalho .............................................................................................. 3
1.4.Organização da Tese ................................................................................................. 4
Capítulo 2 Fontes de Energia ..................................................................................................... 5
2.1.Introdução .................................................................................................................. 5
2.2.Tipos de Geradores .................................................................................................... 5
2.2.1.Geradores Corrente Alternada ........................................................................... 5
2.2.2.Geradores Corrente Contínua ............................................................................ 9
2.2.3.Gerador assíncrono .......................................................................................... 10
2.2.4.Alternador Automóvel ....................................................................................... 11
2.2.4.1.Principais constituintes de um gerador síncrono ........................................... 11
2.2.4.2.Princípios de funcionamento ......................................................................... 13
2.3.Estudo do Mercado .................................................................................................. 16
2.3.1.Energia Eólica ................................................................................................... 16
2.3.2.Energia Hídrica ................................................................................................. 19
Capítulo 3 Conversores ............................................................................................................ 23
3.1.Introdução ................................................................................................................ 23
3.2.Topologias de Conversores ..................................................................................... 24
3.3.Conversores CC-CC com Isolamento ...................................................................... 24
Índice
xii
3.4.Conversores CC-CC sem Isolamento ...................................................................... 25
3.4.1.Conversor Step-Down ....................................................................................... 25
3.4.2.Conversor Step-Up ........................................................................................... 25
3.4.2.1.Estado de Condução Contínua ...................................................................... 26
3.4.2.2.Limiar de continuidade ................................................................................... 28
3.4.2.3.Estado de Condução Descontínua ................................................................ 30
3.4.2.4.Características da não idealização dos elementos ....................................... 31
3.4.2.5.Ripple da tensão de saída ............................................................................. 32
3.4.3.Conversor Step-Up/Down ................................................................................. 32
3.5.Métodos de Controlo de Conversores CC ............................................................... 33
3.6.Topologias de Inversores ......................................................................................... 34
3.6.1.Topologia VSI 2 níveis ...................................................................................... 35
3.6.2.Topologia multi-nível ......................................................................................... 35
3.6.3.Topologia VSI com Braços Monofásicos .......................................................... 36
3.6.4.Técnicas de comutação dos interruptores ........................................................ 37
3.6.5.PWM sinusoidal ................................................................................................ 37
3.6.5.1.Modulação síncrona de dois níveis ............................................................... 37
3.6.5.2.Modulação síncrona de três níveis ................................................................ 39
3.6.5.3.Modulação assíncrona de dois níveis ............................................................ 40
Capítulo 4 Simulação do Sistema ............................................................................................ 43
4.1.Introdução ................................................................................................................ 43
4.2.Conversor CC-CC .................................................................................................... 44
4.3.Inversor Trifásico ...................................................................................................... 47
4.3.1.Simulação do sistema em malha aberta ........................................................... 49
4.3.2.Simulação malha fechada ................................................................................. 52
Capítulo 5 Montagem Experimental ........................................................................................ 59
5.1.Introdução ................................................................................................................ 59
5.2.Microcontrolador ....................................................................................................... 59
5.3.Conversor CC-CC .................................................................................................... 61
5.3.1.Diodo ................................................................................................................. 62
Índice
xiii
5.3.2.Bobina ............................................................................................................... 63
5.3.3.IGBT .................................................................................................................. 64
5.3.4.Condensador de entrada .................................................................................. 65
5.3.5.Condensador de saída ...................................................................................... 65
5.3.6.Circuito de drive ................................................................................................ 66
5.3.7.Controlo Step-Up .............................................................................................. 66
5.4.Snubber .................................................................................................................... 67
5.5.Inversor Trifásico ...................................................................................................... 68
5.6.Malha Fechada ......................................................................................................... 69
5.7.Circuito de drive ....................................................................................................... 72
5.8.Filtro .......................................................................................................................... 73
5.9.Transformador e Variac ............................................................................................ 75
Capítulo 6 Resultados Experimentais ..................................................................................... 77
6.1.Introdução ................................................................................................................ 77
6.2.Alternador de Automóvel .......................................................................................... 77
6.3.Conversor CC-CC .................................................................................................... 78
6.4.Snubber do Conversor CC ....................................................................................... 80
6.5.Inversor Trifásico ...................................................................................................... 82
Capítulo 7 Conclusões e Trabalho Futuro .............................................................................. 89
7.1.Conclusões ............................................................................................................... 89
7.2.Trabalho futuro ......................................................................................................... 90
Bibliografia ................................................................................................................................... 92 Anexos I ....................................................................................................................................... 95
Índice Figuras
xv
Índice Figuras
Fig. 1-1 Moinhos de água[1] ............................................................................................ 2
Fig. 1-2 Moinho de vento[2] ............................................................................................ 3
Fig. 2-1 Deslizamento do motor/gerador[5] ..................................................................... 9
Fig. 2-2 Gerador Síncrono [10] ...................................................................................... 11
Fig. 2-3 Pólos do Rotor Salientes (a), Lisos (b)[10] ....................................................... 12
Fig. 2-4 Circuito Equivalente Maquina Síncrona[8] ...................................................... 15
Fig. 2-5 Gerador Eólica Southwest Windpower ............................................................. 16
Fig. 2-6 Gerador Eólica Air ............................................................................................ 17
Fig. 2-7 Gerador Eólica R 2,4-ZW600 ........................................................................... 18
Fig. 2-8 Gerador Eólico AMPAIR[12] ........................................................................... 18
Fig. 2-9 Gerador FCD-XJ25-3.0DGCTF4-Z .................................................................. 20
Fig. 2-10 Gerador XJ14-0.3DCT4-Z .............................................................................. 20
Fig. 2-11 Gerador EV-LPE 500-100 CC ........................................................................ 21
Fig. 3-1 Conversor Step-Down[17] ................................................................................ 25
Fig. 3-2 Conversor Step-Up[17] ..................................................................................... 26
Fig. 3-3 Corrente na Bobine do Step-Up [17] ................................................................ 26
Fig. 3-4 Conversor com Interruptor Desligado .............................................................. 27
Fig. 3-5 Conversor com Interruptor Ligado ................................................................... 27
Fig. 3-6 Limiar Continuidade Corrente Bobina (a); Representação Corrente (b) [17] .. 29
Fig. 3-7 Modo Descontinuo [17] .................................................................................... 30
Fig. 3-8 Característica da saída em condução contínua e descontínua. [17] .................. 31
Fig. 3-9 Limitação dos elementos usados [17] ............................................................... 31
Fig. 3-10 Ripple da tensão de saída [17] ........................................................................ 32
Fig. 3-11 Conversor Step-Up/Down[17] ........................................................................ 33
Fig. 3-12 Método PWM ................................................................................................. 34
Fig. 3-13 Topologia VSI (a) Topologia CSI (b) [18] ..................................................... 35
Fig. 3-14 Principio funcionamento [18] ......................................................................... 36
Fig. 3-15 Topologia VSI com braços monofásicos[18] ................................................. 36
Fig. 3-16 Modulação síncrona de dois níveis [19] ......................................................... 38
Fig. 3-17 Modulação Linear (a), Modulação Síncrona (b)[19] ...................................... 38
Índice Figuras
xvi
Fig. 3-18 Modulação síncrona de três níveis[19] ........................................................... 39
Fig. 3-19 Modulação Linear (a), Modulação Sinusoidal (b)[19] ................................... 40
Fig. 3-20 Modulação Assíncrona[19] ............................................................................. 41
Fig. 4-1 Simulink/SimPowerSystems ............................................................................. 44
Fig. 4-2 Step-Up simulado ............................................................................................. 44
Fig. 4-3 Tensão e Corrente de entrada ............................................................................ 45
Fig. 4-4 Corrente no condensador .................................................................................. 46
Fig. 4-5 Características da saída ..................................................................................... 46
Fig. 4-6 Queda de tensão no semi-condutor Vce............................................................ 47
Fig. 4-7 Diagrama de Blocos .......................................................................................... 47
Fig. 4-8 Divisão do conversor CC/CA ........................................................................... 48
Fig. 4-9 Conversor trifásico ............................................................................................ 49
Fig. 4-10 Controlo malha aberta ..................................................................................... 50
Fig. 4-11 Diagrama de blocos malha aberta ................................................................... 50
Fig. 4-12 Tensão (a) e Corrente (b) numa carga de R=1000Ω ....................................... 51
Fig. 4-13Tensão (a), Corrente (b) numa carga de R=500Ω ............................................ 51
Fig. 4-14 Tensão (a), Corrente (b) numa carga de R=100Ω ........................................... 52
Fig. 4-15 Divisão circuito conversor CC-CA ................................................................. 52
Fig. 4-16 Circuito representativo do controlador P ........................................................ 53
Fig. 4-17 Tensões base de um controlador P .................................................................. 54
Fig. 4-18 Tensão, Corrente numa carga de R=1000Ω .................................................... 54
Fig. 4-19 Tensão, Corrente numa carga de R=500Ω ...................................................... 55
Fig. 4-20 Tensão, Corrente numa carga de R=100Ω ...................................................... 55
Fig. 4-21 Tensão, Corrente numa carga de R=300Ω ...................................................... 56
Fig. 4-22 Potência consumida por cada fase .................................................................. 56
Fig. 4-23 Tensão e Corrente numa carga 0,8indutiva..................................................... 57
Fig. 4-24 Desfasamento entre corrente e tensão na Fase ................................................ 57
Fig. 4-25 Tensão (a), Corrente (b) em rectificadores com filtro capacitivo. .................. 58
Fig. 5-1 Diagrama de blocos do sistema implementado ................................................. 59
Fig. 5-2 Esquema de ligações do PIC18F4431 [28] ....................................................... 60
Fig. 5-3 Circuito programador ........................................................................................ 61
Fig. 5-4 Diodo do Step-Up [20] ..................................................................................... 62
Fig. 5-5Comparação entre vários semi-condutores [17] ................................................ 64
Fig. 5-6 Símbolo IGBT [21] ........................................................................................... 64
Índice Figuras
xvii
Fig. 5-7 Circuito drive [22] ............................................................................................ 66
Fig. 5-8 Fluxograma do controlo .................................................................................... 67
Fig. 5-9 Snubber RCD [17] ............................................................................................ 68
Fig. 5-10 Circuito inversor implementado ..................................................................... 69
Fig. 5-11 Esquema de LV25-P [23]................................................................................ 70
Fig. 5-12 Circuito somador [24] ..................................................................................... 71
Fig. 5-13 Malha fechada ................................................................................................. 72
Fig. 5-14 Saída do somador ............................................................................................ 72
Fig. 5-15 Circuito drive de um braço do conversor[25] ................................................. 73
Fig. 5-16 Filtro trifásico sem neutro ............................................................................... 74
Fig. 5-17 Filtro trifásico com neutro .............................................................................. 74
Fig. 6-1 Alternador de Automóvel [26] .......................................................................... 77
Fig. 6-2 Relação RPM/Corrente ..................................................................................... 78
Fig. 6-3 Relação entrada/saída........................................................................................ 79
Fig. 6-4 Tensão na saída do conversor ........................................................................... 80
Fig. 6-5 Tensão de saída bateria ..................................................................................... 80
Fig. 6-6 Forma de onda Vce sem snubber ...................................................................... 81
Fig. 6-7 Forma de onda Vce com snubber ..................................................................... 81
Fig. 6-8 Saída do filtro .................................................................................................... 82
Fig. 6-9 Conteúdo harmónico ......................................................................................... 83
Fig. 6-10 Tensão aplicada a uma carga R=2200Ω ......................................................... 83
Fig. 6-11 Tensão aplicada a uma carga R=320Ω ........................................................... 84
Fig. 6-12 Tensão aplicada a uma carga R=32Ω ............................................................. 84
Fig. 6-13 Saída do transformador em vazio ................................................................... 85
Fig. 6-14 Conteúdo harmónico na saída do transformador ............................................ 86
Fig. 6-15 Tensão aplicada a lâmpadas 40W ................................................................... 86
Fig. 6-16 Conteúdo harmónico lâmpadas de 40W ......................................................... 87
Fig. 6-17 Tensão aplicada a carga 320Ω ........................................................................ 88
Fig. 6-18 Conteúdo harmónico de carga 320Ω .............................................................. 88
Índice Tabelas
xix
Índice de Tabelas
Tabela 2-1 Ligação de geradores CA[4] .......................................................................... 6
Tabela 2-2 Características Geradores AMPAIR [12] ..................................................... 19
Tabela 5-1 Características do Step-Up ........................................................................... 62
Tabela 5-2 Características das bobines ........................................................................... 63
Tabela 5-3 Principais características IGBT [21] ............................................................ 65
Tabela 5-4 Características Sensor LV25-P [23] ............................................................. 70
Tabela 6-1 Rendimento do conversor ............................................................................. 79
Acrónimos e Abreviaturas
xxi
Lista de acrónimos e abreviaturas
V Volt
Hz Hertz
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CA-CA Corrente Alternada - Corrente Alternada
CC-CA Corrente Alternada – Corrente Contínua
CA-CC Corrente – Contínua – Corrente alternada
CC-CC Corrente – Contínua – Corrente Contínua
LC Indutivo e Capacitivo
PWM Pulse Width Modulation
Ea Tensão armadura
If Corrente de campo
Velocidade rotação
Frequência
Número de pólos
Tensão induzida aos terminais do condutor
Número de enrolamentos do condutor
Variação do fluxo
Variação do tempo
Potencia Aparente
Tensão de Linha
Corrente de Linha
Potência Activa
cos Factor de Potência
Rendimento
Potência Mecânica fornecida ao gerador pela turbina.
Potência das perdas no motor
Frequência
Velocidade da Máquina Síncrona
Acrónimos e Abreviaturas
xxii
Número de Pólos da Máquina Síncrona
Tensão induzida no estator
Reactância devido ao efeito de reacção de armadura.
Reactância de dispersão do enrolamento da fase
Tensão aos terminais do gerador por fase
Corrente
Resistência do enrolamento
UPS Uninterruptible Power Supply
Tensão de alimentação
Tensão de Saída
Parcela de tempo em que o interruptor se encontra no estado desligado
Parcela de tempo em que o interruptor se encontra no estado ligado
Inverso da frequência de comutação
Duty-Cycle
Potência de Saída
Potência de Entrada
Corrente de Saída
Corrente de Entrada
Corrente na Bobina
. Valor Máximo da Corrente
Coeficiente de auto-indução da bobina
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
Mosfet Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
Constante de tempo
FM Modulação por frequência
VSI Voltage Source Inverter
CSI Current Source Inverter
DVR Dynamic Voltage Restorer
Tensão do barramento CC
Tensão fase neutro
MLI Modulação da largura do impulso
Valor eficaz da tensão composta
Índice de modulação
Acrónimos e Abreviaturas
xxiii
A Ampere
R Resistência
Tensão de pico
ms milissegundos
W Watt
ADC Analog Digital Converter
F Farad
Tensão colector emissor
Capacidade
Tempo que o interruptor demora a sair de condução
Relação de transformação
Enrolamentos do lado primário e secundário
Tensões de entrada e de saída
THD Total Harmonic Distortion
RPM Rotações por minuto
Fig. Figura
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 1
Capítulo 1 Introdução
1.1. Identificação do Problema
Com o crescimento da população e da utilização de equipamentos para os diversos
sectores de trabalho e conforto pessoal, vem sendo cada vez mais necessária a criação
de novas fontes de energia, bem como o bom aproveitamento das fontes já existentes.
