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João André Pereira Pacheco Brás

Interface de um Gerador Eólicopara Microgeração de Energiacom Cargas Eléctricas

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

dezembro de 2011

Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau deMestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores

Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita deFreitas

João André Pereira Pacheco Brás

Interface de um Gerador Eólicopara Microgeração de Energiacom Cargas Eléctricas

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Aos meus pais e à minha namorada

Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas

iii

Agradecimentos

Embora uma tese seja um trabalho individual, há contributos que não podem ficar

esquecidos nem devem deixar de ser realçados.

Desde o início do mestrado, contei com a confiança e o apoio de inúmeras

pessoas. Sem esses contributos, esta investigação não teria sido possível.

Ao Professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita de Freitas, orientador da

dissertação, agradeço o apoio, a partilha do saber e as valiosas contribuições para o

trabalho. Pela competência com que orientou esta minha tese e pela sua crítica sempre

tão atempada, como construtiva.

Um sentido agradecimento aos meus colegas de laboratório, Luís Pacheco, Rui

Barros, Leandro Cruz, Vítor Costa, Pedro Conceição, Cláudio Gomes e Delfim

Anderson, pela amizade, companheirismo e encorajamento.

Sou muito grato a todos os meus familiares pelo incentivo recebido ao longo

destes anos, principalmente à minha namorada, Ana Sofia Fernandes, que agradeço toda

a atenção, tempo, apoio e o amor que me dedicou, sem reservas. Aos meus pais,

António Brás e Rosa Ribeiro, obrigado pela dedicação, compreensão e por todo o

esforço em permitir o meu percurso académico. Aos meus irmãos, Nelson Pacheco e

Catarina Brás pelo carinho.

Por último, e não menos importante, quero agradecer ao Micael Henriques e à

Patrícia Fernandes pelo incentivo e apoio.

O meu profundo e sentido agradecimento a todas as pessoas que contribuíram

para a concretização desta dissertação, estimulando-me intelectual e emocionalmente.


iv

v

Resumo

Nos dias de hoje fontes de energia renovável têm um papel cada vez mais

importante, tanto em Portugal como no mundo, no sentido de contribuírem, cada vez

mais, para a conservação do planeta, do desenvolvimento económico ou da criação de

emprego por todo o mundo.

A energia eólica tem-se revelado ao longo dos anos uma mais-valia no contributo

das energias renováveis para o desenvolvimento e preservação do planeta.

Actualmente a produção de energia eólica não é feita apenas em grande escala, a

micro produção de energia eólica tem crescido cada vez mais, tanto no mundo como em

Portugal.

Com este trabalho pretende-se desenvolver um sistema capaz de efectuar o

Interface de um gerador eólico para microgeração de energia com cargas eléctricas, que

são destinadas a serem alimentadas através da rede eléctrica.

Desta forma desenvolveu-se um circuito constituído por um rectificador

monofásico de forma a obter-se uma tensão contínua na saída do gerador eléctrico e

alimentar um circuito inversor de tensão monofásico, capaz de converter a tensão do

gerador eléctrico numa tensão alternada de 230V e frequência 50Hz para alimentar a

carga pretendida.

O sistema de controlo implementado é executado pelo microcontrolador

PIC18F4431 da Microchip que tem como função gerar os sinais que vão controlar o

circuito inversor de tensão.

São também mostrados os resultados das simulações do sistema de interface entre

o gerador e a carga, e os resultados experimentais do protótipo desenvolvido.

Palavras-chave: Energias Renováveis; Gerador Eólico; Inversor de Tensão


vi

vii

Abstract

Nowadays, renewable energy sources play an increasingly important role, in

Portugal and around the world, in the sense that they contribute, more and more, to the

planet’s conservation, economical development and job creation throughout the world.

Throughout the years, wind energy has proven itself an asset to the contribution of

renewable energies to the conservation of the planet.

Nowadays, the harvesting of wind energy is not only performed on a grand scale,

as micro-energy production have been growing steadily, both in Portugal and in the rest

of the world.

The purpose of this work was to develop a system capable of interfacing with a

wind-powered generator for energy micro-generation with electric loads, designed to be

supplied by the power grid.

For this purpose, a circuit made up of a single-phase rectifier was developed in

order to obtain a continuous voltage at the output of the electrical generator, which in

turn feeds a single-phase voltage inverter capable of converting the continuous current

into a 50Hz 230V alternating current to feed the intended load.

The implemented control system is executed by Microchip’s PIC18F4431

microcontroller whose purpose is to generate the signals which will control the voltage

inverter circuit.

Simulation results of the generator-load interface and experimental results

obtained from the developed prototype are also presented.

Keywords: Renewable Energies; Wind Generator; Voltage Inverter


viii

ix

Índice

Agradecimentos..................................................................................................................... iii

Resumo .................................................................................................................................... v

Abstract .................................................................................................................................vii

Índice ......................................................................................................................................ix

Lista de Figuras......................................................................................................................xi

Lista de Tabelas .................................................................................................................... xv

Lista de Siglas e Acrónimos ................................................................................................ xvii

CAPÍTULO 1 Introdução ........................................................................................................ 1

1.1. Identificação do Problema ........................................................................................... 1

1.2. Potência Eólica Instalada no Mundo e na Europa......................................................... 4

1.3. Potência Eólica Instalada em Portugal ......................................................................... 6

1.4. Motivações do Trabalho .............................................................................................. 8

1.5. Objectivos do Trabalho ............................................................................................... 8

1.6. Organização da Tese ................................................................................................... 9

CAPÍTULO 2 Geradores Eólicos........................................................................................... 11

2.1. Tipos de Turbinas Eólicas ......................................................................................... 11

2.2. Componentes de um Gerador Eólico ......................................................................... 13

2.3. Geradores Eléctricos ................................................................................................. 19

2.3.1. Gerador de Corrente Contínua ................................................................................ 19

2.3.2. Gerador Síncrono ................................................................................................... 21 2.3.3. Gerador Síncrono de Rotor Bobinado ..................................................................... 21

2.3.4. Gerador Síncrono de Imanes Permanentes .............................................................. 22

2.3.5. Gerador de Indução Assíncrono .............................................................................. 22 2.3.5.1 Gerador de Indução com Rotor em Gaiola de Esquilo ........................................ 23

2.3.5.2 Gerador de Indução com Rotor Bobinado .......................................................... 23

2.4. Micro-Eólicas ........................................................................................................... 23

2.4.1. Características de diferentes Micro-Eólicas existentes no Mercado ......................... 25

2.5. Aproveitamento da Energia fornecida pelo Vento ...................................................... 30

2.6. Sistemas Usados na Aplicação de Geradores Eólicos ................................................. 35

2.6.1. Sistemas Isolados ................................................................................................... 35 2.6.2. Sistemas Híbridos ................................................................................................... 36

2.6.3. Sistemas Interligados à Rede Eléctrica .................................................................... 37

2.6.4. Sistemas “off - shore” ............................................................................................. 38

CAPÍTULO 3 Diferentes Topologias de Sistemas Micro-Eólicos ......................................... 39

3.1. Topologia de Sistemas Micro-Eólicos Ligados à Rede Eléctrica ................................ 39


x

3.2. Topologia de Interface de Sistemas Micro-Eólicos com Cargas Eléctricas

Independentes ..................................................................................................................... 44

3.3. Exemplo de Sistema Micro-eólico com Seguidor do Ponto de Máxima Potência (MPPT - Maximum Power Point Tracker) ........................................................................... 46

3.3.1. Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes .............................................................. 48

3.3.2. Conversor CA/CC (rectificador) ............................................................................. 49 3.3.3. Conversor CC/CC .................................................................................................. 53

3.3.3.1. Conversor Step-up ........................................................................................... 53

3.3.3.2 Conversor Step-up com Controlo PWM (Pulse-Width Modulation) ................... 63

3.3.3.3. Dimensionamento do Conversor Step-up .......................................................... 65 3.3.4. Sistema de controlo MPPT ..................................................................................... 66

3.4. Topologia do Sistema Micro-Eólico com Interface para Cargas CA Desenvolvido..... 68

3.4.1. Inversor .................................................................................................................. 68 3.4.2. Inversor em Ponte Completa (Full – Bridge) Monofásico ........................................ 70

3.4.3. Inversor com Controlo PWM (Pulse-Width Modulation) ........................................ 72

CAPÍTULO 4 Simulações Computacionais ........................................................................... 77

4.1. Psim ......................................................................................................................... 77

4.2. Modelo de Simulação do Gerador Micro-eólico ........................................................ 79

4.3. Conversor Step-up .................................................................................................... 83

4.4. Inversor .................................................................................................................... 86

CAPÍTULO 5 Implementação Prática do Sistema de Interface do Gerador Micro-Eólico

com Cargas Eléctricas........................................................................................................... 95

5.1. Gerador Micro-eólico ................................................................................................ 96

5.2. Sistema de controlo ................................................................................................... 97

5.2.1. Controlo do inversor ............................................................................................. 100

5.3. Interface entre o Microcontrolador e o Inversor ....................................................... 101

5.4. Implementação do Rectificador ............................................................................... 103

5.5. Implementação do Inversor Monofásico .................................................................. 105

5.6. Sistema Implementado ............................................................................................ 107

CAPÍTULO 6 Resultados Experimentais ............................................................................ 109

6.1. Ensaio do Gerador Síncrono .................................................................................... 109

6.2. Resultados Experimentais do Circuito de Controlo. ................................................. 110

6.3. Resultados experimentais do Circuito Inversor ........................................................ 111

CAPÍTULO 7 Conclusões e Propostas de Trabalho Futuro ............................................... 115

7.1. Conclusões.............................................................................................................. 115

7.2. Propostas de Trabalho Futuro .................................................................................. 116

Referências Bibliográficas .................................................................................................. 117

xi

Lista de Figuras

Figura 1-1 Projecção das emissões de ( ) a nível mundial [2]. .............................................. 2

Figura 1-2 Evolução anual da potência eólica instalada total no Mundo [6]................................ 4

Figura 1-3 Evolução anual da potência eólica instalada por ano no Mundo [6]. .......................... 5

Figura 1-4 Evolução anual da potência eólica instalada na Europa [7]........................................ 6

Figura 1-5 Capacidade total de energia eólica instalada em Portugal [6]. ................................... 7

Figura 1-6 Evolução da Potência eólica instalada em Portugal Continental [4]. .......................... 7

Figura 2-1 Turbina de eixo horizontal (HAWT) [8]. ................................................................ 12

Figura 2-2 Turbina de eixo vertical (VAWT) [8]. .................................................................... 12

Figura 2-3 Componentes de uma turbina eólica [9]. ................................................................. 13

Figura 2-4 Potência nominal em relação ao diâmetro do rotor [10]. ......................................... 14

Figura 2-5 “Upwind” [11]. ...................................................................................................... 15

Figura 2-6 “Downwind” [11]. .................................................................................................. 15

Figura 2-7 Torre tubular [13]................................................................................................... 19

Figura 2-8 Torre em treliça [14]. ............................................................................................. 19

Figura 2-9 Estator e Rotor de um gerador de corrente contínua [15]......................................... 20

Figura 2-10 Micro-eólica [19]. ................................................................................................ 24

Figura 2-11 Gerador eólico de grande porte [20]. .................................................................... 25

Figura 2-12 Micro-eólica PK-10 [21]. ..................................................................................... 26

Figura 2-13 em função de λ para vários tipos de turbinas [30]. ........................................... 33

Figura 2-14 Modelo de Betz [32]. ............................................................................................ 33

Figura 2-15 Sistemas isolados. ................................................................................................ 36

Figura 2-16 Sistemas híbridos. ................................................................................................ 37

Figura 2-17 Sistema interligados à rede eléctrica. .................................................................... 37

Figura 2-18 Sistema “off-shore” [35]. ...................................................................................... 38

Figura 3-1 Gerador síncrono ligado directamente à rede eléctrica. ........................................... 40

Figura 3-2 Gerador síncrono ligado à rede através de conversores CA/CC e CC/CA. ............... 41

Figura 3-3 Gerador síncrono sem caixa de velocidades e ligação à rede através de conversores

CA/CC e CC/CA..................................................................................................................... 41

Figura 3-4 Gerador assíncrono com rotor em gaiola de esquilo ligado directamente à rede. ...... 42

Figura 3-5 Gerador assíncrono com dupla alimentação com estator ligado directamente à rede e

rotor ligado através de conversores CA/CC e CC/CA. ............................................................. 43

Figura 3-6 Gerador assíncrono com rotor em gaiola de esquilo ligado à rede através de

conversores CA/CC e CC/CA. ................................................................................................ 43

Figura 3-7 Sistema de interface com cargas CA. ...................................................................... 44


xii

Figura 3-8 Sistema de interface com cargas CA com conversor CC/CC. .................................. 45

Figura 3-9 Sistema de interface com cargas CC. ...................................................................... 45

Figura 3-10 Curva característica da potência de uma turbina micro-eólica [33]. ....................... 46

Figura 3-11 Topologia do Sistema Micro-eólico com Seguidor do Ponto de Máxima Potência. 47

Figura 3-12 Rectificador trifásico não controlado. ................................................................... 50

Figura 3-13 Rectificador trifásico não controlado com filtro capacitivo. .................................. 50

Figura 3-14 Formas de onda da tensão de entrada (Vab, Vbc, Vca) e saída do rectificador não

controlado. .............................................................................................................................. 51

Figura 3-15 Formas de onda da corrente de entrada (Ia, Ib, Ic) e saída do rectificador não

controlado. .............................................................................................................................. 51

Figura 3-16 Formas de onda da tensão de entrada (Vab, Vbc, Vca) e saída do rectificador não

controlado com filtro capacitivo. ............................................................................................. 52

Figura 3-17 Formas de onda da corrente de entrada (Ia, Ib, Ic) e saída do rectificador não

controlado com filtro capacitivo. ............................................................................................. 52

Figura 3-18 Conversor Step-up. ............................................................................................... 54

Figura 3-19 Formas de onda da tensão e corrente na bobina para o modo de condução contínua

[39]. ........................................................................................................................................ 55

Figura 3-20 Circuito Step-Up para o estado . .................................................................. 55

Figura 3-21 Circuito Step-Up para o estado . ................................................................... 56

Figura 3-22 Formas de onda da tensão e corrente na bobina para o limite entre a condução

contínua e descontínua [39]. .................................................................................................... 57

Figura 3-23 Curvas de e em função de D para constante [39]. ............................... 58

Figura 3-24 Formas de onda e corrente da bobina para o modo de condução descontínua [39]. 60

Figura 3-25 Curva característica do conversor Step-Up para constante [39]. ....................... 61

Figura 3-26 Ripple da tensão de saída do conversor Step-Up [39]. ........................................... 62

Figura 3-27 Esquema eléctrico do conversor Step-Up com controlo PWM............................... 63

Figura 3-28 Resultado da comparação entre os sinais e . .................................... 64

Figura 3-29 Fluxograma do algoritmo do método P&O implementado. ................................... 67

Figura 3-30 Gerador micro-eólico com interface para cargas CA monofásicas. ........................ 68

Figura 3-31 a) Inversor VSI em ponte completa. b) Inversor VSI em meia ponte. .................... 70

Figura 3-32 Circuito eléctrico do conversor CC/CA inversor. .................................................. 71

Figura 3-33 Modos de operação do inversor. ........................................................................... 71

Figura 3-34 Comparação entre e [39]. ............................................................. 72

Figura 3-35 Modulação PWM modo bipolar [39]. ................................................................... 73

Figura 3-36 Comparação dos sinais , e [39]. ................................. 74

Figura 3-37 Tensão de saída do braço A e B [39]. ................................................................... 75

Figura 3-38 Modulação PWM unipolar [39]. ........................................................................... 75

xiii

Figura 4-1 Ambiente gráfico do Psim com alguns componentes que o constituem. .................. 78

Figura 4-2 Exemplo de visualização de um sinal sinusoidal no ambiente gráfico, onde são

apresentadas as grandezas medidas.......................................................................................... 78

Figura 4-3 Modelo do gerador micro-eólico usado por [36]. .................................................... 79

Figura 4-4 Tensões compostas do gerador eléctrico. ................................................................ 80

