Universidade Federal do Rio de Janeiro Escola Politécnica...
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Universidade Federal do Rio de Janeiro Escola Politécnica Departamento de Eletrônica e de Computação Aumento de Eficiência Energética na Geração de Energia Renovável com Turbina Eólica através da Aplicação de Conversor Eletrônico Boost Autor: _________________________________________________ Pedro Henrique Castello Branco Dágola Orientador: _________________________________________________ Prof. Carlos Fernando Teodósio Soares, D. Sc. Examinador: _________________________________________________ Prof. Joarez Bastos Monteiro, D. Sc. Examinador: _________________________________________________ Prof. Maurício Cardoso Arouca, D. Sc. DEL Agosto de 2014
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Universidade Federal do Rio de Janeiro
Escola Politécnica
Departamento de Eletrônica e de Computação
Aumento de Eficiência Energética na Geração de
Energia Renovável com Turbina Eólica através da Aplicação
de Conversor Eletrônico Boost
Autor:
_________________________________________________
Pedro Henrique Castello Branco Dágola
Orientador:
_________________________________________________
Prof. Carlos Fernando Teodósio Soares, D. Sc.
Examinador:
_________________________________________________
Prof. Joarez Bastos Monteiro, D. Sc.
Examinador:
_________________________________________________
Prof. Maurício Cardoso Arouca, D. Sc.
DEL
Agosto de 2014
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Escola Politécnica – Departamento de Eletrônica e de Computação
Centro de Tecnologia, Bloco H, Sala H-217, Cidade Universitária
Rio de Janeiro – RJ CEP 21949-900
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poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar
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bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja
ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem
finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e
do(s) orientador(es).
iii
DEDICATÓRIA
Dedico esse trabalho primeiramente a Deus por permitir que tivesse a cada dia
saúde, disposição e condições de continuar nessa jornada além de me conceder
segurança física em todos os momentos que estive dentro do campus da UFRJ.
Aos meus pais que pacientemente aguardaram tanto por esse momento e muito
lutam para o meu sucesso intelectual, acadêmico e profissional.
A Mariana Aguiar Massote que esteve comigo praticamente em todas as matérias
desse curso, passando pelas mesmas dificuldades e alegrias, fornecendo sempre o seu
apoio intelectual e afetivo.
Ao meu irmão por ser um grande incentivador, companheiro e simpatizante de
tudo que envolve engenharia.
Ao grande amigo Roberto Augusto Freitas Dias que ajudou ativamente para que
esse trabalho se tornasse realidade.
iv
AGRADECIMENTO
Agradeço ao professor e amigo Luiz Wagner Pereira Biscainho pela orientação e
confiança na minha capacidade acadêmica
Agradeço aos professores integrantes da Comissão de Orientação Acadêmica que
durante alguns anos me cederam seus votos de confiança e exerceram de forma
exemplar a atividade de acompanhamento acadêmico que esse país muito necessita.
Agradeço ao professor, coordenador do curso de eletrônica e computação Carlos
José Ribas D’avilla que é um exemplo de servidor público com sua dedicação, paciência
e serenidade para solucionar o problema de todos os alunos de forma eficiente.
Agradeço ao engenheiro Luiz César Sampaio Pereira, diretor executivo da
Enersud, por disponibilizar a infraestrutura do túnel de vento para a realização dos testes
e também pelo desenvolvimento das turbinas eólicas utilizadas no trabalho.
v
RESUMO
O trabalho visa o desenvolvimento de um controlador de carga de baixo custo
para turbina eólica de pequeno porte (350 W) que substitua o modelo atual com a
expectativa de se obter um sistema com maior eficiência energética. O novo controlador
utilizará um conversor boost para realizar o deslocamento da curva de geração que
associado com a turbina correta fará que o sistema funcione com eficiência melhor em
um intervalo de velocidades de vento maior.
Será explicado as etapas de utilização do programa EAGLE para roteamento e
também será exposto os passos do processo de fabricação da placa de circuito impresso
utilizando a tinta sensível à luz ultravioleta.
Para atender o quesito de um sistema de baixo custo foi desenvolvida uma forma
de controle que não prevê a utilização de sensor de corrente. Somente com informações
da tensão do gerador associado a técnicas de controle, é possível gerar as informações
necessárias para o funcionamento correto do sistema.
O estudo e desenvolvimento desse equipamento disponibilizará mais uma
ferramenta para proporcionar que a geração eólica de pequeno porte seja cada vez mais
utilizada dentro das cidades (áreas urbanas) estimulando a aceitação e uso da energia
renovável.
Palavras-Chave: Conversor Boost, Aumento de Eficiência Energética, Energia
Renovável, Gerador Eólico, Controle de Carga
vi
ABSTRACT
The work aims to develop a charge controller of low-cost small wind turbine
(350 W) to replace the current model with the expectation of obtaining a system with
greater energy efficiency. The new controller will use a boost converter to achieve the
displacement of the generating curve and associated with the correct turbine will cause
the system to operate with improved efficiency over a wider range of wind speeds
greater.
The steps of using EAGLE program for routing will also be addressed and
exposed the process steps of manufacturing the printed circuit board using the
ultraviolet light sensitive ink.
To meet the item of a low-cost system was developed a method of control that
does not use the current sensor. Only with information of the generator voltage
associated with control techniques, it is possible to generate the information for the
correct functioning of the system.
The study and development of this equipment will provide another tool to
increase the small wind generation and use within cities (urban areas) stimulating the
acceptance and use of renewable energy.