A maior parte da actual produção de energia eléctrica é proveniente de grandes
centrais hidroeléctricas, centrais térmicas e centrais nucleares que estão, na maior parte
dos casos, bastante longe dos locais de consumo, sendo transportada até esses locais
através de linhas de transporte. Assim sendo, pequenos locais onde é difícil a alocação
de energia, vinda dessas grandes centrais, estão até ao momento dependentes de outras
formas de energia (geradores, baterias e demais fontes). Uma das fontes de energia mais
comuns são os geradores de combustão pois são aparelhos bastante fiáveis e são
conseguidos a preços bastantes reduzidos. O maior problema desses aparelhos é que
consomem produtos petrolíferos os quais, nos últimos tempos, têm vindo a sofrer
grandes aumentos e são poluentes para o ambiente, o que leva a que cada vez mais este
tipo de aplicações caia em desuso e sejam procurados novas formas de produção.
Actualmente, estão em implementação várias formas de produção de energia amiga
do ambiente, chamadas energias renováveis. Este tipo de energia está cada vez mais em
expansão por diversos motivos. Primeiro, porque não pioram a situação do planeta em
termos de poluição ambiental pois para a produção de energia não existe qualquer tipo
de poluição atmosférica. Além disso, são renováveis, ou seja, a sua produção é
facilmente reposta à escala humana. Outra das grandes vantagens actuais são os
incentivos dados pelos governos de diversos países que tem vindo a apoiar este tipo de
iniciativas. Com este propósito já existem no mercado várias soluções possíveis: micro
eólicas, painéis fotovoltaicos, etc.
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
2 Universidade do Minho
1.2. Motivação do Estudo
Cada vez mais a população está dependente da energia vinda das diversas fontes de
energia eléctricas, para aplicação em diversos aparelhos que a ajudam dia após dia, quer
em termos profissionais quer no conforto pessoal. Assim sendo, é de extrema
importância que na maioria dos locais de trabalho existam fontes de energia
independentemente do local de produção. Por estas razões torna-se importante que, em
locais de difícil acesso, existam fontes de energia própria para assim facilitar a sua
utilização aproveitando alguns recursos já existentes, como por exemplo os moinhos a
vento e moinhos de água, onde já existem veios de rotação que podem ser aproveitados
para produção de energia mecânica.
Os moinhos de água podem ser de eixo horizontal ou de eixo vertical como
demonstra a Fig. 1-1. Em ambos os casos pode-se acoplar um sistema gerador de
energia ao eixo do moinho. Um pouco à imagem dos moinhos de água, os moinhos de
vento têm um funcionamento semelhante tendo características semelhantes Fig. 1-2.
Fig. 1-1 Moinhos de água[1]
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 3
Fig. 1-2 Moinho de vento[2]
A escolha do tipo de gerador a ser utilizado tem de ter em atenção os seguintes
aspectos: a velocidade de rotação, amplitude da tensão gerada, tipo de carga a alimentar,
potência gerada, ambiente da instalação, etc.
Baseado nos sistemas atrás referidos ou em sistemas novos, onde existe um veio de
rotação para ser aplicado o sistema gerador, foi estudado e desenvolvido um protótipo
para possível aplicação num sistema rotativo. O sistema a desenvolver irá fornecer uma
tensão equivalente à rede eléctrica nacional (230V 50Hz).
1.3. Objectivos do Trabalho
Este trabalho tem como principais objectivos:
Efectuar um estudo de diferentes tipos de gerador de energia e principais
características.
Efectuar o estudo de várias topologias de conversores CC-CC e CC-CA
existentes e suas características, com especial relevo para a topologia
elevadora de tensão (Step-Up) e para a topologia VSI a 2 níveis.
Simular computacionalmente o conversor CC-CC elevador e o inversor
trifásico em diversas condições de operação.
Implementar os sistemas de controlo para o conversor e para o inversor
trifásico bem como os respectivos interfaces.
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
4 Universidade do Minho
Comparar os resultados simulados com os resultados obtidos no protótipo
desenvolvido.
1.4. Organização da Tese
Esta tese de Dissertação encontra-se dividida em 7 capítulos.
O Capítulo 1 faz uma breve apresentação do trabalho e os motivos que levaram a
realização do mesmo. Também são apresentadas as tarefas que vão ser estudadas e
implementadas.
O Capítulo 2 é constituído pelo estudo de geradores de energia eléctrica, seus
princípios de funcionamentos e principais características. É feita uma análise mais
aprofundada sobre o alternador de automóvel visto ser o gerador utilizado neste
trabalho.
O Capítulo 3 retrata as principais topologias de conversores CC-CC bem como as
topologias de inversores trifásicos e suas principais características. Tem como
finalidade a demonstração dos conversores que existem, evidenciando com mais rigor o
Step-Up e Inversor trifásico com neutro.
O Capítulo 4 faz uma pequena apresentação do simulador utilizado (MATLAB) e
apresenta as várias simulações efectuadas neste trabalho, não só do conversor CC-CC
mas também do inversor trifásico.
O Capítulo 5 apresenta as montagens efectuadas e os cálculos dos componentes
utilizados ao longo do trabalho.
O Capítulo 6 apresenta os resultados dos trabalhos propostos e uma breve
conclusão dos resultados obtidos.
O Capítulo 7 apresenta as conclusões deste trabalho e algumas sugestões de
trabalhos futuros.
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 5
Capítulo 2 Fontes de Energia
2.1. Introdução
Para se obter energia eléctrica é necessário haver outra fonte de energia,
nomeadamente a hídrica, térmica, eólica, entre outras. Através delas é possível fazer
girar uma turbina a qual se encontra ligada a um gerador de energia eléctrica.
Um gerador é classificado pelo tipo de energia eléctrica que vai gerar.
Fundamentalmente existem 2 tipos de geradores eléctricos: geradores de corrente
contínua usualmente conhecidos por dínamos, e geradores de corrente alternada
usualmente chamados de alternadores.
2.2. Tipos de Geradores
Desde a descoberta da primeira máquina eléctrica muitas outras foram
desenvolvidas e aperfeiçoadas, sendo que nos dias de hoje existe uma série diversificada
de motores e geradores eléctricos.
2.2.1. Geradores Corrente Alternada
Devido à facilidade de utilização, facilidade de ligação à rede, fiabilidade,
comodidade, baixo ruído de operação, os motores e os geradores CA têm uma utilização
mundial muito elevada. Os geradores CA podem ser divididos principalmente em dois
tipos: assíncronos e síncronos.
Gerador CA
Assíncrono (de indução)
Trifásico
Monofásico
Síncrono
Trifásico
Monofásico
Um tipo de máquina muito importante é o gerador síncrono, pelas suas
características de funcionamento, nomeadamente o rendimento. Actualmente trata-se da
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
6 Universidade do Minho
máquina mais utilizada em centrais hídricas e mini-hídricas embora possa muitas vezes
não ser a solução adoptada.
O aparecimento das centrais hídricas e mini-hídricas levaram ao desenvolvimento
do gerador síncrono e da sua utilização, sendo o que melhor se adequava, pois nessa
altura o gerador assíncrono e as formas de o controlar, não estavam tão desenvolvidas
como actualmente. Assim sendo, tornava-se numa solução não muito viável, em
comparação com o gerador síncrono.[3]
Para escolher um gerador eléctrico é necessário ter em atenção vários factores
(velocidade rotação, potência, tensão gerada, entre outras), sendo que um dos principais
é a velocidade de rotação da turbina pois vai influenciar directamente a frequência da
tensão gerada. Dependendo da fonte de energia alternativa que se possa estar a usar,
pode-se ou não controlar esse factor. Controlando a velocidade de rotação da turbina
está-se a interferir na velocidade de rotação do gerador e assim afectar a frequência de
saída. Em caso de utilização de energia hídrica, esse problema pode ser facilmente
resolvido, controlando o caudal de água que faz mover a turbina. No entanto, se a
energia que está a ser utilizada for a eólica não se pode dominar a velocidade do vento
nem quando aparece, logo é necessário utilizar outra estratégia. Para resolver este tipo
de problemas sem ter de recorrer ao controlo directo da energia que vai ser usada como
fonte, pode-se recorrer à Electrónica de Potência e seguir um dos métodos apresentados
na Tabela 2-1, podendo estes ser usados em geradores síncronos ou assíncronos.
Principais constituintes do sistema:
Gerador assíncrono
Gerador síncrono
Gerador de ímans permanentes
Desmultiplicador de velocidade
Turbina eólica ou hídrica
Tabela 2-1 Ligação de geradores CA[4]
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 7
Os métodos apresentados na tabela apresentam vantagens e desvantagens na
utilização dos mesmos. Assim sendo, vão ser enumeradas as principais características:
Situação 1: ligação directa à rede
Neste tipo de ligação o gerador é ligado directamente à rede eléctrica. Trata-se de
um sistema muito comum o qual precisa de ter compensação da energia reactiva. Tem
como principal vantagem a não inserção de harmónicos na rede eléctrica. Também se
trata de um sistema robusto, mas pouco flexível. A turbina tem de girar a uma
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
8 Universidade do Minho
velocidade aproximadamente constante. È constituído por um gerador assíncrono com
rotor em gaiola de esquilo.[4]
Situação 2 e 3: ligação à rede eléctrica através de conversores
Esta ligação simplifica o desenvolvimento da turbina e a velocidade a que esta pode
operar, pois pode ser variável. A ligação à rede eléctrica é conseguida através de
conversores, os quais podem ser do tipo CA-CA ou CA-CC e CC-CA, podendo ter
assim na saída tensões e frequências variáveis. Tem a desvantagem de poder injectar
harmónicos na rede. Podem também inserir na rede componentes de energia reactiva
variável e programada. È utilizado um gerador assíncrono com rotor em gaiola de
esquilo.[4]
Situação 4 e 5: ligação directa à rede eléctrica
São utilizados geradores assíncronos com rotor bobinado que estão directamente
ligados à rede eléctrica. Na situação 4, o controlo é feito no rotor, ajustando o
deslizamento do gerador com electrónica de potência. Quando se obtém um
deslizamento negativo o motor passa a funcionar como gerador, como se pode ver na
Fig. 2-1. Na situação 5, trata-se de um circuito de extracção de potência pelo rotor
conhecido como doudle fed generator. Ambas as situações podem injectar na rede
potência reactiva variável e programada.[4]
Situação 6: ligação directa à rede eléctrica
É formado por um gerador síncrono com ligação directa à rede eléctrica, é usada
uma caixa de velocidades. É comum o uso desta ligação em pequenos geradores. É uma
ligação robusta, bastante fiável e não injecta harmónicos na rede.[4]
Situação 7 e 8: ligação à rede através de conversor
Nestas ligações, o gerador tem entre ele e a rede eléctrica um ou mais conversores.
Na situação 7 é usado o desmultiplicador de velocidade sendo o restante esquema igual
ao da situação 8. Pode funcionar a velocidade variável, são ligações que podem
introduzir harmónicos na rede eléctrica devido as uso de conversores do tipo AC-
CC/CC-CA ou somente CA-CA.[4]
Situação 9 e 10: Ligação directa à rede
São utilizados geradores síncronos com ímans permanentes que se encontram
ligados à rede eléctrica por conversores. Estes podem ser do tipo CA-CC/CC-CA ou
CA-CA. Normalmente não usa desmultiplicador de velocidade e não tem excitador pois
são máquinas de ímans permanentes. São sistemas para baixa potência, uma vez que são
raros e é dispendioso usar ímans para máquinas de potência elevada. [4]
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 9
A Fig. 2-1 mostra a curva de deslizamento de um motor/gerador.
Fig. 2-1 Deslizamento do motor/gerador[5]
2.2.2. Geradores Corrente Contínua
Foi no ano de 1886 que foi inventado o primeiro gerador CC auto-induzido através
do cientista alemão Werner von Siemens, designando-se esse como o ano da descoberta
da máquina eléctrica. Desde aí foi objecto de estudo de muitos outros cientistas durante
vários anos.[6]
O motor/gerador de corrente contínua foi um marco importante na história da
electricidade. Aquando da sua descoberta e desenvolvimento, nasceram outros
equipamentos CC e a descoberta do motor/gerador CA.[6]
Actualmente, o gerador CC é cada vez menos usado. Face aos grandes
desenvolvimentos do gerador CA, pode-se considerar que o gerador CC está limitado a
pequenas aplicações como instantes de frenagem e inversão de motores.[7]
O gerador CC possui várias configurações de excitação que estão presentes de
seguida.
Geradores CC (corrente contínua)
Série
Independente
Shunt ou paralelo
Composto
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
10 Universidade do Minho
As configurações série, shunt ou paralelo e composto precisam de algum
magnetismo residual para poderem funcionar como geradores. Com esse magnetismo, é
criada uma pequena tensão inicial (Ea) que permite a produção de uma corrente de
campo (If), fazendo aumentar o fluxo, permitindo a geração de uma tensão Ea maior até
ser atingido o ponto de equilíbrio. Um ponto importante é o sentido dos fluxos (fluxo
residual e fluxo criado por If). Estes têm de possuir o mesmo sentido para se somarem e
assim a máquina gerar mais tensão Ea. Caso os fluxos tenham sentidos diferentes não é
gerada qualquer tensão (Ea).
A configuração independente depende somente da alimentação do enrolamento
independente através de uma fonte externa.[8]
2.2.3. Gerador assíncrono
A máquina de indução é um equipamento muito utilizado, sendo de grande
fiabilidade e robustez. É de construção simples (pelo menos os de rotor em gaiola de
esquilo) e o preço é inferior ao das outras máquinas rotativas. A sua utilização até há
uns anos atrás era somente como motor CA por se tratar de um sistema bastante
simples.
O gerador assíncrono começou há poucos anos a ser utilizado em grande escala na
geração de energia eléctrica. Este facto deve-se à dificuldade de manter o gerador a
gerar tensão em amplitude e frequência constante para velocidades de rotação variáveis.
Com o desenvolvimento da electrónica de potência e de controlo, estes problemas
tendem a ser ultrapassados, pois cada vez mais são desenvolvidos novos métodos e
apurados os métodos mais usados obtendo-se melhores resultados e rendimentos mais
elevados. Além disso, para poder fornecer potência activa, o gerador assíncrono sendo
indutivo, necessita de condensadores externos.
O crescente aproveitamento da energia eólica leva a melhorar os equipamentos de
geração de energia eléctrica. A energia eólica é proveniente dos ventos, os quais são
maioritariamente variáveis em velocidade e direcção, factos que levam a utilizar
equipamentos capazes de responder a essas exigências. Tanto o gerador síncrono como
o gerador assíncrono necessitam de electrónica associada para poder serem aplicados.
Mesmo usando caixa de velocidades, é complicado ter velocidade de rotação constante.
Comparando o gerador síncrono e assíncrono cada um apresenta vantagens e
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 11
desvantagens. Dependendo da potência do gerador, a questão fundamental é o tipo de
controlo a ser usado, o custo, o rendimento e a potência.