Figura 4-5 Modelo do gerador micro-éolico com rectificador ligado na saída do gerador

eléctrico. ................................................................................................................................. 81

Figura 4-6 Tensão na carga. .................................................................................................... 82

Figura 4-7 Corrente na carga. .................................................................................................. 82

Figura 4-8 Potência eléctrica do gerador. ................................................................................. 82

Figura 4-9 Conversor Step-up ligado ao gerador micro-eólico. ................................................ 83

Figura 4-10 Conversor Step-up. .............................................................................................. 84

Figura 4-11 Sinal de controlo PWM. ....................................................................................... 85

Figura 4-12 Tensão de entrada e saída do step-up. ................................................................... 85

Figura 4-13 Tensão e Corrente na bobina. ............................................................................... 86

Figura 4-14 Inversor ligado ao gerador micro-eólico. .............................................................. 87

Figura 4-15 Inversor. .............................................................................................................. 88

Figura 4-16 PWM unipolar. .................................................................................................... 89

Figura 4-17 Sinais de controlo dos mosfets. ............................................................................. 89

Figura 4-18 Tensão de entrada do inversor. ............................................................................. 90

Figura 4-19 Tensão de entrada do inversor com zoom. ............................................................ 90

Figura 4-20 Tensão na carga. .................................................................................................. 91

Figura 4-21 Corrente na carga. ................................................................................................ 91

Figura 4-22 Inversor com transformador na saída. ................................................................... 92

Figura 4-23 Forma de onda da tensão com transformador na saída do inversor. ....................... 92

Figura 4-24 Forma de onda da corrente com transformador na saída do inversor...................... 93

Figura 5-1 Bancada de trabalho. .............................................................................................. 95

Figura 5-2 Sistema usado para emular um gerador micro-eólico. ............................................. 96

Figura 5-3 Microcontrolador PIC18F4431. .............................................................................. 98

Figura 5-4 Diagrama de pinos do PIC18F4431 [47]. ................................................................ 99

Figura 5-5 Programador MPLAB ICD 2. ................................................................................. 99

Figura 5-6 Esquema do circuito inversor. .............................................................................. 100

Figura 5-7 Modo Counting UP/DOWN [47]. ......................................................................... 101

Figura 5-8 Esquema do Acoplador Óptico HCPL3120 [48]. .................................................. 102

Figura 5-9 Esquema do circuito eléctrico implementado com o Acoplador óptico [48]........... 102

Figura 5-10 Unidade de Controlo. ......................................................................................... 103

Figura 5-11 Rectificador 26MT80. ........................................................................................ 104


xiv

Figura 5-12 Esquema do Rectificador com Filtro Capacitivo na Saída. .................................. 104

Figura 5-13 Rectificador Implementado na Prática. ............................................................... 105

Figura 5-14 Esquema do Mosfet FCP11N60 [49]. ................................................................. 106

Figura 5-15 Circuito inversor Implementado. ........................................................................ 107

Figura 5-16 Sistema Implementado. ...................................................................................... 107

Figura 6-1 Forma de onda da tensão da fase do gerador síncrono. .......................................... 109

Figura 6-2 Sinais de PWM gerados pelo microcontrolador. ................................................... 110

Figura 6-3 Sinais de PWM amplificados. .............................................................................. 110

Figura 6-4 Dead time de 5µs entre os sinais de PWM. ........................................................... 111

Figura 6-5 Tensão CC de entrada do inversor. ....................................................................... 111

Figura 6-6 Forma de onda de tensão na carga. ....................................................................... 112

Figura 6-7 Forma de onda de corrente na carga. .................................................................... 113

xv

Lista de Tabelas

Tabela 3-1 Dados do Sistema micro-eólico Gerar246 [36]

http://www.eolicario.com.br/energia_eolica_gerar246.html ..................................................... 48

Tabela 5-1 Características do Motor Série Universal e Máquina Síncrona. ............................... 97


xvi

xvii

Lista de Siglas e Acrónimos

OCDE Organização de Cooperação e de Desenvolvimento Económico

PNALEII Plano Nacional de Atribuição de Licenças de Emissão de CO2

W Watt

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contínua

HAWT Horizontal Axis Wind Turbine

VAWT Vertical Axis Wind Turbine

f Frequência

TSR Type Speed Ratio

Cp Coeficiente de Potência

MPPT Maximum Power Point Tracker

P&O Pertubation and Observation

PWM Pulse Width Modulation

VSI Voltage Source Inverter

CSI Current Source Inverter

PSIM Power Simulator

V Volt

A Ampere

Ω Ohm

Hz Hertz

rpm rotações por minuto

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor


xviii


Universidade do Minho 1

CAPÍTULO 1

Introdução

Como parte introdutória deste capítulo é analisado o papel das energias fósseis na

poluição do nosso planeta, e como as energias renováveis têm um papel de relevância

no combate à poluição.

De seguida é descrito o panorama internacional e nacional da energia eólica.

Na parte final são expostos os objectivos desta dissertação e respectiva

organização.

1.1. Identificação do Problema

Devido ao desenvolvimento industrial e ao crescimento demográfico, tem-se

verificado nos últimos anos um aumento do consumo de energia por todo o mundo, na

sua maioria oriunda de fontes de combustível fóssil.

O aumento do consumo de energia na sua maioria proveniente de combustíveis

fósseis tem contribuído significativamente para o aumento de muitos dos problemas

ambientais do nosso planeta.

Em instalações que utilizam combustíveis fósseis na produção de energia, para

além da energia produzida, também são produzidos gases nocivos como os óxidos de

azoto (NO2), de enxofre (SO2) e os hidrocarbonetos (HC), que dão origem a formação

de chuvas ácidas, e poluição das cidades. Além da produção deste tipo de gases, este

processo produz grandes quantidades de dióxido de carbono (CO2), que é um dos

responsáveis pela poluição da atmosfera [1].

No estudo publicado pela agência internacional dos Estados Unidos EIA (U.S.

Energy Information Administration), o futuro em termos de emissões de dióxido de

carbono é muito mais promissor para os países membros da OCDE (Organização de

Cooperação e de Desenvolvimento Económico), e o inverso para os países que se

encontram de fora desta organização.

No ano de 2007, o total de emissões de dióxido de carbono em relação ao ano

anterior cresceu apenas 1% nos países membros da OCDE, contrastando com o aumento

de 4,9% de emissões de CO2 atingidos pelos países não membros.


2 Universidade do Minho

Segundo uma projecção efectuada no estudo, no período de 2007 a 2035, as

emissões totais de CO2 nos países fora da OCDE vai aumentar em média 2% por ano, o

que equivale a um aumento 20 vezes superior, em relação à taxa de 0,1% prevista para

os países membros, no que diz respeito a emissões de dióxido de carbono.

Confirmando-se assim uma tendência optimista no controlo de emissões de dióxido de

carbono, por parte dos países membros da OCDE, como se pode visualizar na

figura (1-1).

Figura 1-1 Projecção das emissões de ( ) a nível mundial [2].

Estas projecções são efectuadas com base nas leis e políticas existentes, podendo

vir a ser alteradas se entretanto as leis e políticas destinadas à redução das emissões de

dióxido de carbono forem alteradas [2].

Em 1997 no Japão foi acordado Protocolo de Quioto com vista a estabelecer

metas que devem ser alcançadas por todos os países que fazem parte do protocolo, de

modo a reduzirem a quantidade de gases efeito de estufa emitidos para a atmosfera por

cada um. Os objectivos do protocolo recaem sobre a redução da emissão de seis gases

com efeito de estufa, dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O),



hidrocarbonetos fluorados (HFC), hidrocarbonetos perfluorados (PFC) e hexafluoreto

de enxofre (SF6).

No que diz respeito aos estados signatários do protocolo de Quioto, estes

comprometem-se em conjunto na redução em, pelo menos, 5% das emissões totais de

gases com efeito de estufa por parte dos países desenvolvidos, em relação aos níveis

atingidos em 1990, durante um período de quatro anos, entre 2008 e 2012.

No mesmo ano em que é assinado o protocolo de Quioto é também criado um

documento oficial pela Comissão Europeia que aumentou a quota de energias

renováveis de 6% para 12% do total de consumo de energia até 2010 para a União

Europeia.

Nos anos que se seguiram foram criadas uma série de directivas no que diz

respeito à política europeia de energias renováveis. Destacando-se as directivas criadas

em 2001 e 2003, que impõem o aumento para 21% da energia eléctrica produzida a

partir de fontes renováveis no consumo total de electricidade da Comunidade em 2010,

e a incorporação de uma cota de 2% para a quantidade de biocombustível utilizado para

transportes na Europa em 2005 e 5,75% em 2010.

Para 2020 a Europa tem como objectivos alcançar as metas estabelecidas pela

directiva criada em 2009. Estas metas passam por atingir uma cota de 20% de energias

renováveis no consumo final de energia da União Europeia em 2020 e o objectivo

mínimo de incorporação de 10% de biocombustíveis no consumo de combustíveis pelos

transportes até 2020.

No contexto nacional, ao abrigo da directiva criada em 2009 pelo concelho

europeu, Portugal tem como compromisso atingir uma cota de 31% de energia

proveniente de recursos renováveis no consumo final de energia, abrangendo a

produção de electricidade, e transportes.

Em 2010 a inclusão de fontes de energia renovável no consumo bruto de energia

eléctrica para efeitos da directiva 2001/77/CE, foi de 50%. Esta directiva estipulou que

39% da produção de energia eléctrica em Portugal deveria ser proveniente de fontes

renováveis até 2010, meta que mais tarde foi actualizada para 45% no PNALE II (Plano

Nacional de Atribuição de Licenças de Emissão de CO2) [3] [4] [5].

Actualmente Portugal tem como objectivo para 2020 alcançar uma cota de 31%

do consumo de energia final, tendo origem em fontes renováveis e uma percentagem de



60% da energia eléctrica produzida, com origem de fontes renováveis e uma redução de

20% do consumo de energia final.

Com a finalidade de reduzir estes problemas, em quase todo o mundo, tem

crescido significativamente a aposta em soluções capazes de gerar energia que tenham

como fonte energias renováveis.

Entre todas as fontes de energia renovável, a energia eólica tornou-se uma das

mais exploradas por todo o mundo devido aos avanços obtidos na eficiência e

tecnologia para este tipo de energia.

A aposta neste tipo de energia apresenta-se como uma mais-valia para Portugal,

contribuindo para o desenvolvimento económico do País, através da redução do

consumo de energia proveniente de fontes de energia fóssil, diminuição da emissão de

gases de poluentes para a atmosfera e a criação de novos postos de trabalho.

1.2. Potência Eólica Instalada no Mundo e na Europa

Através da visualização da figura (1-2), é possível constatar que a potência eólica

instalada no mundo, em 1996, era de 6100 MW, verificando-se um crescimento mais

acentuado a partir de 2004, atingindo os 197039 MW de potência instalada, em 2010.

Devido à crise financeira, em 2010, o crescimento da energia eólica não foi o

esperado. O crescimento da nova potência instalada, em 2009, foi de 38,8 GW ao

contrário de 2010 de apenas 38,3 GW, como pode se visualizado pela figura (1-3),

contrariando assim a tendência de crescimento da nova potência instalada, que se tem

verificado ao longo dos anos [6].

Figura 1-2 Evolução anual da potência eólica instalada total no Mundo [6].



Figura 1-3 Evolução anual da potência eólica instalada por ano no Mundo [6].

O investimento efectuado em 2010 para aumentar a capacidade de energia eólica

em todo o mundo representa cerca de 49,8 milhares de milhões de euros.

Os principais mercados em crescimento são a Ásia com a instalação de 21,5 GW

de energia eólica em 2010, e a Europa com 9,9 GW respectivamente.

Pela primeira vez, em 2010, mais de metade da nova potência eólica instalada em

todo o mundo foi acrescentada fora dos mercados tradicionais, Europa e América do

Norte. Este facto deve-se ao elevado crescimento da energia eólica na China, que

representa metade das novas instalações de energia eólica em todo o mundo, com uma

potência de 18,9 GW.

Actualmente a China tem uma potência eólica total instalada de 44,7 GW, sendo

assim o maior produtor mundial de energia eólica, ultrapassando a América do Norte

que era até então o maior produtor de energia eléctrica a partir dos ventos [6].

No cenário europeu a energia eólica representou 16,8% da potência instalada em

2010.

A instalação anual de potência eólica por toda a Europa cresceu nos últimos 15

anos de 814 MW em 1995 para 9295 MW em 2010.

Em 2010 na Europa estavam instados um total de 84074 MW de potência eólica

como se pode visualizar na figura (1-4), representando um crescimento de 12,2% em

relação ao ano anterior.

Entre os países europeus a Alemanha é o país com mais capacidade de energia

eólica instalada seguido da Espanha, França e Reino Unido.



Figura 1-4 Evolução anual da potência eólica instalada na Europa [7].

A Dinamarca é o país com a maior taxa de inclusão de energia eólica no consumo

de electricidade (24%), seguido por Portugal (14,8%), Espanha (14,4%), Irlanda

(10,1%) e Alemanha (9,3%) [7].

1.3. Potência Eólica Instalada em Portugal

Nos últimos anos o desenvolvimento da energia eólica em Portugal tem sofrido

um elevado crescimento, sendo o Norte e Centro do País os locais onde mais se nota

este crescimento.

Pelo visualização da figura (1-5) é possível verificar-se no período entre 2000 e

2007 o crescimento da energia eólica em Portugal foi bastante acentuado, onde em 2007

a potência eólica total instalada era cerca de 20 vezes mais superior em relação a 2000.

Em 2010, 345 MW de potência eólica estavam ligados à rede nacional de energia

eléctrica, distribuídos por 21 novos parques eólicos com uma potência total instalada de

3898 MW.

A produção de energia eléctrica com recurso aos ventos obtida em 2010 foi

superior ao registado em 2009, com um total de 2 476 horas equivalentes por MW.

Destacando-se que foram ultrapassadas as 2 000 horas de produção equivalente para

todos os distritos portugueses [4] [6].



Figura 1-5 Capacidade total de energia eólica instalada em Portugal [6].

Segundo os dados disponibilizados pela Direcção Geral da Energia e Geologia [4]

a potência eólica total instalada em Portugal no final do mês de Maio de 2011 era cerca

de 4 094 MW. Esta potência está distribuída por um total de 212 parques eólicos, com

um número total de 2146 geradores espalhados por todo o território português, com

maior incidência no Norte de Portugal, sendo que 36% da potência instalada é

proveniente de parques com potência igual ou inferior a 25 MW.

Ao consultar a figura (1-6) confirma-se o crescimento da potência eólica instalada

em Portugal para o ano de 2011.

Figura 1-6 Evolução da Potência eólica instalada em Portugal Continental [4].

Em Maio de 2011 os distritos com maior potência eólica instalada eram: Viseu

(774 MW), Castelo Branco (526 MW), Coimbra (497 MW), Vila Real (481 MW),

Viana do Castelo (339 MW), Lisboa (313 MW), Leiria (241 MW), Guarda (210 MW),

Santarém (159 MW) e Braga (148 MW) [4].



1.4. Motivações do Trabalho

As fontes de energia renovável têm um papel cada vez mais importante, tanto em

Portugal como no mundo, no sentido de contribuírem cada vez mais para a conservação

do planeta, desenvolvimento económico ou criação de emprego por todo o mundo.

Na produção de energias renováveis os recursos naturais mais utilizados são o

vento, a água e o sol.

Além de serem recursos inesgotáveis, são energias limpas, características de

grande importância, nos dias de hoje, devido às temáticas da poluição mundial e do

aquecimento global.

A energia eólica tem-se revelado ao longo dos anos uma mais-valia no contributo

das energias renováveis para o desenvolvimento e preservação do planeta.

Actualmente a produção de energia eólica não é feita apenas em grande escala, a

micro produção de energia eólica tem crescido cada vez mais, tanto no mundo como em

Portugal.

A dimensão mais reduzida deste tipo de geradores torna possível a sua utilização

em áreas residenciais ou em locais isolados, ligados directamente à rede eléctrica ou a

cargas, contudo a energia produzida pelos geradores micro-eólicos na grande maioria

dos casos não apresentam as características aceitáveis do ponto de vista das cargas.