Keywords: Boost Converter, Increase Energy Efficiency, Renewable Energy, Wind
Power Generator, Load Control
vii
SIGLAS
UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro
DC – Direct Current – Corrente Direta
PMSG – Permanent Magnet Synchronous Generator – Gerador Síncrono de Imã
Permanente
PWM – Pulse Width Modulation – Modulação por Largura de Pulso
viii
Sumário
1 Introdução 1
1.1 Energia Renovável Eólica ....................................................................... 1
1.2 A Proposta do Projeto ............................................................................. 2
1.3 Justificativa e Objetivos .......................................................................... 2
1.4 Metodologia ............................................................................................ 5
1.5 Organização do Texto ............................................................................. 6
2 Captação da Energia Eólica 8
2.1 Tipos de Geradores Eólico ...................................................................... 8
2.2 Eficiência Energética do Gerador Eólico ................................................ 10
2.3 Conversores Eletrônicos ......................................................................... 11
2.3.1 Conversor Eletrônico Buck ........................................................ 12
2.3.2 Conversor Eletrônico Boost ....................................................... 14
2.3.3 Conversor Eletrônico Buck-Boost .............................................. 16
2.3.4 Conversor Eletrônico Flyback .................................................... 18
2.3.5 Conversor Eletrônico Forward ................................................... 20
2.3.6 Conversor Eletrônico Utilizado no Trabalho .............................. 22
2.4 Técnica de Rastreamento do Ponto de Máxima Potência ....................... 23
2.4.1 Método Perturbação e Observação (P&O) ................................. 25
2.4.2 Método Tensão Constante (CV) ................................................. 26
2.4.3 Método Perturba e Observa e Tensão Constante no Trabalho ... 27
ix
3 Placa de Controle Digital Microprocessada 29
3.1 Principais Componentes Utilizados e Cálculo de Dimensionamento ..... 29
3.2 Esquema Elétrico e Layout do Circuito Impresso .................................. 31
4 Placa de Potência do Conversor Boost 35
4.1 Principais Componentes Utilizados e Cálculo de Dimensionamento ..... 35
4.2 Esquema Elétrico e Layout do Circuito Impresso .................................. 38
4.3 Confecção do Protótipo ........................................................................... 42
4.4 Programação e Teste de Funcionamento ................................................ 43
5 Resultados 48
6 Conclusão e Trabalhos Futuros 56
Bibliografia 58
Apêndice A 59
Apêndice B 60
x
Lista de Figuras
1.1 – Diagrama de Blocos do Sistema .................................................................... 3
1.2 – Curva de Potência Teórica para uma Turbina Eólica ..................................... 4
1.3 – Curva de Potência Real para uma Turbina Eólica ......................................... 5
2.1 – Gerador de Darrius e ao fundo Gerador de Eixo Horizontal ......................... 9
2.2 – Gerador Notus de 350 Watts .......................................................................... 9
2.3 – ENERSUD – Fábrica de Aerogeradores ........................................................ 10
2.4 – Montagem e Balanceamento de Aerogeradores ............................................. 10
2.5 – Porcentagens de Duty Cycle .......................................................................... 11
2.6 – Conversor Step-Down ou Buck ..................................................................... 12
2.7 – Formas de Onda do Conversor Buck para Modo Descontínuo ..................... 13
2.8 – Ganho Estático do Conversor Buck ............................................................... 14
2.9 – Conversor Step-Up ou Boost ......................................................................... 14
2.10 – Formas de Onda do Conversor Boost para o Modo Contínuo ..................... 15
2.11 – Ganho Estático do Conversor Boost ............................................................ 16
2.12 – Conversor Step Down/Up ou Buck-Boost ................................................... 16
2.13 – Formas de Onda do Conversor Buck-Boost no Modo Contínuo ................. 17
2.14 – Ganho Estático do Conversor Buck-Boost .................................................. 18
2.15 – Conversor Flyback ....................................................................................... 19
2.16 – Formas de Onda do Conversor Flyback para o Modo Descontínuo ............ 20
2.17 – Formas de Onda do Conversor Flyback para o Modo Contínuo ................. 21
2.18 – Conversor Forward ...................................................................................... 22
2.19 – Formas de Onda do Conversor Forward para o Modo Contínuo ................. 23
2.20 – Gráfico de Ponto de Máxima Potência (MPP) ............................................. 23
2.21 – Gráfico sem MPPT X MPPT ....................................................................... 25
2.22 – Fluxograma Método Perturbação & Observação (P&O) ............................. 27
xi
3.1 –Placa de Progamação QL-200 ......................................................................... 29
3.2 – Esquemático da Placa de Controle ................................................................. 31
3.3 – Disposição dos Componentes da Placa de Controle ...................................... 33
3.4 – Layout da Placa de Controle .......................................................................... 33
3.5 – Placa de Controle Montada ............................................................................ 34
4.1 – Conversor Boost ............................................................................................. 35
4.2 – Esquemático do Conversor Boost .................................................................. 39
4.3 – Layout da Placa do Conversor Boost ............................................................. 40
4.4 – Placa de Potência Boost Montada .................................................................. 41
4.5 – Fotolito da Placa de Potência Boost ............................................................... 42
4.6 – Estágio Final da Confecção da Placa de Circuito Impresso ........................... 43
4.7 – Fluxograma do Sistema de Controle 1/2 ........................................................ 45
4.8 – Fluxograma do Sistema de Controle 2/2 ........................................................ 46
4.9 – Visão Frontal do Controlador ........................................................................ 47
4.10 – Visão Interna do Controlador ....................................................................... 47
4.11 – Túnel de Vento ............................................................................................. 47
5.1 – Gráfico Comparativo para Turbina A – Teste 1.............................................. 49
5.2 – Gráfico Comparativo para Turbina B – Teste 1 ............................................. 50
5.3 – Gráfico Comparativo entre Turbina A sem boost e a Turbina B ................... 51
5.4 – Gráfico Comparativo para Turbina B – Teste 2 ............................................. 52
5.5 – Tensão de Entrada do Gerador x Tensão de Saída do Conversor Boost ........ 53
5.6 – PWM do Conversor Boost no Microcontrolador ........................................... 54
5.7 – Ripple da Tensão de Saída do Conversor Boost ............................................ 55
5.8 – Forma de Onda da Variação da Corrente no Indutor ..................................... 55
xii
Lista de Tabelas
5.1 – Tabela com os Dados do Teste da Turbina A ................................................ 48
5.2 – Tabela com os Dados do Teste 1 da Turbina B ............................................. 50
5.3 – Tabela com os Dados do Teste 2 da Turbina B ............................................. 52
1
Capítulo 1
Introdução
1.1 – Energia Renovável Eólica
A energia eólica, também chamada de energia dos ventos, é amplamente
utilizada há muitos séculos com variadas funções. As mais conhecidas são em moendas
de cereais utilizando os tradicionais moinhos de vento; nas salinas, com função de
bombear água através do cata-vento, e ainda sendo importante nos Países Baixos para
preparação de pigmentos, extração de óleo e drenagem de terrenos alagados.
Atualmente, o aproveitamento da energia eólica ocorre através de aerogeradores que
transformam a quantidade de movimento do ar em energia elétrica.
A tecnologia dos aerogeradores foi muito desenvolvida nos últimos anos nos
países do hemisfério norte, especialmente nos Países Baixos, lugar mais conhecido
mundialmente por essa forma de geração de energia. Os aerogeradores utilizados são de
grande porte e grande capacidade elétrica. Deste modo, devem ter grande envergadura,
pois precisam gerar bastante energia para suprir a necessidade de cidades inteiras.
Turbinas de alta potência dispõem de mecanismos para encontrar o melhor ângulo do
vento e possuem sistemas de posicionamento para sempre estar funcionando na faixa de
maior aproveitamento do vento local. Já nos sistemas de baixa potência, esses recursos
são muito caros e inviabilizaria essa classe de geração. Desta forma, o trabalho visa
desenvolver essa tecnologia ajustada para os geradores de pequeno porte para o
aumento da eficiência.
Desta forma, esse trabalho visa apresentar e desenvolver tecnologia ajustada
para aerogeradores de pequeno porte que têm como principal objetivo a geração de
energia pontual para abastecimento de residências e prédios. Abordará como a
eletrônica de potência, através dos conversores DC-DC, pode conferir aumento de
eficiência nessa classe de aerogeradores.
2
1.2 – A Proposta do Projeto
A proposta de estudo deste trabalho é propor, implementar e validar o
funcionamento do conversor eletrônico DC-DC boost com a expectativa de se obter
aumento de eficiência na geração de energia elétrica por aerogeradores de pequeno
porte e baixo custo. Será desenvolvido o ambiente eletrônico de controle que monitore a
operação, realize o controle dos sistemas de segurança e ainda seja capaz de controlar
placas acessórias que, enfim, proporcionarão o aumento de eficiência energética.