O gerador assíncrono pode ser de dois tipos:
Gerador assíncrono – Rotor bobinado
Gerador assíncrono – Rotor gaiola de esquilo
O gerador com rotor bobinado é constituído por dois enrolamentos, um
enrolamento no estator e outro no rotor. Este facto leva a que seja conhecido por
gerador de dupla excitação pois encontra-se excitado no rotor e estator. Trata-se de um
gerador com fabrico mais complexo e por isso mais caro, se comparado com o gerador
com rotor em gaiola, necessitando também de receber manutenção mais frequente.
Contudo, o conjunto final pode ficar mais vantajoso, uma vez que o gerador com rotor
bobinado pode operar quase como um transformador. Variando a tensão do rotor varia a
tensão de saída. O gerador de rotor em gaiola precisa de um conversor para o estator, o
qual tem de ser dimensionado para a potência nominal permitindo assim maior
fiabilidade, embora o custo aumente.[9]
2.2.4. Alternador Automóvel
Este tipo de equipamento baseia-se numa máquina síncrona. O rotor é alimentado
por uma corrente contínua proveniente da bateria do automóvel. Ao ser exercido um
binário no rotor ele começa a girar, sendo produzida no estator uma tensão alternada
trapezoidal.
2.2.4.1. Principais constituintes de um gerador síncrono
A Fig. 2-2 ilustra os principais constituintes de um gerador síncrono os quais vão
ser descritos em seguida.
Fig. 2-2 Gerador Síncrono [10]
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
12 Universidade do Minho
Estator
O estator representa a parte exterior do motor/gerador, pode ser igual em motores
síncronos ou de indução. É normalmente composta por chapas laminadas que contêm
ranhuras onde são inseridos os enrolamentos do induzido. As chapas são fabricadas com
características magnéticas de alta permeabilidade para facilitar o fluxo magnético,
diminuindo assim as perdas.[5][10]
Enrolamento do induzido
È através dos enrolamentos do induzido que normalmente se extrai a tensão do
gerador. Estes enrolamentos são geralmente de cobre, e a secção deles varia consoante a
corrente que o gerador pode fornecer. Para potências baixas estes enrolamentos são de
secção circular e esmaltados, enquanto que, para potências mais elevadas eles são de
secção rectangular e esmaltados, recebendo posteriormente as bobinas uma camada
extra de isolante à base de mica. Para motores/geradores trifásicos existe a possibilidade
de estarem ligados de diversas formas: série/paralelo, estrela/triângulo e máquinas com
tripla tensão nominal.[5][10]
Rotor
O rotor também é formado por chapas laminadas que em geral são do mesmo tipo
do estator. O rotor pode ser de dois tipos diferentes: rotor de pólos salientes e rotor
cilíndrico, como pode ser visto na Fig. 2-3.
Fig. 2-3 Pólos do Rotor Salientes (a), Lisos (b)[10]
O rotor de pólos salientes é usado em situações onde a velocidade de rotação deste
seja relativamente baixa. Em compensação o número de pólos é elevado. Este tipo de
equipamento é muito usado em centrais hidroeléctricas pois a velocidade de rotação é
baixa. O rotor de pólos cilíndricos é geralmente usado para velocidades superiores,
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 13
como no caso dos turbo geradores usados em centrais térmicas. A construção de rotores
de pólos cilíndricos torna-se inviável para um número de pólos elevado. A relação de
velocidades de funcionamento com o número de pólos é dada pela expressão (2.1).
2.1
Velocidade rotação
Frequência
Número de pólos
O rotor é outra das partes mais importante do gerador, uma vez que é através dele
que se pode excitar a máquina. Com esta excitação, é formado um campo magnético, o
qual vai envolver os enrolamentos do estator criando nos terminais destes uma tensão. É
também a parte do gerador que é acoplada à turbina ou à máquina primária que faz girar
o rotor
Bobinas do rotor
As bobinas do rotor são constituídas por fios de cobre que se encontram enroladas
nos pólos deste, podendo assim formar electroímans, o que possibilita a variação na
excitação do rotor. O gerador ao funcionar com vários valores de excitação, pode
produzir vários valores de força electromotriz induzida. Quando em funcionamento
como motor pode trabalhar com vários factores de potencia (capacitivo, indutivo ou
mesmo trabalhando na unidade).[10]
Escovas e anéis
Os anéis estão fixos ao rotor e fazem a ligação dos enrolamentos presentes no rotor
com as escovas. As escovas são componentes de grafite que interligam os anéis do rotor
com a fonte de excitação do mesmo. São elementos do gerador que se desgastam com o
tempo, uma vez que se encontram em constante movimento de fricção com os anéis.
Também causam alguns arcos eléctricos, podendo ser prejudicial em ambientes onde
existam matérias inflamáveis.
2.2.4.2. Princípios de funcionamento
O princípio de funcionamento de uma máquina síncrona é muito idêntico ao de uma
máquina de corrente contínua [10]. Um condutor quando atravessa um campo
magnético é criada uma tensão aos seus terminais. Pode-se considerar que o condutor é
constituído pelos enrolamentos do estator e que o campo magnético é formado pelo
rotor ao ser sujeito a uma tensão. Com o movimento de rotação exercido no rotor, passa
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
14 Universidade do Minho
a haver um campo magnético variável que atravessa os condutores do estator,
provocando o aparecimento de uma tensão induzida aos seus terminais. A expressão
(2.2) traduz a tensão aos terminais do condutor com a variação de campo magnético e é
designada por força electromotriz. [5]
2.2
Sendo que:
Tensão induzida aos terminais do condutor
Número de enrolamentos do condutor
Variação do fluxo
Variação do tempo
As expressões que estão no seguimento deste capítulo, traduzem o comportamento
da máquina síncrona. Todas as indicações são relativas à máquina em funcionamento
isolado, podendo estas variar consoante o ambiente de funcionamento do equipamento.
Tensão nominal
Trata-se da tensão que se encontra aos terminais dos enrolamentos do estátor. Os
geradores podem ser distinguidos por níveis de tensão. Se o gerador funcionar com uma
tensão nominal acima dos 600V, é considerado gerador de alta tensão e se funcionar
abaixo desse valor é considerado gerador de baixa tensão. [10]
Potência nominal
È a potência aparente que o gerador fornece à carga que se encontra ligada aos seus
terminais. Essa potência é calculada pelas seguintes expressões;
Para geradores monofásicos 2.3
√3 Para geradores trifásicos 2.4
Sendo que:
Potência Eléctrica Aparente.
Tensão Eléctrica de Linha
Corrente Eléctrica de Linha
A potência que realmente realiza trabalho é a potência activa, determinada pelo
factor de potência da carga. A potência activa é dada pela expressão da potência
aparente multiplicada pelo do factor de potência.
cos Para geradores monofásicos 2.5
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
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√3 cos Para geradores trifásicos 2.6
Potência Eléctrica Activa
cos Factor de Potência do gerador que é igual ao da carga pois é um sistema
isolado.[10]
Rendimento
O gerador síncrono funciona com um rendimento dado pela seguinte expressão:
100 100 % 2.7
Rendimento do Gerador
Potência Mecânica fornecida ao gerador pela turbina.
Potência das perdas no motor[10]
Frequência de funcionamento
A máquina síncrona funciona sempre à mesma velocidade, a qual é definida pela
velocidade de funcionamento da turbina ou do motor que a faz girar. Essa velocidade
está directamente ligada com a frequência da tensão gerada e é definida pela expressão:
2.8
Frequência da Tensão Gerada
Velocidade do Rotor Maquina Síncrona
Número de Pólos da Maquina Síncrona
Circuito equivalente gerador síncrono
Para melhor se perceber o funcionamento do gerador síncrono estudou-se e
apresenta-se um modelo equivalente, onde estão representadas as principais
características deste tipo de gerador. Esse tipo de circuito está representado na Fig. 2-4.
Fig. 2-4 Circuito Equivalente Maquina Síncrona[8]
Tensão induzida no estátor pelo campo magnético do rotor.
Reactância devido ao efeito de reacção de armadura.
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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Reactância de dispersão do enrolamento da fase
Tensão aos terminais do gerador por fase
Corrente
Resistência do enrolamento
2.3. Estudo do Mercado
Actualmente, existe no mercado uma grande variedade de pequenos sistemas de
produção de energia eléctrica. Apresentando-se de seguida exemplos desses sistemas e
suas características.
2.3.1. Energia Eólica
Existe uma grande variedade de geradores eléctricos a partir da energia eólica. O
preço desses sistemas depende de vários factores (velocidade de rotação, potência
gerada, numero de pás). Estes sistemas têm custos muito variados podendo ir desde os
600/700€ até várias centenas ou mesmo milhares de euros.
A Fig. 2-5 mostra um exemplo de uma eólica de duas pás da Southwest
Windpower.
Fig. 2-5 Gerador Eólica Southwest Windpower
Marca: Southwest Windpower
Modelo: WHI-500
Preço em Euros (IVA inc.): 7683.20 €
Velocidade de Arranque: 3,4 m/s
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Número De Pás: 2
Diâmetro: 4,5 m
Potência (W): 3200 W
Voltagem: 24/32/48 V
Ficha Técnica: Whisper_500_Spec_Sheet_01.pdf
Descrição: Inclui regulador.[11]
A Fig. 2-6 mostra um exemplo de um gerador de 3 pás da marca Air.
Fig. 2-6 Gerador Eólica Air
Marca: Air
Modelo: AIR-X Land
Preço em Euros (IVA inc.): 717.93 €
Potência (W): 400 W
Voltagem: 12V-24V
Ficha Técnica: Air_X_Spec_Sheet.pdf
Descrição:
Regulador de carga interno sofisticado. Alternador sem escovas tipo neodymium.
Pás de fibra de carbono com ângulo variável (Pitch). Rotação e tensão são controladas
pelo circuito electrónico de segurança e protecção. Sem manutenção - apenas duas
partes móveis. Sistema de auto-travagem exclusivo que reduz a velocidade quando as
baterias estão carregadas. O diâmetro das pás deste aerogerador é de 46`` ou 1,14
metros.[11]
A Fig. 2-7 mostra um exemplo de um gerador eólico de 3 pás.
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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Fig. 2-7 Gerador Eólica R 2,4-ZW600
Modelo: R 2,4-ZW600
Potência máxima (watts): 650
Potência nominal (watts): 600
Tensão nominal (volts): 24
Diâmetro do rotor (metros): 2,4
Número de pás do rotor: 3
Peso sem torre (quilogramas): 35
Altura mínima da torre (metros): 9
Torre tubular espiada 2 ½": (76,1X3,65)
Velocidade de vento de arranque (m/s): 3
Velocidade de vento nominal (m/s): 12
Velocidade de vento para regulação (m/s): 14[12]
A Fig. 2-8 mostra um gerador de 3 pás da marca AMPAR.
Fig. 2-8 Gerador Eólico AMPAIR[12]
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A Tabela 2-2 mostra características de vários modelos de gerador da marca
AMPAR.
Tabela 2-2 Características Geradores AMPAIR [12]
Modelo AMPAIR 100 AMPAIR 300 AMPAIR 600
Potência máxima (watts) 100 300 1100
Potência nominal (watts) 100 300 600
Tensão nominal (volts) 12 ou 24 12 ou 24 12, 24 ou 230
Diâmetro do rotor (metros) 0,93 1,20 1,70
Número de pás do rotor 6 3 3
Peso sem torre (quilogramas) 12 12 16
Altura mínima da torre (metros) 6 6 9
Torre tubular espiada 1 ½" 1 ½" ou 2" 2"
Velocidade de vento de arranque
(m/s)
3 3 3
Velocidade de vento nominal (m/s) 20 12 10
Velocidade de vento de potência
máxima (m/s)
20 14 14
Preço ? € 1460€ 2190€
2.3.2. Energia Hídrica
Existem actualmente à venda pequenos geradores hidroeléctricos já totalmente
equipados para a produção de energia eléctrica. Apenas é necessário ligar a entrada e
saída de água obedecendo às condições do gerador. De seguida vão ser apresentados
alguns sistemas micro geradores.
A Fig. 2-9 mostra um exemplo de um gerador de aproximadamente 1kW. Este
equipamento já possui conversor e permite escolher entre 115V ou 230V.
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Fig. 2-9 Gerador FCD-XJ25-3.0DGCTF4-Z
Características:
Queda de Água: 16 - 22 metros
Fluxo de Água: 8-10 litros / segundo
Potência: 1,1kW
Tensão: 115V ou 230V CA[13]
Diâmetro Tubo: 100 milímetros[13]
A Fig. 2-10 mostra um exemplo de um gerador de aproximadamente 750W. O
equipamento vem com conversor, permite escolher entre 115V ou 230V de amplitude
de saída.
Fig. 2-10 Gerador XJ14-0.3DCT4-Z
Características:
Queda de Água: 14 - 18 metros
Fluxo de Água: 6-8 litros / segundo
Potência: 750W
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Tensão: 115V ou 230V CA
Diâmetro Tubo: 75 milímetros
Dimensões: 35x35x53 centímetros
Peso: 47 kg[13]
A Fig. 2-11 mostra o modelo de um gerador de 500W, existindo modelos
similares que atingem os 10kW.
Fig. 2-11 Gerador EV-LPE 500-100 CC
Características:
Queda de Água: 10 - 200 metros
Fluxo de Água: 0,3-10 litros / segundo
Potência: 500W
Tensão:12/24/48Vcc[14]
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Capítulo 3 Conversores
3.1. Introdução
A Electrónica é uma área tecnológica muito mais recente do que a própria
Electrotecnia. A Electrónica, “ Ciência que estuda o comportamento dos electrões sob a
acção de campos eléctricos magnéticos, ou uma combinação de uns e outros, bem como
as suas aplicações”, também pode ser definida como “Ciência que trata das aplicações
das válvulas electrónicas, semicondutores e outros dispositivos em que se controla o
movimento dos electrões”. [15]
Embora a electrónica tenha surgido com o aparecimento da válvula, o seu real valor
foi descoberto com o aparecimento do primeiro diodo e fundamentalmente com o
aparecimento do primeiro transístor no ano de 1947 nos Laboratórios Bell, sendo
posteriormente fortalecida com o aparecimento do primeiro chip em 1958 [15].
Com o aparecimento destes componentes electrónicos, a conhecida Electrotecnia
teve uma grande mudança, pois a partir desse momento foi possível utilizar a energia
eléctrica de novas formas, deixando de ter apenas os 3 elementos fundamentais
Resistência, Bobina e Condensador. Desenvolveram-se elementos (diodo, transístor,
mosfet, entre outros) com condução não linear, possibilitando a variação da amplitude e
frequência das tensões.
Consequentemente foi necessária a criação de circuitos capazes de elevar e baixar a
tensão CC-CC e também passou a ser possível ter motores e outros aparelhos que não
estejam dependentes da frequência e amplitude da rede (50Hz 230V), passando assim a
existir os CC-CA que operam com várias gamas de frequência e amplitude.
Actualmente, existem diversas aplicações onde estão incluídos os conversores
CC-CC e CC-CA, como é o caso mais frequente da UPS (Uninterruptible Power
Supply). Este tipo de dispositivos é muito frequente em locais onde a energia eléctrica
não seja estável ou apresente variações frequentes o que provoca que cargas sensíveis se
desliguem ou percam informação, causando desta forma prejuízos para as entidades.
Assim sendo, a tensão da rede é rectificada e posteriormente invertida.
