UNIVERSIDADE ANHANGUERA UNIDERP PRO-REITORIA DE GRADUAO

CURSO DE ENGENHARIA ELTRICA

Edsel Paulo Rockel

SISTEMA DE MONITORAMENTO E CONTROLE DE GERADOR ELICO

Campo Grande 2013

Edsel Paulo Rockel

SISTEMA DE MONITORAMENTO E CONTROLE DE GERADOR ELICO

Trabalho de concluso de curso apresentado banca examinadora do curso de Engenharia Eltrica da Universidade Anhanguera-Uniderp, como requisito parcial para a obteno do grau de Bacharel em Engenharia Eltrica.

Orientador: Professor Esp. Romualdo Orlandeli Sanches

-

Campo Grande 2013

AGRADECIMENTOS...

Ao professor Romualdo Orlandeli Sanches, meu orientador, pelas sugestes

oportunas, cobranas eventuais e apoio constante.

Ao Luiz Cesar Nocera, pela oportunidade que me concedeu de realizar este

Trabalho com o seu gerador elico.

Ao Meteorologista Natlio Abraho Filho, da Estao Meteorolgica da

Universidade Anhanguera-Uniderp, por me disponibilizar os dados sobre velocidade

dos ventos na cidade de Campo Grande, os quais foram imprescindveis para as

demonstraes tericas neste Trabalho.

Miriam, minha esposa, pela compreenso e pacincia.

RESUMO

Este trabalho mostra o projeto de um sistema eletrnico de controle de carga de

gerador elico, permitindo que ele carregue uma bateria automotiva, a qual tem

capacidade inferior mnima estabelecida para o banco de baterias previsto no

manual do gerador elico. Utiliza-se o recurso de desvio de carga na sada do

gerador, atravs de transistores de potncia do tipo MOSFET (metaloxide

semiconductor field-effect), sempre que a tenso ou a corrente eltrica do gerador

exceder parmetros predeterminados em software contido no microcontrolador do

sistema. O regime de carga monitorado atravs de um ampermetro e voltmetro,

mostrado em um visor LCD e h tambm um cronmetro que grava o tempo de

carga em que a bateria foi submetida durante o perodo que ela ficou conectada ao

gerador elico.

Palavras chave: gerador elico; Air Breeze; bateria automotiva; sensor hall; PSoC;

controle de carga.

ABSTRACT

This paper describes an electronic system designed to control the charge of an

electrical generator driven by a wind turbine so as to allow it to charge an automotive

battery whose storage capacity is smaller than the minimum established for the

battery bank by the turbines manufacturer. It must be a diversion style regulator the

with MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors) whenever either

the voltage or the electric current of the generator exceeded the parameters pre-

established by the software of the microcontroller. The system load was monitored by

an ammeter and a voltmeter on an LCD display that also contains a clock to record

the load time of the battery for the period that it was connected to the wind turbine. --

----------------------------------------------------------------

Keywords: wind turbine, Air Breeze, automotive battery, hall sensor; PSoC; loading

.control.

Lista de Figuras

Pgina

Figura 1 Bateria alcalina, com clula em destaque . 16

Figura 2 Mtodo de dois nveis de tenso . 20

Figura 3 Mtodo de dois nveis de tenso, em funo do tempo. 21

Figura 4 Gerador elico Air Breeze 23

Figura 5 Diagrama de instalao. 24

Figura 6 Gerador elico instalado sobre o teto do hangar. 27

Figura 7 Bancada de testes do gerador elico. 27

Figura 8 Diagrama de ligao de ampermetro e voltmetro. 28

Figura 9 Corrente e tenso mxima indicada. 29

Figura 10 Corrente e tenso obtidas com a bateria totalmente carregada. 30

Figura 11 Fluxo de vento atravs de uma turbina elica. 31

Figura 12 Grfico da potncia mxima possvel Mximo de Betz. 33

Figura 13 Curva do coefic. de pot. Cp, em funo da velocidade do vento. 34

Figura 14 Velocidade mxima do vento, em intervalos de 5 minutos. 38

Figura 15 Velocidade mdia dos ventos, tomada a cada 15 minutos 39

Figura 16 Fluxograma do Sistema de Controle. 40

Figura 17 Diagrama em blocos simplificado. 42

Figura 18 Diagrama em blocos. 43

Figura 19 Diagrama geral do sistema. 43

Figura 20 Conexo do gerador bateria. 44

Figura 21 Simulao de carga atravs do trans. IRF4905 (MOSFET P) 45

Figura 22 Grfico da corrente ID, em funo da tenso VDS. 46

Figura 23 Desvio de carga do gerador elico. 47

Figura 24 Monitoramento da tenso da bateria pelo gerador. 48

Figura 25 Sensor de corrente por Efeito Hall, ACS750xCA-50 . 49

Figura 26 Diagrama em blocos do Sensor Hall . 50

Figura 27 Diagrama de uma aplicao tpica do Sensor Hall . 50

Figura 28 Aplicao de campo eltrico em uma barra de metal. 51

Figura 29 Diagrama do sensor de corrente (Sensor Hall). 52

Figura 30 Diagrama do sensor de tenso. 53

Figura 31 Diagrama do microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI. 54

Figura 32 Diagrama da fonte de alimentao de 5 V (VDD). 55

Figura 33 Proteo de sobrecarga da bateria. 56

Figura 34 Dispositivo de proteo contra sobrecorrente PTC 57

Figura 35 Barra de alimentao, com proteo por polyfuses. 57

Figura 36 Sistema do gerador elico, com as conexes da chave geral. 58

Figura 37 Ambiente de desenvolvimento IDE-PSoC Designer. 60

Figura 38 Variao da tenso de sada do sensor de corrente 61

Figura 39 Identificao dos terminais do microcontrol. PSoC de 28 pinos. 62

Figura 40 Diagrama do sistema de controle de carga. 67

Figura 41 Layout da PCI (Placa de Circuito Impresso). 70

Figura 42 Placa de circuito impresso montada. 71

Figura 43 Monitoramento e Controle de Gerador Elico. 72

Figura 44 Grfico de tenso e corrente com a bateria descarregada 73

Figura 45 Grfico de tenso e corrente com a bateria carregada. 75

Figura 46 Ajuste da tenso de regulao (Set Point) 77

Figura 47 Grfico de tenso e corrente, em teste real, ao vento. 79

Figura 48 Verificao da densidade da soluo da bateria. 79

Figura 49 Verificao do tempo de carga. 80

Figura 50 Resistncia de desvio fora da caixa do sistema de controle. 81

Figura 51 Carga do gerador aplicado ao resistor nos instantes de desvio. 82

Lista de Tabelas

Pgina

Tabela 1: Caractersticas dos mtodos de carga. 19

Tabela 2: Velocidades mdias e mximas de ventos em Campo Grande, MS. 37

Tabela 3: Teste do Sist. de Monit. e Contr. de Carga, com bat. descarregada. 74

Tabela 4: Teste do Sist. de Monit. e Contr. de Carga, com bateria carregada. 76

Tabela 5: Teste em campo do Sist. de Monitoramento e Controle de Carga. 78

Lista de Smbolos

Unidade

A rea da seo transversal das trilhas da placa de circ. Imp. (PCI). m

CB Capacidade da Bateria. Ah

Coeficiente de potncia de uma turbina elica. adimensional

fclock Clock interno do microcontrolador Hz

I Corrente eltrica. A

Imin Corrente mnima A

Imx Corrente mxima A

m Fluxo de massa de ar. kg/s

Massa especfica do ar. kg/m

Potncia do vento na sada da turbina elica. W

Potncia do vento na entrada da turbina elica. W

Potncia eltrica W

Resistncia interna da Bateria

Vmin Tenso mnima V

Vmx Tenso mxima V

Vmed Tenso mdia V

VGen Tenso do gerador V

Vf Tenso de flutuao da bateria V

Vst Tenso mxima permitida pelo fabricante da bateria V

VH Tenso HALL V

VREF Tenso de referncia V

VBE Tenso entre a base e o emissor de um transistor bipolar. V

VDS Tenso entre o dreno e a fonte de um transistor FET V

VGS Tenso entre a porta e a fonte de um transistor FET. V

VVT Velocidade do vento m/s

v Velocidade do vento livre. m/s

t Tempo s

9

SUMRIO 1. INTRODUO ........................................................................................................... 12

1.1 Objetivo ........................................................................................................................ 12

1.2 Restries tcnicas .................................................................................................... 12

1.3 Descrio e metodologia .......................................................................................... 13

1.4 Sequncia da apresentao..................................................................................... 13

2. BATERIAS ................................................................................................................... 15

2.1 Baterias alcalinas ....................................................................................................... 15

2.2 Baterias chumbo cida .............................................................................................. 16

2.3 Mtodos de carga de baterias chumbo cidas ..................................................... 18

2.4 Conceitos e termos relacionados s baterias ....................................................... 21

3. O GERADOR ELICO .............................................................................................. 23

3.1 Instalao e funcionamento ..................................................................................... 23

3.2 Caractersticas e especificaes tcnicas ............................................................. 25

3.2.1 Regulao ................................................................................................................... 26

3.2.2 Desacelerao ............................................................................................................ 26

3.2.3 Travagem .................................................................................................................... 26

4. TESTE EM BANCADA .............................................................................................. 27

4.1. Potncia mxima ........................................................................................................ 28

4.1.1. Descrio do teste ..................................................................................................... 28

4.1.2. Anlise dos dados ...................................................................................................... 29

5. CLCULO DE POTNCIA DO VENTO ................................................................. 31

6. DEMONSTRAO DA NECESSIDADE DO SISTEMA DE CONTROLE ........ 35

5.1 Clculos tericos ........................................................................................................ 36

5.2 Velocidade dos ventos na cidade de Campo Grande .......................................... 37

7. PROJETO DO SISTEMA DE CONTROLE ............................................................ 40

7.1. Definio dos valores de limitao do sistema ..................................................... 41

7.2. Diagramas em blocos ................................................................................................ 42

7.3. Estudo e desenvolvimento dos diagramas eletrnicos ........................................ 44

7.3.1. Etapa de potncia ...................................................................................................... 44

7.3.1.1.Simulao do circuito de potncia ......................................................................... 45

7.3.2. Etapa de desvio .......................................................................................................... 47