A utilização de conversores DC-DC é uma prática relativamente antiga quando
comparada à eletrônica moderna de pequenos chips e milhões de transistores. Existem
vários tipos de conversores e cada um tem uma aplicação específica que possibilita
melhores resultados e maior eficiência. Os conversores de energia podem ser
considerados uma tecnologia bem madura nos quesitos de eficiência e robustez de
funcionamento. Este trabalho conta com a tecnologia bem sólida dos conversores e
outros exemplos de aplicação como base para o desenvolvimento de novas aplicações.
A aplicação dos conversores DC-DC na geração de energia renovável é de
extrema importância devido à função de ajuste da tensão gerada tanto aumentando
(boost), diminuindo (buck) ou realizando ambos em um único sistema. Essa flexiblidade
que os conversores fornecem ao sistema possibilita o aumento de eficiência no
momento de realizar a conversão da energia gerada.
A modalidade de geração de energia por equipamentos de pequena capacidade
nominal está cada vez mais importante e ganhando mais visibilidade no país. Em 2012,
foi publicada e revisada a Resolução Normativa Nº 482 que contém todos os requisitos
de segurança, operação e comercialização da energia gerada por essa modalidade de
microgeração de energia. O incentivo governamental para esse setor é estratégico, pois a
microgeração descentralizada é apontada como grande alternativa para o desafogamento
(alívio de carga) das grandes centrais elétricas nos horários de pico.
1.3 – Justificativa e Objetivos
A microgeração, aprovada pela resolução normativa Nº 482 de 17/04/2012 da
ANEEL [1], terá um papel importante no desenvolvimento do país e um grande
mercado.
3
Historicamente, a geração de energia eólica foi principalmente focada em
geradores de grande porte, com potências de mega watts. Desta forma, os geradores de
pequeno porte carecem de tecnologias desenvolvidas especificamente para esta forma
de geração.
Nesse sentido, o projeto busca ampliar as áreas em que um aerogerador de
pequeno porte poderá ser instalado, experimentando outra forma de geração, onde o
conversor boost será utilizado com um objetivo diferente do que tradicionalmente é
aplicado nos grandes sistemas. Será também usado para aumentar a eficiência com uma
tecnologia de baixo custo, que disponibilizará mais uma ferramenta para que a
microgeração experimente o crescimento prometido, tornando-o cada vez mais comum
nas cidades e também nas regiões que têm velocidade média de ventos abaixo de 6 m/s.
Na Figura 1.1 o diagrama de blocos resumido para o sistema é apresentado
localizando o conversor boost e o sistema de controle.
Figura 1.1 – Diagrama de Blocos do Sistema
O objetivo do trabalho é desenvolver a aplicação ajustada do conversor boost em
turbinas eólicas de baixa potência para tornar os produtos que utilizarão essa tecnologia
mais eficientes e competitivos, por se tratar de uma solução de baixo custo de
implementação [2 - 3]. Desta forma, os objetivos específicos para desenvolver esse
trabalho são: (1) desenvolver uma plataforma de controle eletrônico microprocessado
que realizará as medições das varáveis físicas da turbina e fará a tomada de decisão
4
(controle) sobre o conversor boost. (2) desenvolver a plataforma do conversor boost,
habilitando a comunicação entre o controlador e o conversor. (3) realizar o
levantamento dos ajustes de parâmetros para a otimização do funcionamento do
conversor boost para atuar somente na faixa de pouco vento.
A característica comumente utilizada para avaliação da qualidade de uma turbina
eólica é a velocidade do início de geração. Esse é o momento em que a turbina está
exposta a ventos fracos. O gráfico com a curva de potência de uma turbina eólica tem
normalmente a forma de uma semi parábola com concavidade para cima. Na Figura 1.2,
é apresentada a curva de potência teórica de uma aerogerador que demonstra o
comportamento da velocidade no início de geração, a perda de eficiência em alta
velocidade e a faixa de velocidade em que a turbina precisa ser desligada por segurança
para evitar acidentes e a possível explosão da turbina. Na Figura 1.3, é apresentada a
curva de potência para uma turbina eólica real, que pertence ao aerogerador Vélter II do
fabricante espanhol Solener.
Figura 1.2 – Curva de Potência Teórica para uma Turbina Eólica Fonte: http://www.scielo.br/img/revistas/ca/v17n2/a06fig11.gif
5
Figura 1.3 – Curva de Potência Real para uma Turbina Eólica Fonte: http://www.solener.com/velterii.gif
É almejado para o trabalho que a aplicação do conversor possa manipular o
início da curva de potência, seja iniciando a geração de energia precocemente ou
recuperando energia perdida pelo projeto construtivo da turbina.
1.4 – Metodologia
A topologia de geração escolhida para este trabalho será a utilização de um
gerador síncrono de imã permanente (PMSG) com retificação por ponte de diodos e
com o conversor boost [2] conectado à bateria (stand alone system). A pesquisa será
dividida em duas partes ideológicas importantes do conhecimento. Na parte referente ao
equipamento aerogerador, as principais variáveis que deverão ser testadas para
possibilitar o aumento da eficiência são: a otimização do enrolamento do gerador para o
regime de funcionamento, densidade de corrente e tensão de trabalho do gerador.
Já para a parte de eletrônica de potência, que é a segunda frente de pesquisa, o
algoritmo de controle e dimensionamento do conversor deverá ser projetado para operar
um casamento ideal entre a turbina e a eletrônica de controle.
6
Nesse cenário, a estratégia do trabalho será a conjugação entre a otimização do
enrolamento para uma turbina com ótima eficiência em regime de grande quantidade de
movimento (média de ventos fortes, acima de 10m/s), associado com o conversor boost
recuperando eletronicamente a eficiência perdida na região de baixa velocidade do
vento. Essa combinação visa extrair a máxima eficiência do conjunto aerogerador e
conversor DC-DC boost, possibilitando a geração de uma curva de potência com
rendimento ótimo, onde o resultado final seja um equipamento eficiente em vários
regimes de vento. Assim, esse arranjo produzirá energia durante a maior parte do
tempo, mesmo em condições aparentemente adversas, nos momentos de ventos fracos e
fortes.
Para analisar a eficiência do conjunto, turbina e conversor, serão medidas as
potências do aerogerador com e sem o conversor boost. Desse modo, é esperado que
seja evidente a atuação do conversor e se este promove algum ganho de eficiência
energética ao sistema. As medidas serão realizadas em um túnel de vento para agilizar e
simplificar a obtenção dos dados que idealmente deveriam ser coletados em situação
real com longas esperas por vento de boa qualidade (sem ser de rajadas).
1.5 – Organização do Texto
Os capítulos estão organizados na sequência de estudo e desenvolvimento em
que o projeto foi proposto, planejado e executado. Cada capítulo representa uma etapa
do projeto, podendo essa etapa ser de estudo teórico do estado da arte, desenvolvimento
de placa de circuito impresso ou de testes para validação.