Como principal motivação da elaboração deste trabalho, surge a necessidade de

estudar e desenvolver um sistema de interface capaz de efectuar a ligação de um gerador

micro-eólico com cargas eléctricas. O sistema tem como objectivo converter a energia

gerada pelo gerador eólico para o nível de amplitude e frequência exigidos por cargas

que são criadas para serem alimentadas através da energia fornecida pela rede eléctrica.

A solução proposta é baseada neste tipo de cargas, devido à infinidade de cargas

existentes dimensionadas para serem alimentadas a partir da rede.

1.5. Objectivos do Trabalho

O trabalho elaborado consiste no estudo e implementação do Interface de um

Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas, tendo como

principais objectivos as seguintes tarefas:



Estudo das características de geradores eólicos para micro-geração de energia

existentes no mercado.

Estudo de diferentes topologias de interface de geradores eólicos ligados à rede

eléctrica e a cargas eléctricas independentes.

Estudo e simulação de um circuito MPPT (Maximum Power Point Tracker).

Estudo e simulação de um inversor electrónico de potência para converter a saída

do gerador eólico para 230V CA, 50Hz.

Desenvolvimento e implementação de um inversor electrónico de potência.

1.6. Organização da Tese

No capítulo 1 é apresentado o panorama da potência eólica instalada em Portugal

e no mundo. São também descritas as motivações do trabalho e seus objectivos e

respectiva organização da tese.

No capítulo 2 são identificados diferentes tipos de turbinas eólicas e os diferentes

componentes dos geradores eólicos. No final é apresentado um estudo sobre o

aproveitamento da energia do vento e são expostas as diferentes aplicações possíveis

para os geradores eólicos.

No capítulo 3 é feito um estudo das diferentes topologias para a ligação de

geradores micro-eólicos à rede e a cargas eléctricas. É também estudado um sistema

para optimização da potência disponível e apresentada a topologia do sistema

desenvolvido para interface com cargas.

O capítulo 4 apresenta os modelos de simulação do gerador micro-eólico, sistema

MPPT, circuito de interface com cargas no software PSIM e respectivos resultados de

simulação.

No capítulo 5 é apresentada a implementação prática do sistema de interface com

cargas eléctricas.

No capítulo 6 são apresentados os resultados experimentais, verificando-se os

principais valores e formas de onda obtidos. São também comentados os resultados

obtidos.

Por fim, no Capítulo 7 apresentam-se as conclusões dos resultados obtidos, e são

feitas algumas propostas para trabalho futuro.



CAPÍTULO 2

Geradores Eólicos

Os geradores eólicos são constituídas por diversos componentes e sistemas, que

no seu conjunto permitem transformar a energia do vento em energia eléctrica.

Neste capítulo serão descritos todos os componentes constituintes de uma turbina

eólica e os diferentes tipos de geradores eléctricos utilizados em turbinas eólicas.

Após esta descrição será estudada a forma como as turbinas aproveitam a energia

proveniente dos ventos, para de seguida serem apresentadas as diferentes aplicações de

geradores eólicos.

2.1. Tipos de Turbinas Eólicas

Na produção da energia eléctrica, as turbinas eólicas utilizam a energia cinética

dos ventos. Estas podem ser classificadas mediante a orientação do eixo do seu rotor.

Geralmente os diferentes tipos de turbinas são classificados em dois grupos,

turbinas de eixo horizontal (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbine) (figura 2-1) e

turbinas de eixo vertical (VAWT – Vertical Axis Wind Turbine) (figura 2-2).

Nas turbinas de eixo horizontal o sentido de orientação do rotor é normalmente o

mesmo em que o vento se desloca, sendo o eixo de rotação paralelo ao solo. Possuem

normalmente três pás devido à superioridade em termos de eficiência em relação às

restantes de uma ou duas pás.



Figura 2-1 Turbina de eixo horizontal (HAWT) [8].

Figura 2-2 Turbina de eixo vertical (VAWT) [8].

A vantagem que mais contribui para o facto de o maior número de turbinas, que

hoje se encontram instaladas serem de eixo horizontal, deve-se ao facto de possuírem

uma torre geralmente metálica. Isto permite a instalação dos geradores em alturas

superiores ao solo, onde normalmente a velocidade do vento é muito superior, ao



contrário das de eixo vertical que apenas permite a captação de ventos próximos do

solo, que têm velocidades muito baixas.

As turbinas de eixo vertical têm o eixo de rotação perpendicular em relação ao

solo e ao sentido em que o vento se desloca. Neste género de turbinas não são

necessários sistemas ou mecanismos de orientação, pois o seu tipo de arquitectura

permite-lhe captar ventos em qualquer direcção, possibilitando também a instalação dos

geradores próximos do solo, facilitando o acesso a estes para posterior manutenção.

2.2. Componentes de um Gerador Eólico

A construção de um gerador eólico é algo complexo devido ao elevado número de

componentes e complexidade de sistemas que o constituem.

Na figura (2-3) é possível visualizar todos esses componentes e sistemas.

Figura 2-3 Componentes de uma turbina eólica [9].



Através da imagem apresentada na figura (2-3) também é possível visualizar com

algum detalhe os componentes e sistemas de uma turbina eólica, quais o componentes

que estão ligados entre si directamente e indirectamente. Entre estes componentes

encontra-se o gerador eléctrico, a caixa de velocidades, o eixo de baixa velocidade, que

liga a caixa de velocidades com o rotor da turbina eólica, entre outros.

Rotor

O rotor é o componente responsável por capturar a energia cinética do vento

transformando-o em energia mecânica de rotação. Este elemento é um dos principais

constituintes do gerador eólico, dado que a potência do gerador eléctrico da turbina está

directamente relacionada com diâmetro do rotor, como se pode observar na figura (2-4).

Uma grande fatia do custo dos geradores eólicos, provêm da aquisição do rotor

que representa 20% do custo final.

Figura 2-4 Potência nominal em relação ao diâmetro do rotor [10].

Outra característica importante, a ter em conta no rotor, é a orientação em que se

encontra em relação à direcção do vento, denominando-se por “upwind” ilustrado na

figura (2-5) e “downwind” figura (2-6).

Na primeira opção o rotor é colocado para que o vento possa atacar as pás de

frente, sendo as pás sujeitas a ventos de maior intensidade. Na opção seguinte o vento



passa a incidir sobre a parte traseira das pás do gerador, sujeitando assim as pás a ventos

mais turbulentos, devido ao facto do vento atingir a torre antes de passar pelas pás do

rotor.

Figura 2-5 “Upwind” [11].

Figura 2-6 “Downwind” [11].

Pás

Na construção das pás são usados diversos materiais, os mais utilizados são a

madeira, PVC, alumínio, fibra de carbono e fibra de vidro. A conjugação de todos estes

permite que as pás sejam suficientemente flexíveis para não quebrar, mas ao mesmo as

suficientemente rígidas para não dobrarem e não embaterem na torre.

Uma característica fundamental das pás está relacionada com o seu design

aerodinâmico, que é projectado de forma a controlar a intensidade das forças de arrasto

que incidem sobre elas. Devido a este factor, torna-se possível o controlo da potência

gerada, variando o ângulo de ataque das pás conforme a velocidade dos ventos,

denominado de controlo “pitch”. Para velocidades elevadas o ângulo das pás é



controlado, de forma a aumentar ou diminuir as forças de sustentação aerodinâmica

limitando a potência de saída, de forma a não exceder a potência nominal do gerador.

Uma outra forma de controlo da potência é o modo “stall”, em que o ângulo das

pás é fixo, e estas são projectadas, de forma a que, quando as velocidades do vento são

demasiado elevadas surjam turbulências que se vão reflectir em perdas, limitando assim

a potência que está a ser gerada.

Travão

Para prevenir acidentes ou danos estruturais todos os geradores eólicos possuem

obrigatoriamente travões, para casos em que a velocidade máxima é excedida ou haja

falhas de origem mecânica ou eléctrica.

Na travagem mecânica é utilizado um sistema semelhante ao dos automóveis.

Utiliza-se um disco metálico fixado directamente ao eixo que se pretende travar.

Através da acção de duas peças metálicas que vão pressionar o disco é criada uma força

de atrito que vai diminuir velocidade do disco.

Eixo de baixa velocidade

Todas as turbinas eólicas possuem um eixo de baixa velocidade, também

conhecido como eixo primário. Este elemento é responsável pela transmissão do binário

primário do rotor para a caixa de velocidades [12].

O eixo e respectivos rolamentos podem ser integrados, ou não na caixa de

velocidades, estando dependentes do formato desta. Nos casos em que o eixo não está

integrado na caixa, este é conectado através de um acoplamento apropriado.

Caixa de velocidades

A caixa de velocidades é constituída por um conjunto de eixos, rolamentos e

engrenagens ligados ao eixo de baixa velocidade e ao eixo de alta velocidade que por

sua vez se encontra ligado ao gerador eléctrico. Devido à baixa velocidade de rotação

do rotor e do eixo de baixa velocidade que estão ligados entre si, é necessária a

utilização de uma caixa de velocidades para elevar a velocidade de rotação do eixo de

alta velocidade, para os valores exigidos pelo gerador.

Grande parte dos fabricantes de geradores eólicos utilizam a caixa de velocidades



como maneira a que seja possível reduzir o número de pólos constituintes do gerador, e

consequentemente o seu diâmetro e massa.

Gerador

Este elemento converte a energia mecânica de rotação, disponível no eixo de alta

velocidade em energia eléctrica.

Uma turbina eólica pode ser equipada com diferentes tipos de geradores, os mais

utilizados são os geradores de corrente contínua para unidades de muito baixa potência,

ou geradores de corrente alternada. A incorporação de geradores em sistemas eólicos,

para produção de energia apresenta algumas dificuldades, nomeadamente a variação da

velocidade dos ventos que vão fazer variar a potência.

Controlador

Um controlador de uma turbina eólica conta com diversos tipos de componentes,

tais como: sensores de velocidade do vento, orientação, tensão, corrente, entre outros.

Aqui são lidos os sinais provenientes dos sensores, são posteriormente analisados por

autómatos que irão enviar os respectivos sinais para actuar, os sistemas de controlo de

direcção, geradores, válvulas, motores, entre outros.

Anemómetro

Para um aproveitamento mais eficiente do vento, a turbina eólica contem um

anemómetro instalado na parte superior da nave. Este elemento é um sensor que mede a

velocidade do vento. Este sistema serve também para prevenir danos na turbina eólica

devido a velocidades demasiado elevadas do vento.

Cata-vento

O cata-vento consiste numa espécie de lâmina que gira em torno de um eixo

vertical por acção do vento, indicando a sua direcção.

Conforme os valores das medições, é transmitido um sinal para o sistema de

orientação, para que direccione o rotor na direcção em que a velocidade do vento é

superior.



Nave

A nave é uma espécie de invólucro acessível a partir da torre, que contem os

principais equipamentos eléctricos e mecânicos (gerador, eixo principal, engrenagens,

entre outros), protegendo-os da degradação devido às condições climatéricas.

Eixo de alta velocidade

Como se pode visualizar na figura (2-3), o eixo de alta velocidade faz a ligação da

caixa de velocidades com o gerador, que transforma a energia disponível neste eixo em

energia eléctrica.

Controlo de direcção e Motor para controlo de direcção

Este sistema tem como principal função direccionar o rotor da turbina até

encontrar o ângulo ideal em relação à direcção do vento.

Podem ser encontrados dois tipos distintos de controlo de direcção, o controlo

activo e passivo.

No tipo passivo não é necessária utilização de um motor para direccionar o rotor.

A turbina consegue seguir a direcção do vento automaticamente, devido à colocação do

rotor ser favorável à direcção do vento.

Para o tipo activo, contrariamente ao referido anteriormente é necessário um

motor para accionar as engrenagens do sistema de controlo de direcção, e assim mover

em conjunto o rotor e a cabine para um ângulo favorável à direcção do vento.

Torre

O principal objectivo da torre é elevar o gerador da turbina eólica até ventos mais

regulares, dado que geralmente a velocidade do vento aumenta com a distância em

relação ao solo, aumentando a eficiência. Este componente deve ser muito bem

projectado, pois deve aguentar os esforços a que está sujeito, devido ao peso da nave e

rotor, velocidades do vento e as forças a que as pás estão sujeitas, afectando também a

torre.

Existem dois tipos de torre, em treliça (figura 2-8), normalmente metálicas, e

tubular (figura 2-7), de aço ou betão. No primeiro tipo os efeitos de sombra são mais



reduzidos, as tubulares são mais seguras para o pessoal que efectua a manutenção e as

mais utilizadas são as de aço.

Figura 2-7 Torre tubular [13].

Figura 2-8 Torre em treliça [14].

2.3. Geradores Eléctricos

2.3.1. Gerador de Corrente Contínua

As principais partes constituintes do gerador de corrente contínua são: o estator e

o rotor.



No estator estão situados os ímanes que produzem os pólos (N e S), quando são

percorridos por uma corrente contínua.

No rotor, encontram-se espiras que são formadas por condutores dispostos em

ranhuras ao longo da superfície, que estão ligadas ao anel colector, situado no eixo do

rotor. Através das escovas que estão em contacto com o anel colector é feita a ligação

eléctrica do rotor com o exterior.

Na figura (2-9) é possível visualizar o aspecto do estator e rotor de um gerador de

corrente contínua.

Figura 2-9 Estator e Rotor de um gerador de corrente contínua [15].

Na operação da máquina de corrente continua como gerador aplica-se uma tensão

contínua aos enrolamentos do estator, esta tensão faz com que circulem correntes nesses

enrolamentos, que vão dar origem ao aparecimento de um campo magnético que

atravessará o rotor.

Para que o rotor do gerador de corrente contínua gire é necessário aplicar um

binário, originado por uma fonte mecânica, como por exemplo um gerador eólico, uma

turbina hidráulica, um motor, entre outros.

Quando o rotor entra em movimento as espiras, trespassam perpendicularmente as

linhas do campo magnético produzido pelo estator, originando forças electromotrizes

induzidas nas espiras do rotor.

A tensão induzida nas espiras do rotor é alternada. Para se obter uma tensão contínua

na saída do rotor usa-se o anel colector e as escovas, que em conjunto funcionam como

um rectificador mecânico [16].



2.3.2. Gerador Síncrono

O gerador síncrono apresenta como principal vantagem o rendimento, que é

superior ao dos restantes geradores. Comparado com o gerador de indução o gerador

síncrono não necessita do uso de uma bateria de condensadores para o fornecimento de

energia reactiva.

O gerador síncrono, também designado por alternador, ligado juntamente com

conversores de Electrónica de Potência, é o tipo de aplicação utilizada na grande

maioria dos sistemas de conversão de energia eólica em energia eléctrica, conectados à

rede eléctrica. A utilização deste tipo de aplicação, permite aos geradores eólicos com

velocidade variável operar, directamente ligados à rede eléctrica [17].

O rotor deste tipo de gerador pode ser constituído por dois tipos de pólos, pólos

salientes ou pólos lisos. A aplicação do rotor com pólos salientes é normalmente feita

em geradores onde a velocidade de rotação é baixa. Para velocidades de rotação

elevadas é usado o rotor com pólos lisos em que o número de pólos é baixo [16].

2.3.3. Gerador Síncrono de Rotor Bobinado

O gerador síncrono de rotor bobinado é um dos tipos de geradores síncronos que

podem ser encontrados nas turbinas eólicas, é constituído pelo estator que contem três

enrolamentos, e por um rotor com um enrolamento de magnetização.

Para o gerador entrar em funcionamento, o rotor é alimentado através das escovas

com uma corrente contínua, que vai criar um campo magnético no rotor com

determinado número par de pólos.

No estator são induzidas tensões alternadas, devido à polaridade alternada dos

pólos do rotor, que através das linhas do campo magnético do rotor em movimento, dão

origem a três tensões de saída alternadas, desfasadas entre si 120 graus.

Através da equação 2.1 é possível verificar que a frequência destas tensões

está relacionada com a velocidade do rotor e com os números pares de pólos

que o constituem.

(2.1)



Em sistemas eólicos de velocidade constante o gerador síncrono pode ser ligado

directamente à rede eléctrica, sendo para isso necessário controlar a velocidade do

gerador recorrendo a uma caixa de velocidades, para que a frequência da tensão de saída

esteja em sincronismo com a da rede.