7.3.3. Monitoramento do nvel de carga da bateria para o gerador .............................. 48

7.3.4. Monitoramento e controle do nvel de corrente .................................................... 49

7.3.4.1.Sensor Hall ................................................................................................................ 49

7.3.4.2.O Efeito Hall .............................................................................................................. 50

10

7.3.4.3.Diagrama eletrnico do sensor de corrente ......................................................... 52

7.3.5. Monitoramento e controle do nvel de tenso ....................................................... 53

7.3.6. Diagrama do microcontrolador ................................................................................. 54

7.3.7. Fonte de alimentao ................................................................................................ 55

7.3.8. Proteo de sobrecarga ............................................................................................ 56

7.3.9. Chave geral ................................................................................................................. 58

7.4. O microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI ...................................................... 59

7.4.1. Descrio do microcontrolador ................................................................................ 59

7.4.2. Configuraes do microcontrolador ........................................................................ 60

7.4.3. Ampermetro ............................................................................................................... 61

7.4.4. Voltmetro .................................................................................................................... 65

7.4.5. Contagem do tempo de carga ................................................................................. 65

7.4.6. Controle de potncia ................................................................................................. 67

8. MONTAGEM DO SISTEMA DE CONTROLE ....................................................... 69

8.1. Placa de circuito impresso ........................................................................................ 69

9. TESTES DO EQUIPAMENTO ................................................................................. 73

9.1. Testes em bancada ................................................................................................... 73

9.1.1. Com a bateria fraca ................................................................................................... 73

9.1.2. Com a bateria carregada .......................................................................................... 75

9.1.3. Ajuste do Set Point .................................................................................................... 76

9.2. Teste real, com vento ................................................................................................ 78

9.3. Aquecimento da resistncia de desvio ................................................................... 80

9.3.1. As causas do aquecimento ...................................................................................... 82

10. CONCLUSO ............................................................................................................. 84

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ..........................................................................86

ANEXO A: Especificaes tcnicas do gerador elico Air Breeze. ...........................89

ANEXO B: Diagrama completo do Sistema de Monitoramento e Controle ...............90

ANEXO C: Especificaes tcnicas do transistor POWER MOSFET IRF4905.........91

ANEXO D: Especificaes tcnicas do diodo schottky MBR1060.............................92

ANEXO E: Especificaes tcnicas do transistor POWER MOSFET IRF2907.........93

ANEXO F: Datasheet do resistor de desvio de caga, 2,2W150W...........................94

ANEXO G: Planilha com velocidades dos ventos .....................................................95

12

1. INTRODUO

Os geradores elicos de pequeno porte so fabricados com o objetivo de

fornecer energia eltrica a embarcaes, residncias, pequenas indstrias ou

comunidades. Podem ser instalados isoladamente ou com a interligao de vrios

geradores em paralelo ou ainda combinando-os com painis fotovoltaicos.

Atualmente esses sistemas so ligados diretamente rede eltrica, mas,

dependendo da escala de produo de energia ou da localidade onde esto

instalados, ainda utilizam-se bancos de baterias para armazenar a energia produzida

pelo vento.

Neste Trabalho, o gerador elico utilizado para carregar uma bateria

automotiva o Air Breeze. Ele no tem, em princpio, esta finalidade, pois

destinado a carregar bancos de baterias. Sem sistema de controle, o gerador Air

Breeze s pode ser ligado a bancos de baterias de no mnimo 400 Ah. Baterias com

menos capacidade, se ligadas a ele, so danificadas, devido ao excesso de carga

que recebem.

1.1 Objetivo

O presente Trabalho consiste em desenvolver um equipamento

eletroeletrnico, microprocessado, que possibilite ao gerador elico Air Breeze

carregar uma bateria de automvel sem causar danos bateria, por excesso de

carga, e tambm sem causar danos ao gerador, por aumento excessivo do seu giro

quando estiver desconectado da bateria, girando livre, em ocasies de ventos fortes.

1.2 Restries tcnicas

De acordo com o manual do gerador, o Air Breeze no est concebido para

funcionar com sistemas de controle que utilizam a tcnica de modulao por PWM

(Pulse Width Modulation) ou do tipo shunt (SOUTHWEST, 2011). Por esse motivo,

optou-se por desenvolver um sistema de controle com derivao, que desvia para

uma carga resistiva a sada do gerador quando a tenso ou a corrente produzida

pelo gerador exceder os limites mximos estabelecidos no software do Sistema de

Controle.

13

1.3 Descrio e metodologia

O Sistema de Controle no contm rels eletromecnicos. A comutao

feita atravs de transistores de potncia do tipo MOSFET (metaloxide

semiconductor field-effect). O sensor de corrente para o ampermetro um sensor

HALL (ACS750); para o voltmetro a referncia tomada com divisor de tenso feito

com resistores e todos os dados do ampermetro, voltmetro e cronmetro so

processados por um microcontrolador PSOC CY8C29466-24PXI. A escolha deste

microcontrolador foi porque ele contm mdulos analgicos internos, amplificador

programvel (PGA) e um conversor analgico-digital duplo (Dual ADC). Para a

elaborao e testes do software feito em liguagem C, no PSOC designer 5.4

utilizada uma placa de desenvolvimento da Cypress (CY3210-PSOC EVAL1). A

visualizao das indicaes de corrente, tenso e tempo de carga atravs de um

display LCD (liquid crystal display) de 16 caracteres 2 linhas (SC1602A).

Devido imprevisibilidade de ocorrncia de ventos, o sistema de controle

contm tambm um cronmetro (timer) que disparado toda vez que o gerador

elico fornece corrente de carga bateria. Cada tempo gravado somado

gravao anterior e o total mostrado em um visor LCD.

1.4 Sequncia da apresentao

Apesar deste Trabalho ter como foco o carregamento de baterias

automotivas, essas baterias no so tecnicamente as mais recomendadas para

comporem bancos de baterias destinadas ao fornecimento de energia eltrica a

residncias, embarcaes ou pequenas edificaes comerciais (BASTOS, 2013;

MOURA, 1996). Por isso, este Trabalho inicia-se com uma pesquisa bibliogrfica

sobre os diferentes tipos de baterias existentes no mercado, com um enfoque

especial s baterias automotivas.

Em seguida h a apresentao do gerador elico Air Breeze. Alm das

informaes contidas no seu manual de instrues, fornecido pelo fabricante do

gerador, mostra-se uma sequncia de testes que foi realizada em bancada

especialmente montada para este fim, para comprovar com prtica experimental os

parmetros tcnicos desse gerador elico e tambm para demonstrar a necessidade

14

do Sistema de Controle a ser desenvolvido neste TCC (Trabalho de Concluso de

Curso).

Nos captulos subsequentes h a elaborao do projeto do sistema de

controle, sua execuo e testes finais.

As definies de parmetros e seus respectivos clculos referentes ao

Sistema de Controle so mostradas durante a apresentao do projeto e na fase

de testes do equipamento em bancada e em campo, com eventuais mudanas do

projeto original, em funo dos resultados obtidos nos testes prticos.

O diagrama geral e outras documentaes podem ser vistas em anexos, nas

ltimas pginas desta monografia.

15

2. BATERIAS

H diversos tipos de baterias, cuja escolha depende do uso a que se pretende

fazer dela. Essa escolha nem sempre feita levando-se em conta apenas

parmetros tcnicos que dizem respeito s especificaes da bateria, sua

capacidade de se submeter a descargas profundas ou fornecer altas correntes em

curto espao de tempo. O fator econmico, mais precisamente o preo da bateria, a

facilidade de aquisio e assistncia tcnica so fatores que em muitas ocasies

pesam mais na hora da escolha.

2.1 Baterias alcalinas

A bateria de NI-CAD um dos mais eficientes armazenadores de energia

eltrica disponveis. Ela rgida, compacta, prov correntes elevadas na sada,

apesar de seu pouco peso, carrega rapidamente, possui excelentes caractersticas

de funcionamento a baixas temperaturas e mantm uma tenso relativamente

constante na sada, at descarregar-se completamente (EMBRAER, 1977).

As baterias alcalinas, em especial as de Nquel-Cdmio (NiCd) ou Nquel

Metal Hidreto (NiMH), admitem descargas profundas de at 90% da capacidade

nominal, com baixssimo coeficiente de autodescarga. A sua capacidade de

absoro de carga superior a 80% e possui alto rendimento mesmo sob variaes

extremas de temperatura. Durante a manuteno possvel substituir clulas

individualmente. A tenso de cada clula de 1,2 volts e devem ser totalmente

descarregadas antes de serem submetidas recarga, devido ao efeito memria

(EMBRAER, 1983).

Tecnicamente, as baterias alcalinas so as mais indicadas para o uso em

banco de baterias, mas o seu alto custo de aquisio e manuteno as tornam

inviveis na maioria dos casos. Essas baterias requerem equipamentos especiais

para monitorar o processo de carga, porque no podem sofrer superaquecimento,

devido ao risco de incndio. O ambiente de armazenamento e manuseio dessas

baterias no pode ser o mesmo de baterias chumbo cidas, devido ao risco de

ocorrerem reaes qumicas que as danifiquem (EMBRAER, 1983).

A Figura 1 mostra detalhes de uma bateria alcalina, com a tampa superior

retirada.

16

Figura 1: Bateria alcalina, com clula em destaque . Fonte: Manual de Sistemas Eltricos (EMBRAER, 1983, p. 43).

2.2 Baterias chumbo cida

Baterias chumbo cida so as mais utilizadas para armazenamento de

energia e podem ser classificadas como:

1- Baterias SLI (Starting, Lighting and Igniton arranque, iluminao e

ignio);

2- Baterias de trao;

3- Baterias estacionrias.

1- As baterias SLI ou baterias de arranque, tambm conhecidas como

automotivas so desenvolvidas para operarem durante perodos curtos,

como na partida do motor de um automvel. As placas que constituem as

suas clulas so finas e em grande quantidade, o que resulta em uma

maior superfcie ativa entre elas e suportam altas descargas de corrente

em curtos espaos de tempo. Por no serem utilizadas durante longos

ciclos (tempos longos de descarga) e no suportarem descargas

profundas, elas no so as mais recomendadas para sistemas de bancos

de baterias, apesar de usadas em sistemas de baixo custo (SAAD, 2012).