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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3.2. Topologias de Conversores
Paralelamente à utilização de transformadores em corrente alternada, existem
também circuitos electrónicos com funções semelhantes para corrente contínua que são
os chamados conversores CC-CC, podendo estes ser de dois tipos diferentes:
Conversores CC-CC com Isolamento
Conversores CC-CC sem Isolamento
Tal como o próprio nome refere, a principal diferença entre estes dois tipos de
conversores está no isolamento entre entrada e saída. Nos conversores CC-CC isolados
a entrada encontra-se isolada da saída através de um transformador, enquanto que nos
conversores CC-CC não isolados a saída está ligada com a entrada através da
massa.[16]
3.3. Conversores CC-CC com Isolamento
Os conversores CC-CC isolados são bastante úteis para situações onde tenha de
existir um isolamento galvânico entre a entrada e saída. O isolamento é conseguido
através de um transformador, que usualmente é de 50/60Hz, possuindo um núcleo
magnético grande, provocando um aumento significativo no tamanho do transformador,
aumentando o seu peso e também o custo. Para diminuir estes problemas, pode-se usar
o transformador em modo de comutação, usando uma frequência superior à de
alimentação, podendo assim ser usado um transformador de menores dimensões. Se for
usado um transformador com vários enrolamentos, pode-se usar um conversor adequado
para obter na saída vários níveis de tensão.[16]
Estes são alguns dos conversores isolados mais frequentes sendo que os dois
principais são: o Flyback e o Forward dando origem aos restantes.
Conversor Flyback
Conversor Forward
Conversor Double-Ended Forward
Conversor Push-Pull
Conversor Full Bridge
Conversor Half Bridge
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Universidade do Minho 25
3.4. Conversores CC-CC sem Isolamento
Quando não há necessidade de isolar a entrada do conversor com a saída, podemos
utilizar este tipo de montagem pois a sua construção é relativamente simples e com bom
desempenho. As montagens principais são:
Step-Down (conversor baixa tensão de entrada)
Step-Up (conversor eleva tensão de entrada)
Step-Up\Down (conversor eleva ou baixa a tensão de entrada)[17]
3.4.1. Conversor Step-Down
Este tipo de conversor é muito frequente quando se pretende baixar a tensão CC de
uma dada fonte para tensões compatíveis com os equipamentos que se pretende usar
com rendimentos aceitáveis. O circuito da Fig. 3-1 ilustra a montagem deste tipo de
conversor.
Fig. 3-1 Conversor Step-Down[17]
Este conversor controla a tensão de saída através do interruptor colocado em série
com a fonte. A saída do conversor saia pulsada, logo imprópria para muitos
dispositivos, para ultrapassar este problema é usado um filtro LC conseguindo assim
filtrar essa pulsação, atingindo-se assim uma saída constante. [16][17]
3.4.2. Conversor Step-Up
O conversor Step-Up não isolado é apresentado na figura seguinte (Fig. 3-2).
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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Fig. 3-2 Conversor Step-Up[17]
Este tipo de conversor pode apresentar três estados de condução, os quais vão ser
apresentados e descritos seguidamente.
3.4.2.1. Estado de Condução Contínua
Admite-se que o conversor está neste estado quando a corrente na bobina se
encontra sempre acima de 0A, apresentando um gráfico semelhante ao da Fig. 3-3.
Fig. 3-3 Corrente na Bobine do Step-Up [17]
Como se pode ver na figura apresentada, a corrente na bobina tem dois ciclos, um
ciclo que representa a bobina a fornecer corrente à carga e outro em que recebe corrente
da fonte. Estes dois ciclos estão relacionados com o tempo de condução e corte do
interruptor presente no circuito.
Estado 1: Interruptor Desligado (Corte)
Quando o interruptor fica no estado desligado, o circuito do Step-Up fica idêntico
ao mostrado pela Fig. 3-4.
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Fig. 3-4 Conversor com Interruptor Desligado
Aqui a bobina fornece energia à carga juntamente com a fonte de alimentação deste
circuito, podendo assim suprimir o diodo, uma vez que apenas faz uma pequena queda
de tensão no circuito. Pode-se também representar a queda de tensão na bobina que é
dada por:[17]
3.1
Sendo que:
Tensão de alimentação
Tensão Saída
Parcela de tempo em que o interruptor se encontra no estado desligado
Estado 2: Interruptor Ligado
O circuito representante desta ligação está apresentado na Fig. 3-5.
Fig. 3-5 Conversor com Interruptor Ligado
Na parte inicial do circuito pode-se facilmente ver que todos os componentes estão
em paralelo, ou seja, todos estão ao mesmo potencial. Assim sendo, a bobina carrega-se.
Na segunda parte do esquema, o condensador fornece energia à carga. O diodo impede
o curto-circuito do condensador, obrigando este a descarregar-se pela carga. Pode-se
também dizer que o integral da tensão na bobina pode ser representado pela expressão
(3.2).[16]
3.2
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
28 Universidade do Minho
Parcela de tempo em que o interruptor se encontra no estado ligado
Para representar o integral da tensão total na bobina, juntam-se as expressões (3.1) e
(3.2) resultando:
0 3.3
Sabendo que:
3.4
3.5
Obtêm-se:
3.6
Sendo que:
Inverso da frequência de comutação
Duty-Cycle
Admitindo que os componentes são ideais, ou seja, não têm perdas, pode-se dizer
que a potência de entrada é igual à potência de saída, e daí resultam as expressões
seguintes:
3.7
3.8
Sendo que:
Potência Saída
Potência Entrada
Assim, a relação de correntes entre entrada e saída é dada por:
1 3.9
Em que:
Corrente Saída
Corrente Entrada
Logo temos as relações da entrada com a saída do conversor Step-Up.
3.4.2.2. Limiar de continuidade
Pontualmente o conversor está no limiar da continuidade quando a corrente na
bobine atinge o valor 0A. Isto quer dizer que o conversor pode deixar de ter uma relação
directa entre entrada e saída com o valor do Duty-Cycle.
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 29
Seguidamente, vão ser apresentados duas figuras, uma que traduz o estado limiar da
continuidade Fig. 3-6 (a) e outra que representa a relação de corrente de entrada e saída
neste estado Fig. 3-6 (b).
Fig. 3-6 Limiar Continuidade Corrente Bobina (a); Representação Corrente (b) [17]
Através dos gráficos atrás representados, podem-se retirar as expressões de
dimensionamento da bobina.
Como se pode ver na Fig. 3-6 (a)
. 3.10
3.11
Usando a equação (3.6) vem que:
1 3.12
Corrente média bobina
. Valor Máximo da Corrente
Coeficiente de auto-indução da bobina
Usando agora a expressão (3.9) pode-se determinar a corrente de saída, que é dada
por:
1 3.13
Uma grande parte das aplicações, onde existe um Step-Up em funcionamento,
requer que este mantenha uma saída constante para não causar problemas ao restante
circuito. Para se ter uma maior percepção, na Fig. 3-6 (b) mostra-se qual é o valor de
corrente de saída e o valor de Duty-Cycle para ter uma saída em tensão constante. Como
pode ser analisado, para tensões de entrada variável e pretendendo-se tensão de saída
constante, ajusta-se o Duty-Cycle.
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
30 Universidade do Minho
Em termos de valores máximos, estes podem ser descritos usando a Fig. 3-6 (b).
Para a corrente o valor máximo é atingido com D=0,5 e para é com valor de
.
, 3.14
4 1 , 3.15
, 3.16
1 , 3.17
3.4.2.3. Estado de Condução Descontínua
É considerado que o conversor se encontra a trabalhar no estado descontínuo
quando a corrente na bobina é 0A durante um intervalo de tempo, como pode ser visto
na imagem que se segue (Fig. 3-7).
Fig. 3-7 Modo Descontinuo [17]
A relação de entrada e saída pode ser dada por:
∆ 0 3.18
Simplificando: ∆
∆ 3.19
Assumindo que os componentes são ideais, logo não têm perdas, portanto
pode-se assim retirar a expressão da corrente. ∆
∆ 3.20
Os valores médios da corrente de entrada e saída são dados pelas expressões
seguintes:
∆ 3.21
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 31
∆ 3.22
A Fig. 3-8 mostra as características da saída em condução contínua e descontínua
para vários valores de .
Fig. 3-8 Característica da saída em condução contínua e descontínua. [17]
3.4.2.4. Características da não idealização dos elementos
Os elementos parasitas presentes no Step-Up estão associados à bobina,
condensador, diodo e interruptor (Mosfect ou IGBT (Insulated Gate Bipolar Transístor))
e traduzindo-se em perdas nos elementos usados. Como se pode ver no gráfico em baixo
(Fig. 3-9), caso não existissem esses elementos parasitas, poderia atingir-se uma relação
de entrada/saída superior.
Fig. 3-9 Limitação dos elementos usados [17]
Com a existência de tais elementos, a relação entrada/saída fica limitada. O
aumento do Duty-Cycle para valores próximos de 1 traduz-se num efeito mais notório
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
32 Universidade do Minho
causado por tais elementos parasitas. Para D=0, ou seja, o interruptor está desligado,
tem-se na saída o que se encontra na entrada, não sendo deste modo afectada pelos
elementos parasitas.
3.4.2.5. Ripple da tensão de saída
Um dado importante nos conversores de tensão CC-CC é o ripple da tensão de
saída, uma vez que muitas aplicações são sensíveis a estes efeitos e podem provocar o
mau funcionamento do aparelho ou mesmo o não funcionamento. Na figura em baixo
(Fig. 3-10), pode-se visualizar a forma de onda do ripple na saída.
Fig. 3-10 Ripple da tensão de saída [17]
Com a ajuda da figura, pode-se retirar as expressões que traduzem o ripple de saída. ∆ 3.23
Onde constante de tempo.
3.4.3. Conversor Step-Up/Down
Este tipo de conversor é bastante útil para aplicações onde a tensão de alimentação
tenha de ser estável e a fonte não o consegue fazer. Assim sendo o conversor
Step-Up/Down controla a tensão de saída para uma tensão de entrada variável. A Fig.
3-11 ilustra este tipo de configuração.
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 33
Fig. 3-11 Conversor Step-Up/Down[17]
Este tipo de conversor é construído usando um Step-Up e um Step-Down em
cascata. [16]
3.5. Métodos de Controlo de Conversores CC
Existem várias técnicas de controlo para manter a tensão de saída no valor
pretendido, como é o caso: controlo por PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulação
por Frequência (FM).[16]
A saída do conversor CC deve ser o mais estável possível e igual à tensão de
referência, mesmo que a tensão de entrada ou a carga sofram flutuações. Esta condição
é conseguida através da comutação do interruptor utilizado, ajustando .
O método de comutação FM, baseia-se na alteração da frequência da portadora,
bem como a alteração do tempo de comutação. É um método pouco usado e apenas se
aplica em conversores CC, onde o interruptor é um tirístor (Force-Commutated-
thyristors). A variação da frequência da portadora torna difícil a filtragem do ripple de
saída do conversor, a sua implementação também requer alguma perícia.
O método de comutação PWM usa uma portadora de frequência fixa, variando
apenas a largura do impulso aplicado ao interruptor. Esta variação, depende da
comparação da tensão de controlo com a tensão da portadora (tipicamente dente de serra
ou onda triangular). A tensão de controlo é conseguida pela comparação da tensão de
saída com a tensão de referência, sendo esta aumentada ou diminuída dependendo do
resultado da comparação.
A frequência da onda portadora define a frequência de comutação do interruptor.
No controlo por PWM essa frequência é fixa. Dependendo do conversor esta frequência
pode ir desde alguns kilo-Hertz até umas dezenas de kilo-Hertz.
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
34 Universidade do Minho
Na Fig. 3-12 ilustra a forma como foi efectuado o controlo do Duty-Cycle para
manter a saída do conversor CC aproximadamente constante.
Fig. 3-12 Método PWM
3.6. Topologias de Inversores
Usualmente, é denominado por inversor um conversor de tensão CC-CA, o qual
possibilita a conversão de tensões CC em tensões CA com amplitude e frequência
variável. Este tipo de conversor é actualmente muito utilizado, uma vez que a tensão
proveniente da rede eléctrica é 230V 50Hz, obrigando motores e determinados
aparelhos a funcionar de forma constante ou precisando de componentes mecânicos
para efectuar a adaptação da máquina. Com a utilização dos conversores, facilmente se
consegue alterar a frequência e variar também a velocidade das máquinas.
Para a realização deste tipo de inversor, podem ser utilizadas vários tipos de
topologias, sendo que as mais conhecidas e utilizadas são a VSI (Voltage Source
Inverter) e a CSI (Current Source Inverter) presentes nas figuras Fig. 3-13 (a) e Fig.
3-13 (b).
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 35
Fig. 3-13 Topologia VSI (a) Topologia CSI (b) [18]
A topologia VSI é mais comum que a topologia CSI, uma vez que possui maior
eficiência, é mais económica e leve [18]. A Fig. 3-13 (a) representa uma configuração
de dois níveis, embora esta topologia possa ser alargada a multi-nível. Seguidamente
serão apresentadas as várias configurações.
3.6.1. Topologia VSI 2 níveis
A topologia VSI de dois níveis é a mais utilizada em inversores de electrónica de
potência. É muito usual ser aplicada em UPS, DVR (DynamicVoltage Restorer), filtros
e muitas outras aplicações. Os interruptores utilizados ficam sujeitos a dois níveis de
tensão e 0V. O número de interruptores a usar nesta topologia é menor que em
outras. A tensão do barramento CC vai influenciar a escolha dos interruptores, pois
estes têm de suportar o valor de amplitude máxima, obrigando ao uso de interruptores
bastante dispendiosos para tensões elevadas.
Este tipo de topologia é de fácil implementação, requerendo um processo de
controlo relativamente fácil quando comparado a outros. Pode ser controlado com
hardware ou por software, embora por software seja mais cómodo e qualquer alteração
se torne fácil de efectuar.
3.6.2. Topologia multi-nível
A topologia multi-nível segue o mesmo princípio da topologia a dois níveis só que
esta apenas permite 2 níveis em cada braço do inversor. Já a topologia multi-nível
permite vários níveis em cada braço. Assim sendo, este tipo de aplicação apresenta
tensões e correntes com menor nível de ripple para uma frequência de comutação
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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equivalente [18]. A Fig. 3-14 mostra o principio de funcionamento dos VSI para varias
níveis 2, 3, multi-níveis.
Fig. 3-14 Principio funcionamento [18]
3.6.3. Topologia VSI com Braços Monofásicos
Uma outra topologia é o VSI com braços Monofásicos, ou seja, cada fase tem um
braço monofásico. Esta configuração está presente na Fig. 3-15.
Fig. 3-15 Topologia VSI com braços monofásicos[18]
Esta topologia, tem o mesmo sistema de controlo de um VSI de dois níveis, uma
vez que, os sinais de controlo são os mesmos. No entanto, esta topologia é mais
dispendiosa que a VSI a dois níveis, pois utiliza o dobro dos componentes, e ocupa um
espaço maior, uma vez que é necessário alojar todos os interruptores e respectivos
dissipadores. Contudo tem a vantagem de precisar de uma tensão inferior no lado CC
para atingir os mesmos resultados que o VSI de dois níveis trifásico.[18]
+
0
a
Va
+
0
a
Va
+
Vcc
Vcc
Vcc
+
0
a
Va
+
+
Vcc
Vcc
Vcc
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Universidade do Minho 37
3.6.4. Técnicas de comutação dos interruptores
Os interruptores usados nos inversores necessitam de ser comandados de forma
específica. Para que isso seja possível existem inúmeras técnicas de comutação, sendo
algumas delas um pouco complexas, o que as torna inapropriadas para este trabalho. A
técnica escolhida para cada aplicação tem de se enquadrar no projecto e satisfazer os
requisitos do mesmo. Algumas das técnicas mais usadas são:
Comparador de histerese
Periodic sampling
Space vector PWM
Técnicas de comutação com controlador baseado em lógica Fuzzy
PWM sinusoidal
No âmbito deste trabalho apenas vai ser estudada a técnica: PWM sinusoidal por ser
de fácil implementação e preencher os requisitos do trabalho.