No entanto a evolução da electrónica de potência veio tornar possível a ligação

directa com a rede de eólicas de velocidade variável, através da utilização de

conversores de electrónica de potência [17].

2.3.4. Gerador Síncrono de Imanes Permanentes

Segundo [17] a grande maioria dos artigos científicos sugere a utilização de

geradores síncronos de ímanes permanentes em turbinas eólicas, devido às suas

propriedades de auto excitação. Como estes não necessitam de um circuito de excitação

externa, tem uma eficiência superior em relação a outro tipo de geradores, entre eles o

gerador síncrono de rotor bobinado [17].

No entanto a produção dos ímanes permanentes requer materiais caros e difíceis

de trabalhar durante o processo de fabrico.

Para que as turbinas eólicas, que utilizam este tipo de gerador, possam operar com

velocidade variável é necessário aplicar circuitos conversores de electrónica de

potência, com a finalidade de ajustar a frequência e a tensão para valores compatíveis

com os da rede eléctrica. Contudo é necessário garantir uma velocidade mínima de

rotação da turbina eólica, para que a tensão produzida pelo gerador eléctrico seja a

suficiente, para o correcto funcionamento dos equipamentos electrónicos [17].

2.3.5. Gerador de Indução Assíncrono

O termo assíncrono neste tipo de geradores deve-se à diferença de velocidade de

rotação entre a velocidade de rotação do rotor e do campo girante criado pelo estator

[18].

Os geradores assíncronos são caracterizados principalmente pela sua robustez e

simplicidade mecânica, e devido à sua produção em grande quantidade o preço de

aquisição é mais baixo em relação aos geradores síncronos [17].



Como principal desvantagem, o gerador tem consumo de energia reactiva,

obrigando à compensação do factor de potência, através de bancos de condensadores.

2.3.5.1 Gerador de Indução com Rotor em Gaiola de Esquilo

Em geradores de indução com rotor em gaiola de esquilo os enrolamentos do rotor

encontram-se em curto-circuito. Comparativamente com o gerador de corrente contínua

e o gerador de rotor bobinado, este tipo de gerador tem a vantagem de não necessitar de

anéis colectores e escovas [18].

Em sistemas de velocidade variável o gerador é ligado à rede através de circuitos

conversores de electrónica de potência, em sistemas de velocidades constantes é ligado

directamente à rede.

Contudo o gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo não é dos mais

utilizados devido à dificuldade em controlá-lo.

2.3.5.2 Gerador de Indução com Rotor Bobinado

No caso do gerador de indução de rotor bobinado, os enrolamentos rotor são

semelhantes aos do estator, contendo escovas e anéis colectores. Através de resistências

variáveis aplicadas no rotor, que permitem limitar a corrente é também possível

controlar a velocidade de rotação do gerador [18].

Uma outra forma de controlar a energia, consiste em ligar os enrolamentos do

estator directamente à rede, com o rotor também ligado à rede eléctrica através de

circuitos conversores de electrónica de potência, que vão permitir controlar a velocidade

de rotação do gerador.

2.4. Micro-Eólicas

Como o próprio nome indica as micro-eólicas são caracterizadas por possuírem

uma potência mais baixa e terem dimensões mais reduzidas em relação aos geradores

eólicos de grande porte.



Nas micro-eólicas não é necessário a utilização de uma caixa de velocidades, pois

a velocidade necessária para o gerador eléctrico produzir energia é semelhante à

velocidade de rotação do rotor da micro-eólica.

A grande maioria das micro-eólicas para aproveitar o máximo de energia do vento

utiliza uma cauda para poder deslocar-se no sentido de orientação do vento.

De uma forma geral todos os outros componentes de uma micro-eólica são

semelhantes aos de um gerador eólico de grande porte.

Na figura (2-10) e (2-11) é possível visualizar a diferença das dimensões de uma

micro-eólica e um gerador eólico que necessita de uma grua de grande porte para ser

montada.

Figura 2-10 Micro-eólica [19].



Figura 2-11 Gerador eólico de grande porte [20].

2.4.1. Características de diferentes Micro-Eólicas existentes no Mercado

A aposta na produção de energias renováveis tem vindo a aumentar cada vez mais

ao longo dos anos, a crescente procura deste tipo de energia faz com que existam cada

vez mais produtores de sistemas que permitam produzir energia, tendo como fontes

energias renováveis. Por esta razão os produtores de micro-eólicas têm vindo a

aumentar em todo o mundo.

De seguida são apresentados diferentes empresas internacionais que produzem

micro-eólicas, sendo apresentados alguns modelos e algumas características desses

modelos, como Cut-in Wind speed (velocidade do vento para a qual a micro-eólica

começa a fornecer energia), Cut-out Wind speed (velocidade do vento para a qual o

dispositivo de segurança da micro-eólica é activado), velocidade nominal do vento

(velocidade do vento necessária para a micro-eólica alcançar a potência nominal), entre

outras.



Micro-Eólicas SAWT

Xangai Aeolus Windpower Technology Co., Ltd. (Sawt), é uma empresa chinesa,

sediada em Xangai, que produz micro-eólicas de eixo horizontal, com potências que vão

desde os 200W até aos 10kW [21].

As características do Modelo PK-10 representado na figura (2-12) são as

seguintes:

Tipo de eixo – Vertical;

Diâmetro do rotor - 600 cm;

Comprimento das pás – 620 cm;

Gama de velocidades de vento de operação – de 4 a 25 m/s;

Velocidade máxima do vento de segurança – 55 m/s;

Potência nominal – 10 kW;

Tensão de saída – 110 V/CC;

Altura da torre – 5,5 m;

Figura 2-12 Micro-eólica PK-10 [21].

Micro-Eólicas African Windpower

A empresa Sul-Africana, African Windpower, produz Micro-Eólicas de eixo

horizontal, os modelos disponíveis são o AWP 3.6 e uma evolução deste modelo o

AWP 3.7 com as seguintes características [22]:

Tipo de eixo – Horizontal;

Diâmetro do rotor – 3,7 m;



Número de pás – 3;

Cut-in Wind Speed – 3 m/s;

Cut-out Wind Speed – Não tem (a unidade micro-eólica suporta velocidades do

vento até ao valor da velocidade do de segurança);


Velocidade máxima do rotor – 500 rpm;

Velocidade nominal do vento – 12 m/s;


Tensão de saída – 12V, 24V, 36V, 48V, 96V, 110/220V, CA/0-125 Hz;

Micro-Eólicas Ampair

A Ampair é uma empresa do Reino Unido que produz sistemas de energia

renovável acerca de quarenta anos, os modelos de micro-eólicas produzidos vão desde

os 100W de potência nominal até aos 6000W, as características da Micro-Eólica Ampair

6000 são as seguintes [23]:




Cut-in Wind Speed – 3,5 m/s;

Cut-out Wind Speed – 15 – 35 m/s;


Velocidade do rotor – 70 – 250 rpm;

Tipo de gerador eléctrico – Gerador Síncrono de Imanes Permanentes;

Potência nominal – 6000 W;

Tensão de saída – 230V CA/50 Hz, 208/240/277V CA/60Hz, 48V CC;

Altura da torre – 10m / 12m / 15m;



Micro-Eólicas EvanceWind

A empresa EvanceWind, é uma empresa do Reino Unido que produz

micro-eólicas de eixo horizontal. As características técnicas do modelo Evance R9000

são [24]:








Velocidade nominal do rotor – 200 rpm;



Altura da torre – 10 m / 12 m/ 15m / 18m;

Micro-Eólicas Wind Turbine Industries Corp.

A Empresa Wind Turbine Industries Corp. está sediada nos Estados Unidos da

América, e é o único fabricante de sistemas eólicos Jacobs, desde 1986. A micro-eólica

Jacobs tem as seguintes características técnicas [25]:


Diâmetro do rotor – 10 m;

Número de pás – 3 ;






Velocidade nominal do rotor – 175 rpm;



Tipo de gerador eléctrico – Gerador Síncrono sem escovas com excitação

externa;


Altura da torre – 24 m;

Micro-Eólicas Solener

A Solener é uma empresa espanhola sediada em Madrid que fabrica micro-eólicas

que vão até aos 15kW de potência. Entre o modelo que produz a micro-eólica Vélter II

apresenta as seguintes características técnicas [26]:





Cut-out Wind Speed – 14 m/s;



Tensão de saída – 24V CA;

Altura da torre – 6 m;

Micro-eólicas Aelos Wind Turbine

A Aelos Wind turbines foi fundada em 1986 na Dinamarca, além de produzir

micro-eólicas de eixo horizontal com potências que vão desde os 500W, esta empresa

também produz micro-eólicas de eixo vertical com potências que vão desde os 300W

até aos 10kW.

As características técnicas dos modelos Aelos –H 500W e Aelos-V 600W são as

seguintes[27]:

Aelos – H 500W







Cut-out Wind Speed – Não tem ( a unidade micro-eólica suporta velocidades do






Tensão de saída – 24V CA;

Aelos – V 600W

Tipo de eixo – Vertical;








Potência nominal – 600W;

Tensão de saída – 24/48V CA;

2.5. Aproveitamento da Energia fornecida pelo Vento

Uma massa de ar em movimento produz uma dada energia cinética, que varia

conforme o produto da massa pelo quadrado da velocidade a que se desloca. Esta

razão pode ser mostrada através da equação 2.2.

(2.2)



A potência gerada pela energia cinética do vento ao atravessar uma superfície,

com uma dada área, é dada pela equação [28].

(2.3)

[W]

Onde:

ρ Massa específica do ar

Velocidade do vento [ ]

Considerando uma turbina eólica de eixo horizontal, a área varrida pelas pás é

semelhante à de uma circunferência, expressa por A.

(2.4)

Onde :

A Área varrida pelas pás [ ]

Comprimento das pás [ ]

Substituindo 2.4 em 2.3, é possível calcular a potência do vento para uma área

como a da superfície criada pelo varrimento das pás de uma turbina eólica, resultando

na expressão 2.5.

(2.5)

Através da análise da expressão 2.5, é possível constatar que a potência do vento,

está não só dependente da velocidade do vento mas também da área varrida pelas pás

das turbinas. Esta área varia com o quadrado do comprimento das pás.



Porém a potência disponível no vento não pode ser totalmente utilizada pela

turbina eólica, na produção de energia eléctrica. Devido a esta limitação física é

necessário levar em conta , que representa o coeficiente de potência, definindo a

eficiência aerodinâmica das pás do rotor da turbina [29] e pode ser definido pela

expressão:

(2.6)

Segundo [30] o valor de depende da velocidade do vento, e da velocidade de

rotação da turbina eólica, e pode ser obtido em função de “TSR - type speed ratio ( )”,

que é definida pela razão entre a velocidade tangencial das pás da turbina e a velocidade

real do vento. Na figura (2-13) estão representados os valores do coeficiente de potência

em função de , para diversos tipos de turbinas, que demonstra, a eficiência superior das

turbinas de eixo horizontal com duas ou três pás.

(2.7)

Onde:

Comprimento das pás [ ]

Velocidade angular do rotor [ ]

Velocidade do vento [ ]



Figura 2-13 em função de λ para vários tipos de turbinas [30].

A quantificação máxima do Coeficiente de Potência é obtida através do

Limite de Betz, criado pelo físico alemão Albert Betz.

Betz considerou um modelo em que o vento se desloca ao longo de um tubo, com

o conjunto de pás da turbina eólica no seu interior. Este modelo é representado na figura

(2-14), onde representa a velocidade do vento antes de passar pelas pás, e a

velocidade do vento após passar pelas pás [31].

Figura 2-14 Modelo de Betz [32].



O deslocamento da massa de ar a uma velocidade é retardado pelas pás em

movimento, saindo depois a uma velocidade e diferente de .

Através das considerações citadas anteriormente é obtida a expressão seguinte

para a potencia extraída do vento que relacionada com e [31]:

(2.8)

Através da expressão 2.8 é possível constatar que se a velocidade do vento antes

das pás for igual à velocidade depois das pás, a potência extraída do vento é nula.

Se fosse possível o aproveitamento máximo da energia do vento disponível na entrada

do tubo, antes da passagem pelas pás, a velocidade do vento após passar as pás, teria

uma velocidade de valor zero, deixando assim de haver vento para uma turbina que se

situa próxima desta.

O limite de Betz afirma que o valor máximo da potência do vento aproveitada para

gerar potência mecânica é de 59%, logo o valor máximo possível para é 0,59.

Teoricamente o coeficiente de potência estudado anteriormente depende de TSR

( ), mas na prática também é influenciado pelo ângulo de inclinação das pás ( ), sendo

a potência mecânica extraída do vento pela turbina em função de ( ) e ( ) expressa por

2.9 [33].

(2.9)

Na posse da equação 2.9, falta agora abordar o binário mecânico gerado pela

turbina eólica, para que seja possível obter todas as expressões para uma modelização

aproximada da turbina.

Segundo [34] o binário (T) é dado pela razão entre a potência mecânica ( ) e a

velocidade angular da turbina ( ), sabendo que o coeficiente de binário CT é dado por

(2.10), ao substituir (2.9), (2.10) e (2.7), em (2.11), obtém-se a expressão (2.12),

demonstrando que a quantidade de binário mecânico produzido pela turbina é

influenciado pelo coeficiente de binário.



(2.10)

(2.11)

(2.12)

2.6. Sistemas Usados na Aplicação de Geradores Eólicos

Nos dias de hoje os geradores eólicos são usados em diferentes tipos de sistemas

para o fornecimento de energia eléctrica, tais como: sistemas isolados, que também

incluem os sistemas híbridos, sistemas interligados à rede eléctrica ou sistemas offshore.

2.6.1. Sistemas Isolados

Como o próprio nome indica, os sistemas isolados (figura 2-15) são normalmente

usados em locais remotos e isolados, onde o fornecimento de energia eléctrica através

de uma rede pública é escasso ou até mesmo inexistente.

Neste tipo de sistema a energia produzida é armazenada em baterias, e destina-se

a alimentar directamente aparelhos eléctricos, como bombas hidráulicas, com a

finalidade de bombear água para posterior armazenamento, ou para ser usada

directamente em consumo doméstico ou em sistemas de irrigação.

Para carregar as baterias é utilizado um conversor CA/CC, de modo a rectificar a

tensão do gerador, associado a um dispositivo controlador de carga e descarga da

bateria.

A alimentação de aparelhos, que funcionam com corrente alternada é feita por

intermédio de um inversor (conversor CC/CA). Normalmente o inversor é associado a



um circuito seguidor do ponto de máxima potência, denominado de MPPT ((Maximum

Power Point Tracker), que permite maximizar a potência extraída.

Figura 2-15 Sistemas isolados.

2.6.2. Sistemas Híbridos

À semelhança dos sistemas isolados, estes sistemas também são usados em locais

isolados, onde o consumo de energia é superior. São caracterizados pelo uso de diversas

fontes de energia associadas entre si para poderem fornecer uma quantidade superior de

energia como se pode visualizar na (figura 2-16). Normalmente são usadas fontes de

energia fotovoltaica e eólica, e em alguns casos é associado um gerador eléctrico

movido por um motor a diesel.

Este sistema também inclui conversores CA/CC, devido à utilização de geradores

eólicos e gerador a diesel, circuitos MPPT e um inversor para alimentar aparelhos de

corrente alternada (CA).



Figura 2-16 Sistemas híbridos.

2.6.3. Sistemas Interligados à Rede Eléctrica

Os sistemas interligados com a rede eléctrica (figura 2-17) são os mais usuais.

Nestes sistemas são empregadas um elevado número de turbinas eólicas, e não

necessitam de baterias para o armazenamento de energia, fornecem energia

directamente à rede eléctrica, reduzindo assim os custos inerentes à sua implementação.

Como nos restantes sistemas a utilização de conversores CA/CC, inversores CC/CA e

circuitos MPPT é também necessária.

Figura 2-17 Sistema interligados à rede eléctrica.



2.6.4. Sistemas “off - shore”

Devido à redução, cada vez mais significativa, de locais com potencial para a

instalação de geradores eólicos em terra o investimento na instalação de geradores

eólicos no mar (sitemas off-shore) (figura 2-18) tem crescido ao longo dos anos, apesar

dos custos elevados inerentes à instalação das torres no mar e na utilização de cabos

específicos para poderem estar submersos. Em compensação, a altura das torres pode

ser inferior, pois os ventos no mar são menos turbulentos e mais intensos e constantes.