2- As baterias de trao podem ser submetidas a descargas profundas,

aceitam ciclos longos e possuem placas mais grossas e durveis. Devido

a essas caractersticas, elas so geralmente utilizadas em veculos eltricos

e so recomendadas para sistemas elicos e fotovoltaicos autnomos.

17

3- As baterias estacionrias so comumente utilizadas em no-breaks para

computadores, equipamentos telefnicos e outros sistemas onde no se

pode ter interrupo da alimentao. Estas baterias permitem descargas

mais profundas se comparadas s baterias SLI.

Conforme o regime de descarga, temperatura de operao e aspectos

construtivos da bateria, as placas positivas ou negativas sero ou limitadoras da

capacidade ou superdimensionadas. Por exemplo: nas baterias de trao,

construdas especialmente para uso com correntes de mdia intensidade (uso

industrial), na faixa de temperatura entre 10 e 30C, a placa negativa limitadora da

capacidade. J para as altas correntes de descarga das baterias automotivas, na

mesma faixa de temperatura, a placa positiva a limitadora da capacidade, porque a

placa negativa superdimensionada (MOURA, 1996).

Os principais fatores construtivos que influem na capacidade de um elemento

so: matria ativa e concentrao de eletrlito; espessura das placas; rea de

contato das placas com o eletrlito; porosidade das placas, e os componentes das

placas e da grade (MOURA,1996). Citando como exemplo a espessura das placas,

em geral altas correntes exigem placas finas como so as das baterias

automotivas. Como o tempo disponvel para que ocorra a reao mais curto nas

correntes elevadas, convm que os ons obtenham uma penetrao maior nas

placas e de forma mais acelerada, antecipando o contato com a matria ativa. As

placas grossas so mais apropriadas para descargas lentas, como, por exemplo, as

baterias de no-breaks (estacionrias). Baterias com placas finas apresentam menor

vida til que as baterias com placas grossas.

As baterias chumbo cida tambm se distinguem pela forma de seu eletrlito:

H as baterias inundadas e as baterias seladas.

Baterias inundadas so as clssicas baterias que dispem de abertura para

a verificao do nvel e concentrao do eletrlito, assim como para a reposio de

gua destilada ou deionizada.

Baterias Seladas so similares s inundadas, mas possuem eletrlito

suficiente em reserva para operarem dentro dos seus ciclos normais de vida,

dispensando reposio de gua e manuteno. Elas no dispem de aberturas para

verificao de estado, nvel de eletrlito e reposio de gua, o que pode limitar sua

vida til. Por este motivo no devem sofrer sobrecarga, descargas profundas, e altas

18

temperaturas. primordial serem carregadas adequadamente para o aumento de

performance e durabilidade (SAAD, 2012).

H variaes construtivas de baterias chumbo cidas (VRLA e Gel, por

exemplo), igualmente seladas, requerendo, portanto, os mesmos cuidados.

H algumas desvantagens apresentadas pelas baterias de chumbo e cido,

tais como a dificuldade de se determinar com preciso o SOC (State of Carge ou

estado de carga, que a quantidade de carga presente na bateria em relao

carga mxima), principalmente quando a bateria est em operao (com carga ou

descarga em andamento) e a baixa densidade de energia que ela armazena, em

relao aos outros tipos de baterias. A durabilidade de uma bateria de chumbo e

cido depende do regime de carga e descarga e da temperatura de operao

(COELHO, 2001).

O valor tpico de tenso nos terminais de uma bateria de chumbo e cido

aproximadamente 2,14 V por clula, se completamente carregada (BASTOS, 2013).

O valor dessa tenso na verdade depende do seu estado de carga, se est sendo

carregada, descarregada ou em circuito aberto. Em geral, a tenso de uma clula

varia entre 1,75 e 2,5 volts, sendo a mdia cerca de 2 volts; a qual se costuma

chamar de tenso nominal da clula (MOURA, 1996). Se a bateria de chumbo cida

no for utilizada por algum tempo, sua capacidade reduzida devido auto

descarga. Assim, uma tenso de flutuao deve ser imposta nos terminais da bateria

quando ela no estiver em operao, em torno de 2,2 V por clula (COELHO, 2001).

A capacidade de armazenagem de energia de uma bateria depende da

velocidade de descarga. A capacidade nominal que a caracteriza corresponde a um

tempo de descarga de 20 horas (C20) (NBR15914, 2013). Quanto maior for o tempo

de descarga, maior ser a quantidade de energia que a bateria fornece. Um tempo

de descarga tpico em sistemas elicos e fotovoltaicos 100 h. Por exemplo: uma

bateria que possua uma capacidade de 80 Ah, em 10 h (capacidade nominal), ter

100 Ah de capacidade em 100 h (MOURA, 1996).

2.3 Mtodos de carga de baterias chumbo cidas

O tempo de carga e o rendimento so dois fatores muito importantes para a

carga de uma bateria. A carga rpida requer corrente maior e isso diminui o

rendimento. Ambos (tempo de carga e rendimento) devem ser tratados de forma a

se obter um equilbrio. Os fatores que limitam o processo de carga so: a tenso

19

terminal e a temperatura, j que tenses e temperaturas elevadas danificam e

reduzem a vida til da bateria (COELHO, 2001).

A capacidade armazenada por uma bateria, durante o processo de carga, so

os ampres-hora adquiridos durante o processo. Esses ampres-hora armazenados

so extrados da bateria durante a descarga. Segundo a lei dos ampres-hora de

Woodbridge, 1935, quando a bateria se encontra em estado de carga baixo, a

aceitao de carga elevada e vai diminuindo medida que a bateria vai carregando.

A aceitao de carga depende no s das condies de carga, mas tambm da

construo da bateria, do tempo de uso e da temperatura (BASTOS,_2013).

Os mtodos de carga de bateria vistos na literatura so cinco: corrente

constante; tenso constante; potncia constante; corrente pulsada e mtodos

mistos, nos quais existem estgios de alternncias entre os outros mtodos

(COELHO, 2001; BOSCH, 2007; SAAD, 2012).

Tabela 1 Caractersticas dos mtodos de carga.

Fonte: COELHO, 2001.

Na Tabela 1 so apresentadas as caractersticas dos mtodos de carga. O

mtodo de corrente constante o que apresenta um dos melhores resultados, porque

20

a corrente controlada, evitando aquecimento. Porm, a bateria pode ser danificada

por ficar exposta a tenses elevadas (valores mais altos do que os limites mximos

permitidos pelo fabricante da bateria), ento a tenso deve ser gerenciada durante

todo o processo.

No mtodo de tenso constante a corrente tende a alcanar valores elevados

em determinados momentos, por isso deve ser utilizado para pequenos intervalos de

tempo. A temperatura deve ser observada para evitar aquecimento excessivo.

De acordo com a Tabela 1, v-se que o mtodo de potncia constante deve

ser utilizado tambm com superviso da temperatura da soluo e somente para

curtos intervalos de tempo. Mas difere do mtodo de tenso constante, porque a

potncia injetada diminu medida que a bateria vai adquirindo carga. Neste mtodo

a reduo de potncia no ocorre, fazendo com que as perdas hmicas sejam

superiores em relao ao mtodo de tenso constante, devido injeo de uma

potncia mais elevada durante todo o processo.

Dos mtodos mistos utilizados, destaca-se o mtodo com dois nveis,

mostrado na Figura 2. Este mtodo se baseia na unio das caractersticas dos

mtodos de corrente constante e do mtodo de tenso constante, alternados de forma

a utilizar as melhores caractersticas de cada um (COELHO, 2001; BASTOS, 2013).

Figura 2: Mtodo de dois nveis de tenso . Fonte: COELHO, 2001.

Supondo a bateria descarregada, aplica-se no primeiro estgio uma corrente

mnima, controlada (Imin), evitando-se, com isso, picos de corrente e formao

excessiva de gases. Esta etapa mantida at que a bateria atinja uma tenso

mnima de trabalho (Vmin).

21

Ao ser alcanado Vmin, inicia-se o processo de carga da segunda etapa,

injetando a corrente de carga desejada Imax. Com a injeo de uma corrente de carga

elevada, a tenso tende a subir a uma taxa proporcional corrente. No momento em

que ela atinge o valor mximo permitido pelo fabricante da bateria (Vst), a terceira

etapa iniciada, fixando-se este valor de sobretenso na bateria.

A terceira etapa tem a funo de reduzir o tempo de carga por meio da

regulao de uma sobretenso Vst. Como a tenso fixa, a corrente de carga inicia

um processo de queda, medida que a bateria se aproxima da carga completa.

Ao ser atingida a carga completa, inicia-se a quarta etapa, que tem a funo

de compensar a autodescarga da bateria, aplicando-se uma tenso de flutuao Vf,

uma vez que a bateria est carregada e no est em operao. Aps o uso da

bateria, caso o processo de carga se inicie com uma carga diferente de zero, o

processo necessitar ser reiniciado a partir da segunda etapa.

A Figura 3 mostra a representao do mtodo com dois nveis de tenso em

funo do tempo (t).

Figura 3: Mtodo de dois nveis de tenso, em funo do tempo. Fonte: COELHO, 2001.

2.4 Conceitos e termos relacionados s baterias

A 1. Lei de Faraday estabelece que durante uma eletrlise, a massa de uma

substncia libertada em qualquer um dos eletrodos, bem como a massa da substncia

decomposta, diretamente proporcional quantidade de eletricidade que passa pela

soluo. Decorrente dessa Lei, surge o conceito de capacidade (MOURA, 1996).

A capacidade de uma bateria expressa na unidade de ampre-hora ou, de

forma menos usual, na unidade watt-hora.

A capacidade em ampre-hora mede a quantidade de eletricidade que a

bateria plenamente carregada pode fornecer numa descarga a uma determinada

22

corrente at uma tenso final estabelecida, denominada tenso de corte. A

capacidade em watt-hora, por outro lado, a energia que a bateria pode fornecer

durante a mesma descarga. A capacidade em watt-hora pode ser obtida

multiplicando-se a capacidade em ampre-hora pelo valor mdio da tenso durante

o perodo de descarga. Portanto, na medida da capacidade necessrio especificar o

regime de descarga, a tenso final de corte e a temperatura da descarga (MOURA, 1996).

No teste de capacidade mais usual, se toma um valor constante para a

corrente de descarga, de modo que a capacidade dada pela expresso CB = I . t,

onde I a corrente de descarga, t o tempo decorrido desde o incio da descarga

at a tenso final de corte.