3.6.5. PWM sinusoidal
A técnica de comutação por modulação da largura do impulso (MLI) ou (PWM) é
muito usada quando nos referimos a técnicas de comutação de interruptores. Trata-se de
uma técnica muito eficaz e bastante fácil de implementar, uma vez que apenas se trata
da comparação de duas formas de onda. Com o uso desta técnica, pode-se garantir uma
larga gama de variação da amplitude da componente fundamental da tensão de saída,
sem alterar a forma de onda pretendida. Também é possível afastar da componente
fundamental os harmónicos de ordem menor, facilitando assim a sua filtragem.
Existem vários comandos de PWM para controlo de inversores, de seguida são
dados alguns exemplos:
Modulação síncrona de dois níveis, linear ou sinusoidal
Modulação síncrona de três níveis, linear ou sinusoidal
Modulação assíncrona de dois níveis, sinusoidal
3.6.5.1. Modulação síncrona de dois níveis
A modulação síncrona de dois níveis permite regular a amplitude da tensão de
saída, em cada momento são efectuados um número inteiro de cortes que
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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alternadamente fazem passar de Vcc a -Vcc e vice-versa, isto no semi-ciclo positivo e
de -Vcc a Vcc no semi-ciclo negativo, como pode ser visualizado na Fig. 3-16.
Fig. 3-16 Modulação síncrona de dois níveis [19]
Esta modulação é obtida através da comparação de dois sinais Fig. 3-17 (a) e Fig.
3-17 (b). Um dos sinais é usualmente designado por moduladora ou modulante, é ele
que determina a frequência e a amplitude do sinal de saída. A moduladora pode ser
rectangular (modulação linear Fig. 3-17 (a)) ou pode ser sinusoidal (modulação
sinusoidal Fig. 3-17 (b)). O segundo sinal é designado por portadora. É este sinal que
determina a frequência de comutação dos interruptores, deve ter uma frequência ímpar e
múltipla da modulante. Habitualmente utiliza-se uma onda triangular simétrica.
Fig. 3-17 Modulação Linear (a), Modulação Síncrona (b)[19]
A modulação síncrona sinusoidal para índices de modulação elevados permite
afastar da componente fundamental os harmónicos de menor ordem. Tem maior
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complexidade na geração do sinal modulador do que no caso da modulação linear e
apresenta uma menor variação da amplitude da tensão de saída.
3.6.5.2. Modulação síncrona de três níveis
A modulação síncrona de três níveis permite regular a amplitude da tensão de saída,
efectuando em cada momento um número inteiro de cortes, que alternadamente fazem
passar de Vcc a 0 e vice-versa, no semi-ciclo positivo, e de -Vcc a 0 no semi-ciclo
negativo, como pode ser visualizado na Fig. 3-18.
Fig. 3-18 Modulação síncrona de três níveis[19]
Habitualmente, a modulação síncrona de três níveis obtém-se por comparação de
dois sinais, como pode ser visto na Fig. 3-19 (a) e Fig. 3-19 (b). Um primeiro sinal é a
moduladora, a qual pode ser constante (modulação linear), ou pode ser igual ao valor
absoluto de uma sinusóide (modulação sinusoidal). Em ambos os casos a amplitude da
onda de saída é determinada pela amplitude da moduladora, no caso da modulação
sinusoidal a frequência da saída é obtida também da moduladora. O segundo sinal, de
forma triangular simétrica, é designado de portadora em que a frequência é múltipla par
da frequência do sinal de saída, para assim garantir a simetria de meia onda.
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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Fig. 3-19 Modulação Linear (a), Modulação Sinusoidal (b)[19]
A modulação de três níveis é melhor que a modulação de dois níveis, uma vez que
apresenta melhor conteúdo harmónico, bem como o número de comutações é mais
baixo. Contudo, implica maior complexidade no comando.
3.6.5.3. Modulação assíncrona de dois níveis
A modulação assíncrona sinusoidal distingue-se da modulação síncrona de dois
níveis por esta não possuir sincronismo entre moduladora e portadora. Assim sendo,
perde-se a simetria e anti-simetria, características da modulação síncrona. A Fig. 3-20
apresenta este tipo de modulação bem como os sinais resultantes.
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Fig. 3-20 Modulação Assíncrona[19]
Esta modulação é tecnicamente mais simples que a modulação síncrona pela falta
de sincronismo. Também não é possível dividir a tensão de saída em harmónicos e
componente fundamental. Contudo, esta modulação não apresenta inconvenientes em
relação à modulação síncrona de dois níveis se a frequência da onda portadora for muito
superior à moduladora, (tipicamente 30 a 40 vezes superior).[19]
Para se obter o valor de saída com este tipo de modulação, pode-se recorrer a
expressão (3.26) que indica o valor eficaz da tensão composta.[17]
√√
0,612 3.26
Em que:
Valor eficaz tensão composta
Índice de modulação
O índice de modulação é obtido através da razão entre a amplitude da sinusóide de
referência e da amplitude da onda portadora.
3.27
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Capítulo 4 Simulação do Sistema
4.1. Introdução
Com o aparecimento de simuladores de electrónica houve um grande
desenvolvimento na concepção de sistemas electrónicos. Os projectos passaram a ser
desenvolvidos mais rapidamente e com melhores resultados, diminuindo o perigo de
acidente e muito material eléctrico foi poupado a testes em condições extremas, que
muitas vezes são difíceis de realizar. Uma outra grande vantagem da utilização de
simuladores, prende-se com o facto de se conseguir ter uma antevisão do funcionamento
do sistema, sem que este tenha sido implementado e por sua vez tenha de gerar
resultados. Ao ter de antemão os resultados do sistema que se pretende elaborar, pode-
se concluir se o sistema obtém resultados satisfatórios ou não e pode-se concluir se este
mesmo sistema deve ou não ser implementado.
Actualmente, existem vários simuladores computacionais para simulação de
circuitos electrónicos, embora muitos deles sejam dedicados a um tipo específico de
electrónica. Outros abrangem a electrónica em geral e não são particularmente indicados
para simulação de alguns casos específicos. Os simuladores mais indicados para
simulação de electrónica de potência são PSCAD, Caspoc, PLECS, Matlab, entre
outros. [18]
A ferramenta utilizada nesta dissertação foi o Matlab por ser uma ferramenta já
bastante experimentada e com bons resultados, sendo que, a universidade disponibiliza
licenças para utilização. Dentro do Matlab existem muitas opções para simulação,
contudo nesta dissertação foi usado apenas o SimPowerSystems, que é uma toolbox
dedicada a simulação de sistemas de electrónica de potência. Trata-se de uma toolbox
bastante intuitiva e bastante fácil de utilizar, uma vez que o seu funcionamento é através
da junção de blocos os quais são fáceis de configurar e utilizar. A Fig. 4-1 apresenta a
toolbox do SimPowerSystems bem como alguns blocos que podem ser utilizados no
Matlab e ainda a janela de configuração dos próprios blocos. Na janela de configuração
estão presentes os parâmetros do componente, que são necessários colocar para o
respectivo componente.
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Fig. 4-1 Simulink/SimPowerSystems
4.2. Conversor CC-CC
Para efectuar a simulação do conversor CC utilizou-se o modelo disponível no
Matlab simulink Fig. 4-2 com as respectivas alterações para o modelo calculado. Este
modelo é constituído por componentes lineares (bobina, condensador e carga) e não
lineares (diodo e IGBT). Para efectuar a simulação do gerador foi utilizada uma fonte de
tensão, a qual foi configurada para uma tensão de saída de 10V, sendo esta a tensão
mínima do gerador.
Fig. 4-2 Step-Up simulado
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Constituintes
L1=55µH
C1=100µF
R1=20Ω
=10V
f=20kHz
Duty-Cycle=0,875
Com a ajuda do Scope (uma ferramenta de visualização do SimPowerSystems)
foram registadas e analisadas as principais formas de onda do conversor.
A Fig. 4-3 apresenta as características da entrada no conversor e em baixo pode
ver-se a forma de onda da tensão de entrada, que é contínua pois trata-se de uma fonte
ideal. Na parte superior da figura encontra-se a corrente de entrada que por sua vez
também é a corrente que passa na bobina. Pela corrente apresentada verifica-se que o
conversor se encontra na zona contínua, ou seja, a corrente da bobina nunca é 0A.
Apresenta um valor médio de aproximadamente 40A muito próximo do máximo do
gerador 45A tendo atingido valores de pico de aproximadamente 43A.
Fig. 4-3 Tensão e Corrente de entrada
A Fig. 4-4 apresenta a corrente no condensador. Esta corrente surge quando a
bobina não está a fornecer corrente ao circuito, sendo a corrente fornecida pelo
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condensador, daí que a forma de onda esteja a maioria do tempo em baixo pois o Duty-
Cycle do Step-Up é próximo de 87%.
Fig. 4-4 Corrente no condensador
A Fig. 4-5 apresenta a características da saída para uma carga R=20Ω. Na parte
superior da figura pode-se ver a forma de onda da tensão. Esta inicialmente oscila,
vindo posteriormente a estabilizar em torno da tensão de referência que se pretendia ser
80V. Na parte inferior da imagem encontra-se a forma de onda da corrente. Como se
pode ver, esta é igual à forma de onda da tensão, apenas tem uma amplitude inferior.
Fig. 4-5 Características da saída
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A Fig. 4-6 apresenta a tensão entre colector e emissor do interruptor. Quando o
interruptor se encontra em condução, ela é de aproximadamente 1V que é a queda
mínima no interruptor. Quando se encontra ao corte, a tensão é de aproximadamente
80V próxima da saída do conversor.
Fig. 4-6 Queda de tensão no semi-condutor Vce
4.3. Inversor Trifásico
Para o desenvolvimento do inversor trifásico começou-se por subdividir o problema
em blocos e alguma aparelhagem de monitorização. A Fig. 4-7 exemplifica esses
blocos, dos quais se destaca o Gerador CC, o Conversor Trifásico CC-CA e a Carga.
Fig. 4-7 Diagrama de Blocos
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O primeiro bloco Gerador CC trata-se de uma fonte de tensão de 80V CC a qual
pretende simular o sistema gerador de energia que nesta dissertação é um alternador de
automóvel, seguido de um Step-Up.
No segundo bloco está presente a Conversor Trifásico CC-CA. Este bloco é um dos
principais, pois é nele que todo o controlo do sistema é realizado. No seguimento desta
dissertação será efectuado um desenvolvimento mais alargado.
Finalmente o bloco da Carga que, embora seja o último, não é menos importante do
que os outros dois, uma vez que vai ser responsável por algumas decisões tomadas na
realização deste trabalho. Vão ser efectuados estudos com várias cargas e analisadas as
diferenças de comportamentos do bloco conversor.
Conversor Trifásico CC-CA
O conversor é a parte responsável por transformar a tensão proveniente do gerador,
que é CC, na tensão pretendida à saída, ou seja, CA. Embora esta possa não ter a
amplitude desejada, a sua frequência é no entanto muito importante uma vez que tem de
ser compatível com a rede eléctrica nacional (50Hz). Este grande bloco é dividido em
alguns sub-blocos como pode ser visto na Fig. 4-8.
Fig. 4-8 Divisão do conversor CC/CA
O bloco do inversor é constituído por 6 IGBT e um diodo em anti-paralelo com
cada IGBT. As respectivas entradas de sinal e de tensão e saída das três fases, como
pode ser visualizado na Fig. 4-9. Esta é uma topologia VSI a 2 níveis trifásica
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Fig. 4-9 Conversor trifásico
O bloco do filtro LC é constituído por um condensador e uma bobina para cada fase
sendo a sua configuração ilustrada na Fig. 5-16. Os elementos usados têm os valores de
100 300 , calculados pelas expressões (5.10) e (5.11).
O bloco do transformador trifásico é constituído por um transformador trifásico
ligado em estrela com acesso ao neutro e tem uma relação de transformação de a=9 para
uma tensão de saída de 230V.
O bloco do sistema de controlo é o responsável por gerar os sinais de comando dos
IGBT. Neste bloco é efectuado todo o sistema de controlo do conversor. É constituído
basicamente por três elementos: onda portadora, onda moduladora e sistema de
controlo. A onda portadora é formada por uma onda triangular cuja frequência
determina a frequência de comutação dos interruptores utilizados. A amplitude depende
do índice de modulação (ma) utilizado. Uma vez que se trata de um sistema com
modulação assíncrona apenas é necessária uma onda portadora pois a mesma serve de
referência para as outras duas fases. A onda moduladora é uma sinusóide com amplitude
dependente de ma, a frequência tem de ser igual à frequência pretendida na saída do
circuito inversor. Para cada fase é necessária uma referência com as mesmas
características, só que desfasadas de 120º entre elas. Assim sendo, formou-se uma
referência e aplicaram-se atrasos para formar as outras duas.
4.3.1. Simulação do sistema em malha aberta
Para efectuar a simulação do sistema em malha aberta foi utilizado o modelo da
Fig. 4-10. A particularidade deste tipo de controlo é a não preocupação com a saída, ou
seja, é sempre enviado o mesmo tipo de sinais aos interruptores.
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Fig. 4-10 Controlo malha aberta
A Fig. 4-11 ilustra como são obtidos os sinais de controlo dos interruptores,
utilizando o sistema em malha aberta.
Fig. 4-11 Diagrama de blocos malha aberta
O primeiro teste foi efectuado com uma carga resistiva nas três fases
(R=1000Ω), para os quais foram obtidos os resultados presentes na Fig. 4-12. Para
cargas iguais a esta ou superiores o circuito comporta-se bem, conseguindo atingir os
valores pretendidos na saída 325 entre fase e neutro.
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Fig. 4-12 Tensão (a) e Corrente (b) numa carga de R=1000Ω
O segundo teste foi efectuado com uma carga resistiva menor (R=500Ω). Como
pode ser confirmado na Fig. 4-13 não se conseguiu atingir o valor de pico em nenhuma
das fases, contudo a forma de onda foi mantida e o seu valor de pico está próximo do
pretendido.
Fig. 4-13Tensão (a), Corrente (b) numa carga de R=500Ω
Por fim, foi colocada uma carga resistiva (R=100Ω) para se verificar o
comportamento do circuito. Constatou-se que cargas demasiado grandes provocam uma
diminuição na amplitude da onda de saída, como pode ser visualizado na Fig. 4-14.
Embora a sua forma de onda seja uma sinusóide, como era desejado, a amplitude desta é
cerca de 40% inferior. A forma de onda da corrente é semelhante à forma de onda da
tensão uma vez que se trata de uma carga resistiva
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Fig. 4-14 Tensão (a), Corrente (b) numa carga de R=100Ω
4.3.2. Simulação malha fechada
Para efectuar o teste em malha fechada foi utilizado o esquema da Fig. 4-15.