O Capítulo 2 é dedicado à fundamentação teórica do trabalho. Neste capítulo
serão abordados os tipos de aerogeradores comerciais do mercado utilizados na
microgeração, especificando o que será utilizado, os cálculos de aproveitamento da
energia eólica para o gerador escolhido, a apresentação teórica de funcionamento dos
conversores eletrônicos DC-DC e as técnicas de controle para rastreamento do ponto de
máxima potência.
No Capítulo 3 serão descritos os componentes utilizados na placa de controle
digital, as características das peças de maior relevância, além do motivo de ter escolhido
esse componente para integrar o projeto. Será também explicitado o dimensionamento
elétrico, assim como os testes realizados na placa de controle.
7
O Capítulo 4 aborda a placa de potência do conversor DC-DC boost que,
basicamente, segue os mesmo pontos de abordagem que o capítulo anterior. Será
também descrita a confecção da placa de circuito impresso.
O Capítulo 5 demonstrará os resultados obtidos, demonstrando a operação do
conversor boost e evidenciando o deslocamento da curva de geração em baixa
velocidade causado pela utilização do conversor.
No Capítulo 6 serão apresentadas as conclusões do projeto e propostas melhorias
para o aperfeiçoamento do trabalho.
8
Capítulo 2
Captação da Energia Eólica
2.1 – Tipos de Geradores Eólicos
A energia proveniente dos ventos pode ser aproveitada de muitas formas e com
vários tipos de equipamentos. Cada aerogerador tem um regime de operação, forma
construtiva e base teórica de funcionamento que o torna ideal para determinada
aplicação. Para certas funções há uma configuração e princípio de funcionamento mais
favorável. Logo, há a necessidade de que existam alguns tipos de aerogeradores e não se
pode afirmar qual é absolutamente o melhor.
Pode-se separar os geradores eólicos em basicamente dois grandes grupos,
segundo a orientação do eixo e o tipo de motor construído.
Os geradores utilizados em fazendas eólicas, com turbinas na faixa de mega
watts, são síncronos, onde a velocidade de rotação é igual à velocidade do campo
girante (velocidade de sincronismo). Já os geradores de menor potência são, em grande
maioria, assíncronos, o que confere ao sistema menor complexidade, grande robustez,
leveza e baixo custo.
Sobre a orientação do eixo, temos duas classificações: as turbinas de eixo
vertical e as turbinas de eixo horizontal.
A turbina de eixo vertical tem o deslocamento das pás na direção do fluxo do
vento. Logo, possui a vantagem de não ser necessário orientar a turbina conforme a
direção do vento como, por exemplo, a turbina do tipo Darrius [Figura 2.1].
A turbina de eixo horizontal tem o giro das pás no sentido perpendicular ao
plano de deslocamento do ar.
9
Figura 2.1 – Gerador de Darrius e, ao fundo, Gerador de Eixo Horizontal. Fonte: http://www.abantosl.com/en/photos.
Nesse trabalho, utilizamos um aerogerador assíncrono, Notus, com campo
produzido por ímãs permanentes de neodímio, eixo horizontal de três pás e com
potência nominal informada pelo fabricante de 350W [Figura 2.2].
Figura 2.2 – Gerador Notus 350Watts.
10
A empresa ENERSUD Soluções Energéticas, fabricante de aerogeradores de
pequeno porte, desenvolveu algumas versões de aerogerador pesquisando os parâmetros
que fariam o sistema mais eficiente para o novo regime de funcionamento proposto pela
conjugação do conversor boost e turbina.
Figura 2.3 – ENERSUD Fabrica de Aerogeradores
Figura 2.4 – Montagem e Balanceamento de Aerogeradores Fonte: http://www.enersud.com.br
2.2 – Eficiência Energética do Gerador Eólico
Os aerogeradores são projetados para extraírem o máximo de energia dos ventos
mantendo o sistema de gerador e torre de sustentação estável. A potência total
disponível do vento (Pdisp) é calculada da seguinte fórmula proveniente da energia
cinética (Ec = 0,5 . m . v2) [7]:
Pdisp = 0,5 . A. ρ . v3 (2.1)
Onde ρ é a densidade do ar em kg/m3 que varia conforme a altitude e
temperatura do local, v é a velocidade do vento em m/s e A é a área varrida pelas pás
em m2 que é calculada segundo a equação abaixo:
A = n . R2 (2.2)
Onde n é o número de pás e R é o raio do rotor em metros.
Porém, segundo a lei de Betz, somente uma porcentagem do total da energia
cinética do vento que atinge as pás do aerogerador é convertida em energia rotacional
do rotor. Assim, o coeficiente de potência (cp) representa o rendimento aerodinâmico
11
entre a energia total disponível e a captada pelo aerogerador que foi realmente
transformada em energia rotacional.
Pdisp = 0,5 . A. ρ . v3 . cp (2.3)
Em estudos, Albert Betz comprovou que o maior coeficiente de potência
extraível do vento independente do design da turbina eólica era de 59,3%. Esse
resultado é conhecido como constante de Betz [4].
2.3 – Conversores Eletrônicos
Os conversores eletrônicos DC – DC podem ser considerados uma ferramenta
importante para o funcionamento dos equipamentos eletrônicos, principalmente para
aqueles que necessitam de várias diferentes tensões de alimentação, por exemplo, os
equipamentos portáteis como celulares e laptops.
Simplificadamente, os conversores DC-DC são projetados para fornecer uma
tensão contínua regulada a partir de uma fonte de tensão não regulada ou de uma bateria
na maioria dos casos. Grande parte dos conversores são compostos por transistores
(chave), diodos, indutores, capacitores e resistores.
O controle dos conversores é realizado por uma unidade de controle que utiliza a
modulação por largura de pulso (PWM) para atuar no controle dos transistores (chaves),
variando o ciclo de trabalho (duty cycle) da modulação.
Figura 2.5 – Porcentagens de Duty Cycle.
Os conversores têm dois principais regimes de operação: o modo contínuo, onde
a corrente no indutor após o transitório não assume valor nulo, e o modo descontínuo de
12
operação, onde a corrente do indutor é nula durante pequenos intervalos durante o
funcionamento do conversor.
Há também a classificação entre conversores isolados e não isolados. Essa
classificação é devida, pois alguns conversores possuem transformadores que isolam os
circuitos de entrada e saída. Os conversores Buck e Boost são não isolados, enquanto os
conversores Flyback e Foward são isolados.
2.3.1 – Conversor Eletrônico Buck
O conversor eletrônico buck é também chamado de conversor step-down. Este
conversor tem como principal aplicação gerar uma tensão de saída DC de magnitude
inferior ou, no máximo, igual à tensão de entrada. Efetivamente, funciona como um
abaixador de tensão eletrônico com ótima eficiência, ou seja, com poucas perdas de
transformação e aquecimento do circuito.
Na Figura 2.6 é montado o circuito elétrico básico deste conversor.
Figura 2.6 – Conversor Step-Down ou Buck.