Define-se regime de descarga tanto pelo tempo total da descarga, quanto

pela corrente. Por exemplo: numa descarga completa de 20 horas de durao, com

corrente de 1,8 A, o regime de descarga pode ser especificado como regime de 20

horas ou regime de 1,8 A.

J a tenso de corte a tenso mnima admissvel de operao da bateria em

descarga e varia conforme o regime. Ao descarregar alm desse limite se observa a

queda brusca da tenso. Esta prtica conduz a prejuzos estruturais na bateria, sem

nenhum ganho significativo em capacidade.

Outros termos relacionados capacidade so:

1- Capacidade Nominal: trata-se da capacidade assegurada pelo fabricante

para uma bateria nova e em condies de operao especificadas. Um

acumulador com capacidade de 36 Ah, para 20 h de descarga, se

representa como C20. A corrente que capaz de fornecer durante 20 horas

de 1,8 A e se representa por I(C20)=1,8A.

2- Profundidade de descarga: so os ampres-hora extrados de uma

bateria plenamente carregada, expressos como uma porcentagem da

capacidade.

3- Estado de carga (EC): ampres-hora disponveis em uma bateria

expressos como uma porcentagem da capacidade.

4- Ciclo de vida: nmero total de ciclos que uma bateria pode suportar sob

certas condies.

5- Vida: perodo durante o qual uma bateria capaz de operar, mantendo a

capacidade e o nvel de rendimento.

23

3. O GERADOR ELICO

O gerador elico utilizado neste Trabalho um aerogerador de pequeno

porte, que pode ser instalado em barcos, topo de edifcios, residncias e outros

locais que tenham uma demanda adequada a sua capacidade de gerao de

energia eltrica e haja ocorrncia de ventos constantes. fabricado nos Estados

Unidos e incorpora tecnologia de ltima gerao.

Os folders de propaganda deste aerogerador informam que ele silencioso,

eficiente e necessita de pouco vento para gerar energia (SOUTHWEST, 2011).

A Figura 4 mostra o gerador elico.

Figura 4: Gerador elico Air Breeze Fonte: Rockel, 2013

3.1 Instalao e funcionamento

O fabricante do gerador elico recomenda que a altura mnima da torre deve

ser de 25 ps (7,6 m) em campo aberto ou 20 ps (6 m) acima de construes

prximas, porque a turbulncia dos ventos reduz a eficincia e provoca desgastes

nas partes rotativas do gerador. H diversas configuraes de instalao possveis,

associadas com painis solares ou vrios geradores elicos agrupados, mas essas

configuraes no sero abordadas neste Trabalho, porque no se relacionam com

24

o projeto. Considerar-se- apenas um gerador, cujo diagrama de instalao est

mostrado na Figura 5.

Figura 5: Diagrama de instalao do gerador elico AIR BREEZE. Fonte: Manual do proprietrio Air Breeze (SOUTHWEST, 2011, p. 13).

O fabricante do gerador elico recomenda ligar o gerador diretamente ao seu

banco de baterias. necessria a instalao de um interruptor de passagem, para

fornecer um modo conveniente de deslig-lo. Quando o interruptor desliga o gerador

do banco de baterias, ele coloca em curto os terminais do gerador, para evitar que o

rotor dispare por ao do vento quando esse estiver muito intenso.

25

As turbinas elicas funcionam atravs da captura de energia cintica do ar em

movimento (o vento), convertendo-a em movimento de rotao de seu eixo, que est

acoplado a um alternador, que produz energia eltrica.

As ps giram em resposta ao vento. Dependendo da fora do vento,

continuaro girando at elevar a tenso eltrica produzida a um nvel acima da

tenso do banco de baterias, iniciando o carregamento.

O gerador elico possui um alternador trifsico e seu controle comandado

por um microcontrolador interno. O microcontrolador monitora a velocidade do rotor,

o nvel de carga e a tenso do banco de baterias e, em funo dessas variveis,

atua nos circuitos internos do gerador conforme informa o fabricante do gerador

(SOUTHWEST, 2011).

A seguir so descritos os recursos que o gerador tem, conforme consta no

manual do proprietrio.

3.2 Caractersticas e especificaes tcnicas

O Air Breeze um aerogerador leve, com apenas 6 kg, e seu rotor tem

dimetro de 1,17 m. Ele necessita de uma velocidade mnima do vento de 2,7 m/s

(9,7 km/h) para comear a girar. Em testes realizados em bancada, que sero

mostrados no captulo seguinte, constatou-se que o incio do giro do rotor do gerador

no significa, necessariamente, que ele j tenha potncia suficiente para carregar

uma bateria.

Para definir a potncia nominal do gerador, que de 160 watts, o fabricante

tomou como referncia ventos com velocidade de 28 mph, que corresponde a

aproximadamente 12,5 m/s (45 km/h).

Outras especificaes tcnicas podem ser vistas no Anexo A, que se encontra

no final desta publicao.

O gerador roda livremente se estiver desligado, sem uma carga eltrica

conectada nele. Se o vento estiver muito intenso, ele pode atingir rapidamente o

limite mximo de velocidade e travado pelo sistema interno de segurana. A

repetio sucessiva deste processo pode danificar o gerador. Por isso, na ausncia

de carga eltrica, deve-se deixar os seus terminais curto-circuitados.

Ele possui os seguintes recursos de proteo automtica:

26

1- Regulao;

2- Desacelerao;

3- Travagem.

3.2.1 Regulao

O ponto de regulao (set point) vem definido de fbrica para 14,1 volts, mas

pode ser ajustado entre 13,6 e 17 volts. No se trata de regulagem da sada do

gerador, como, em princpio, se pode pensar. D-se o nome de ponto de regulao,

ou set point, ao valor de tenso atingida pelo banco de baterias, durante a carga, em

que se considera que ele esteja totalmente carregado.

Quando a tenso do banco de baterias atinge o set point, o gerador entra no

modo regulao. Neste momento ele deixa de produzir energia e a rotao das ps

diminui drasticamente. O gerador permanece em regulao at a tenso do banco

de baterias atingir um valor ligeiramente abaixo do set point. Quando esse nvel

atingido, chamado de nvel de transio", as ps do gerador elico retornam

rotao normal, em resposta ao vento.

O modo de regulao indicado por um LED, existente na parte debaixo do

corpo do gerador elico, o qual pisca cerca de duas vezes por segundo.

3.2.2 Desacelerao

O modo desacelerao ocorre com uma reduo abrupta da rotao do

gerador para cerca de 500 - 700 rpm. O gerador entra nesse modo quando a

velocidade do vento atinge 15,6 m/s (56,16 km/h) e permanece neste modo at a

velocidade do vento diminuir para 14 m/s (50,4 km/h). Se for detectado uma

velocidade de vento de 22 m/s (79,2 km/h), a turbina ficar totalmente desligada por

5 minutos.

O LED indica o modo de desacelerao piscando aproximadamente 10 vezes

por segundo.

3.2.3 Travagem

O modo de travagem ocorre quando os terminais de sada do gerador elico

so postos em curto-circuito. Esse procedimento pode ser feito manualmente,

acionando o interruptor do gerador, ou automaticamente, com comando interno do

gerador, quando h ventos muito fortes.

27

4. TESTE EM BANCADA

O gerador elico escolhido como objeto de pesquisa para a realizao deste

Trabalho fica instalado sobre o teto de um hangar no aeroporto Teruel, conforme se

v na foto apresentada na Figura 6.

Figura 6: Gerador elico instalado sobre o teto do hangar. Fonte: ROCKEL, 2013.

Para verificar in loco as suas caractersticas e especificaes tcnicas, ele foi

retirado desse local e instalado em uma bancada, sem as ps da hlice, de forma

que o seu giro pde ser feito com uma furadeira eltrica, de rotao varivel,

mostrada na Figura 7. Assim, a realizao dos testes no ficaram restritas

ocorrncia de ventos.

Figura 7: Bancada de testes do gerador elico. Fonte: ROCKEL, 2013.

28

4.1. Potncia mxima

Para verificar a potncia mxima do gerador, utilizou-se uma bateria

automotiva de 12 volts 60 Ah conectada diretamente ao gerador, conforme o

diagrama mostrado na Figura 8.

Figura 8: Diagrama de ligao de ampermetro e voltmetro. Fonte: ROCKEL, 2013.

Para a obteno da potncia mxima do gerador elico, aplicada bateria,

durante o giro do gerador em bancada, utilizou-se dois multmetros selecionados

para medir corrente e tenso respectivamente. Para facilitar o registro desses dados,

manteve-se acionada a tecla HOLD MAX em cada um dos instrumentos, para

congelar a imagem do visor no valor mximo indicado.

4.1.1. Descrio do teste

Com a furadeira eltrica acoplada ao gerador elico, aumentou-se

gradualmente a rotao at atingir o limite mximo permitido pelo sistema de

proteo automtica do gerador, o qual ento travou o gerador como se o vento

tivesse atingido a velocidade de 15,6 m/s (56,16 km/h). Nesse instante, os valores

indicados nos instrumentos eram:

1- Imx = 13,25 A;

2- Vmx = 14,66 V.

A bateria no estava carregada, apresentando tenso de 11,93 V, antes do

incio do giro.

A Figura 9 mostra a indicao de corrente e tenso registradas pelos

multmetros no final do teste.

29

Figura 9: Corrente e tenso mxima indicada. Fonte: ROCKEL, 2013.

Com os dados obtidos de corrente e tenso, a potncia aplicada pelo gerador

bateria, no instante final, foi de:

4.1.2. Anlise dos dados

A potncia nominal do gerador elico 160 W. No teste realizado obteve-se

194,25 W. Esta aparente discrepncia certamente se justifica pela rotao aplicada

ao gerador. O fabricante do gerador estipulou como parmetro de definio da

potncia nominal ventos com velocidade de 12,5 m/s (45_Km/h). No teste, elevou-se

a rotao do gerador at o sistema de segurana interno dele travar, indicando que

a rotao aplicada correspondia a ventos com velocidade de aproximadamente 15,6

m/s (56,16 km/h). Portanto, o gerador foi submetido a um esforo extremo mxima

rotao permitida e, nesse instante, atingiu 194,25 W de potncia.