Fig. 4-15 Divisão circuito conversor CC-CA
O objectivo de utilizar um sistema de malha fechada é reduzir a diferença entre o
valor medido na saída do sistema e o valor de referência. Para se tornar um sistema
fiável, flexível e de fácil compreensão pode-se utilizar um dos seguintes tipos de
controlador.
Liga/Desliga (ON/OFF).
Controlo Proporcional (P).
Controlo Proporcional Integral (PI).
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 53
Controlo Proporcional Derivativo (PD).
Controlo Proporcional Integral Derivativo (PID).
Entre outros…
No âmbito desta dissertação desenvolveu-se um controlador P que está
representado na Fig. 4-16.
Fig. 4-16 Circuito representativo do controlador P
A Fig. 4-17 representa os sinais típicos de um controlador do tipo P. A tensão de
controlo é a pretendida na saída do sistema implementado. É em função dela que todas
as outras tensões são geradas. A tensão de saída é a tensão que efectivamente está a ser
produzida pelo sistema em cada momento. A amplitude desta depende fortemente do
tipo de carga que está acoplado ao sistema. Através da subtracção da tensão de controlo
e da tensão de saída é gerada uma terceira onda, a tensão de erro. Por fim é aplicado um
ganho proporcional à tensão de erro e somada com a tensão de controlo formando a
tensão de referência a qual vai ser comparada com a onda portadora e gerados os sinais
a aplicar aos IGBT’s.
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
54 Universidade do Minho
Fig. 4-17 Tensões base de um controlador P
Para efectuar o primeiro teste foi utilizada uma carga resistiva (R=1000Ω) tal como
no ensaio em malha aberta. Os resultados obtidos foram os esperados, atingindo-se o
valor de pico pretendido bem como a forma de onda. Os mesmos já tinham sido obtidos
com o sistema a funcionar em malha aberta. A Fig. 4-18 ilustra os resultados tanto da
tensão (a), como da corrente (b).
Fig. 4-18 Tensão, Corrente numa carga de R=1000Ω
No segundo caso simulado foi utilizada uma carga resistiva (R=500Ω). Como pode
ser observado na Fig. 3-19 os resultados obtidos estão de acordo com o previsto. Neste
mesmo ensaio, mas com a malha em aberto, o circuito não conseguiu responder como
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 55
era pedido. Já com malha fechada atinge os valores desejados em tensão e
consequentemente em corrente.
Fig. 4-19 Tensão, Corrente numa carga de R=500Ω
Numa terceira simulação foi utilizada uma carga resistiva (R=100Ω). Com esta
carga o sistema não consegue atingir os valores pretendidos e a forma de onda sofre
distorção. Assim sendo, pode-se dizer que este tipo de controlador é insuficiente pois
não atinge os valores pretendidos para este tipo de carga. Contudo a carga simulada
requer uma potência maior que a possível pelo sistema implementado, logo este tipo de
carga apenas foi utilizado para testar quando o controlador utilizado deixava de
responder satisfatoriamente. Na Fig. 4-20 está ilustrada a forma de onda de saída da
tensão bem como a respectiva corrente. É de realçar que no primeiro ciclo apresentado a
forma de onda ainda não tinha atingido a estabilidade, ou seja, pode-se visualizar que o
sistema demora cerca de 15 a 20ms a estabilizar.
Fig. 4-20 Tensão, Corrente numa carga de R=100Ω
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
56 Universidade do Minho
No quarto caso simulado foi utilizada uma carga resistiva (R=300Ω). Utilizou-se
este valor por ser a carga que absorve a potência que o sistema gerador pode fornecer.
Para este valor de carga o sistema responde bem atingindo o valor 325 o qual era
pretendido, conseguindo ter na saída uma corrente de aproximadamente 1A. Na Fig.
4-21 estão representadas as formas de onda da tensão e da corrente para esta carga.
Fig. 4-21 Tensão, Corrente numa carga de R=300Ω
A Fig. 4-22 apresenta a potência fornecida por cada fase para uma carga de 300Ω.
Tem um valor de pico de aproximadamente P=370W por fase.
Fig. 4-22 Potência consumida por cada fase
Uma carga muito utilizada é o motor. Assim uma das simulações efectuadas foi
com uma carga com cos 0,8 indutivo para simular a utilização de um motor. Esta
carga foi ligada ao sistema em estrela.
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 57
A Fig. 4-23 mostra a tensão e corrente presentes na carga. Os valores encontram-se
dentro do esperado e vem mais uma vez confirmar os bons resultados obtidos com o
controlador P.
Fig. 4-23 Tensão e Corrente numa carga 0,8indutiva
Na Fig. 4-24 está representado e desfasamento que existe entre a tensão e a corrente
causados pela utilização da carga com cos 0,8 .
Fig. 4-24 Desfasamento entre corrente e tensão na Fase
O último caso aqui apresentado refere-se a um tipo de carga muito utilizada hoje
em dia, os rectificadores com filtro capacitivo. Foi ligado um rectificador entre a Fase A
e Neutro e outro entre a Fase B e Fase C. As formas de onda da tensão apresentam
alguma distorção, resultante do elevado conteúdo harmónico consumido pela carga. A
forma de onda da corrente é característica neste tipo de circuito. Resultante do tipo de
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
58 Universidade do Minho
carga utilizada, o controlador utilizado não consegue compensar totalmente as
distorções existentes na forma de onda da tensão. Todas estas características estão
apresentadas na Fig. 4-25.
Fig. 4-25 Tensão (a), Corrente (b) em rectificadores com filtro capacitivo.
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 59
Capítulo 5 Montagem Experimental
5.1 Introdução
Neste capítulo serão apresentadas as montagens, escolhas e justificações das
mesmas, respectivamente ao conversor CC-CC e ao inversor CA. É também
apresentado o microcontrolador utilizado, o ambiente de programação, bem como a
escolha da linguagem de programação utilizada.
A Fig. 5-1 apresenta o diagrama de blocos do sistema a implementar no âmbito
desta dissertação. Começou-se por estudar o gerador fornecido e a partir dele
desenvolveu-se toda a electrónica necessária para a conclusão final.
Fig. 5-1 Diagrama de blocos do sistema implementado
5.2 Microcontrolador
O controlo de condução de interruptores pode ser efectuado por duas formas
distintas. A primeira forma é através de hardware, ou seja, fisicamente através de um
conjunto de componentes electrónicos, capazes de controlar os tempos e ligar ou
desligar os interruptores nas alturas necessárias. Esta solução é possível embora muito
trabalhosa e tem de ser efectuada com alguma perícia por parte de quem a está a
projectar. Também é uma solução dispendiosa, pois cada componente tem um preço e
quantos mais forem usados, mesmo sendo económicos, mais cara fica a solução final. A
segunda forma é aquela que actualmente mais se utiliza. É através de software, usando
microcontroladores, pois um só dispositivo pode controlar uma diversidade de outros
componentes. Efectuando tempos bastante precisos, é económico, cómodo e o espaço
ocupado é relativamente pequeno em comparação com o restante circuito. Uma das
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
60 Universidade do Minho
maiores vantagens do uso deste equipamento é a facilidade da sua produção em série,
bem como qualquer alteração do código existente é de fácil modificação.
O microcontrolador a escolher teria de ser capaz de efectuar o controlo do
conversor CC bem como o do inversor CA individualmente para assim facilitar o
projecto e não ser necessário despender tempo na aprendizagem de dois equipamentos
novos. O microcontrolador escolhido foi o PIC18F4431 pois possui os requisitos
necessários para efectuar o controlo do conversor CC e do inversor CA, possuindo ADC
e PWM trifásicos com bastante resolução e bastante rápidos.
A Fig. 5-2 apresenta o esquema dos pinos deste mesmo equipamento, sendo
importante referir os principais portos utilizados. O porto B que vai do pino 33 ao 40
sendo aí que está o módulo de PWM e o porto A o qual vai do pino 2 ao 7 mais 13 e 14
onde se encontram os ADC.
Para efectuar a programação deste PIC existem várias formas possíveis. Na oficina
do departamento já existiam alguns esquemas eléctricos de placas programadores
testados e com excelentes resultados. Então optou-se por utilizar esses esquemas para
evitar problemas desconhecidos. Esses esquemas são conhecidos por MPLAB ICD 2.
Está ilustrado na Fig. 5-3 a montagem utilizada.
Fig. 5-2 Esquema de ligações do PIC18F4431 [28]
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
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Fig. 5-3 Circuito programador
A linguagem de programação utilizada foi o assembly por ser uma linguagem de
baixo nível, tendo um tempo de execução de instrução menor. O ambiente de trabalho é
MPLAB IDE v8.1 disponível na página do fabricante destes circuitos integrados. O
código é desenvolvido no próprio MPLAB não sendo necessário acrescentar nenhum
outro software.
5.3 Conversor CC-CC
A tensão aos terminais do gerador é relativamente baixa e apresenta uma corrente
bastante elevada sendo 14V e 55A respectivamente, dando uma potência de 770W.
Como o objectivo era apresentar 230V CA na saída da montagem final, achou-se
bastante útil a elevação desta tensão, uma vez que com as várias quedas de tensão nos
dispositivos utilizados ficar-se-ia com uma tensão CA muito baixa, necessitando-se
depois de um transformador com uma relação de transformação elevada. Teria também
de suportar correntes elevadas no primário, obrigando assim a ter fio de secção elevada,
o que tornaria este transformador dispendioso.
Para elevar a tensão de entrada pode-se utilizar um conversor CC-CC. Os
conversores mais indicados a utilizar são: o Flyback ou o Step-Up, sendo que o primeiro
é mais aconselhado para baixas potências, precisando de um transformador
sobredimensionado. O conversor a dimensionar tem uma potência de entrada máxima
de aproximadamente 630W, sendo que a tensão de entrada é baixa (máximo 14V) e a
corrente é elevada (máxima 45A), assim sendo, era necessário usar um transformador
que suporte essas características. Uma vez que não era preciso o isolamento entre
entrada e saída do conversor e também não se disponha de nenhum que preenche-se os
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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requisitos optou-se pelo Step-Up pois não precisa de transformador, sendo os seus
constituintes relativamente fáceis de encontrar os construir.
A Tabela 5-1 apresenta as características do Step-Up a implementar, é através delas
que vão ser escolhidos os valores dos componentes a utilizar.
Tabela 5-1 Características do Step-Up
Características Valores Típicos
Tensão saída 80V (Max)
Tensão entrada 10V~80V (Min~Max)
Corrente entrada 45A (Max)
Frequência funcionamento 20kHz
Corrente saída 6A
Potência saída P 500W (Max)
5.3.1. Diodo
O diodo utilizado precisa de ser rápido e de suportar a corrente máxima do gerador.
Assim sendo, o diodo utilizado foi o STTH16003TV que está representado na Fig. 5-4
onde também está presente a tabela com os principais dados do mesmo. O tipo de
socket apresentado contém 2 diodos do mesmo tipo, sendo que um foi utilizado para o
Step-Up, o outro foi aproveitado para o desenvolvimento do circuito de Snubber o qual
vai ser descrito mais adiante.
Fig. 5-4 Diodo do Step-Up [20]
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
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5.3.2. Bobina
A bobina é um componente muito importante no dimensionamento do Step-Up,
uma vez que é através da energia que é armazenada nela que pode ser controlada a
tensão de saída. Assumindo que o gerador pode fornecer tensões entre 10V e 14V e que
na saída se pretende ter 80V, por intermédio da expressão (3.6) pode determinar-se qual
o valor de Duty-Cycle a utilizar.
0,875 5.1
Utilizando agora a expressão do limiar de continuidade (3.13) e assumindo que o
=0,5A é o menor valor de corrente para não entrar em zona descontínua cerca de 5%
de duty-cycle com uma frequência de comutação de f=20kHz, pode-se calcular o valor
da bobina.
1 5.2
L=54,7µH
Sabendo que a bobina tem de suportar a corrente máxima vinda do gerador que
neste caso é 45A, consultando a tabela que se encontra no Anexo I, escolhe-se o valor
do fio para essa mesma bobina. Para fazer uma só bobina teria de ser usado um fio de
secção elevada (diâmetro d=5,2mm) sendo portanto difícil de o encontrar e de fazer
manualmente a bobina. Optou-se por usar 4 bobinas em paralelo, ficando assim mais
fácil de se construir e encontrar um fio adequado.
A Tabela 5-2 apresenta os dados relativos a uma bobina, sendo as outras 3 de valor
próximo.
Tabela 5-2 Características das bobines
Identificação Valores Nominais
L a 1kHz 297µH
L a 20kHz 264µH
Corrente Máxima 15A
Diâmetro Fio 2,6mm
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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5.3.3. IGBT
O IGBT é o componente responsável pela carga e descarga da bobina presente no
circuito, ajustando assim a tensão na saída. O semicondutor tem de apresentar algumas
características específicas para poder ser utilizado no circuito, tendo de suportar a
corrente máxima que o gerador pode fornecer, uma vez que no pico de funcionamento
essa corrente atinge 45A. No momento de transição de estado a tensão pode atingir
picos elevados, em funcionamento normal este valor é de aproximadamente 14V (tensão
de alimentação).
Analisando a Fig. 5-5 pode concluir-se que não existem muitos tipos de
semicondutores que possam funcionar acima dos 20kHz. Os 2 tipos mais usuais e com
funcionamentos bastante bons são os Mosfect e IGBT, sendo que, os mosfect não
suportam correntes altas (tipicamente abaixo dos 150A). Para valores de correntes
elevados os preços tornam-se demasiadamente altos não sendo viáveis para este tipo de
aplicações. Assim sendo, optou-se por utilizar IGBT.
Fig. 5-5Comparação entre vários semi-condutores [17]
A representação interna de um IGBT está presente na Fig. 5-6.
Fig. 5-6 Símbolo IGBT [21]
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O IGBT escolhido foi o STGW40NC60V. A Tabela 5-3 apresenta as características
deste IGBT sendo que de entre eles temos de destacar as principais, como é o caso da
tensão máxima permitida entre colector e emissor Vce=600V e a corrente suportada que
é I=80A para 25ºC e tem um poder de dissipação elevado P=260W a 25ºC.
Tabela 5-3 Principais características IGBT [21]
5.3.4. Condensador de entrada
O condensador de entrada não é obrigatório, embora se deva utilizar para facilitar e
ajudar a resposta em frequência do gerador. Um condensador é bastante mais rápido que
um gerador na resposta, melhorando a resposta do sistema. Vem também suprimir o
ruído que possa existir na linha de alimentação do conversor CA-CC (presente no
alternador), tornando desta forma a tensão de alimentação do Step-Up mais estável.
5.3.5. Condensador de saída
O condensador de saída está directamente relacionado com o ripple final que o
conversor vai apresentar, usando a expressão (5.4) com um ripple máximo de 5% e uma
corrente máxima de 9,7A e o Duty-Cycle é D=0,875.
∆ 5.3
∆, , .