Figura 2-18 Sistema “off-shore” [35].



CAPÍTULO 3

Diferentes Topologias de Sistemas Micro-Eólicos

A ligação de sistemas micro-eólicos com a rede eléctrica pode ser efectuada

através de diversas topologias, dependendo do tipo de geradores síncronos ou

assíncronos usados, como se descreve neste capítulo.

Neste capítulo serão ainda estudados os sistemas constituintes de um seguidor do

ponto de máxima potência para uma micro-eólica e proposta a topologia de um circuito

de interface com cargas CA monofásicas, 230V/ 50Hz.

3.1. Topologia de Sistemas Micro-Eólicos Ligados à Rede Eléctrica

As topologias de ligação de sistemas micro-eólicos à rede eléctrica diferem no

tipo de gerador utilizado, geradores síncronos ou assíncronos, com ligação directa ou

indirecta à rede eléctrica.

Em topologias com ligação directa à rede eléctrica, a velocidade do gerador é

praticamente fixa quando é utilizada a máquina assíncrona, podendo a turbina micro-

eólica ser ligada ao gerador por intermédio de uma caixa de velocidades, enquanto para

as máquinas síncronas a velocidade tem que ser fixa.

A aplicação de geradores, ligados indirectamente com a rede, permite aos

geradores operar com uma velocidade variável. A ligação é efectuada por intermédio de

conversores de electrónica de potência. São utilizados conversores CA/CC para

rectificar a tensão de saída do gerador, e conversores CC/CA com a finalidade de

converter a tensão rectificada (CC) para tensão alternada (CA), com a frequência e

amplitude exigidas pela rede.



Topologia com Geradores Síncronos

Na topologia apresentada na figura (3-1), o rotor da turbina eólica está conectado

com o gerador síncrono através de uma caixa de velocidades, e o gerador encontra-se

ligado directamente à rede eléctrica.

Figura 3-1 Gerador síncrono ligado directamente à rede eléctrica.

Esta topologia tem como principais vantagens a facilidade de instalação e

manutenção do sistema, possibilitando também o controlar directamente a energia

reactiva do gerador síncrono, através do ajuste da corrente de excitação.

Devido à conexão directa com a rede qualquer perturbação na velocidade do vento

vai reflectir-se na energia fornecida à rede, resultando em problemas de qualidade de

energia na rede [28].

Na topologia da figura (3-2) a ligação com a rede é feita por intermédio de um

conversor CA/CC ligado com um conversor CC/CA. Como descrito no início deste

capítulo os conversores têm a função de rectificar a tensão de saída do gerador, e

converter a tensão rectificada (CC) para tensão alternada (CA), com a frequência e

amplitude exigidas pela rede.



Toda a energia fornecida pelo gerador passa pelos conversores electrónicos de

potência. À semelhança da topologia anterior a conexão do rotor da turbina com o

gerador também é feita através de uma caixa de velocidades.

Figura 3-2 Gerador síncrono ligado à rede através de conversores CA/CC e CC/CA.

Neste tipo de topologia a turbina micro-eólica está acoplada directamente ao

gerador eléctrico, como se pode visualizar na figura (3-3), não sendo necessário

estabelecer esta ligação por intermédio de uma caixa de velocidades, reduzindo os

custos da aplicação. Neste tipo de aplicação a conexão com a rede eléctrica também é

efectuada por intermédio de conversores electrónicos, CA/CC e CC/CA.

Figura 3-3 Gerador síncrono sem caixa de velocidades e ligação à rede através de conversores CA/CC e

CC/CA.



Topologia com Geradores Assíncronos

O gerador utilizado por este tipo de topologia é um gerador de indução com rotor

em gaiola de esquilo, conectado ao rotor da turbina através de uma caixa de velocidades

como se pode visualizar através da figura (3-4).

A ligação do gerador assíncrono é efectuada directamente com a rede, contendo

um banco de condensadores. O banco de condensadores tem como objectivo compensar

o factor de potência, devido ao consumo de energia reactiva da rede por parte do

gerador assíncrono. Como consequência da ligação directa do gerador com a rede, a

velocidade de rotação deve permanecer dentro de uma gama de valores determinada

pelos parâmetros do gerador, e a frequência é imposta pela rede.

Figura 3-4 Gerador assíncrono com rotor em gaiola de esquilo ligado directamente à rede.

Em topologias como a da figura (3-5) onde é usado um gerador assíncrono com

dupla alimentação, o estator da máquina é ligado directamente à rede eléctrica, enquanto

o rotor é interligado com a rede por intermédio de conversores de electrónica de

potência, CA/CC e CC/CA. É usado um transformador elevador antes da rede eléctrica

para em conjunto com o conversor CC/CA regular a tensão contínua aos terminais do

condensador.

Através do conversor CC/CA, ligado ao rotor do gerador, é possível controlar a

frequência da forma de onda inserida no rotor, e conjuntamente controlar a intensidade

de corrente [28].



Como se pode visualizar na figura (3-5) este sistema também contem um filtro

para a filtragem de harmónicos.

Figura 3-5 Gerador assíncrono com dupla alimentação com estator ligado directamente à rede e rotor

ligado através de conversores CA/CC e CC/CA.

Na topologia representada pela figura (3-6) o rotor da turbina é ligado ao gerador

assíncrono através de uma caixa de velocidades. A ligação do gerador de indução com

rotor em gaiola de esquilo, com a rede é feita através de dois conversores, um CA/CC e

outro CC/CA. Este sistema contém também um filtro para filtrar os harmónicos e um

banco de condensadores para compensar o factor de potência e evitar o consumo de

energia reactiva por parte da máquina.

Figura 3-6 Gerador assíncrono com rotor em gaiola de esquilo ligado à rede através de conversores

CA/CC e CC/CA.



3.2. Topologia de Interface de Sistemas Micro-Eólicos com Cargas

Eléctricas Independentes

A utilização de sistemas de interface para alimentar cargas eléctricas

independentes é muito usual em locais onde o acesso à energia eléctrica é difícil, ou

quando muitas das vezes se pretende alimentar cargas em locais distantes da rede

eléctrica, tornando-se dispendioso a criação de uma rede capaz de transportar energia

proveniente da rede eléctrica mais próxima, como é o caso de alguns sistemas de

irrigação de campos agrícolas que utilizam motores eléctricos.

Na topologia apresentada na figura (3-7), o sistema de interface é constituído por

um conversor CA/CC (rectificador em conjunto com um condensador) e um conversor

CC/CA (inversor), permitindo alimentar cargas CA, podendo estas serem monofásicas

ou trifásicas, dependendo do tipo de inversor implementado.

Figura 3-7 Sistema de interface com cargas CA.

Para além dos conversores CA/CC e CC/CA utilizados na topologia da figura

(3-7) também pode ser utilizado um conversor CC/CC ligado entre estes, como ilustra a

figura (3-8), tornando possível regular os níveis de tensão contínua do barramento CC

que alimenta o circuito inversor, e consequentemente regular a tensão de alimentação

das cargas CA mais facilmente, ou subir o nível de tensão CC.



Figura 3-8 Sistema de interface com cargas CA com conversor CC/CC.

Embora na maioria das vezes as cargas alimentadas por este tipo de sistemas

sejam de corrente alternada, também surge por vezes a necessidade de serem

alimentadas cargas CC, como é o caso de sistemas de telecomunicações em locais

isolados.

A topologia de interface com cargas CC é apresentada na figura (3-9), sendo esta

constituída por um conversor CA/CC interligado com um conversor CC/CC, que

permite regular os níveis de tensão contínua que vão alimentar as cargas CC.

Este tipo de sistemas inclui habitualmente baterias que armazenam energia, para

alimentar as cargas CC, em situações em que a energia produzida pelo sistema

micro-eólico é insuficiente.

Figura 3-9 Sistema de interface com cargas CC.



3.3. Exemplo de Sistema Micro-eólico com Seguidor do Ponto de

Máxima Potência (MPPT - Maximum Power Point Tracker)

Neste subcapítulo é abordado o estudo teórico de um sistema MPPT para um

gerador micro-eólico e os circuitos que o constituem. A implementação prática deste

sistema não é efectuada, uma vez que não faz parte dos objectivos desta dissertação,

sendo apenas simulado todo o sistema no capítulo 4.

Devido à variação das condições ambientais a que as turbinas micro-eólicas estão

sujeitas, a potência produzida por estes não é constante, variando com velocidade do

vento que é sujeita a diversas perturbações.

Como se pode visualizar na figura (3-10) ao variar a velocidade do vento vai

existir uma variação da velocidade de rotação do rotor do gerador. Para cada velocidade

do rotor a curva da potência gerada vai ser diferente, concluindo-se assim que o ponto

de máxima potência vai variar conforme a velocidade do vento.

Figura 3-10 Curva característica da potência de uma turbina micro-eólica [33].

O objectivo do seguidor do ponto de máxima potência, num gerador micro-eólico

é extrair o máximo de potência disponível no vento a cada instante. Mais concretamente



este sistema vai seguir o ponto de máxima potência do gerador, que varia para cada

velocidade do vento.

Na figura (3-11) é mostrada a topologia do sistema micro-eólico, com MPPT

estudada.

Figura 3-11 Topologia do Sistema Micro-eólico com Seguidor do Ponto de Máxima Potência.

Este sistema é constituído por um gerador síncrono de ímanes permanentes, e

funciona com velocidade variável. O conversor CA/CC tem como função transformar a

tensão alternada gerada pelo gerador em tensão contínua, que depois vai alimentar o

circuito MPPT, que é constituído por um conversor CC/CC, com controlo para seguir o

ponto de potência máxima.

O conversor CC/CC é usado para alterar a tensão aparente do barramento DC

vista pelo gerador. Assim controlando o conversor CC/CC através de um algoritmo

apropriado que altera o valor do duty-cycle, a tensão de saída do conversor de

electrónica de potência elevador de tensão é ajustada a fim de maximizar a potência

[29].



3.3.1. Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes

No estudo efectuado no subcapítulo 2.4 a maioria dos geradores eléctricos

utilizados na construção das unidades micro-eólicas são geradores síncronos de ímanes

permanentes, daí a escolha deste tipo de gerador na topologia apresentada

anteriormente.

Para efeitos da simulação do sistema, são utilizadas as características apresentadas

em [36] para o gerador síncrono de ímanes permanentes do sistema eólico Gerar46, de

modo a simplificar todo o processo, uma vez que não se encontra disponível no

laboratório um gerador eléctrico deste tipo, para que sejam medidas todas as grandezas

exigidas pelo software de simulação.

Na tabela (3-1) é possível visualizar as características do sistema micro-eólico

Gerar246.

Dados do Sistema Micro-Eólico Gerar246

Diâmetro da Hélice 2,46 m

Números de Pás 3

Velocidade de Arranque 2,2 m/s

Binário de Arranque 0,3 Nm

Controle de Velocidade Controlo de Perda Aerodinâmica Activo

Protecção Para Altas Velocidades Controlo de Passo

Potência (12,5 m/s) 1kW

Velocidade de Rotação Nominal 700 rpm

Tensão de Linha (700 rpm) (rms) 75 V

Frequência (700 rpm) (rms) 80 Hz

Gerador Síncrono Íman Permanente

Sistema Eléctrico Trifásico

Número de Pólos 14

Indutância Síncrona do Gerador 3,5 mH

Resistência Série do Gerador 0,9 Ω

Tabela 3-1 Dados do Sistema micro-eólico Gerar246 [36].

http://www.eolicario.com.br/energia_eolica_gerar246.html

http://www.eolicario.com.br/energia_eolica_gerar246.html



Desta forma o gerador utilizado apresenta os seguintes valores medidos por [36]

de resistência de enrolamento do estator (Rs), indutâncias do estator de eixo-d (Ld), que

significa que o eixo passa pelo centro do íman, e eixo-q (Lq) que significa que o eixo

está no meio de dois ímanes, força electromotriz por milhar de rotações por minuto

(Vpk/rpm), número de pólos (P), momento de inércia e constante de tempo mecânica:

Rs 0,9 Ω

Ld 0,0035 H

Lq 0,0035 H

Vpk/rpm 157,232

P 14

Momento de inércia 0,06

Constante de tempo mecânica 0

3.3.2. Conversor CA/CC (rectificador)

O conversor CA/CC (rectificador) converte a corrente alternada proveniente do

gerador eléctrico em corrente contínua, a partir de uma ponte rectificadora monofásica

ou trifásica.

Dependendo do tipo de aplicação os rectificadores podem ser de meia ponte,

ponte completa, não controlados, quando são utilizados díodos como componentes de

rectificação, e semi controlados ou totalmente controlados através da utilização de

transístores ou tiristores [37]. O ripple da tensão de saída CC dos rectificadores deve ser

o mínimo possível, sendo para isso usado um condensador como filtro ligado aos

terminais de saída.

O rectificador utilizado é trifásico de ponte completa não controlado, devido à sua

simplicidade de utilização e à tensão de saída do gerador eléctrico ser trifásica.

Rectificador Trifásico de Ponte Completa não Controlado

O rectificador trifásico utilizado é constituído por seis díodos que são usados

como elementos de rectificação, como se pode visualizar pela figura (3-12), o que não

possibilita o controlo da tensão de saída do circuito.



Figura 3-12 Rectificador trifásico não controlado.

A este rectificador foi também acrescentado um filtro na saída, implementado

através de um condensador ligado aos seus terminais. A figura (3-13) apresenta o

esquema eléctrico do rectificador com filtro capacitivo.

Figura 3-13 Rectificador trifásico não controlado com filtro capacitivo.

A inclusão de um condensador no circuito faz com que o ripple da tensão de saída

seja reduzido. O condensador vai-se carregando com a tensão de pico da entrada até

atingir um valor superior ao da tensão de entrada. Quando a tensão do condensador se

torna superior à tensão de entrada os diodos deixam de conduzir sendo a corrente de

saída do circuito totalmente fornecida pelo condensador, que vai descarregando até

atingir um nível de tensão inferior ao da entrada, recarregando-se de seguida [37].

Através das figuras (3-14) e (3-15) é possível visualizar as formas de onda da

tensão de entrada e de saída do rectificador em ponte completa não controlado sem

filtro.



Figura 3-14 Formas de onda da tensão de entrada (Vab, Vbc, Vca) e saída do rectificador não controlado.

Figura 3-15 Formas de onda da corrente de entrada (Ia, Ib, Ic) e saída do rectificador não controlado.

Com a inclusão do filtro capacitivo o rectificador apresenta as formas de onda das

tensões e correntes, representadas nas figuras (3-16) e (3-17).



Figura 3-16 Formas de onda da tensão de entrada (Vab, Vbc, Vca) e saída do rectificador não controlado

com filtro capacitivo.

Figura 3-17 Formas de onda da corrente de entrada (Ia, Ib, Ic) e saída do rectificador não controlado com

filtro capacitivo.



3.3.3. Conversor CC/CC

Os conversores CC/CC são circuitos electrónicos de potência que têm a

capacidade de ajustar de forma controlada o nível da tensão contínua na entrada dos

seus terminais para níveis diferentes na saída.

Os componentes que constituem os diferentes tipos de conversores CC/CC são

semicondutores de electrónica de potência, boninas e condensadores.

A diferença entre os tipos de conversores está na disposição dos seus

componentes e na função para a qual são projectados.

Os principais tipos de conversores segundo [38] são: conversor Step-Down (baixa

a tensão), Step-Up (eleva a tensão), conversor Step-down/Step-Up (baixa e eleva

tensão), conversor Cúk e conversor em ponte completa (full-bridge).

Dos cinco conversores citados anteriormente, apenas os conversores Step-Down e

o Step-Up são topologias básicas de conversores. Ambos os conversores. Step-

Down/step-Up e Cúk são combinações das topologias básicas. O conversor em ponte

completa é o único que deriva apenas do conversor Step-Down [38].