Sabe-se que, dependendo das condies de carga, a bateria oferece uma

certa resistncia corrente de carga, limitando-a. Se a bateria estiver descarregada,

sua resistncia (para o gerador) ser baixa e a corrente de carga alta. Assim que

comea a carregar, sua resistncia interna (para o gerador) aumenta e a corrente de

carga diminui.

A bateria que foi submetida ao teste no estava totalmente descarregada

(com 11,93 V antes do giro). A tenso de corte, em circuito aberto, de uma bateria

automotiva, em torno de 10,5_V (MOURA, 1996). A 50% de carga ela possui 2,03 V

por clula e 1,95 V quando totalmente descarregada (COELHO, 2001). Mesmo assim,

durante o giro, a corrente subiu rapidamente, com pouco aumento de tenso. Pode-

Eq. 1

30

se inferir, diante dessas consideraes, que o crescimento da intensidade de

corrente de carga seria ainda maior com a bateria totalmente descarregada.

Um segundo teste foi realizado, com a bateria totalmente carregada, para

observar se, nesta condio, o aumento de tenso seria mais significativo do que o

aumento de corrente e obteve-se os seguintes dados no final do giro:

1- Tenso da bateria antes do giro: 12,73 volts.

2- Imx = 7,63 A

3- Vmx = 16,37 V

Figura 10: Corrente e tenso obtidas com a bateria carregada. Fonte: ROCKEL, 2013.

Observou-se que a tenso aumentou mais rapidamente do que a corrente

durante o giro. Mas, o teste foi encerrado antes do sistema de segurana do gerador

travar, no atingindo a potncia mxima. Foi o suficiente para permitir o clculo da

resistncia interna da bateria (para o gerador) no instante final de cada giro (Eq. 2).

Pela Lei de Ohm,

A resistncia interna da bateria, considerando o instante final do primeiro e

segundo teste, respectivamente, :

A potncia aplicada pelo gerador sobre a bateria sempre a mxima

disponvel, em funo do vento, enquanto os valores de tenso e corrente de carga

dependero do estado de carga da bateria (EC).

Eq. 2

31

5. CLCULO DE POTNCIA DO VENTO

A equao da continuidade de Bernoulli define que a vazo de fludo

constante para diferentes localizaes ao longo do tubo de vazo, considerando-se

que no h fluxo de massa atravs dos limites do tubo de vazo e assumindo-se

que a massa especfica do ar constante, o que vlido para velocidades do vento

menores que 100 m/s (fludo incompressvel) (CUSTDIO, 2009).

Ao converter a energia cintica do vento, a turbina elica provoca a reduo

da velocidade do vento na sada do rotor, o que resulta no aumento do dimetro do

tubo de vazes, como se v na Figura 11.

Figura 11: Fluxo de vento atravs de uma turbina elica. Fonte: Electrnica, (http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/17/29/).

A potncia do vento extrada pela turbina elica a diferena de potncia

entre o fluxo de ar na entrada e na sada do rotor elico, como demonstra a equao 3:

Onde:

Pt = potncia extrada do vento pela turbina elica (W),

Pe = potncia disponvel no vento na entrada do rotor elico (W);

Ps = potncia disponvel no vento na sada do rotor elico (W).

Se o vento perde muita velocidade atrs do rotor, o ar ir fluir em volta da

rea do rotor, em vez de atravess-lo. Por isso, a mxima potncia que pode ser

extrada do vento por uma turbina elica apresenta uma limitao que referente a

uma velocidade do vento na sada do rotor elico, que no pode ser inferior a 1/3 da

Eq. 3

32

velocidade do vento incidente (v). Neste caso, o rotor absorve a energia equivalente

a 2/3 da energia disponvel no vento livre, antes da turbina (CUSTDIO, 2009).

A potncia do vento na entrada da turbina dada pela equao 4:

Onde:

Pe = potncia disponvel no vento na entrada do rotor elico (W);

m = fluxo de massa de ar (kg/s);

v = velocidade do vento livre (m/s).

Sendo que:

m = A ve

Onde:

m = fluxo de massa de ar (kg/s);

= massa especfica do ar (kg/m);

A = rea da seo transversal (m);

ve = velocidade do vento na entrada da turbina (m/s).

Ento, a potncia do vento na entrada da turbina elica dada por:

De forma similar, pode-se determinar a expresso da potncia do vento na

sada da turbina, considerando-se que vs = v/3, ou seja:

Substituindo-se as equaes 7, 6 e 3, obtm-se a mxima potncia do vento

que pode ser extrada por uma turbina elica:

ou:

Onde:

Ptmx = mxima potncia possvel de ser extrada do vento por uma turbina (W);

= massa especfica do ar (kg/m);

A = rea da seo transversal varrida pelo rotor da turbina (m);

Eq. 4

Eq. 5

Eq. 6

Eq. 7

Eq. 8

Eq. 9

33

v = velocidade do vento livre antes da turbina (m/s);

P = potncia disponvel do vento (W).

Desconsiderando perdas na turbina elica, ela poder extrair no mximo

16/27 da potncia disponvel do vento, o que representa 59,3% dessa potncia

(CUSTDIO, 2009). Este valor chamado de Mximo de Betz, ou Coeficiente de

Betz. No grfico abaixo (Figura 12), v-se as curvas de potncia do vento e da

mxima possvel de extrao pelo gerador elico.

Figura 12: Grfico da potncia do vento e da mxima potncia possvel de ser extrada por uma turbina elica Mximo de Betz.

Fonte: Energia Elica (CUSTDIO, 2009, p. 72).

Uma turbina real somente far a extrao de parte da potncia mxima do

vento, porque h perdas na converso da energia elica.

O coeficiente Cp indica a relao entre a potncia realmente extrada do vento

por uma turbina elica e a potncia disponvel no vento, como se v na equao 10:

Onde:

Cp = coeficiente de potncia de uma turbina elica (adimensional);

Pt = potncia produzida pela turbina elica (W);

= massa especfica do ar (kg/m);

Eq. 10

34

A = rea varrida pelo rotor da turbina (m);

v = velocidade do vento (m/s).

O coeficiente Cp de uma turbina elica varia de acordo com a velocidade do

vento. V-se um exemplo, de um determinado gerador elico, na Figura 13. Esta

variao deve-se ao fato das ps do rotor da turbina alterarem suas eficincias

aerodinmicas em funo da variao da velocidade do vento incidente. O ponto de

mximo da curva Cp v representa a mxima eficincia da turbina e obtida em uma

determinada velocidade do vento.

A posterior converso em energia eltrica ainda inclui outra reduo de

potncia devida aos rendimentos dos demais equipamentos, tais como gerador,

transmisso, etc. (CUSTDIO, 2009).

Figura 13: Exemplo de curva do coeficiente de potncia Cp de um gerador elico. Fonte: Energia Elica (CUSTDIO, 2009, p. 68).

Portanto, a viabilidade de um projeto de converso de energia elica em

energia eltrica, alm da frequncia de ocorrncia de ventos durante o ano, depende

tambm de um conjunto de fatores que resultaro (ou no) na potncia pretendida

ou necessria, para o fim que se destina o projeto. A velocidade dos ventos um

desses fatores fundamentais.

35

6. DEMONSTRAO DA NECESSIDADE DO SISTEMA DE CONTROLE

No caso especfico do sistema de controle desenvolvido neste Trabalho, no

se visa o carregamento de um banco de baterias, mas de uma bateria automotiva

unicamente, ligada ao gerador elico.

O gerador aplica sobre os terminais da bateria toda a potncia disponvel, em

funo da velocidade do vento (Eq. 9). Um banco de baterias, de no mnimo 400 Ah,

no precisa de sistema de controle, porque a potncia mxima que o gerador aplica

nos momentos de vento forte no excede a capacidade de absoro de carga das

baterias. No entanto, se uma bateria automotiva de, por exemplo, 60 Ah for

conectada aos terminais do gerador, ela poder ser submetida a um nvel de

carregamento muito elevado, superior ao que ela suporta, e ser danificada.

So os fabricantes de baterias que estipulam os nveis mximos

recomendados de corrente e tenso de carga para as baterias chumbo cidas. A

tenso no deve exceder 14,5 volts (para baterias de 12 volts em regime de tenso

constante) e a corrente no deve exceder 10% da capacidade da bateria, quando

em regime de corrente constante (MOURA, 1996; Bosch, 2007; SAAD, 2012; BASTOS,

2013). No significa, necessariamente, que tenses e correntes de carga com

valores acima dessa limitao danificaro a bateria. O risco, neste caso, est

vinculado ao aumento de temperatura no interior dela.

Em procedimentos de carga rpida, a intensidade de corrente de carga

ultrapassa os 10% da capacidade nominal da bateria. Em uma publicao tcnica da

Johnson Controls Treinamento Tcnico em Baterias Automotivas , diz o seguinte:

Normalmente, no recomendada carga rpida para baterias chumbo-

cido, devendo ser utilizada somente em situaes de emergncia.

Neste caso, recomendamos a recarga com corrente constante de 30%

da capacidade nominal, limitando a tenso ao mximo de 16 V e a

temperatura da soluo a 50-C.

(JOHNSON CONTROLS, 2009, p. 25.)

Pode-se concluir, ento, que so aceitveis regimes de carga com correntes

que atinjam at 30% da capacidade nominal da bateria e tenses at 16 volts,

porm requerem um monitoramento da temperatura do eletrlito, devido

possibilidade de superaquecimento.

36

Diante dessas constataes, resta saber o quanto de carga o gerador Air

Breeze aplica bateria automotiva conectada a ele, em diversos nveis de

intensidade de ventos que ocorrem durante as estaes do ano.

5.1 Clculos tericos

Nos experimentos realizados para verificar a potncia mxima do gerador

(Cap. 3.3.1), obteve-se os seguintes dados:

1- Resistncia interna da bateria, com ela semi descarregada, Ri1 = 1,106 ;

2- Resistncia interna da bateria, com ela carregada, Ri2 = 2,145

Esses valores de resistncia interna da bateria se referem unicamente aos

respectivos instantes que foram obtidos. Mas, apenas como um exerccio terico,

eles sero utilizados para calcular tenso e corrente de carga em condies

diferentes de velocidade do vento e de potncia produzida pelo gerador.

Supondo a potncia nominal do gerador (160 W) sendo aplicada bateria

com essas resistncias internas, resulta em correntes de carga de:

=>

=>

E tenses (Eq. 2):

Com esses dados, verifica-se que os valores obtidos de corrente de carga

(entre 8,64 e 12,03 A) so muito elevados, se aplicados durante um longo perodo de

tempo a uma bateria de chumbo e cido de 60 Ah. Da mesma forma, a tenso de

18,53 V seria excessiva para essa bateria.