,106,1 5.4
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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5.3.6. Circuito de drive
A tensão na saída do microcontrolador é de 5V, não sendo compatível com a tensão
mínima que o IGBT necessita na sua gate para entrar em saturação. Para isso foi
necessário acrescentar um circuito capaz de efectuar essa interligação. O circuito
escolhido está presente na Fig. 5-7 e para isso utilizou-se o circuito integrado UC2707
da Texas Instruments, dispositivo adequado para efectuar este tipo de interligação,
sendo muito rápido a passar de 0V para a tensão máxima e vice-versa.
Fig. 5-7 Circuito drive [22]
Na saída do circuito integrado é acoplado um pequeno circuito electrónico sugerido
no próprio datasheet do componente.
5.3.7. Controlo Step-Up
O controlo do conversor foi elaborado com o microcontrolador apresentado no item
5.2 deste mesmo capítulo. Deste microcontrolador foi utilizado um pino de PWM, bem
como um pino referente a um ADC, o qual vai efectuar as leituras necessárias da saída
do conversor.
A Fig. 5-8 apresenta o fluxograma do código desenvolvido no microcontrolador
para efectuar o controlo da tensão de saída do conversor. O controlo efectuado no
conversor baseia-se em comparações sucessivas com o valor de referência. Este valor
foi definido no início do programa e teve em conta o valor máximo da onda portadora
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
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(onda triangular interna do microcontrolador que define a frequência de comutação).
Quando o valor lido pelo ADC se encontra abaixo do valor de referência é incrementado
o Duty-Cycle e vice-versa, mantendo assim estável a tensão na saída.
Na saída do conversor, quando este se encontra em funcionamento, devem estar
80V, no entanto esta tensão é demasiado elevada para o microcontrolador, sendo por
isso necessário efectuar um divisor de tensão para baixar a tensão de saída para um
valor compatível pelo microcontrolador.
5.4 Snubber
O snubber utilizado neste projecto é do tipo RCD (resistência, condensador, diodo)
e a sua configuração está presente na Fig. 5-9.
Fig. 5-8 Fluxograma do controlo
Não
Igual
Aumenta Duty-Cycle
Inicio
Configura PWM
Configura ADC
Configura Registos Microcontrolador
Carrega Referencia
Compara tensão referência com
tensão lida ADC Sim
Diminui Duty-Cycle
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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Fig. 5-9 Snubber RCD [17]
Este tipo de snubber ajuda o interruptor a desligar (turn-off) para evitar que
apareçam tensões e correntes elevadas entre colector e emissor, e assim diminuir as
perdas de comutação do interruptor. Para efectuar o dimensionamento dos componentes
utilizados foram utilizadas as expressões (5.5), (5.6) e (5.7), sendo igualmente
necessário medir o tempo que o interruptor demora a passar de um estado para o outro.
5.5
200
Condensador
Corrente que atravessa o interruptor
Tempo que o interruptor demora a sair de condução
. 5.6
1,5 Ω
5.7
640e W
A potência obtida é de uma comutação, como a frequência de comutação é
f=10kHz, vem que a potência:
6,4W
5.5 Inversor Trifásico
A topologia de inversor escolhido no âmbito desta dissertação foi a topologia VSI a
dois níveis pois era a que mais se enquadrava no projecto. Uma das razões que levou a
essa escolha foi o preço, uma vez que cada interruptor tem um custo ainda elevado e
quantos mais são usados mais vão elevar o preço do produto final. Outra razão é que a
técnica de comutação para esta topologia é, relativamente a outras, mais fácil de se
implementar e adapta-se no microprocessador escolhido. Além disso, o espaço usado
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 69
também tem um fundamento importante pois quantos mais interruptores forem usados
mais dissipadores e mais espaço será dispendido. Assim sendo, na Fig. 5-10 está
ilustrado o esquema usado bem como o circuito snubber inserido.
Fig. 5-10 Circuito inversor implementado
Os interruptores usados foram IGBT com díodo em anti-paralelo, uma vez que são
interruptores rápidos e suportam tensões e correntes elevadas. Alem disso têm menos
perdas nas comutações. Os IGBT usados foram do tipo STGP30NC60W uma vez que
foram distribuídos de forma gratuita e preenchiam os requisitos mínimos, suportando
600V e 30A, condições para a temperatura de 25ºC podendo dissipar P=200W nas
mesmas circunstâncias.
O snubber utilizado foi dimensionado segundo as expressões (5.5), (5.6) e (5.7). O
uso do snubber vem diminuir as sobretensões que possam existir aquando das
comutações, também diminui as perdas nas comutações do IGBT. Com a diminuição de
potência dissipada por parte dos IGBT, podem ser usados dissipadores menores o que
diminui os gastos e o projecto fica mais económico e compacto.
5.6 Malha Fechada
Para efectuar a malha fechada do controlo do inversor foi necessário medir as
tensões na saída do filtro para depois se poder incluir o controlo necessário. Como o
objectivo era medir , , foi necessário introduzir sensores de efeito Hall para esse
efeito. O sensor aplicado foi o LV25-P o qual está representado na Fig. 5-11 tendo este
as características da Tabela 5-4.
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Tabela 5-4 Características Sensor LV25-P [23]
Características Valores Nominais
Tensão 10/500 V
Corrente 10 mA
Relação transformação 2500:1000
Medições CC, CA
Este sensor está dividido em duas partes, o que significa que numa parte do sensor
existe a ligação da fonte a ser medida, através de uma resistência (R1 da Fig. 5-11).
Assim sendo, esta resistência vem limitar a corrente que passa no sensor, uma vez que
ele suporta apenas 10mA. Esta é a corrente para a resolução máxima. Na segunda parte
do sensor está a alimentação e a saída. A saída do sensor vem em corrente, no entanto é
necessário converter para tensão através da resistência RM (Fig. 5-11).
Fig. 5-11 Esquema de LV25-P [23]
1 5,6 Ω
220Ω
Uma vez dimensionado o valor das resistências, o sensor fica configurado. A tensão
na saída do sensor é idêntica a tensão na saída do filtro só que esta vem afectada da
relação de transformação, ou seja, com amplitude reduzida.
Para realizar leituras das respectivas tensões de saída é necessário utilizar os ADC
incorporados no microprocessador, contudo eles apenas permitem tensões no máximo
entre 0V e 5V, ou seja, foi necessário eliminar a parte negativa da onda sinusoidal e
para isso foi utilizado um circuito somador.
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
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O circuito somador utilizado está presente na Fig. 5-12, é constituído por 3
resistências e um amplificador operacional.
Fig. 5-12 Circuito somador [24]
Esta configuração é inversora ou seja a soma das tensões e aparece reflectida em
mas com o sinal contrário. A entrada inversora do amplificador operacional é uma
terra virtual por isso pode ser calculada a corrente proveniente das fontes e
recorrendo a lei de Ohm.
, 5.8
A tensão na saída é dada por:
5.9
Calculando os respectivos valores para as resistências ficamos com o circuito
dimensionado e pronto a efectuar a interligação da saída do filtro com o
microprocessador. O circuito final é apresentado na Fig. 5-13
1 3 6 20 Ω
2 4 5 35 Ω
7 8 9 10 Ω
Na saída do circuito da Fig. 5-13 estão presentes as ondas que servem de referência
para a realimentação do inversor.
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Fig. 5-13 Malha fechada
A Fig. 5-14 apresenta as ondas para a saída máxima do inversor trifásico.
Fig. 5-14 Saída do somador
5.7 Circuito de drive
Para efectuar o correcto controlo de um inversor são fornecidos os impulsos de
activação aos interruptores utilizados. Se estes forem dados a níveis insuficientes ou
mesmo demorarem muito tempo entre transições, os interruptores não conseguem
responder correctamente. Para que todo este sistema funcione correctamente é
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 73
necessário um circuito de geração de impulsos rápido que mantenha as especificações
quando aplicado à gate do interruptor.
O sistema de drive utilizado foi escolhido devido às várias vantagens que possui.
Trata-se de um sistema muito rápido nas transições de subida e descida e pode funcionar
com IGBT ou Mosfect. Outra vantagem bastante importante é o facto de precisar apenas
de uma alimentação, conseguindo formar ele a referência para gerar o sinal de impulso
do interruptor superior. Todos estes factores vieram simplificar o dimensionamento do
conversor e diminuir o seu custo, uma vez que os componentes utilizados são menos e
são encontrados a preços razoáveis.
A Fig. 5-15 ilustra o esquema que foi implementado com o drive utilizado
(NCP5106 da On Semiconductor). Está representado com um braço de Mosfect mas
pode ser utilizado também com IGBT.
Fig. 5-15 Circuito drive de um braço do conversor[25]
5.8 Filtro
Algumas aplicações não de precisam ser alimentadas por tensões sinusoidais puras,
ou quase puras, precisando apenas de ter alimentações em amplitude e frequência
adequada, como é o caso de motores de indução. Contudo, uma grande parte das cargas
para ter um funcionamento correcto necessita de ter uma tensão sinusoidal na sua
entrada, podendo no entanto, conter algum conteúdo harmónico na sua constituição.
Existem várias possibilidades para se efectuar um filtro, sendo que muitas delas não
são adequadas para determinadas aplicações, uma vez que são constituídas por
elementos resistivos o que provoca elevadas perdas no seu uso. Assim sendo, uma
aplicação válida e que tem um consumo relativamente baixo é um circuito LC (bobina e
condensador).
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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Para a sintonização deste filtro podem utilizar-se as expressões (5.10) e (5.11).
Sabendo que a çã 10kHz e que se deve sintonizar o filtro uma década abaixo
da frequência de comutação ( çã ).
2 çã 5.10
√ 5.11
Para o dimensionamento deste filtro parte-se de um valor de condensador existente
pois os seus valores são standard enquanto a bobina vai ser construída. O valor do
condensador é C=100µF a (400V) sendo o valor da bobina depois dos cálculos de
L=253,3µH.
A ligação do filtro ao inversor pode ser efectuada por configurações distintas, uma
vez que na primeira configuração Fig. 5-16 se trata de uma ligação para equipamentos
onde não seja necessário o uso de neutro. A Fig. 5-17 representa um esquema trifásico
onde é criado um ponto comum o qual pode ser utilizado como neutro desta
configuração. Este ponto pode ser utilizado para ligação de cargas monofásicas, contudo
pode provocar desequilíbrios nas outras fases uma vez que é uma ligação comum e não
um neutro real, sendo um ponto de referência das tensões.
Fig. 5-16 Filtro trifásico sem neutro
Fig. 5-17 Filtro trifásico com neutro
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 75
Independentemente do tipo de ligação do filtro, este apresenta sempre o mesmo
valor de tensão composta.
5.9 Transformador e Variac
O Transformador e o Variac são dois elementos através dos quais se pode elevar ou
baixar a tensão alternada. Estes possuem rendimentos elevados quando em
funcionamento nominal, podendo mesmo chegar aos 99% algo que poucas máquinas ou
elementos electrónicos consegue atingir.
O transformador possui uma grande vantagem em relação ao Variac: o isolamento
entre entrada e saída. Contudo, também tem uma desvantagem grande, a relação de
transformação é fixa, limitando a sua utilização em circuitos onde possamos querer uma
tensão de saída/entrada variável, embora actualmente já existam transformadores que
possuem várias ligações possíveis. A expressão (5.12) indica a relação de transformação
de um transformador.
5.12
Sendo que:
Relação de transformação
Enrolamentos do lado primário e secundário
Tensões de entrada e de saída
O transformador contém dois ou mais enrolamentos sendo que os mais usuais são
os transformadores de dois enrolamentos. O Variac só contém um enrolamento comum.
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Capítulo 6 Resultados Experimentais
6.1 Introdução
Neste capítulo serão apresentados os resultados experimentais dos circuitos
desenvolvidos no âmbito desta dissertação. Serão apresentadas as curvas de
funcionamento do alternador bem como o funcionamento do Step-Up, (rendimento,
tensão entrada e saída, correntes entrada e saída). Também vão ser documentados os
testes efectuados ao inversor trifásico e seu funcionamento com diversas cargas.
6.2 Alternador de Automóvel
O alternador utilizado está representado na Fig. 6-1. Este alternador pode fornecer
14V CC e 45A. Estas características são atingidas para velocidades de rotação elevadas
sendo que para baixas rotações o alternador fornece na mesma os 14V CC. A corrente
não é máxima mas sim uma corrente dependente da velocidade de rotação.
Fig. 6-1 Alternador de Automóvel [26]
A relação entre a velocidade de rotação em RPM e a corrente está presente no
gráfico da Fig. 6-2. Este alternador começa a fornecer corrente a partir de
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aproximadamente 1000 rpm. A corrente fornecida aumenta com o aumento da
velocidade de rotação, contudo este aumento não é proporcional nem linear.
Fig. 6-2 Relação RPM/Corrente
6.3 Conversor CC-CC
Para efectuar o estudo do funcionamento do Step-Up utilizou-se como fonte de
energia uma bateria para ser mais cómodo e para ter a potência necessária para
emulação da realidade, uma vez que a bateria fornece 12V 45A o que se encontra muito
próximo dos valores máximos do gerador utilizado. Foram realizados vários ensaios
com o conversor cujos resultados estão presentes na Tabela 6-1. Foram efectuadas as
medições necessárias e foi calculado o rendimento do conversor, os valores medidos
bem como os calculados estão presentes na Tabela 6-1. O rendimento de Step-Up
encontra-se dentro do esperado, uma vez que o circuito snubber utilizado possui
consumo elevado. O interruptor utilizado também tem grandes perdas, levando assim o
conjunto final a ter um rendimento um pouco baixo. Mesmo assim, considera-se que o
rendimento está numa gama de valores aceitável (60%).
05
101520253035404550
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
Cor
rent
e Fo
rnec
ida
Velocidade RPM
Curva Corrente
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Tabela 6-1 Rendimento do conversor
(V) (A) (V) (A) Potência
Entrada (W)
Potência
Saída (W)
Rendimento
(%)
12,9 7,1 80,6 0,75 91,6 60,4 66
12,7 9,4 80,2 1,00 119,4 80,2 67
12,5 12,0 80,1 1,25 150,0 100,1 66
12,4 15,0 80,0 1,50 186,0 120,0 64
12,4 18,4 80,5 1,75 228,2 140,9 62
12,4 20,1 80,0 2,00 249,3 160,0 65
12,4 22,1 80,0 2,25 274,0 180,0 65
12,4 25,1 80,4 2,50 311,2 201,0 64
12,4 27,6 80,1 2,75 342,3 220,3 64
12,3 32,1 80,0 3,00 394,8 240,0 60
12,3 35,2 80,0 3,25 445,3 260,0 60
12,3 42,1 80,6 3,50 541,2 282,1 54
A Fig. 6-3 apresenta um gráfico com a evolução da relação entrada/saída do
conversor para as diferentes cargas. A curva do rendimento do conversor é praticamente
constante, ou seja, um aumento da potência de entrada causa um aumento de saída em
escala igual.
Fig. 6-3 Relação entrada/saída
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A Fig. 6-4 retrata a tensão na saída do conversor.
Fig. 6-4 Tensão na saída do conversor
A Fig. 6-5 é relativa à tensão de entrada e esta provém de uma bateria de carro.
Como se pode ver, também ela apresenta pequenas ondulações no seu conteúdo.
Fig. 6-5 Tensão de saída bateria
6.4 Snubber do Conversor CC
A introdução de um circuito de snubber vem ajudar a comutação do interruptor
usado, uma vez que este tipo de circuito vem reduzir o nível dos picos de tensão
aplicados ao interruptor. Também reduz as perdas no interruptor.