Na topologia do sistema micro-eólico com seguidor do ponto de potência máxima

proposta é utilizado o conversor CC/CC Step-Up para elevar o nível de tensão fornecida

pelo gerador da micro-eólica, em conjunto com o sistema de controlo MPPT, para que a

micro-eólica funcione sempre no ponto de máxima potência. De seguida é analisado o

funcionamento do conversor Step-up e no subcapítulo 3.3.4 é analisado o sistema de

controlo MPPT.

3.3.3.1. Conversor Step-up

O conversor Step-up permite elevar a tensão de corrente contínua da entrada para

valores superiores aos da saída. O nível de tensão na saída é controlado através da

técnica de controlo PWM (Pulse-Width Modulation), modulação por largura de pulso.

Os elementos constituintes do conversor são uma bobina (L) e um condensador

(C) que armazenam energia, um díodo (D) e um semicondutor de electrónica de

potência que funciona como um interruptor (int) no circuito, como se pode visualizar na

figura (3-18).



Figura 3-18 Conversor Step-up.

O funcionamento do interruptor (int) é determinado pelo controlo PWM, que

determina a frequência com que é ligado e desligado, fazendo com que o interruptor

esteja ligado durante um determinado período de tempo e desligado durante .

Quando o interruptor (int) é ligado, a tensão de entrada é aplicada na bobina,

quando a tensão de entrada tem um nível inferior ao da saída ( ) o díodo fica

inversamente polarizado. Desta forma a carga é alimentada pela energia acumulada no

condensador enquanto a bobina vai acumulando energia.

Quando o interruptor é desligado o díodo passa a estar directamente polarizado,

conduzindo a energia acumulada na bobina, que vai alimentar a carga e carregar o

condensador.

Se a corrente que passa pela bobina nunca for a zero durante o tempo de condução

do díodo indica que o conversor opera no modo de condução contínua, caso contrário

opera no modo descontínuo.

Regra geral é preferível que o conversor opere no modo de condução contínua,

devido à facilidade com que é possível determinar a relação entre a largura de pulso e a

tensão média de saída [37].

Modo de Condução Contínua

Neste modo de condução a corrente na bobina circula de forma contínua, nunca é

nula ( .

O funcionamento do conversor step-up durante o período de tempo tem dois

estados distintos, quando o interruptor (int) está ligado e quando interruptor

(int) está desligado.



Na figura (3-19) são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente na

bobina para o modo de condução contínua.

Figura 3-19 Formas de onda da tensão e corrente na bobina para o modo de condução contínua [39].

Estado

Durante o estado o interruptor (int) está ligado durante um determinado tempo

criando um caminho para que a energia fornecida por carregue a bonina, como se

pode visualizar na figura (3-20).

Figura 3-20 Circuito Step-Up para o estado .



O tempo de duração do estado on é dado pela equação (3.1), onde D representa o

duty-cycle do sinal de controlo PWM.

(3.1)

Estado

No estado o interruptor está desligado durante um determinado tempo

criando um caminho para que a fonte cuja tensão é em conjunto com a bobina

forneçam energia ao condensador e à carga, como se pode visualizar na figura (3-21).

Figura 3-21 Circuito Step-Up para o estado .

O tempo de duração do estado off é dado pela equação (3.2).

(3.2)

Observando os gráficos da figura (3-19) é possível obter a relação entre a tensão

de entrada e a tensão de saída do conversor, expressa pela equação (3.3), uma vez que o

aumento da corrente durante é igual à diminuição da corrente , durante

[38].

(3.3)

Substituindo (3.1) e (3.2) em (3.3) e resolvendo em ordem a

obtém-se a

equação:



(3.4)

Desprezando as perdas do circuito a potência de entrada é igual à de saída,

:

(3.5)

Resolvendo a equação anterior em ordem a

obtém-se a relação:

(3.6)

Limite entre a Condução Contínua e Descontínua

A figura (3-22) mostra as formas de onda no modo do limite da condução

contínua da tensão e corrente na bobina . Neste modo a corrente vai a zero

no final do tempo [38].

Figura 3-22 Formas de onda da tensão e corrente na bobina para o limite entre a condução contínua e

descontínua [39].



No limite da condução contínua o valor da corrente na bobina é expresso por:

(3.7)

Usando (3.4) em (3.7):

(3.8)

No conversor Step-up a corrente entrada e a corrente que passa pela bonina

são iguais, usando (3.6) e (3.8) obtém-se a equação da corrente média de saída

(3.9), no limite da condução contínua [38]:

(3.9)

Na figura (3-23) é possível visualizar as curvas de e , em função do

duty-cycle para uma tensão de saída constante.

O conversor Step-up tem a como função elevar a tensão de saída mantendo-a

constante, para isso é necessário variar o valor do duty-cycle, para que a tensão de saída

permaneça constante independentemente da tensão de entrada [38].

Figura 3-23 Curvas de e em função de D para constante [39].



Observando a figura (3-23), verifica-se que atinge o valor máximo para o valor

de duty-cycle (D = 0,5), e para (D = 1/3) [38]:

(3.10)

(3.11)

Em função dos seus valores máximos as correntes e são expressas por

[38]:

(3.12)

(3.13)

Para um determinado valor do duty-cycle (D) com um valor constante de , se a

corrente na carga descer para valores abaixo de , o conversor entra no modo de

condução descontínua [38].

Modo de Condução Descontínua

Quando o conversor entra no modo de condução descontínua a corrente na bobina

é zero durante um determinado instante de tempo do período de , como se pode

visualizar pela figura (3-24).



Figura 3-24 Formas de onda e corrente da bobina para o modo de condução descontínua [39].

Através da figura (3-24) verifica-se que a corrente na bobina durante

atinge o valor máximo, de seguida decresce até atingir o valor zero durante o instante

, permanecendo em zero durante .

A relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada

, observando a

figura (3-24), é obtida através da seguinte equação [38]:

(3.14)

Resolvendo em ordem a

:

(3.15)

Considerando a potência de entrada igual à potência de saída ( ) a relação

entre as correntes de entrada e saída é dada por [38]:

(3.16)

A corrente média de entrada é dada por [38]:



(3.17)

Usando (3.16) em (3.17) [38]:

(3.18)

Através das equações (3.14), (3.18) e (3.13) obtém-se o valor do duty-cycle, em

função da tensão de saída [38]:

(3.19)

A figura (3-25) apresenta a curva característica do conversor Step-up mantendo

constante para diferentes valores do duty-cycle (D), quando o conversor está no modo

de condução descontínua.

Figura 3-25 Curva característica do conversor Step-Up para constante [39].

No modo de condução descontínua se não for controlada durante cada período

de comutação, a energia transferida para o condensador e para carga é expressa por:



(3.20)

Se a carga não for capaz de absorver toda esta energia a tensão no condensador

pode atingir um nível demasiado elevado, podendo fazer com que seja destruído [38].

Ripple da Tensão de Saída

Assumindo que a corrente de saída do conversor é constante, considerando as

formas de onda da figura (3-26), é possível calcular o ripple pico a pico da tensão de

saída [38].

Figura 3-26 Ripple da tensão de saída do conversor Step-Up [39].

Na figura (3-26) carga está representada pela área a sombreado.

O ripple pico a pico da tensão de saída é expresso por [38]:

(3.21)



Resolvendo em ordem a

:

(3.22)

3.3.3.2 Conversor Step-up com Controlo PWM (Pulse-Width Modulation)

No conversor Step-up a tensão de saída deve ser controlada para que possa atingir

um valor de tensão superior ao da entrada.

O nível da tensão de saída é controlado através do interruptor int com controlo

PWM.

Esta técnica de controlo, liga e desliga sucessivamente o interruptor com uma

frequência de comutação constante.

O tempo que o interruptor permanece ligado ou desligado ( é controlado

pelo valor do duty-cycle, que define o tempo que o interruptor permanece ligado para o

período de comutação .

Na figura (3-27) estão representados o esquema eléctrico do conversor Step-up

com os respectivos blocos do controlo PWM.

Figura 3-27 Esquema eléctrico do conversor Step-Up com controlo PWM.



Analisando a figura (3-27) é possível perceber como são gerados os sinais que vão

actuar o interruptor. O valor da tensão de saída do conversor é subtraído ao valor da

tensão de referência que se pretende ter na saída ( ) através do bloco Sub, resultando

o sinal de erro que representa a diferença entre e . De seguida o sinal

é comparado com uma forma de onda do tipo dente de serra (Sawtooth Wave)

, por intermédio do bloco Comparador, resultando na saída deste bloco o sinal que

vai actuar o interruptor int.

Como se pode visualizar pela figura (3-28) a frequência de comutação vai ser

determinada pela frequência da onda dente de serra. Normalmente a frequência da onda

dente de serra é na ordem de alguns kHz até poucas centenas de kHz [38].

Figura 3-28 Resultado da comparação entre os sinais e .

Quando o sinal é superior a o sinal de PWM é alto, o interruptor fica

no estado on, quando se sucede o contrário, o sinal de PWM é baixo e o interruptor fica

no estado off, e assim sucessivamente.

O valor do duty-cycle em função de e do valor de pico da onda dente de

serra pode ser obtido pela equação:



(3.23)

3.3.3.3. Dimensionamento do Conversor Step-up

Para o dimensionamento dos componentes do conversor Step-up foram usados os

seguintes parâmetros:

= 143 V Tensão gerada pela micro-eólica

= 200 V Tensão de saída do Step-up

R = 60 Ω Carga do Step-up

= 25 kHz Frequência de comutação

= 40 µs Período de comutação

= 1% Percentagem máxima para o ripple da tensão de saída

Cálculo do valor do duty-cycle:

O cálculo do valor mínimo da indutância da bobina foi efectuado através da

equação (3.24), estudada em [40].

(3.24)



Cálculo do valor da capacidade do condensador para um ripple máximo da tensão

de saída de 1%:

3.3.4. Sistema de controlo MPPT

O sistema de controlo MPPT consiste num algoritmo que vai actuar o interruptor

do conversor CC/CC, permitindo seguir o ponto de máxima potência do sistema.

Existem diversos métodos, para seguir o ponto de máxima potência, foram

desenvolvidos, diferenciando-se pela forma como o ponto de máxima potência é

atingido.

Estes métodos são conhecidos como: Perturbação e Observação (P&O), Tensão

Constante (CV) e Condutância, Incremental (IncCond) e Hill Climbing (HC).

Dos métodos referidos, o escolhido para a elaboração da topologia apresentada foi

o Perturbação e Observação (P&O), devido à sua fácil implementação e por ser um dos

métodos mais aplicados.

Este método aplica uma perturbação ( ) no valor do duty-cycle (D), que por sua

vez vai alterar o sinal de comando do interruptor do conversor Step-up.

Se o valor da potência aumentar a perturbação da tensão é feita no mesmo sentido

que a anterior, caso o valor da potência diminua a perturbação da tensão é efectuada no

sentido inverso [41] [42] [43] [44].

Na figura (3-29) está representado o fluxograma do algoritmo usado para

implementar o método de MPPT estudado.



Figura 3-29 Fluxograma do algoritmo do método P&O implementado.

Pelo estudo do fluxograma anterior é possível verificar que a primeira acção do

algoritmo é perturbar o valor do duty-cycle, de seguida calcula a potência

actual .

Depois de calculada são analisados dois cenários possíveis na perturbação da

variável (D):

Se a potência anterior ( ) toma o valor da actual e é efectuada

uma perturbação positiva no valor de D.

No caso de é efectuada uma perturbação negativa no valor de D.



3.4. Topologia do Sistema Micro-Eólico com Interface para Cargas

CA Desenvolvido

Neste subcapítulo é abordado o estudo teórico de um sistema para interface de um

gerador micro-eólico, com cargas CA monofásicas e circuitos que o constituem.

A figura (3-30) representa a topologia de interface desenvolvida.

Figura 3-30 Gerador micro-eólico com interface para cargas CA monofásicas.

O gerador eléctrico e o conversor CA/CC (rectificador) apresentados nesta

topologia são os mesmos estudados na topologia apresentada no subcapítulo 3.3.

A topologia aqui apresentada contém também um conversor CC/CA monofásico

(inversor), que possibilita gerar tensões alternadas com a amplitude e a frequência

necessárias para alimentar cargas CA monofásicas, a partir da tensão rectificada do

gerador.

3.4.1. Inversor

Os inversores são na maioria das vezes conversores comutados, que transformam

a energia de um circuito de tensão contínua (ou corrente) em tensão alternada (ou

corrente), através do controlo de semicondutores de potência que funcionam como

interruptores.



Existem vários tipos de inversores CC/CA e vários métodos de controlo. Estes

podem ser do tipo VSI (Voltage Source Inverter), fonte de tensão, ou CSI (Current

Source Inverter) fonte de corrente. Os inversores do tipo CSI são habitualmente usados

em instalações de elevada potência. Em comparação com os inversores do tipo VSI, os

inversores CSI são os menos usados por apresentarem um rendimento inferior e um

custo mais elevado [45] [46].

Na topologia proposta o inversor utilizado é do tipo VSI, e faz o interface entre a

saída de tensão rectificada do gerador e as cargas CA.

A topologia dos inversores VSI monofásicos difere no número de braços com

semicondutores de potência que cada uma pode ter, podendo ser em ponte completa

(Full-Bridge) ou meia ponte (Half-Bridge).

Na figura (3-31) estão representados os inversores VSI em ponte completa e meia

ponte. Analisando esta figura é possível verificar que o número de semicondutores de

potência e díodos utilizados nos inversores em ponte completa é superior aos utilizados

nos de meia ponte.

Em aplicações de elevada potência é preferível a utilização do inversor em ponte

completa, pois permite obter uma tensão de saída com o dobro do valor da tensão de

saída do inversor em meia ponte para o mesmo valor de tensão de entrada CC, o que

implica que para a mesma potência a corrente de saída e dos semicondutores têm

metade do valor das do inversor em meia ponte, o que é uma vantagem em aplicações

de elevada potência, uma vez que permite a utilização de menos dispositivos em

paralelo [38].



Figura 3-31 a) Inversor VSI em ponte completa. b) Inversor VSI em meia ponte.

Na topologia do sistema micro-eólico com interface para cargas CA proposta é

utilizado o inversor em ponte completa monofásico, para permitir que as cargas CA

monofásicas sejam alimentadas através do gerador da micro-eólica.

Nos subcapítulos seguintes é analisado o funcionamento do inversor VSI em

ponte completa e o respectivo controlo.

3.4.2. Inversor em Ponte Completa (Full – Bridge) Monofásico

O inversor em ponte completa monofásico é constituído por quatro

semicondutores de potência, que funcionam como interruptores e quatro díodos. Os

semicondutores de potência estão dispostos em arranjos, vulgarmente denominados de

braços, constituídos por dois semicondutores de potência e dois díodos em antiparalelo,

como se pode visualizar através da figura (3-32) [47].



Figura 3-32 Circuito eléctrico do conversor CC/CA inversor.

O funcionamento dos interruptores ( ) é determinado pelo

controlo PWM que liga e desliga estes interruptores quando é necessário.

Na figura (3-33) estão representados os modos de operação do inversor.

Quando os interruptores e estão ligados, a tensão de saída tem o valor

de durante o tempo em que estes permanecem ligados. No instante de tempo em que

os interruptores e estão ligados e os restantes desligados o valor da tensão de

saída é - .

Figura 3-33 Modos de operação do inversor.



3.4.3. Inversor com Controlo PWM (Pulse-Width Modulation)

A técnica de controlo PWM é uma forma eficaz de obter um sinal alternado de

baixa frequência na saída do inversor, podendo ser do tipo bipolar ou unipolar.

Para obter um sinal de tesão sinusoidal, com a frequência desejada é utilizado um

sinal de controlo sinusoidal ( ), com a mesma frequência que se pretende obter

na tensão de saída, que é comparado com um sinal com forma de onda triangular ( ),

para se obter os sinais de controlo dos semicondutores de potência.

A frequência de comutação dos interruptores é estabelecida pela frequência da

onda triangular, também conhecida como frequência portadora. A frequência

determina a frequência com que cada interruptor vai comutar.

O sinal tem uma frequência com o valor desejado para a frequência

fundamental da tensão de saída. Este sinal é também usado para determinar a relação da

frequência de comutação dos interruptores [38].