O funcionamento do conversor ocorre com o armazenamento e descarga da
energia do indutor L. A quantidade de energia do indutor é controlada a partir do duty
cycle (δ) do sinal PWM (Vp) aplicado no transistor (T). A dinâmica do conversor pode
ser dividida em duas etapas:
A primeira etapa ocorre quando o transistor (T) está na região de saturação,
conduzindo. Nesse momento, circula a corrente (IL) pelo indutor, a corrente (Iout) pela
carga e o indutor é magnetizado, fornecendo energia para a carga.
13
Na segunda etapa, quando o transistor (T) está em corte, o diodo (D) passa a
conduzir para ocorrer à transferência da energia de magnetização do indutor para a
carga.
Analisando o circuito, podemos concluir que a relação entre a tensão de entrada
(Vin), a tensão de saída (Vout), o duty cycle (δ) e o período da onda quadrada do PWM
(T) é [5]:
(Vin – Vout) . δ . T = – Vout . (1 – δ) . T (2.4)
Figura 2.7 – Formas de Onda do Conversor Buck para o Modo Contínuo. [5]
Então, o ganho estático G(δ) para o regime contínuo é:
G (δ) = (Vout / Vin) = δ (2.5)
Considerando que δ assume valores somente entre 0 e 1, concluímos que Vin
deve ser maior ou igual a Vout. Dessa forma, a tensão de saída sempre será igual ou uma
fração da tensão de entrada.
14
Figura 2.8 – Ganho Estático do Conversor Buck [5]
2.3.2 – Conversor Eletrônico Boost
O conversor eletrônico boost também, conhecido por conversor step-up, tem
como principal aplicação gerar uma tensão de saída DC de magnitude superior ou, no
mínimo, igual à tensão de entrada. Este foi o conversor montado e testado nesse
trabalho.
Na Figura 2.9 é ilustrado o circuito elétrico básico deste conversor.
Figura 2.9 – Conversor Step Up ou Boost
O funcionamento do conversor ocorre também com o armazenamento e descarga
da energia do indutor L. A quantidade de energia do indutor é controlada a partir do
15
duty cycle (δ) do sinal PWM (Vp) aplicado no transistor (T). A dinâmica do conversor
pode também ser dividida em duas etapas:
A primeira etapa ocorre quando o transistor (T) está conduzindo. Nesse
momento, circula a corrente (IL) pelo indutor, a corrente (Iout) na carga é fornecida pelo
capacitor (C).
Na segunda etapa, quando o transistor (T) está aberto, o diodo (D) passa a
conduzir para ocorrer à transferência da energia de magnetização do indutor para a
carga, somada à tensão de entrada (Vin). Nesse instante, a carga recebe uma tensão
maior que a da entrada.
Analisando o circuito, podemos concluir que a relação entre a tensão de entrada
(Vin), a tensão de saída (Vout), o duty cycle (δ) e o período da onda quadrada do PWM
(T) é [5]:
Vin . δ . T = (Vin – Vout) . (1 – δ) . T (2.6)
Figura 2.10 – Formas de Onda do Conversor Boost para o Modo Contínuo [5]
A partir de (2.6), o ganho estático G(δ) para o regime contínuo é:
G (δ) = (Vout / Vin) = 1 / (1 – δ) (2.7)
16
Considerando que δ assume valores somente entre 0 e 1, concluímos, dessa
forma, que Vout será sempre maior que Vin ou, no máximo, igual.
Figura 2.11 – Ganho Estático do Conversor Boost [5]
2.3.3 – Conversor Eletrônico Buck-Boost
O conversor eletrônico buck-boost também é conhecido como conversor
step down/up. Este conversor é a junção dos dois conversores anteriores. Logo, é
possível gerar uma tensão de saída DC de magnitude inferior ou superior à tensão de
entrada, bastando realizar o controle através do duty cycle do PWM. É importante
salientar que a tensão de saída (Vout) é invertida em relação à tensão na entrada (Vin).
Na Figura 2.12 é ilustrado o circuito elétrico básico deste conversor.
Figura 2.12 – Conversor Step Down/Up ou Buck-Boost
17
O funcionamento do conversor ocorre também com o armazenamento e descarga
da energia do indutor L. A quantidade de energia do indutor é controlada a partir do
duty cycle (δ) do sinal PWM (Vp) aplicado no transistor (T). A dinâmica do conversor
pode também ser dividida em duas etapas:
A primeira etapa ocorre quando o transistor (T) está conduzindo. Nesse
momento, circula a corrente (IL) pelo indutor que magnetiza a bobina.
Na segunda etapa, quando o transistor (T) está aberto, o diodo (D) passa a
conduzir para ocorrer a transferência da energia armazenada no indutor para a carga,
ocorrendo a desmagnetização do indutor.
O circuito pode ser caracterizado com relação à tensão de entrada (Vin), à tensão
de saída (Vout), ao duty cycle (δ) e ao período da onda quadrada do PWM (T) por [5]:
Vin . δ . T = – Vout . (1 – δ) . T (2.8)
Figura 2.13 – Formas de Onda do Conversor Buck-Boost no Modo Contínuo [5]
A partir de (2.8), o ganho estático G(δ) para o regime contínuo é:
G (δ) = (Vout / Vin) = – δ / (1 – δ) (2.9)
18
Considerando que δ assume valores somente entre 0 e 1, pode-se obter tensões
|Vout| ≥ Vin ou |Vout| ≤ Vin. Para termos Vout = Vin devemos ter o duty cycle em 50 %, ou
seja, δ = 0,5.
Figura 2.14 – Ganho Estático do Conversor Buck-Boost [5]
2.3.4 – Conversor Eletrônico Flyback
O conversor flyback tem um transformador de alta frequência na entrada que
assegura o isolamento elétrico entre a entrada e saída do circuito. Nesse tipo de
conversor, o controle da tensão de saída também é realizado através da variação do duty
cycle da onda quadrada que é aplicado à base do transistor de chaveamento (T). Devido
à utilização de um transformador no circuito, a relação de espiras é um novo parâmetro
de dimensionamento oferecido para, juntamente com o PWM possibilitar que esse
conversor eleve ou reduza a tensão de saída.
19
Figura 2.15 – Conversor Flyback
O funcionamento do conversor flyback ocorre, primeiramente, com o
armazenamento de energia na bobina do primário do transformador enquanto o
transistor (T) está na região de saturação, conduzindo. Devido ao enrolamento do
transformador ser em sentidos opostos, faz com o diodo (D) esteja reversamente
polarizado, não gerando corrente no secundário do transformador.
Quando o transistor (T) entrada na região de corte, o diodo (D) entra em
condução e a energia magnética armazenada no núcleo do transformador é entregue à
carga.
É importante ressaltar que neste conversor, quanto menos eficiente (“mais
imperfeito”) for o núcleo do transformador, maior será a energia armazenada nele
durante o período que o transistor estiver conduzindo. A eficiência (perfeição) do
núcleo do transformador é caracterizada pela permeabilidade magnética (μ). Quanto
menor o μ do material do núcleo do transformador, mais energia será necessária para
magnetizar o núcleo, logo mais energia será entregue para a carga.
O ganho estático do conversor flyback para o regime de operação contínua é [5]:
G (δ) = (Vout / Vin) = (Ns / Np) . (δ / (1 – δ)) (2.10)
20
Quando a relação de espiras do transformador tiver a relação 1:1, ou seja,
Np = Ns a equação de ganho estático do conversor flyback é semelhante ao do conversor
buck-boost.