Na Fig. 6-6 está representada a forma de onda a que o interruptor está sujeito
quando não existe circuito de snubber.
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
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Fig. 6-6 Forma de onda Vce sem snubber
Por outro lado, quando é usado o circuito de snubber, a forma de onda fica
idêntica à da Fig. 6-7. Ao comparar as duas ondas facilmente se visualiza que a
representada na Fig. 6-7 fica praticamente sem oscilações, ficando contudo com um
pico da mesma ordem de grandeza do valor de saída do conversor.
A forma de onda de ideal é uma onda quadrada onde o duty-cycle pode ser
variável. Com esta forma de onda o interruptor dissipa a potência mínima. Com a forma
de onda da Fig. 6-7 o interruptor é obrigado a dissipar mais potência, a qual, depende do
tempo que o interruptor está a ter tensão aos seus terminais e ao mesmo tempo está a ser
percorrido por corrente.
Fig. 6-7 Forma de onda Vce com snubber
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6.5 Inversor Trifásico
O estudo do funcionamento do inversor foi efectuado com apoio do Step-Up
desenvolvido anteriormente, para elevar a tensão do barramento CC. Também foi
utilizado o filtro da Fig. 5-17 para assim se obter a componente fundamental da tensão.
Para elaborar os testes do funcionamento foram utilizadas algumas cargas resistivas de
valores variados. Essas cargas foram ligadas em estrela.
O primeiro teste efectuado foi com a saída em vazio, para se obter os valores
máximos conseguidos.
A Fig. 6-8 mostra como são as formas de onda na saída do sistema desenvolvido,
sendo também apresentadas as características dessas ondas. O valor máximo das tensões
é 50 que se traduz num valor eficaz de 35 , este valor está
directamente relacionado com ma que neste caso é 0,85.
Fig. 6-8 Saída do filtro
O conteúdo harmónico presente na tensão da Fig. 6-8 está representado na Fig. 6-9.
O THD máximo é de 1,5%, valor este que se encontra dentro dos limites estabelecidos
pela norma EN 50160 a qual refere que o THD máximo deve ser inferior a 8% para
baixas tensões.
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Fig. 6-9 Conteúdo harmónico
O segundo teste efectuado foi com uma carga resistiva (R=2200Ω). As formas de
onda são idênticas ao teste efectuado em vazio. Foram obtidos os resultados esperados
de acordo com o valor da carga usada. A Fig. 6-10 mostra os resultados obtidos neste
teste.
Fig. 6-10 Tensão aplicada a uma carga R=2200Ω
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O terceiro teste efectuado foi com uma carga resistiva (R=320Ω). A Fig. 6-11
mostra os resultados obtidos para este teste. As formas de onda bem como a amplitude
estão de acordo com o esperado.
Fig. 6-11 Tensão aplicada a uma carga R=320Ω
O quarto teste efectuado foi com uma carga resistiva (R=32Ω). Foi escolhido este
valor por se tratar da carga que absorve a potência máxima que o sistema gerador
consegue fornecer. Os resultados estão de acordo com o esperado embora a amplitude
da onda tenha caído cerca de 2V.
Fig. 6-12 Tensão aplicada a uma carga R=32Ω
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O conteúdo harmónico presente em todos os testes efectuados é inferior a 2%,
obedecendo assim à norma EN 50160.
O valor da amplitude dos testes realizados é muito inferior ao pretendido devido à
tensão do barramento ser baixa. Para elevar a tensão para os níveis pretendidos (230V),
será usado um transformador com uma determinada relação de transformação. O
transformador necessário para este trabalho foi dimensionado segundo os resultados
obtidos na Fig. 6-8 e o valor pretendido. O valor eficaz de entrada é 35 e na
saída pretende-se 230 que se traduz numa relação de transformação de
7.
O transformador utilizado neste trabalho não era o transformador indicado para esta
aplicação pois não se disponha dele. A relação do transformador utilizado era muito
superior ao desejado ( 16 . Para este tipo de aplicação o transformador deve ser
sobredimensionado, evitando assim interferir na forma de onda. Contudo, o
transformador usado era subdimensionado o que não ajudou no total sucesso do
trabalho. Para a utilização deste transformador foi necessário reduzir a amplitude de
saída do Step-Up.
A Fig. 6-13 mostra a saída do transformador em vazio, a amplitude das ondas de
saída encontra-se dentro dos valores esperados bem como a forma de onda.
Fig. 6-13 Saída do transformador em vazio
A Fig. 6-14 mostra o conteúdo harmónico presente na saída do transformador,
apresentando valor máximo de THD=1,4%, valor este que é admitido pelas normas de
baixa tensão.
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Fig. 6-14 Conteúdo harmónico na saída do transformador
O primeiro teste efectuado foi com lâmpadas incandescentes de 40W ligadas em
estrela. A Fig. 6-15 mostra a tensão aplicada nas lâmpadas bem como as características
da mesma. A amplitude da onda encontra-se dentro do esperado bem como a forma de
onda.
Fig. 6-15 Tensão aplicada a lâmpadas 40W
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A Fig. 6-16 mostra o conteúdo harmónico na onda representada na Fig. 6-15. Os
valores de THD obtidos obedecem as normas estabelecidas para baixa tensão.
Fig. 6-16 Conteúdo harmónico lâmpadas de 40W
O segundo teste efectuado foi com uma carga resistiva de 320Ω ligada em estrela.
A Fig. 6-17 mostra os resultados obtidos com esta carga. A forma de onda encontra-se
dentro do esperado embora a amplitude tenha caído cerca de 30%, este facto deve-se ao
limite do Step-Up ter sido atingido, não podendo fornecer a potência necessária à carga.
Para se conseguir efectuar medições com esta carga foi necessário reduzir a amplitude
da tensão aplicada, baixando a tensão do barramento CC, conseguindo-se assim que na
saída do filtro esteja uma tensão CA de amplitude menor.
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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Fig. 6-17 Tensão aplicada a carga 320Ω
A Fig. 6-18 mostra o conteúdo harmónico presente na tensão aplicada à carga. O
valor de THD é inferior a 2% encontrando-se dentro dos limites estabelecidos.
Fig. 6-18 Conteúdo harmónico de carga 320Ω
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Capítulo 7 Conclusões e Trabalho Futuro
7.1. Conclusões
A execução deste trabalho tornou-se na maior experiência em todo o percurso
académico realizado. Mostrou ser uma experiência enriquecedora e proveitosa quer a
nível teórico pelos temas abordados quer a nível prático pela realização de todo o
processo. Também se reforçou a ideia de quanto a energia eléctrica é importante nos
dias que correm.
Este trabalho teve como principal objectivo a elaboração de um sistema capaz de
converter a tensão vinda de um gerador de velocidade variável, numa tensão compatível
com a rede eléctrica nacional.
A primeira fase do trabalho foi o estudo dos diversos geradores de energia, para
assim se poder decidir qual o melhor gerador para a situação que se estava a trabalhar.
O gerador escolhido foi o alternador de automóvel por se tratar de um sistema de fácil
aquisição e preenchia os requisitos necessários.
Depois de seleccionado o gerador a utilizar, elaborou-se um conversor CC-CA
tendo como entrada a tensão vinda do gerador e como saída a tensão alternada, contudo
esta solução não se tornou muito viável devido ao baixo valor de amplitude do lado CC
(12V~14V), obtendo-se assim um valor CA muito baixo o que levaria a utilização de
um transformador com elevada relação de transformação, para valores de potência
elevada o que obrigaria a fio de secção elevada e por isso inviável.
A solução anterior não teve sucesso devido ao baixo valor do barramento CC, neste
propósito foi estudada uma solução para elevar a tensão do barramento e assim
ultrapassar o problema. A solução encontrada foi a elaboração de um Step-Up uma vez
que preenchia os requisitos.
No capítulo 2 foram realizados os estudos relativos ao funcionamento do Step-Up e
do conversor CC-CA. Também foram estudadas métodos de controlo e
dimensionamento dos mesmos.
Com o objectivo de se obter o melhor resultado possível, foram realizados testes
computacionais com a ajuda do Matlab para os sistemas propostos. Com os testes
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
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realizados foram obtidos resultados satisfatórios e que tornavam viável a elaboração dos
protótipos pretendidos (Step-Up e conversor CC-CA).
Após a realização de todos os testes no Matlab procedeu-se à construção dos
protótipos pretendidos e aos testes dos mesmos. Os resultados obtidos nos testes dos
protótipos vão ao encontro dos resultados obtidos nas simulações, confirmando assim a
boa escolha dos métodos seguidos.
Com a realização deste trabalho ficou provado que os métodos utilizados na
elaboração dele são capazes de responder de forma positiva aos objectivos propostos. O
estudo, simulação e implementação de um sistema capaz de converter baixa tensão CC
em tensão compatível com a rede eléctrica nacional é possível e pode ser implementado
seguindo as técnicas aqui utilizadas.
7.2. Trabalho futuro
Na conclusão deste trabalho salienta-se alguns aspectos que podem ser melhorados,
também podem ser adicionados novos sistemas, para assim enriquecer o projecto,
torná-lo mais rentável a nível económico, bem como a nível de rendimento.
Algumas das sugestões apresentadas:
Adicionar baterias na saída do alternador. Conseguindo assim o
armazenamento de energia para horas de menor produção. Também é
conseguida melhor resposta em frequência.
Implementação de um circuito de extracção de potência máxima. Com este
sistema é pretendido elevar o rendimento do alternador, conseguindo que ele
trabalhe sempre no ponto de funcionamento óptimo.
Circuito de interface com a rede eléctrica. Actualmente existe uma série de
vantagens na produção de energia eléctrica para venda. Deste ponto de vista,
aumenta-se ainda mais a rentabilidade de todo o sistema, pois não só se
produz a energia necessária para o consumo privado mas também se
adquirem bens monetários provenientes da venda.
Aumentar o rendimento do Step-Up. O circuito de Step-Up desenvolvido
tem um rendimento um pouco baixo, na ordem dos 60%. O Step-Up é a
parte deste trabalho com pior rendimento, logo o seu melhoramento vai
aumentar de forma decisiva o valor do conjunto final.
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
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Isolamento da parte de potência e controlo. Na realização deste trabalho,
não foi efectuado isolamento entre a parte de potência e de controlo do
conversor CC-CA. De forma a proteger todo o equipamento de controlo este
isolamento deve ser inserido.
Eliminar picos tensão do Step-Up. Quando é efectuada a ligação do circuito
de controlo do Step-Up, este emite picos de tensão elevados, provocando
por vezes danos nos equipamentos alimentados por ele. Assim sendo, é
conveniente o estudo de tal facto e aplicar uma solução para promover a
entrada suave do equipamento.
Estes são os pontos que, de uma visão geral podem e devem ser melhorados,
tornando todo este equipamento mais estável, rentável e sendo sem duvida uma mais
valia.
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
92 Universidade do Minho
Bibliografia
[1] F. Galhano. (2008, ) Câmara Municipal de Lousã. [Online] (consultado em Maio de 2008). http://www.cm-lousa.pt/museu/azenhas.htm
[2] F. Colaço. (2008, ) Moinhos de Portugal. [Online] (consultado em Maio de 2008). http://moinhosdeportugal.no.sapo.pt/TextoV%20Moinhos%20Aljustrel.htm
[3] R. M. G. Castro, "Introdução à Energia Eólica", Universidade Tècnica de Lisboa, Artigo Cientifico, 2007.
[4] A. I. Estanqueiro and P. A. C. Rosas, "Guia de projecto Eléctrico de Centrais Eólicas".
Centro Brasileiro de Energia Eólica Guia Eléctrico, 2003.
[5] A. E. Fitzgerald, C. K. Jr., and A. Kusko, Máquinas Elétricas, 1ªth ed. São Paulo, Brasil: MCGraw-Hill, 1975.
[6] M. V. Guedes, "O Gerador de Faraday", Faculdade Engenharia Universidade do Porto,Artigo, 1996.
[7] Siemens, "Motores de Corrente Contínua", Publicação Técnica, p. 36, Jan. 2006, Guia Rapido.
[8] J. L. Afonso, "Máquinas Electricas", universidade Minho Apontamentos Máquinas Elécticas, 2008.
[9] F. G. R. Campos, "Geração de Energia a partir de Fonte Eólica com Gerador Assíncrono conectado a conversor estático duplo", Universidade de São Paulo Dissertação, 2004.
[10] P. A. Dr. Luís and L. B. Dr. Fausto. (2001) Disciplina de Conversão de Energia B. [Online] (consultado em Febreiro de 2008). http://www.ee.pucrs.br/~lpereira/ConversaoB/
[11] P. Vasconcelos. (2008) Troque de Energia. [Online] (consultado em Maio de 2008). http://www.troquedeenergia.com/index.php?op=3&table=12&page=1&b=0&m=0&p=0
Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009
Universidade do Minho 93
[12] (2008) Revez-Solar. [Online] (consultado em Abril de 2008).
http://www.revez-solar.com/loja/
[13] (2008) Alibaba. [Online] (consultado em Maio de 2008). http://www.alibaba.com/productgs/213182897/Micro_hydroelectric_Generator.html
[14] (2007) Eco Solar Construct. [Online] (consultado em Março de 2008). http://www.ecosolarconstruct.ro/produse_display.php?item=3&select=44
[15] Dicionário Enciclopédico Português, 1ºth ed. Matosinhos, Portugal: Editorial Vervo, S.A, 2006.
[16] D. W. Hart, Introduction to Power Electronics, International Edition ed., S. &. Schuster, Ed. United States of America: Prentice-Hall. Inc, 1997.
[17] N. Mohan, T. M. Underland, and W. P. Robbins, Power Electronics Converter,Applications, and Design, 2ºth ed. New York: John Wiley & Sons, Lda, 1995.
[18] R. L. G. Pregitzer, "Simulações Computacionais de Filtros Activos de Potênciaem Condições Reais de Operação", Universidade do Minho, Tese de Mestrado,2006.
[19] F. Labrique and J. J. E. Santana, Electrónica de potência, 1ºth ed. Porto, Portugal: Fundação Calouste Gulbenkian, 1991.
[20] STMicroelectronics, "HIGH FREQUENCY SECONDARY RECTIFIER", STMicroelectronics, Data Sheet, 1999.
[21] STMicroelectronics, "STGW40NC60V", STMicroelectronics, Data Sheet, 2004.
[22] T. Instruments, "UC2707", Texas Instruments, Data sheet, 1999.
[23] L. Components, "Voltage Transducer LV 25-P", LEM Components, Data sheet.
[24] J. G. V. Rocha, Mosfects e Amplificadores Operacionais, 1ªth ed. Porto, Portugal: Netmove Comunicação Global, Lda, 2005.
[25] Semiconductor, "NCP5106A, NCP5106B", Semiconductor Components Industries, LLC, Data sheet, 2008.
[26] (2008) MotoAllegro. [Online] (consultado em Abril de 2008). http://moto.allegro.pl/item463739663_oryginalny_alternator_fiat_panda_seice
2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos
94 Universidade do Minho
nto_tipo_uno.html
[27] H. Jorge, "Qualidade de Energia", Universidade Coimbra, Apresentação, 2003.
[28] Microchip, "PIC18F2331/2431/4331/4431", Microchip Technology Inc., Data Sheet, 2007.