Porm, a potncia nominal pode no retratar a realidade cotidiana da cidade

de Campo Grande local do experimento com o gerador elico Air Breeze , porque

a potncia nominal do gerador (160 W), especificada pelo manual do gerador,

considerando a velocidade de vento de 12,5 m/s (45 km/h).

Diante disso, um estudo a respeito das velocidades de ventos em Campo

Grande se faz necessrio.

Eq. 11

37

5.2 Velocidade dos ventos na cidade de Campo Grande

Na Tabela 2, v-se uma tomada de dados de velocidade mdia e mxima de

ventos, realizada na Estao Meteorolgica da Universidade Anhanguera-Uniderp,

entre os meses de janeiro e setembro de 2013.

Tabela 2 Velocidades mdias e mximas de ventos em Campo Grande, MS.

Ms Velocidade (m/s)

mdia mxima

Janeiro 1,7 25,5

Fevereiro 1,3 16,1

Maro 1,5 16,5

Abril 1 12,5

Maio 1,2 19,2

Junho 0,7 20,6

Julho 1,9 15,6

Agosto 2,3 15,2

Setembro 2,2 18,3

Fonte: Estao Meteorolgica da Universidade Anhanguera-Uniderp, 2013.

Os dados de temperatura, presso, velocidade do vento, radiao solar,

umidade do ar, ponto de orvalho e outros so computados, na Estao

Meteorolgica da Universidade Anhanguera-Uniderp, a cada 5 minutos todos os

dias, de forma ininterrupta (informao verbal) 1. Para compor a Tabela 2, extraiu-se do

sistema apenas os dados referentes velocidade dos ventos. Esses dados so

apresentados prontos, calculados em software do prprio sistema computacional da

Estao Meteorolgica.

No ms de junho aparece o registro do menor valor de velocidade mdia

(0,7_m/s) e o segundo valor mais alto de velocidade mxima (o valor mais alto o de

janeiro, 25,5 m/s). Nota-se que em ambos os casos (Vmx e Vmin) o gerador elico Air

Breeze no estaria carregando a bateria automotiva, porque a velocidade mnima

para o rotor dele comear a girar 2,7 m/s e a mxima que ele pode atingir, sem

travar, 15,6_m/s.

Os dados mdios e mximos de velocidade do vento de um ms inteiro no

nos permitem tirar concluses a respeito do tempo de funcionamento do gerador

durante esse perodo. Mas, analisando-se somente as velocidades mximas,

(1) Informao prestada pelo meteorologista Natlio Abraho Filho, da Estao Meteorolgica da ..Universidade Anhaguera-Uniderp.

38

constata-se que o gerador no atingiria a velocidade de travamento somente nos

meses de abril e agosto, conforme os nmeros apresentados na coluna de

velocidade mxima, na Tabela 2. Em todos os outros meses ele seria submetido a

velocidades acima da mxima que ele funciona sem travar.

Para se ter uma noo melhor do funcionamento do gerador elico durante

um determinado perodo, montou-se uma planilha no M. Excel, com os valores

mdios e mximos de velocidade dos ventos, de um determinado perodo de um dia

do ms de agosto. Esta planilha pode ser vista no Anexo G.

Na Figura 14 mostrado um grfico com dados restritos a hora em que se

registrou a velocidade mxima daquele ms (15,2 m/s) e na Figura 15 se v um

grfico das velocidades mdias registradas entre 6 horas da manh at ao meio-dia,

ambos referentes ao dia 14 de agosto de 2013.

Figura 14: Velocidade mxima em intervalos de 5 minutos. Perodo das 8 s 9 horas da manh do dia 14 de agosto de 2013, quando ocorreu a maior velocidade de vento naquele ms

..................(15,2 m/s 54,72 km/h, s 8 h e 30 min).

Fonte: Estao Meteorolgica da Universidade Anhanguera-Uniderp, 2013.

A mdia das velocidades mximas tomadas a casa 5 min, entre 8 e 9 horas, :

(43,16 km/h)

J o grfico mostrado na Figura 15 diferente, porque cada ponto registra a

velocidade mdia computada em cada intervalo (e no a velocidade mxima de

cada intervalo, como no grfico da Figura 14).

0

2

4

6

8

10

12

14

16

08:00 08:05 08:10 08:15 08:20 08:25 08:30 08:35 08:40 08:45 08:50 08:55 09:00

V (m/s)

V (m/s)

V(m/s)

h:min

Eq. 12

39

Figura 15: Velocidade mdia dos ventos, tomada a cada 15 minutos. Perodo das 6 s 12 horas da manh do dia 14 de agosto de 2013.

Fonte: Estao Meteorolgica da Universidade Anhanguera-Uniderp, 2013.

A mdia das velocidades tomadas das 6 s 12 horas, (Eq.12):

(17,28 km/h)

Sendo 2,7 m/s a velocidade de incio do giro e 15,6 m/s a velocidade de

travamento do gerador; a condio de produo de energia eltrica pelo gerador

dada por:

2,7 < VVt < 15,6

VVt = Velocidade do vento (m/s)

Conclui-se que, apesar das velocidades mximas e mnimas dos ventos que

ocorreram no dia 14 de agosto de 2013, na cidade de Campo Grande (considerando

o dia inteiro, de 24 horas), terem registrado valores que ficam fora dos limites de

funcionamento do gerador elico Air Breeze, para carregar uma bateria, houve

perodos durante o dia, como entre 6 e 12 horas da manh, que a mdia das

velocidades indica que ele poderia estar em operao, produzindo eletricidade.

Os picos de velocidades mais altas, nos perodos estudados (janeiro a

setembro de 2013), extrapolam o valor definido de velocidade do vento para a

potncia nominal do gerador (que de 12,5 m/s), inclusive no ms de agosto cujo

pico mximo de velocidade (15,2 m/s) ficou abaixo da velocidade de travamento

(15,6 m/s), mas acima da velocidade que determina a potncia nominal.

Considerando que a potncia nominal do gerador j pode ser excessiva para

carregar uma bateria automotiva conforme ficou demonstrado no clculo terico da

seo 5.1 h a necessidade de um sistema de controle de carga para o gerador

Air Breeze, se ele for conectado a uma bateria automotiva.

0

2

4

6

8 0

6:0

0

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11

:45

12

:00

V (m/s)

V (m/s)

V(m/s)

h:min

Eq. 13

40

7. PROJETO DO SISTEMA DE CONTROLE

No manual do gerador elico h a seguinte advertncia:

CUIDADO: No utilize uma modulao de largura de impulsos (PWM) ou um

controlador do tipo shunt; o Air Breeze no est concebido para

funcionar com estes tipos de controladores. A maioria dos controladores

concebidos para funcionarem com painis solares no adequada para

o Air Breeze. Esses controladores desligam os painis solares ou

neste caso o Air Breeze do banco de baterias, quando as baterias

estiverem carregadas, permitindo que o Air Breeze rode livremente.

(SOUTHWEST, 2011, p. 25)

Alm do aviso em destaque, o manual recomenda que o sistema de controle

seja do tipo de derivao, que desvia para uma carga resistiva a sada do gerador

quando este produzir uma energia em excesso.

Sendo assim, o sistema de controle desenvolvido neste Trabalho do tipo de

derivao, com a sequncia demonstrada no fluxograma da Figura 16. Se no

houver vento, o gerador fica conectado bateria, porm sem produzir carga (gerador

parado), e quando ocorrer vento, o sistema de controle monitorar os parmetros de

corrente e tenso.

Figura 16: Fluxograma do sistema de controle.

Fonte: ROCKEL, 2013.

41

7.1. Definio dos valores de limitao do sistema

Conforme foi exposto no captulo 5, no recomendvel submeter a bateria

chumbo cida a um regime de carga com correntes acima de 10% de sua

capacidade nominal por um perodo longo, bem como no ultrapassar o nvel da

tenso de carga de 14,5 volts, para baterias de chumbo e cido de 12 volts

nominais. Ainda naquele captulo, na sequncia deste tema, mostrou-se uma

exceo ou flexibilizao desses limites, quando houvesse necessidade de cargas

rpidas de bateria, no podendo, porm, nesses casos, a corrente ultrapassar 30%

do valor da capacidade nominal da bateria e a tenso 16 V com monitoramento da

temperatura interna da bateria (JOHNSON CONTROLS, 2009).

Para o sistema de controle de carga, apresentado neste Trabalho,

considerou-se os seguintes limites mximos:

1- Tenso: 14,5 V;

2- Corrente: 9 A.

O valor mximo estabelecido para a tenso (14,5 V) o definido pelos

fabricantes de baterias automotivas para regimes de cargas de tenso constante,

sem risco de danificar a bateria (BOSH 2007; JOHNSON CONTROLS, 2009). O regime

de carga do gerador elico no constante em tenso, corrente ou potncia, porque

depende da velocidade dos ventos, que varia constantemente. Mas, ao estabelecer-

se o nvel mximo de tenso para a carga da bateria igual ao previsto para um

regime de carga de tenso constante, tm-se assegurado a ausncia de riscos de

danificar a bateria devido ao excesso de tenso, haja vista a pouca margem de

flexibilizao permitida, at 16 V em curtos perodos, pouco mais de 1% de 14,5_V.

J o valor mximo atribudo corrente de carga (9 .A) arbitrrio.

O principal fator que impe a necessidade de limitao de corrente no

processo de carga da bateria o superaquecimento interno. As publicaes tcnicas

estabelecem como temperatura mxima da soluo 50 C (BOSCH, 2007; JOHNSON

CONTROLS 2009). Enquanto no houver aumento de temperatura, a corrente de

carga da bateria pode ser aumentada em 30% da capacidade nominal, de acordo

com a publicao da Johnson Controls que corresponde a 18 A para baterias de 60

Ah ou at 25 A, tomando-se como referncia o Manual de Baterias Bosch

(BOSCH,_2007,_p._13).