Figura 2.16 – Formas de Onda do Conversor Flyback para o Modo Contínuo [5]
Não se deve esquecer que, nesse tipo de conversor, quando o transistor (T) entra
na região de corte, devido à existência do efeito indutivo dos enrolamentos das bobinas
do transformador haverá altos picos de tensão no momento de abertura do circuito.
Desta forma, é necessário cuidado na especificação dos componentes do conversor. O
transistor e o diodo devem ser dimensionados para suportar os picos de tensão e
corrente. Principalmente para o regime descontínuo, onde o pico de corrente no diodo
(D) é consideravelmente maior.
2.3.5 – Conversor Eletrônico Forward
O conversor forward tem uma estrutura elétrica parecida com a do conversor
buck a menos da isolação elétrica devido ao transformador e 2 diodos. Neste conversor,
diferentemente do conversor buck, é possível abaixar e elevar a tensão de saída (Vout)
através do dimensionamento da relação de espiras (Ns / Np) e do indutor (L)
21
Figura 2.17 – Conversor Forward
O funcionamento deste conversor segue a mesma lógica do conversor buck.
Primeiramente, quando o transistor (T) está na região de saturação, conduzindo, a
tensão de saída é Vin – VT, considerando acoplamento unitário.
Quando o transistor (T) entra na região de corte, a energia armazenada no núcleo
será descarregada através do indutor central, que polarizará diretamente o diodo (D3) e
devolverá a energia do núcleo para a fonte. Já a energia do indutor (L) circulará através
do diodo (D2).
O ganho estático do conversor forward para o regime de funcionamento
contínuo é [5]:
G (δ) = (Vout / Vin) = (Ns / Np) . (δ) (2.11)
Quando o acoplamento é unitário, Ns = Np, a função de transferência desse
conversor fica igual ao do conversor buck.
22
Figura 2.18 – Formas de Onda do Conversor Forward para o Modo Contínuo [5]
2.3.6 – Conversor Eletrônico Utilizado
Foi escolhido para ser utilizado no trabalho somente o conversor eletrônico
boost. Esse conversor realiza a tarefa necessária para possibilitar o aproveitamento da
energia dos ventos fracos, momento que a turbina tem baixa tensão de geração e
velocidade angular. Nesse cenário a característica de elevação da tensão de saída (step
up) do conversor é ideal para efetuar o carregamento da bateria e extrair a energia dos
ventos fracos promovendo o aumento de eficiência almejado. Outro fator importante
considerado foi o baixo custo de implementação e devido à característica do trabalho ser
focado somente no início da curva de geração, fez com que os outros conversores não
fossem necessários.
23
2.4 – Técnica de Rastreamento do Ponto de Máxima Potência
O ponto de máxima potência (MPP – maximum power point) nos sistemas
eólicos varia rapidamente devido à mudança de direção e intensidade dos ventos. Para
possibilitar o máximo aproveitamento da capacidade de geração eólica é necessário que
o sistema de controle opere a maior parte do tempo sobre o MPP. A técnica que realiza
a “procura” pelo MPP é conhecida como técnica de rastreamento do ponto de máxima
potência (MPPT - maximum power point tracking).
Na Figura 2.19, pode-se visualizar como identificar o ponto de máxima potência
em uma curva genérica.
Já na Figura 2.20 é demonstrada a quantidade de energia gerada por um sistema
que utiliza um equipamento que rastreie o MPPT, quando não utiliza e também
identifica os pontos da comparação.
Figura 2.19 – Gráfico de Ponto de Máxima Potência (MPP)
24
Figura 2.20 – Gráfico Sem MPPT X MPPT. Fonte: http://www.homepower.com/maximum-power-point-tracking-mppt.
As técnicas MPPT são amplamente utilizadas e existem vários métodos de
controle e estratégias de aplicação[5][6]. Os métodos variam conforme alguns critérios:
- Complexidade de implementação que impacta diretamente na capacidade de
processamento e velocidade de cálculos que a unidade de controle é capaz de realizar;
- Tipos de variáveis de controle que devem ser aquisitadas do sistema. Por
exemplo: tensão, corrente e frequência;
- Custo do sensoriamento para obtenção das variáveis de controle, por exemplo
os sensores de corrente geralmente elevam o custo do sistema;
- Velocidade de Convergência para o MPPT.
Segundo Sequel [6], em estudo comparativo entre as principais técnicas, as mais
utilizadas são:
- Método Tensão Constante (CV – Constant Voltage);
- Método Perturba e Observa (P&O – Pertubation and Observation);
- Método Condutância Incremental (IncCond – Incremental Conductance).
25
Essas 3 técnicas são consideradas as mais utilizadas por terem menor dificuldade
de implementação e complexidade de programação:
2.4.1 – Método Perturba e Observa (P&O)
Essa técnica consiste na realização de perturbação na tensão do sistema em uma
dada direção (crescendo ou diminuindo) e observar o efeito causado através da medição
de potência de saída do sistema, verificando se houve um aumento ou diminuição da
potência gerada. Caso a potência tenha aumentado, a perturbação continuará a seguir a
mesma direção até a potência parar de aumentar. Nesse momento, o sistema encontrou o
MPP e continuará a perturbar em ambos os sentidos, sempre perseguindo o MPP que
varia constantemente conforme a dinâmica das condições meteorológicas.
Nota-se que o sistema ficará oscilando em torno do MPP. Essa oscilação pode
ser manipulada variando a magnitude (variação da tensão através da porcentagem de
PWM) da perturbação aplicada ao sistema. Portanto, quanto menor for a perturbação,
menor será a oscilação em torno do MPP. Deve-se salientar que perturbações muito
“pequenas” tornam a técnica muito lenta para rastreamento do MPP.
Nessa técnica há dois parâmetros de projeto que devem ser bem escolhidos para
o bom desempenho do sistema. O primeiro é o tamanho da perturbação (ΔV). O
segundo é o período de amostragem (Ta), que corresponde ao intervalo de tempo entre
as amostragens da tensão e da corrente do sistema.
O parâmetro Ta é importante, pois quanto menor for o período de amostragem, o
controle fica mais ágil para rastrear o MPP. Porém, neste parâmetro também existe um
valor mínimo limitado pelo tempo mínimo necessário para a estabilização da tensão de
saída, evitando a instabilidade da técnica MPPT.
Na Figura 2.21 temos o fluxograma do funcionamento básico de um algoritmo
perturba e observa. A sequência lógica de operação inicia com a obtenção de uma
leitura de tensão e corrente do sistema. Assim, é calculada a potência instantânea gerada
e esse valor é comparado com a última potência calculada. Caso tenha ocorrido um
incremento na potência gerada, o algoritimo está perturbando na direção correta. Se a
potência tiver diminuído, o algoritimo deverá seguir a curva de geração no outro
sentido, invertendo a perturbação realizada anteriormente.