Como se pode visualizar na figura (3-34) o sinal gerado na comparação de

com a onda triangular é constituído por diversos pulsos, que contêm a

componente fundamental de uma sinusóide. Depois de filtrado este sinal obtém-se uma

sinusóide.

Figura 3-34 Comparação entre e [39].



A tensão na saída do inversor não é uma sinusóide perfeita devido às

componentes harmónicas existentes. A onda de tensão fundamental de saída do inversor

depende da amplitude de modulação que é expressa na equação 3.25 [38]:

(3.25)

Onde:

Índice de modulação

Valor de pico do sinal de controlo

Valor de pico do sinal triangular

Controlo com PWM bipolar

No controlo com PWM bipolar a tensão de saída do inversor ( ), varia entre -

e , que representam a tensão de entrada do inversor, como se pode visualizar pela

figura (3-35) [38].

Neste tipo de controlo os interruptores são actuados aos pares, um dos pares é

constituído por e , e o outro por e .

Figura 3-35 Modulação PWM modo bipolar [39].



No inversor em ponte completa da figura (3-33), quando os interruptores e

estão ligados, a saída do braço A é dada por

e a saída do braço B por

, verificando-se que a saída do braço B é o oposta do à braço A [38]. Então:

(3.26)

e

(3.27)

Controlo com PWM unipolar

Contrariamente ao controlo apresentado no ponto anterior, o controlo com PWM

unipolar permite actuar cada braço do inversor individualmente.

Para controlar os braços do inversor são usadas duas sinusóides e

- , desfasado 180º entre si, que são comparadas com a onda triangular ,

como mostra a figura (3-36).

Figura 3-36 Comparação dos sinais , e [39].

Através da análise da figura (3-36) deduz-se que a comparação do sinal com

e - , produz os sinais de controlo dos braços A e B, resultando os

seguintes estados lógicos dos interruptores de cada um dos braço [38]:

; on e

; on e



; on e

; on e

A figura (3-37) representa a tensão de saída para cada um dos braços do inversor.

Figura 3-37 Tensão de saída do braço A e B [39].

A tensão de saída do inversor neste tipo de controlo PWM varia entre o valor 0 e

ou entre 0 e - , como se pode visualizar na figura (3-38).

Figura 3-38 Modulação PWM unipolar [39].

As formas de onda das figuras anteriores demonstram que existem quatro

combinações possíveis de estados dos interruptores para controlar a tensão de saída

[38]:

, on: , ;

, on: , ;

, on: , ;

, on: , ;

Quando os dois interruptores superiores ou inferiores são ligados conjuntamente a

tensão de saída do inversor tem valor zero.



CAPÍTULO 4

Simulações Computacionais

Neste capítulo serão simulados todos os circuitos necessários na implementação

deste projecto, nomeadamente o modelo do gerador micro-eólico, o conversor Step-up e

o inversor.

A opção da elaboração de simulações antes de uma implementação prática deve-

se à necessidade de conhecer previamente o funcionamento de todos os circuitos

envolvidos.

Ao utilizar um método de simulação computacional apropriado, antes de

implementar o circuito real, é possível ajustar facilmente os parâmetros a usar nos

circuitos, de forma segura e sem prejuízo para o investigador, poupando-se tempo e

dinheiro, uma vez que não é necessário comprar novos componentes e voltar a

implementar todo o circuito no caso de algo inapropriado acontecer.

No mercado, cada vez mais, surgem novas ferramentas de simulação, uma vez que

estas têm muita procura e são consideradas de grande utilidade.

4.1. Psim

De entre todas as ferramentas disponíveis o programa de simulação escolhido foi

o Psim. Esta ferramenta possui um ambiente de trabalho bastante apelativo e intuitivo,

facilitando o interface com o utilizador.

O Psim é um simulador de circuitos eléctricos especialmente projectado para a

simulação de circuitos de electrónica de potência, para análise de conversores de

potência, malhas de controlo e estudo de accionamento de motores.

Na simulação de circuitos são utilizados módulos com símbolos e características

de componentes reais, como se pode visualizar na figura (4-1), que ligados entre si

formam o circuito que se pretende simular.

Este simulador pode simular quase todo o tipo de circuitos, apresentando os

resultados das medições efectuadas nos circuitos de uma forma gráfica, permitindo

conhecer o comportamento das grandezas medidas ao longo do tempo. Algo muito útil

para determinar a causa de possíveis problemas nos circuitos.



Na figura (4-2) está representado o ambiente gráfico que apresenta todas as

grandezas medidas nos circuitos.

Figura 4-1 Ambiente gráfico do Psim com alguns componentes que o constituem.

Figura 4-2 Exemplo de visualização de um sinal sinusoidal no ambiente gráfico, onde são apresentadas as

grandezas medidas.



4.2. Modelo de Simulação do Gerador Micro-eólico

Para que todos os estudos efectuados se aproximassem o mais possível da

realidade considerou-se essencial usar um modelo de simulação de um

gerador micro-eólico. Para tal, foi usado o modelo da figura (4-3) implementado por

[36], que representa o gerador micro-eólico.

Este modelo tem como parâmetros de entrada a velocidade do vento e o raio do

rotor da turbina, e como saída a tensão gerada pelo gerador eléctrico, permitindo variar

a tensão de saída através da variação da velocidade do vento.

Na figura (4-4) é possível visualizar as formas de onda das tensões compostas,

, , , do gerador eléctrico ao operar em vazio. Estas tensões têm um valor de

pico próximo dos 200V para uma velocidade do vento de 12 m/s e um raio do rotor de

1,23m.

Figura 4-3 Modelo do gerador micro-eólico usado por [36].



Figura 4-4 Tensões compostas do gerador eléctrico.

De seguida acrescentou-se ao modelo um rectificador trifásico, como se pode

visualizar na figura (4-5), com a finalidade de rectificar a tensão de saída do gerador

eléctrico para que possam ser usados os circuitos Step-up e inversor.

Como carga é usada uma resistência de 60Ω, e em todos os testes que serão

apresentados de seguida é utilizada uma velocidade do vento de 12 m/s e um raio de

1,23 m do rotor do gerador eólico.



Figura 4-5 Modelo do gerador micro-éolico com rectificador ligado na saída do gerador eléctrico.



Na figura (4-5) o rectificador trifásico é representado pelo bloco com o símbolo de

um díodo, à saída foi ligado um condensador de 1050 µF de forma a reduzir o ripple da

tensão de saída.

O bloco que se segue ao rectificador é um wattímetro para se poder medir a

potência do gerador eléctrico.

Nas figuras (4-6), (4-7) e (4-8) estão representadas as formas de onda da tensão,

corrente na carga e potência eléctrica do gerador.

Figura 4-6 Tensão na carga.

Figura 4-7 Corrente na carga.

Figura 4-8 Potência eléctrica do gerador.



Através da visualização das figuras anteriores constata-se que todas as grandezas

demoram quase dois segundos a estabilizarem. O valor da potência eléctrica é de

aproximadamente 400W, a tensão na carga 160V e a corrente 2,6 A.

4.3. Conversor Step-up

Na figura (4-9) é possível visualizar o conversor step-up ligado ao

gerador micro-eólico.

Figura 4-9 Conversor Step-up ligado ao gerador micro-eólico.



Na figura (4-10) está representado o conversor Step-up, que foi projectado para

elevar a tensão de 143V para 200V na saída.

Figura 4-10 Conversor Step-up.

O conversor da figura (4-10) é constituído por componentes ideais como uma

bobina, um condensador, díodo e um mosfet.

O valor de indutância e capacidade utilizados na simulação foram 250µH e

400µF, estes valores foram obtidos de forma empírica através de vários ajustes feitos

durante as simulações, para que o resultado final fosse o pretendido. Estes ajustes foram

necessários pois os valores calculados de indutância e capacidade eram os valores

mínimos exigidos.

O sinal de controlo do mosfet (PWM) representado na figura (4-11) é gerado

através da comparação dos sinais e , que aqui são representados por uma

fonte de tensão contínua e outra em forma de dente de serra.



Figura 4-11 Sinal de controlo PWM.

Pela análise da figura (4-11) verifica-se que a frequência do sinal é de 25kHz, com

um duty-cycle próximo dos 28,5%.

Na figura (4-12) estão representadas as tensões de entrada e saída do Step-up,

verificando-se que o conversor cumpre a finalidade para a qual foi projectado, ao elevar

a tensão de entrada nos seus terminais com o valor de 143V para 200V na saída.

Figura 4-12 Tensão de entrada e saída do step-up.

Com a finalidade de verificar se o conversor funciona em modo de condução

contínua são apresentadas na figura (4-13) a forma de onda da tensão e corrente na

bobina do Step-up.



Figura 4-13 Tensão e Corrente na bobina.

Analisando a figura (4-13) verifica-se que o valor da corrente na bobina nunca

vem a zero, provando que o Step-up opera em modo de condução contínua.

4.4. Inversor

Na figura (4-14) é possível visualizar o inversor ligado ao gerador micro-eólico.



Figura 4-14 Inversor ligado ao gerador micro-eólico.



Para o estudo do conversor CC/CA, foi criado o modelo do inversor monofásico

em ponte completa com filtro LC (L=1,02mH, C=4,7µF) representado na figura (4-15),

com objectivo de testar o funcionamento do circuito e validar a técnica de controlo

utilizada.

Figura 4-15 Inversor.

O tipo de controlo utilizado no funcionamento do inversor foi o PWM unipolar.

Este consiste na comparação dos sinais e - com uma forma de onda

triangular, como se pode visualizar através da figura (4-16).



Figura 4-16 PWM unipolar.

Na figura (4-16) é possível visualizar que os sinais de controlo e

- apresentam um período de 20ms correspondente a uma frequência de 50Hz,

sendo esta a frequência desejada na tensão de saída do inversor.

Da comparação das ondas de controlo anteriores com a onda triangular surgem os

sinais de controlo dos mosfets, representados na figura (4-17).

Figura 4-17 Sinais de controlo dos mosfets.



Analisando a figura (4-17) verifica-se que para os mosfets do mesmo braço os

sinais de controlo gerados são complementares um ao outro, e a frequência de

comutação dos mosfets é de 10kHz, a mesma que a da onda triangular.

Na figura (4-18) é apresentada a tensão contínua de entrada do inversor, que

contém algum ripple. Depois de feito um zoom na figura (4-18) concluiu-se que o valor

da tensão de entrada do inversor é de aproximadamente 167V CC, como ilustra a figura

(4-19).

Figura 4-18 Tensão de entrada do inversor.

Figura 4-19 Tensão de entrada do inversor com zoom.

Para uma tensão de entrada no inversor de aproximadamente 167V CC obtêm-se

uma tensão alternada na carga com o valor de 167V de pico, e um período de 20ms, o

que significa que se conseguiu gerar uma tensão CA com uma frequência de 50Hz,

como se pode visualizar pela figura (4-20).

Na figura (4-21) é apresentada a forma de onda da corrente na carga.



Figura 4-20 Tensão na carga.

Figura 4-21 Corrente na carga.

Como o principal objectivo do circuito é obter na saída do inversor uma tensão de

325VAC, optou-se por incluir um transformador na saída do inversor para elevar a

tensão, como demonstra a figura (4-22).



Figura 4-22 Inversor com transformador na saída.

As figuras (4-23) e (4-24) apresentam as formas de onda da tensão e corrente após

a inclusão do transformador.

Figura 4-23 Forma de onda da tensão com transformador na saída do inversor.



Figura 4-24 Forma de onda da corrente com transformador na saída do inversor.



CAPÍTULO 5

Implementação Prática do Sistema de Interface do Gerador

Micro-Eólico com Cargas Eléctricas

Neste capítulo são apresentados e explicados todos os circuitos implementados,

desde o rectificador ao inversor. É também apresentado o sistema utilizado no

laboratório de máquinas eléctricas, que permitiu emular um gerador micro-eólico.

Em termos de software, será explicado o sistema de controlo do inversor, de

forma a obter-se uma tensão sinusoidal na saída.

Será também abordada neste capítulo a implementação do circuito de interface

entre o circuito controlo e o circuito de potência, e demonstrada a importância da sua

utilização.

Na figura (5-1) está represada a bancada de trabalho onde todo o sistema foi

desenvolvido, e todos os testes foram efectuados.

Figura 5-1 Bancada de trabalho.



5.1. Gerador Micro-eólico

Na elaboração prática deste trabalho não foi possível utilizar um

gerador micro-eólico uma vez que este não se encontra disponível no laboratório.

Sendo assim, foi utilizado o sistema existente no laboratório de máquinas

eléctricas de forma a emular um gerador micro-eólico.

Este sistema é constituído por um motor série universal acoplado mecanicamente

a uma máquina síncrona trifásica de rotor bobinado, como se pode ver na figura (5-2).

Figura 5-2 Sistema usado para emular um gerador micro-eólico.

Na tabela (5-1) estão representadas as principais características do motor série

universal e da máquina síncrona.



Motor Série Universal (Feeback ETL174A)

Características nominais:

Máquina Síncrona (Feedback ETL174G)

Características nominais:

Alimentação: CA (Monofásico) ou CC P ≈ 248,7W

P = 186,5W (CA) ou P ≈ 248,7W (CC) = 120V (CA)

V = 120V (CA) ou 120V (CC) = 1,2 (CA)

n = 2000 rpm n = 3000 rpm

I = 4A = 5A

Tabela 5-1 Características do Motor Série Universal e Máquina Síncrona.

Na montagem da figura (5-2) o motor série universal é alimentado por uma

corrente alternada, por intermédio do variac. Depois de alimentado o motor este,

acciona a máquina síncrona que vai funcionar como gerador. A fonte CC tem como

função alimentar o enrolamento de excitação do gerador.

A variação da velocidade de rotação do motor série universal é efectuada através

do variac. Em conjunto o variac e o motor série universal permitem variar a velocidade

de rotação do gerador e consequentemente a tensão produzida por este.

5.2. Sistema de controlo

O sistema de controlo é a parte fundamental de todo o trabalho, é o responsável

por processar todos os dados necessários, e de acordo com os objectivos pretendidos,

gerar os sinais de controlo para actuar os semicondutores de potência, e assim obter as

formas de onda pretendidas na saída do inversor.

Para implementar o sistema de controlo recorreu-se ao microcontrolador

PIC18F4431 da figura (5-3), fabricado pela Microcip.



Figura 5-3 Microcontrolador PIC18F4431.

A escolha deste microcontrolador deve-se ao facto de ser gratuito e conter todos

os módulos necessários para a elaboração deste projecto. É também um dispositivo

bastante simples de programar. Existem várias informações sobre como programar este

dispositivo em diversos locais da Internet que serve como ajuda, e o facto de ser um

dispositivo muito utilizado por vários colegas de curso permite que se possam

ultrapassar mais facilmente algumas dificuldades impostas por este dispositivo.

O software necessário para a sua programação também é disponibilizado de forma

gratuita. Apenas foi adquirido o programador, que foi cedido pelos colegas do

Laboratório de Electrónica de Potência.

Em termos de aspectos técnicos, este microcontrolador necessita de um circuito de

baixa complexidade para a sua programação, de realçar que são necessários poucos

componentes para o seu funcionamento e a possibilidade de ser programado no próprio

circuito onde opera.

Para a elaboração deste trabalho utilizou-se o módulo de hardware POWER

CONTROL PWM MODULE, que simplifica a tarefa de gerar múltiplas saídas de PWM

sincronizadas, que são especialmente usadas no controlo de motores e conversores de

energia [47].

Este módulo possui quatro canais de PWM, que funcionam no modo

complementar. Ou seja, em cada canal são geradas duas saídas PWM complementares

simplificando bastante a programação do controlo do inversor. O módulo utilizado

possui uma resolução de 14 bit, dependendo do período do PWM [47], e permite a

programação de um dead-time entre os sinais de PWM gerados, algo muito útil para

evitar curtos-circuitos no inversor, durante as comutações dos semicondutores de

potência de cada braço.



Na figura (5-4) é possível visualizar os pinos que constituem o PIC18F4431, onde

se podem reconhecer os pinos dos módulos PWM.

Figura 5-4 Diagrama de pinos do PIC18F4431 [47].

Para criar os programas desenvolvidos e enviá-los para o microcontrolador

utilizou-se o software de programação disponibilizado pela MicroChip, MPLAB IDE

v8.33 em conjunto com o compilador CCS C Compiler.