42

Desta forma, tem-se a premissa de que o limite mximo de corrente de carga

estabelecido em 9 ampres est dentro de uma faixa que preserva a integridade da

bateria automotiva de 60 Ah, a ser carregada pelo gerador elico. Parte-se do

princpio de que os ventos so inconstantes como se v nos grficos das figuras

14 e 15 e os nveis de corrente e tenso ficam oscilando para mais e para menos,

eventualmente atingindo os picos mximos, quando atuar a proteo do sistema de

controle, seja pela corrente ou tenso mxima.

7.2. Diagramas em blocos

Na figura 17, v-se o diagrama em blocos simplificado do projeto do sistema

de controle.

Figura 17: Diagrama em blocos simplificado.

...Fonte: ROCKEL, 2013.

O sistema de controle monitora os nveis de corrente e de tenso de carga,

atravs de sensores que enviam essas informaes ao microcontrolador e este

aciona o sistema de controle, desviando a carga do gerador para uma resistncia

de desvio, mantendo o gerador com carga (para no girar livre) e desconectando a

bateria do gerador, preservando-a.

Na Figura 18, apresenta-se o diagrama em blocos completo do sistema de

controle. Este diagrama foi elaborado a partir de informaes fornecidas pelo manual

do gerador e obtidas em testes realizados em bancada.

43

Figura 18: Diagrama em blocos.

...Fonte: ROCKEL, 2013.

O controle conecta o gerador bateria ou resistncia de desvio,

dependendo dos valores de tenso e corrente fornecidos ao microcontrolador pelos

respectivos sensores. Quando o gerador est conectado bateria, acende o led

verde e quando em desvio, acende o led vermelho.

No display so mostrados os valores de corrente, tenso e tambm pode ser

visto o tempo de carga, se pressionar o boto Timer.

A bateria ou o gerador, se este estiver produzindo carga, alimenta a fonte de

5 V para o microcontrolador e display.

O gerador monitora o nvel de carga da bateria, para cessar a carga ao atingir

o set point.

A Figura 19 mostra como ligada a chave seletora do sistema.

Figura 19: Diagrama geral do sistema. ...Fonte: ROCKEL, 2013. ..........

44

O interruptor de trs posies, mostrado no diagrama geral (Figura_19), liga o

gerador diretamente ao banco de baterias; bateria automotiva atravs do sistema

de controle, ou curto-circuita o gerador na posio desligado (posies 1, 2 e 3).

7.3. Estudo e desenvolvimento dos diagramas eletrnicos

Neste captulo so apresentados os circuitos eletrnicos de todas as etapas

do projeto do Sistema de Monitoramento e Controle.

7.3.1. Etapa de potncia

A conexo do gerador bateria feita atravs do transistor IRF4905. Ele

um MOSFET de potncia de canal P, com 52 A de corrente contnua mxima de

dreno, 100 C de temperatura de operao (TC). A tenso limiar da porta (gate

threshold voltage, Vth) est entre 2 V e 4 V. As caractersticas principais deste

transistor POWER MOSFET relacionadas a este projeto esto mostradas no

Anexo C, no final desta monografia.

Figura 20: Conexo do gerador bateria. ...Fonte: Desenho prprio.

Quando a tenso do gerador maior do que a tenso da bateria, ele fica em

condies de carreg-la. Depender do comando do microcontrolador (C), atravs

do transistor Q3, para que haja a conduo no sentido GERADOR BATERIA, pelo

transistor Q1, como se v na Figura 20. O led verde acende quando o gerador est

conectado bateria.

O transistor Q3, 2N7002, que comanda a porta do MOSFET de potncia Q1,

um transistor de efeito de campo (FET), de canal N. Optou-se por esse transistor e

no por um transistor de juno bipolar devido baixa queda de tenso entre

45

dreno e fonte, o que resulta em um comando mais definido (sem a queda de tenso

VCE que ocorre nos transistores bipolares).

O diodo D1 um diodo schottky (MBR1060). Ele impede o fluxo de corrente

no sentido BATERIA GERADOR, porque o transistor POWER MOSFET no tem

capacidade para bloqueio de tenses inversas. O fato se deve ao diodo intrnseco

antiparalelo existente em sua estrutura (AHMED, 2006). Optou-se por um diodo

schottky por causa de sua baixa queda de tenso direta.

A corrente mxima IF(AV) (Average Rectified Forward Current) do diodo 10 A

e a tenso reversa mxima 60 V. Outras caractersticas podem ser vistas no seu

datasheet Anexo D.

7.3.1.1. Simulao do circuito de potncia

Na Figura 21, v-se uma simulao feita no PROTEUS 7.7. O objetivo desta

simulao verificar as condies do transistor IRF4905, quando submetido aos

valores extremos de corrente (9 A) e tenso (14,5 V) do gerador, aplicados bateria,

definidos na programao do microcontrolador.

Figura 21: Simulao de carga da bateria atravs do transistor IRF4905 (POWER MOSFET canal P). ..Fonte: ROCKEL, 2013.

S D

G

46

O transistor Q3 (2N7002) que aparece no diagrama da Figura 20 foi

substitudo pelo interruptor (SW) na simulao da Figura 21.

Quando um MOSFET de potncia usado como chave e est na condio

ligado, forado a operar na regio hmica. Isso garante que a queda de tenso no

dispositivo seja baixa, de tal modo que a corrente de dreno fique determinada pela

carga. Assim, a perda de potncia no dispositivo pequena (AHMED, 2006).

Figura 22: Grficos da corrente ID, em funo da tenso VDS, em cada nvel de tenso VGS. ..Fonte: Datasheet do transistor POWER MOSFET P IRF4905, f. 3.

No diagrama da simulao, mostrado na Figura 21, a tenso de queda no

transistor Q1 (POWER MOSFET) 0,13 V e a corrente 9 A. Se plotar estes valores

no grfico da Figura 22, em qualquer nvel de tenso VGS acima de 5 V, cair na

regio hmica do transistor, demonstrado pelas retas diagonais, onde a corrente ID

aumenta (em mdulo) de forma diretamente proporcional ao aumento da tenso VDS.

A condio para operao do MOSFET na regio hmica dada por:

VDS VGS + VTH e VDS < 0

(Para MOSFET canal P)

Substituindo pelos dados mostrados na simulao, considerando VTH = (_2)

temos:

VDS = ( 0,13) 0

( 0,13) ( 14,5) + ( 2) => ( 0,13V) > ( 16,5V)

Eq. 14

47

A potncia dissipada pelo transistor Q1 (Eq. 1):

7.3.2. Etapa de desvio

Durante o processo de carga da bateria pelo gerador, quando a tenso ou a

corrente excede o limite estipulado no programa do microcontrolador, este comanda

o transistor Q1 para cortar o fornecimento de carga bateria (comando feito atravs

do transistor Q3). Simultaneamente, o microcontrolador aciona o desvio de carga

para o gerador elico no girar livre. O desvio de carga proporcionado por outro

MOSFET de potncia, IRF2807, canal N, o qual conecta ao gerador uma resistncia

de 2,2 150W. O led vermelho acende nesse instante.

O transistor IRF2807 opera com 63 A de corrente mxima de dreno, 100 C

(TC). A tenso limiar da porta (gate threshold voltage, Vth) est entre 2 V e 4 V. As

caractersticas principais deste transistor POWER MOSFET relacionadas a este

projeto esto mostradas no Anexo E, no final desta monografia.

Na Figura 23, v-se o diagrama da etapa de desvio de carga do gerador.

Figura 23: Desvio de carga do gerador elico. ..Fonte: ROCKEL, 2013

Para o transistor MOSFET de potncia canal N entrar no modo de conduo,

o dreno deve ser positivo em relao fonte (VD > VS) e uma tenso pequena

positiva (VGS) aplicada na porta. No havendo tenso na porta, a chave (transistor)

fica desligada; ou seja: a tenso da porta que controla as condies ligado e

desligado (AHMED, 2006).

48

Portanto, quando o transistor Q4 estiver conduzindo, no h tenso entre a

porta e a fonte (VGS) de Q2 e ele permanece em corte, dando condio ao gerador

de carregar a bateria. Quando o microcontrolador altera o estado de Q4, deixando-o

em corte (aberto), o resistor R3 aplica uma tenso positiva na porta de Q2 e ele

passa a conduzir, conectando ao Terra (GND) a resistncia de desvio R2, a qual

passa a ser a carga do gerador, que foi desconectado da bateria nesse instante.

7.3.3. Monitoramento do nvel de carga da bateria para o gerador

O fabricante do gerador elico informa que ele necessita de uma tenso

mnima da bateria de aproximadamente 10,5 V. Se no houver essa informao ao

gerador (da tenso da bateria), ele funcionar como se estivesse em circuito aberto

(SOUTHWEST, 2011). Diante disso, necessrio inserir no projeto um modo do

gerador monitorar a tenso da bateria.

Figura 24: Monitoramento da tenso da bateria pelo gerador. ...Fonte: ROCKEL, 2013.

Na Figura 24 v-se o transistor de juno bipolar NPN (BC337) posicionado

no sentido de conduo BATERIA GERADOR. Ele um transistor de sinal, com

corrente mxima de coletor (IC), 800 mA e 45 V de tenso mxima VCE, conforme

informaes de seu datasheet (MOTOROLA, 1996).

O resistor R4, de 1k, polariza a base do transistor. Como a impedncia nos

terminais do gerador muito alta (constatada durante testes em bancada), o valor de

R4 no crtico, porque no haver fluxo significativo de corrente pelo transistor Q5

em nenhuma das seguintes condies:

VGen > VBat , VGen < VBat e gerador em desvio.

O diodo D3 coloca em corte o transistor Q5 quando o gerador estiver em

desvio (VB_

49

7.3.4. Monitoramento e controle do nvel de corrente

O valor da intensidade de corrente obtido por um sensor que opera por

Efeito Hall, e envia essa informao ao microcontrolador.

7.3.4.1. Sensor Hall

A informao da intensidade de corrente de carga, dada ao microcontrolador,

fornecida pelo sensor ACS750xCA-50, da Allegro MicroSystems Inc. Trata-se de

um sensor totalmente integrado, baseado no Hall Effect, com isolao de alta tenso

e baixa resistncia no condutor de corrente.

A corrente que flui atravs do condutor de cobre interno do sensor, gera um

campo magntico que o C.I. Hall transforma numa tenso proporcional. Esse

condutor que tem capacidade de at 50 A possui resistnca de 130 . A

preciso do dispositivo otimizada pela proximidade do sinal magntico do

transdutor Hall. Uma tenso proporcional, exata e estvel, fornecida na sada do

sensor (ALLEGRO, 2009).