26
Figura 2.21 – Fluxograma Método Perturbação e Observação (P&O) [6]
2.4.2 – Método Tensão Constante (CV)
Essa técnica é principalmente utilizada em sistemas de energia renovável que
utilizam painéis fotovoltaicos devido à facilidade de implementação, baixo custo e alto
nível de segurança.
O método é baseado na análise de duas tensões do sistema e comparação com
uma tensão calculada (Vmax). A primeira tensão é a do gerador eólico (Vger) que é obtida
durante a geração de energia quando o sistema está conectado a uma carga, por
exemplo, banco de baterias ou inversor conectado a rede elétrica. A segunda variável é a
tensão de circuito aberto (Voc). Essa tensão é obtida quando o conversor boost é
desligado, “retirado do sistema”. Assim, a turbina passa a operar sem carga por um
breve instante de tempo. A operação de retirar o conversor do sistema tem duas
variáveis relacionadas a essa operação que devem ser observadas. Essas são o período
de amostragem da tensão de circuito aberto (intervalo de tempo que Voc é amostrado) e
o período de amostragem de Vger. As tensões Voc e Vmax, nos sistemas solares, tem
relação praticamente lineares mesmo sob condições de radiação e temperatura variáveis.
A tensão Vmax é calculada conforme a equação abaixo segundo Sequel [6], [7] e [8].
27
Vmax = k . Voc (2.12)
Onde k é chamado de fator de tensão. Em sistemas fotovoltaicos o valor desse fator
geralmente assume valores entre 0.7 e 0.8 [9].
O Vmax será calculado a partir da leitura de Voc, utilizando um valor de k que
deverá ser calculado de forma empírica segundo o arranjo do sistema que essa técnica
controlará. Dessa forma, a cada medição de Voc, o controlador irá calcular um erro que é
a diferença entre Vmax e Vger. Esse erro indica ao sistema de controle o que deve ser feito
na variável de controle (Vc) para se aproximar do ponto de máxima potência (MPPT).
Como a amostragem e cálculo do erro não são realizados de forma contínua, o sistema
nunca estará operando exatamente sobre o MPP. Na Figura 2.22, tem-se o fluxograma
de funcionamento do método.
Figura 2.22 – Fluxograma Método Tensão Constante (CV)
2.4.3 – Método Perturba e Observa e Tensão Constante no
Trabalho
Nesse trabalho, foi utilizado parcialmente o conceito do método de tensão
constante e o método de perturbação e observação para desenvolvimento do algoritmo
28
de controle. A estratégia de utilizar dois métodos de controle não implementados
integralmente foi devido à necessidade do trabalho de reduzir custos.
Se fosse utilizado o método perturba e observa integralmente, seria necessária a
utilização de sensores de corrente, item substancialmente oneroso para a finalidade do
projeto. Sem a utilização dos sensores de corrente o método de perturbação e
observação não poderia ser completamente implementada, porque o algoritmo não teria
informações suficientes para detectar em qual parte da curva de potência o sistema
estaria operando, impossibilitando a tomada de decisão para rastrear o MPP.
No sistema proposto no trabalho (turbina + conversor), o MPP ocorrerá onde a
derivada for positiva, conforme a Figura 2.20, nunca alcançando o lado com derivada
negativa da curva. Dessa forma, foi possível utilizar a técnica de extração de máxima
potência do método perturba e observa sem se preocupar se o algoritmo iria se perder e
ficar “preso”. Essa técnica é utilizada somente no início da geração, região que o
aerogerador é pouco eficiente. O conjunto boost é desligado quando há ventos fortes,
momento que o conversor alcança o MPP e a turbina passa a ser mais eficiente que o
conjunto (turbina + conversor).
O método de tensão constante foi necessário para identificar quando há vento
suficiente para o conversor alcançar o MPP. Identificando esse momento, o boost é
desligado, permitindo que a turbina gere energia sem o conversor, operando na região
que foi projetada para ter melhor eficiência. Dessa forma, o método de tensão constante
é utilizado parcialmente, pois somente é gerada a leitura de Voc para gerar a variável de
controle que estima que há energia disponível para a turbina alcançar a região que é
mais eficiente que o conjunto.
O cálculo do erro e a atuação no sistema que completaria a utilização do método
de tensão para chegar ao MPP não são necessários, pois o sistema já está no MPP do
conversor. Então, o método está sendo utilizado com propósito diferente do que
originalmente foi proposto. Dessa forma, é possível utilizar 2 métodos de MPPT ao
mesmo tempo para alcançar o MPP do conversor e permitir que a turbina opere na
região de máxima eficiência.
29
Capítulo 3
Placa de Controle Digital
Microprocessada
3.1 – Principais Componentes Utilizados e Cálculo de
Dimensionamento
O primeiro componente analisado para compor o projeto foi a unidade de
controle digital que seria utilizada. Havia diversas opções entre fabricantes, modelos,
frequência de funcionamento e características eletroeletrônicas diferentes.
A opção inicial foi a escolha de algum modelo de chip PIC, da Microchip, pois
já havia disponibilidade da placa de desenvolvimento/programação (Fig 3.1) que
suportasse os chips desse fabricante, licença do software de programação. Outro fator
importante considerado foi o custo muito acessível dos equipamentos e peças, grande
disponibilidade no mercado e relevante quantidade de material técnico informativo
disponível para consulta na internet (fóruns).
Figura 3.1 – Placa de Programação QL-200
Dentro da grande variedade de microcontroladores da Microchip, foi dado
preferência para os chips que possuem 2 saídas de PWM, frequência de funcionamento
30
de 20MHz, entrada analógicas com conversor analógico-digital (A/D) de 10 bits,
memória ROM adequada para 8.192 palavras de instrução e memória RAM de 368
bytes. Então, foi escolhido o PIC 16F876A que atendia a essas características para
desenvolvimento do trabalho.
Para possibilitar o acionamento do transistor (chave) do conversor boost, é
necessário que um driver realize esta operação. Para polarização do transistor (IRFZ44)
na região de saturação é necessário ter uma saída com tensão de no mínimo 10V e
idealmente 15V. As portas de saída dos microcontroladores são TTL/CMOS, ou seja,
têm tensão de saída de 5V e corrente de até 20mA. Desta forma, foi escolhido o driver
IR2104 para possibilitar a polarização do transistor na região de saturação (chave
ligada) e na região de corte (chave desligada). O IR2104 tem uma faixa de tensão de
saída que varia de 10V até 20V, e corrente de saída máxima de até 270mA.
A tensão de saída da porta foi o fator que requisitou a utilização de um driver
pois, se considerássemos somente a corrente do gate do transistor necessária para
polarização, a porta do chip seria suficiente, visto que a corrente demandada para o
chaveamento é pequena (~2 mA) segundo a equação abaixo.
Igate = Qgate . f (3.1)
Onde:
Igate é a corrente do gate do transistor
Qgate é a carga em Coulombs do gate do transistor (64 nC)
f é a frequência de chaveamento do transistor (frequência do PWM que irá
controlar o conversor boost – 25 kHz).