Em termos de linguagem de programação os microcontroladores da família PIC

podem ser programados em linguagem Assembly ou linguagem C. No desenvolvimento

do projecto optou-se pela utilização da linguagem C, por se tratar de uma linguagem de

alto nível, tornando assim o código mais perceptível e fácil de implementar.

Para programar o microcontrolador com o código elaborado é utilizado o

programador MPLAB ICD 2 da figura (5-5), que é ligado entre o comutador pessoal e o

microcontrolador. Na ligação do programador com o PIC18F4431 são utilizados os

pinos PGD, PGC e MCLR, identificados na figura (5-4).

Figura 5-5 Programador MPLAB ICD 2.



5.2.1. Controlo do inversor

Para o controlo do inversor foram utilizados dois canais de PWM do

microcontrolador. A técnica de controlo implementada foi PWM unipolar para se obter

uma tensão alternada na saída do inversor com uma frequência de 50Hz.

Para gerar os sinais de PWM foram utilizados os canais PWM 0, e PWM 2, no

modo complementar, permitindo gerar dois pares de sinais de controlo, que vão actuar

os respectivos semicondutores de potência de cada braço do inversor PWM 0 e PWM 1,

bem como PWM 2 e PWM 3, como se pode visualizar na figura (5-6). Sendo os sinais

de cada par complementares um do outro, evitando assim que os semicondutores do

mesmo braço entrem em condução simultaneamente.

Como protecção contra curtos-circuitos, foi programado por software em cada

módulo de PWM um dead-time de 5µs, isto é, durante 5µs os sinais de PWM

complementares estão ambos inactivos, garantido que a comutação de estado dos

semicondutores do mesmo braço do inversor não é efectuada precisamente no mesmo

instante de tempo, prevenindo assim possíveis curtos circuitos nos braços do inversor.

Figura 5-6 Esquema do circuito inversor.

Para implementar a técnica de controlo PWM unipolar no microntrolador foi

criada uma tabela com 100 posições de forma a sintetizar um seno que é comparado

com uma onda triangular, onde o valor mais elevado da tabela é o valor máximo

admitido pelo duty-cycle.

Para gerar uma onda triangular internamente no microcontrolador o PWM é

programado no modo Continuous Up/Down Counting [47].



Na figura (5-7) é possível visualizar a forma de onda triangular gerada, que

posteriormente é comparada com o seno.

Figura 5-7 Modo Counting UP/DOWN [47].

No passo seguinte o PWM é configurado com uma frequência de comutação de

10kHz e um dead-time de 5µs. Após este passo configurou-se o timer1 e activou-se a

interrupção por overflow deste timer.

O timer1 é configurado para que os valores do duty-cycle sejam actualizados 100

vezes por cada período de 20ms, através da geração de uma interrupção por overflow do

timer1. A cada interrupção é chamada a rotina de serviço à interrupção onde são

actualizados os valores do duty-cycle, mediante os critérios do método de controlo

PWM unipolar aí programados.

5.3. Interface entre o Microcontrolador e o Inversor

A implementação de um circuito de interface entre o microcontrolador e o

inversor torna-se necessária, uma vez que os sinais de controlo para os semicondutores

de potência têm referências diferentes, e o microcontrolador fornece apenas um nível de

5V revelando-se insuficiente para comutar os semicondutores de potência do inversor.

Para tal, foi utilizado o acoplador óptico HCPL3120 da Hewlett Packard, cujo esquema

está representado na figura (5-8).



Figura 5-8 Esquema do Acoplador Óptico HCPL3120 [48].

Este circuito permite o isolamento galvânico entre a unidade de controlo e o

inversor, evitando os curtos-circuitos que de outra forma ocorreriam.

Para garantir o isolamento entre o microntrolador e o inversor assegurou-se que as

massas utilizadas por ambos eram diferentes, utilizando-se duas fontes de alimentação

diferentes na alimentação dos circuitos.

O acoplador óptico HCPL3120 funciona também como circuito de drive para o

semicondutor de potência, possibilitando elevar o nível de tensão do sinal de controlo

para os níveis exigidos, para fazer comutar o mosfet. Para o mosfet comutar é necessário

que o nível de potencial da gate seja superior ao potencial da source com uma tensão

superior à tensão de Treshold.

Na figura (5-9) está representado o esquemático do circuito do acoplador óptico

implementado, que permite elevar o nível de tensão do sinal de saída do

microcontrolador.

.

Figura 5-9 Esquema do circuito eléctrico implementado com o Acoplador óptico [48].



Na entrada do circuito da figura (5-9) é ligado o sinal de PWM gerado pelo

microcontrolador, com amplitude de 5V e frequência de 10kHz. A saída do circuito é

alimentada por uma fonte de tensão de 17V, obtendo-se na saída um sinal de PWM

com a mesma frequência e duty-cycle do sinal de entrada, mas com uma amplitude de

17V, que é ligado na gate do mosfet, garantindo desta forma o valor da tensão

necessária para que o mosfet entre em comutação.

Na figura (5-10) é possível visualizar a placa da unidade de controlo com o

microcontrolador e o circuito do acoplador óptico para cada um dos mosfets do inversor.

Figura 5-10 Unidade de Controlo.

5.4. Implementação do Rectificador

Para alimentar a entrada do inversor com uma tensão contínua foi necessário

implementar um rectificador trifásico, para rectificar as tensões alternadas geradas pelo

gerador eléctrico e obter na saída uma tensão contínua.

Como referido no subcapítulo 3.3.2. o rectificador implementado é de ponte

completa não controlado, devido à sua simplicidade de implementação.

Na implementação prática foi utilizado o componente 26MT80 do rectificador

trifásico a díodos produzido pela Vishay, representado na figura (5-11).



Figura 5-11 Rectificador 26MT80.

Este rectificador tem como características técnicas admitir uma tensão máxima de

operação de 800V e uma corrente máxima de 25A.

A figura (5-12) representa o esquema utilizado na implementação do rectificador

trifásico com um filtro capacitivo, de forma a atenuar o ripple da tensão de saída.

Figura 5-12 Esquema do Rectificador com Filtro Capacitivo na Saída.

Como nas oficinas do Departamento de Electrónica não existiam condensadores

com a capacidade ou valor de tensão necessários para serem usados no filtro de saída

optou-se por construir um banco de condensadores constituído por quatro

condensadores ligados em série, como representa figura (5-12), cada um com uma

tensão de 63V e uma capacidade de 4200µF.

Como são utilizados quatro condensadores ligados em série, a capacidade

equivalente do banco de condensadores é de 1050µF, com uma tensão de 252V

equivalente à soma das tensões dos quatro condensadores.



A capacidade equivalente foi calculada através da equação (5.1), onde

representa a capacidade equivalente e , , e são a capacidade de cada um dos

condensadores.

(5.1)

De notar que a cada condensador foi ligado em paralelo uma resistência de

potência de 470Ω, de forma a garantir uma tensão igual em cada um dos condensadores.

Na figura (5-13) é possível visualizar o rectificador trifásico implementado na

prática.

Figura 5-13 Rectificador Implementado na Prática.

5.5. Implementação do Inversor Monofásico

Na implementação prática do inversor monofásico foi utilizada a topologia em

ponte completa, pois permite obter na saída uma tensão com o dobro do valor permitido

pela topologia em meia ponte.

A entrada do inversor é alimentada pela tensão contínua de saída do rectificador,

originando na saída do inversor uma tensão alternada.



O inversor de tensão desenvolvido é do tipo VSI, constituído por dois braços.

Cada braço do inversor contém dois semicondutores de potência que vão comutar

conforme os sinais de comando enviados pela unidade de controlo.

Os semicondutores de potência utilizados foram mosfets, fabricados pela marca

FAIRCHILD SEMICONDUCTOR do modelo FCP11N60, que têm como características

técnicas uma corrente máxima admissível na drain de 11A e uma tensão

máxima drain-source de 650V [49].

Na figura 5-14 é possível visualizar o esquemático interno do Mosfet FCP11N60.

Figura 5-14 Esquema do Mosfet FCP11N60 [49].

Na saída do inversor foi inserido um filtro LC constituído por uma bobina com

uma indutância de aproximadamente 1mH e um condensador com uma capacidade de

4,7µF. Este filtro tem a finalidade de filtrar os harmónicos de alta frequência produzidos

pelas comutações do circuito inversor e assim obter uma tensão aproximadamente

sinusoidal na saída.

Na figura (5-15) é possível visualizar o circuito inversor implementado, com a

bobina e o condensador usados como filtro na saída.



Figura 5-15 Circuito inversor Implementado.

5.6. Sistema Implementado

Na figura (5-16) é possível visualizar em conjunto todos os circuitos que

constituem o sistema implementado, nomeadamente o motor série universal e o gerador

síncrono, que foram usados para emular uma turbina micro-eólica. Também é possível

visualizar o rectificador implementado e o circuito inversor com o respectivo circuito de

controlo.

Além de todos os circuitos mencionados também é usada uma resistência 60Ω,

como carga do sistema em todos os testes efectuados.

Figura 5-16 Sistema Implementado.



CAPÍTULO 6

Resultados Experimentais

Neste capítulo são apresentados os resultados experimentais dos testes efectuados

aos circuitos implementados, verificando-se os principais valores e formas de onda

obtidos.

6.1. Ensaio do Gerador Síncrono

Neste ensaio foram obtidas as formas de onda da tensão de saída do gerador, com

este a operar em vazio, com uma corrente excitação de 1,3A e uma velocidade de

rotação de 3000rpm.

Na figura (6-1) é possível visualizar a forma de onda da tensão simples da fase a,

tendo esta um valor máximo de pico de 190V e uma frequência de 50,81Hz. As

restantes fases b e c têm a mesma forma de onda e valores de tensão, estando apenas

desfasadas 120º.

Figura 6-1 Forma de onda da tensão da fase do gerador síncrono.



6.2. Resultados Experimentais do Circuito de Controlo.

Na Figura (6-2) é possível visualizar os sinais de controlo PWM 0 e PWM 1 na

saída do microcontrolador, onde se verifica que são complementares, com 5V de

amplitude e uma frequência de 10,14kHz. Os outros dois sinais, PWM 3 e PWM 4,

também são iguais aos da figura.

Figura 6-2 Sinais de PWM gerados pelo microcontrolador.

Na figura (6-3) é possível visualizar os sinais de PWM amplificados pelo circuito

de controlo, agora com uma amplitude de 17V que é suficiente para que os mosfets

entrem em comutação.

Figura 6-3 Sinais de PWM amplificados.



Na figura (6-4) é possível visualizar o dead time de 5µs implementado entre os

dois sinais de PWM, como foi referido no capítulo 5.

Figura 6-4 Dead time de 5µs entre os sinais de PWM.

6.3. Resultados experimentais do Circuito Inversor

Na execução dos testes do circuito inversor foi utilizada como carga uma

resistência de 60Ω. Como referido no capítulo 5 este circuito é alimentado pela tensão

rectificada, gerada pelo gerador síncrono a operar na velocidade nominal de 3000rpm.

Na figura (6-5) é possível visualizar a tensão contínua de entrada do inversor, com

um valor de 115V.

Figura 6-5 Tensão CC de entrada do inversor.



A figura (6-6) mostra a tensão obtida na carga, com o inversor alimentado pela

tensão da figura (6-5), onde se verifica que a tensão simples tem um valor de pico de

90V com uma frequência de 50,10Hz, como era pretendido.

Figura 6-6 Forma de onda de tensão na carga.

Devido ao ruído existente no sinal não foi possível elevar a tensão para os 230V

eficazes por intermédio de um transformador.

Para medir a corrente na carga através do osciloscópio ligou-se uma resistência,

de 1,1Ω em série com a carga, e mediu-se a tensão nessa resistência. A tensão medida

na resistência foi de 1,65V, aplicando a Lei de Ohm a corrente na resistência tem um

valor de 1,5A. Como o valor da resistência é muito baixo causa uma redução no valor

da tensão na carga de 1,83%, podendo afirmar-se que o valor da tensão na resistência de

medida é desprezável face à da carga.

A figura (6-7) representa a forma de onda da corrente, obtida através do método

referido anteriormente, onde se deve considerar que o valor de pico é de 1,5A.



Figura 6-7 Forma de onda de corrente na carga.



CAPÍTULO 7

Conclusões e Propostas de Trabalho Futuro

7.1. Conclusões

Com este trabalho foi possível aprofundar os conhecimentos no desenvolvimento

das energias renováveis, em todo o mundo e particularmente em Portugal, onde a

energia eólica tem vindo a revelar um papel cada mais significativo no crescimento das

energias renováveis.

Numa primeira fase deste projecto são identificados os diferentes tipos de turbinas

eólicas e os diferentes tipos de componentes que as constituem.

De forma a perceber toda a dinâmica de um gerador micro-eólico, elaborou-se um

estudo teórico, que permitiu perceber como este é capaz de produzir energia eléctrica a

partir do vento. Este estudo permitiu também identificar quais as varáveis que

influenciam a produção de energia por parte do gerador micro-éolico.

Foram também apresentadas diversas topologias de ligação à rede eléctrica de

unidades mico-eólicas.

Um dos objectivos desta dissertação consiste no estudo e simulação de um sistema

micro-eólico com circuito MPPT. De maneira a desenvolver este circuito efectuou-se o

estudo teórico do circuito rectificador e do conversor CC/CC Step-up, que constituem o

circuito MPPT, e foi apresentado um algoritmo de controlo para este circuito.

Os resultados obtidos na simulação do circuito MPPT não foram os esperados,

optando-se não os apresentar nesta dissertação. No entanto efectuou-se a simulação do

circuito Step-up em conjunto com o modelo de um gerador micro-eólico, verificando-se

o correcto funcionamento deste como elevador de tensão.

Este trabalho apresenta como objectivo principal a elaboração de um circuito de

interface de um gerador micro-eólico com cargas eléctricas. Este circuito torna-se útil

em locais onde o acesso à rede eléctrica é difícil. O circuito de interface é formado por

um rectificador e um inversor de tensão. Para a elaboração deste circuito efectuou-se um

estudo aprofundado do inversor monofásico em ponte completa, assim como dos seus

diferentes tipos de controlo.



A implementação do inversor revelou algumas dificuldades a nível de controlo,

dificuldades estas que foram ultrapassadas, tornando os fios condutores do circuito de

controlo o mais curtos possíveis, e entrelaçando os fios que transmitem os sinais de

controlo para os mosfets, aumentando a imunidade aos ruídos electromagnéticos que

causam interferências no inversor.

Em termos de resultados práticos, foi possível alimentar uma carga resistiva de

60Ω com uma tensão alternada de 90V e uma frequência de 50Hz através do circuito de

interface elaborado.

Devido ao ruído existente no sinal de tensão na saída do inversor não foi possível

elevar a tensão para os 230V eficazes por intermédio de um transformador como era

pretendido.

Numa apreciação global deste trabalho, conclui-se que foi atingido o objectivo

principal verificando-se o correcto funcionamento do inversor. Os restantes objectivos

também foram atingidos com excepção da simulação do circuito MPPT.

7.2. Propostas de Trabalho Futuro

De forma a enriquecer este trabalho propõe-se a utilização de um

gerador micro-eólico, em substituição do modelo utilizado para emular o gerador.

Uma vez que não se conseguiu obter o correcto funcionamento do sistema MPPT

nas simulações, propõe-se a realização das simulações de uma forma mais adequada,

através da implementação de outros algoritmos.

Em relação aos circuitos implementados, propõe-se a sua implementação em

placas de circuito impresso (PCB), de forma a reduzir os ruídos electromagnéticos que

possam surgir, melhorando assim o desempenho de todos os circuitos, principalmente

do circuito inversor.

Em relação ao inversor concretamente, propõe-se a integração de circuitos

snubber, de forma a reduzir os picos excessivos de corrente, prevenindo possíveis danos

no circuito e nas cargas a que se encontra ligado.

Propõe-se ainda também o teste de todo o sistema com cargas diferentes da

utilizada, com o intuito de verificar como o sistema se comporta.



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João André Pereira Pacheco Brás - intranet.dei.uminho.ptintranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/50674.pdf · Interface de um Gerador ... Figura 3-2 Gerador síncrono ligado