Os terminais do condutor de corrente so eletricamente isolados dos

condutores de sinal. Isto permite que a famlia ACS75x de ICs sensores no

necessitem do uso de opto-isoladores ou outras tcnicas de isolamento

dispendiosas (ALLEGRO, 2009).

A Figura 25, abaixo, mostra o sensor de corrente utilizado neste Trabalho.

Figura 25: Sensor de corrente por efeito hall, ACS750xCA-50 . ...Fonte: Rockel 2013.

Na foto est bem visvel o condutor de passagem da corrente, que atravessa

o interior do chip. V-se tambm os trs terminais menores, de alimentao e sada

de sinal. Nas prximas figuras, 26 e 27, so mostrados, respectivamente, o

50

diagrama em blocos das etapas do circuito interno e o diagrama esquemtico dos

pinos do componente.

Figura 26: Diagrama em blocos do Sensor Hall . ...Fonte: Datasheet do componente (ALLEGRO, 2009).

Figura 27: Diagrama de uma aplicao tpica do Sensor Hall . ...Fonte: Datasheet do componente (ALLEGRO, 2009).

7.3.4.2. O Efeito Hall

O efeito Hall a produo de diferena de potencial atravs de um condutor

eltrico. Essa tenso transversal corrente no condutor e perpendicular ao

campo magntico. Dentro de um mesmo material, por exemplo um fio metlico que

esteja conduzindo corrente e sendo afetado por um campo magntico, surge uma

51

diferena de tenso entre dois locais, pertencentes a um plano perpendicular

corrente e ao campo magntico incidente ao fio, dessa mesma barra. O Efeito Hall

foi descoberto por Edwin H. Hall no final do sculo XIX (RESENDE NETO, 2010).

Figura 28: Aplicao de campo eltrico em uma barra de metal. ...Fonte: Resende Neto, 2010.

A diferena de potencial entre os dois pontos V = VH e V = 0V como mostrado

na Figura 28, chamada de tenso de Hall. A magnitude da fora magntica

implicada na Barra qvdB. Essa fora magntica equilibrada pela fora

eletrosttica da magnitude qEH, onde EH o campo eltrico separao das cargas

eltricas. Ento temos que EH = vdB. Se a largura da barra w, a diferena de

potencial EHw. Com isso, a tenso Hall (TIPLER, 2009):

VH = EH w VH = vd Bw

Onde VH a tenso Hall, w a largura da barra, vd a velocidade de deriva

dos eltrons, e B o campo magntico incidente perpendicularmente barra. Como

esta velocidade de deriva para correntes comuns muito reduzida, podemos, por

meio da tenso Hall, extrair a quantidade de portadores de carga por unidade de

volume. Essa magnitude pode ser dada como (TIPLER, 2009):

|I| = |q| n vd A

Onde A a rea da seo transversal da barra, e n a densidade de

portadores de carga. Para uma barra de largura w e espessura d, resultaria em

A_=_w_d.

Eq. 15

Eq. 16

52

Eq. 17

Eq. 18

Eq. 19

Como a maioria dos portadores de cargas so eltrons, a quantidade |q|, a

carga de um eltron e. Ento, a densidade de nmero de portadoras de carga n

dada por (TIPLER, 2009):

Substituindo as equaes 14 e 16, temos que:

Onde I a corrente, B o campo magntico, d a largura da fita, e a carga

do eltron, VH a tenso Hall.

Com isso, a tenso Hall nos fornece um mtodo conveniente para a medida

de campos magnticos. Se rearranjarmos a equao anterior, podemos escrever a

tenso Hall como:

Onde, VH a tenso Hall, I a corrente que passa na barra, n a densidade de

portadoras de carga, d a altura, e a carga elementar do eltron, e B o campo

magntico.

7.3.4.3. Diagrama eletrnico do sensor de corrente

Figura 29: Diagrama do sensor de corrente (Sensor Hall). ...Fonte: ROCKEL, 2013.

A Figura 29 apresenta a ligao do gerador bateria, com o sensor de

corrente inserido entre o transistor Q1 e o diodo D1. V-se que a corrente de carga

passa pelo condutor principal do sensor de corrente e, atravs do efeito Hall, uma

53

Eq. 20

tenso proporcional ao valor da corrente produzida no pino 3 do sensor e enviada

ao microcontrolador (como tambm mostrado nas figuras 26 e 27).

O sensor alimentado por 5 V (VDD) e a sua sada varia entre + 2 V e - 2 V,

corespondentes a + 50 A e - 50 A. Portanto, h uma relao de 40 mV/A. O valor de

referncia 0 A (zero amper) igual a 2,5 V da tenso da fonte de 5 V.

O processamento desses sinais no microcontrolador apresentado na

seo_7.4.

7.3.5. Monitoramento e controle do nvel de tenso

A informao da tenso da bateria, dada ao microcontrolador, feita por um

divisor de tenso, conforme mostra a Figura 30.

Figura 30: Diagrama do sensor de tenso. ...Fonte: ROCKEL 2013.

Uma tenso proporcional tenso da bateria enviada ao microcontrolador.

O resistor varivel (Aj1) serve para aferir essa tenso, de acordo com a indicao no

display LCD do sistema de controle e um voltmetro padro de referncia.

Para facilitar o ajuste para que ele seja suave todo o percurso do resistor

varivel compreende apenas aproximadamente 2,5% da resistncia total do divisor

de tenso, como se v na equao 20, abaixo.

54

Eq. 21

H a necessidade de incluir um divisor de tenso ao invs de se obter uma

leitura direta da tenso da bateria porque o microcontrolador alimentado com

apenas 5 V. Uma variao de zero a 20 V na tenso do gerador corresponder a uma

variao de zero a 5 V na leitura feita pelo microcontrolador, conforme est mostrada

na equao 21:

O processamento desses sinais no microcontrolador apresentado na

seo_7.4.

7.3.6. Diagrama do microcontrolador

A Figura 31 apresenta as ligaes feitas no microcontrolador PSoC

CY8C29466-24PXI, da Cypress.

Figura 31: Diagrama do microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI. ...Fonte: ROCKEL, 2013.

No diagrama mostrado acima se v as conexes eltricas feitas no

microcontrolador dos sensores de corrente e tenso, controle dos transistores de

55

potncia Q1, Q2, timer, display LCD, interruptor de iluminao e trimpot de ajuste do

contraste dos caracteres do display, alm da alimentao ( 5 V ).

O microcontrolador comanda o os transistores Q1 e Q2 em funo dos nveis

de sinais recebidos de corrente e tenso de carga, produzidos pelo gerador. Ele

mostra no visor LCD a intensidade de corrente de carga e a tenso na bateria.

Quando pressiona-se o boto TIMER, aparece no visor LCD a indicao de tempo

de carga a que a bateria foi submetida desde o incio, quando foi conectada ao

gerador. O resistor varivel Aj2 ajusta o contraste dos caracteres mostrados no visor

LCD e a chave Sw1 liga ou desliga a luz do visor.

7.3.7. Fonte de alimentao

Para o microcontrolador, sensor de corrente (sensor HALL) e o display LCD

so necessrios 5 V de tenso de alimentao. Esta tenso fornecida por um

regulador de tenso 7805, conforme se v no diagrama da Figura 32.

Figura 32: Diagrama da fonte de alimentao de 5 V (VDD). ... Fonte: ROCKEL, 2013.

A entrada do regulador de tenso ligada ao terminal positivo da bateria e,

portanto, recebe energia proveniente do gerador, quando este estiver produzindo

tenso maior do que a da bateria, ou da bateria, quando o gerador estiver fora.

A finalidade de manter o microcontrolador alimentado, mesmo quando o

gerador no estiver produzindo (quando no h ventos), para no apagar os dados

referentes contagem de tempo de carga armazenados na memria RAM do

microcontrolador.

A corrente do microcontrolador 30 mA, do sensor HALL 10 mA e do display

LCD 0,3 mA, considerando esses componentes operando com corrente mxima e a

56

luz do display desligada, conforme informaes nos seus respectivos datasheets

(HITACHI, 1998; CYPRESS, 2004; ALLEGRO, 2009).

7.3.8. Proteo de sobrecarga

Na proteo contra sobrecarga da bateria, em caso de falha do sistema de

controle, utiliza-se um dispositivo limitador de corrente de estado slido, com

coeficiente positivo de temperatura (PTC), comercialmente denominado de

POLYSWITCH .

A Figura 33 mostra o dispositivo de proteo instalado na entrada positiva do

Sistema de Controle na linha condutora que vem do gerador e atravessa o sistema

de controle, levando carga bateria.

O valor escolhido para o PTC o mesmo definido no programa do sistema de

controle: 9 A. Se eventualmente o controle de corrente mxima no atuar, o polyfuse

cortar o fornecimento de corrente de carga do gerador bateria.

Figura 33: Proteo de sobrecarga da bateria, inserida no sistema de controle do gerador.

Fonte: ROCKEL, 2013.

A escolha desse dispositivo de proteo de sobrecorrente se deve s

diferenas importantes, quando comparado com fusveis e disjuntores. O dispositivo

PTC interrompe a passagem de corrente ao circuito quando h uma sobrecarga, no

entanto, ele no precisa ser substitudo, como um fusvel, e nem rearmado, como

um disjuntor, porque o PTC reinicia automaticamente a conduo de corrente

quando cessa a sobrecarga no circuito.

Quando um disjuntor PTC est acionado, ele deixa passar uma quantidade

pequena, inofensiva, de corrente atravs dele, mantendo porm os dispositivos

desligados. A pequena corrente passante no representa qualquer risco de incndio

ou danos fiao ou componentes do circuito, mas serve para manter o dispositivo

de rearme. Depois que a causa da sobrecorrente eliminada, demora cerca de dez

a quinze segundos para o PTC esfriar, redefinir-se e estar pronto para uso

57

novamente. O PTC pode ser desarmado milhares de vezes sem nenhum perigo

(CONTROL VISION, 1997).

A Figura 34, mostra um dispositivo de proteo PTC e na Figura 35 pode-se

ver uma srie desses dispositivos instalados na placa de um painel de interruptores

de sistemas eltricos de aeronave.

Figura 34: Dispositivo de proteo contra sobrecorrente PTC (Positive Temperature Coefficient).

Fonte:

.

Figura 35: Barra de ali