Durante o desenvolvimento foi utilizado um display LCD 20x4 com fundo azul
e letras brancas onde em cada linha era mostrada uma variável física ou variável de
controle. As variáveis físicas monitoradas foram: a tensão do gerador (através do pino
10 da placa de potência), a tensão de saída do conversor boost (através do pino 9 da
placa de potência), as variáveis de controle foram: o PWM do conversor boost e a
tensão de circuito aberto medida segundo a técnica de controle método de tensão
constante onde, o controle estima a potência instantânea gerada e é capaz de realizar a
tomada de decisão sobre o desligamento do conversor boost.
31
3.2 – Esquema Elétrico e Layout do Circuito Impresso
Na Figura 3.2 é demonstrado o esquemático elétrico e conexões de entrada e
saída da placa de controle. O desenho foi feito no programa EAGLE (Easy Applicable
Graphical Layout Editor), onde é possível também criar o desenho do PCB (Printed
Circuit Board – Placa de Circuito Impresso). Para realizar o roteamento da PCB, nesse
programa, é possível utilizar o método tradicional de roteamento manual ou, através do
roteamento automático.
Figura 3.2 – Esquemático da Placa de Controle
32
No roteamento automático existe uma série de parâmetros que devem ser
observados e configurados para se obter um resultado satisfatório. Alguns dos
parâmetros mais importantes que devem ser escolhidos com bastante atenção são: os
espaçamentos entre as trilhas do circuito (clearence wire-wire); o espaçamento da trilha
para as ilhas (clearence wire-pad); distância do cobre tanto de trilhas, ilhas, vias para a
borda da placa de circuito impresso (distance – copper/dimension), largura da trilha
(sizes – minimum width). Neste último, vale lembrar que normalmente se utiliza a
largura da trilha mínima aceitável para as conexões dos circuitos de controle, onde terá
menor densidade de corrente. Caso a placa contenha alguma região de potência, onde
terá maior densidade de corrente, as trilhas deverão ser aumentadas manualmente para a
largura desejada, considerando que o roteamento (caminho das trilhas) já foi definido
com uma largura de trilha menor.
Outro fator que deve ser observado, e que influi muito o resultado da etapa de
roteamento, é a arrumação dos componentes sobre a placa. O posicionamento dos
componentes deve ser feito usando o bom senso para evitar ao máximo o número de
cruzamento de trilhas. Dessa forma, o autorouter (ferramenta de roteamento automática
do EAGLE) conseguirá ter maior eficiência, realizando traçados menores e menos
complexos.
Evitar cruzamentos é de extrema importância, pois haverá casos em que uma
placa de circuito impressa bem planejada, organizada e com componentes em boa
localização, conseguirá resolver o problema de roteamento em apenas uma face de
trilha. Enquanto o mesmo circuito que não esteja otimizado nesses quesitos gerará uma
placa de circuito impresso com duas camadas de trilha ou até mais.
O desenho esquemático do circuito da placa de controle é criado de forma a
tentar otimizar a próxima etapa de posicionamento. A forma utilizada para alcançar o
melhor posicionamento foi o agrupamento dos componentes segundo as aplicações do
controlador. Cada grupo de componentes desempenha uma função e corresponde a uma
região do arquivo esquemático.
Na Figura 3.3, é demonstrado o layout dos componentes na placa de circuito
impresso sem a demonstração das trilhas.
33
Figura 3.3 – Disposição dos Componentes da Placa de Controle
Na Figura 3.4, a placa de circuito impresso contém todas as trilhas e
componentes evidenciados. As linhas em azul representam as trilhas na superfície
inferior (Bottom Layer) e as linhas em vermelho representam a superfície superior (Top
Layer), onde ficarão os componentes.
No layout da placa de controle há circunferências verdes de diferentes formas e
tamanhos. As circunferências grandes são as ilhas (pads) dos componentes. Já as
circunferências bem pequenas são chamadas de vias que tem a função de realizar a
passagem de uma superfície para outra.
Figura 3.4 – Layout da Placa de Controle
34
Na Figura 3.5, podemos ver a placa montada com todos os componentes,
segundo a finalidade desse projeto. É importante ressaltar que para otimização de custos
do projeto, essa placa controladora foi desenvolvida embarcando mais funções do que
serão utilizadas nesse trabalho. Essa prática é importante para evitar desperdícios e re-
trabalho, pois caso sejam necessários mais recursos, a placa já está construída de forma
a propiciá-los. Por exemplo: mais canais AD para medição de tensões, canais para
medição de corrente, comunicação RS-232 habilitada e outros recursos. Podemos
também conferir os detalhes das trilhas da camada superior (Top Layer) assim como as
vias em toda a extensão da placa.
Figura 3.5 – Placa de Controle Montada
35
Capítulo 4
Placa de Potência do Conversor Boost
4.1 – Principais Componentes Utilizados e Cálculo de
Dimensionamento
O projeto da placa de potência foi baseado no circuito clássico de conversor
boost como explicado na Sessão 2.3.2. Na figura 4.1, é repetido o esquemático do
conversor para, então, realizarmos a escolha dos componentes com o correto
dimensionamento.
Figura 4.1 – Conversor boost
O primeiro componente escolhido para ser analisado e compor o conversor foi a
chave T. Para a escolha da chave temos muitas tecnologias de semicondutores
controlados disponíveis. As duas principais tecnologias analisadas foram: transistores
de junção bipolar (TBJ), também conhecido como BJT – Bipolar Junction Transistor, e
transistores de efeito de campo metal óxido semicondutor (MOSFET – Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor). O primeiro fator observado foi a diferença dos
pré-requisitos para realizar o acionamento da chave utilizando a tecnologia TBJ ou
MOSFET. O acionamento do MOSFET é mais simples por ser realizado por tensão.
Dessa forma, o circuito se torna mais simples quando comparado ao circuito necessário
para acionar o TBJ por corrente.
O segundo ponto importante foi com relação às perdas de potência que ocorrem
quando as chaves estão ligadas. O TBJ possui a tensão entre coletor e emissor de
36
saturação (VCEsat) fixa que, para transistores de potência, pode ser considerada uma
queda de tensão de aproximadamente 2 V. Para realizar o cálculo da potência perdida
sobre a chave, foi estimado que o conversor funcionaria somente enquanto a turbina
estivesse gerando 10% da potência nominal. Essa proposição foi possível por considerar
que o conversor boost somente irá operar no início da geração sob ventos fracos e baixa
potência. Dessa forma, a corrente IT estimada é de 3 A e a perda, se fosse utilizado TBJ,
seria de 6 W.
Já o MOSFET tem o valor de resistência estática dreno para source ligado
(RDS(on)) fixo e para o modelo consultado para compor o projeto, tem o valor de
17,5 mΩ. A perda de potência na chave nesse caso é estimada em 0,16 W.
A última característica analisada foi a velocidade de chaveamento que seria
utilizada no conversor. Para realizar o chaveamento em 25 kHz, a tecnologia TBJ tem o
tempo de resposta maior quando comparado ao MOSFET, sendo esse um parâmetro
crítico de operação para alguns modelos de TBJ. Após a análise acima optou-se pela
utilização do MOSFET para a chave T.
O MOSFET escolhido foi o IRFZ44N, por atender a todas as demandas elétricas
para o conversor e com parâmetros limites de VDS = 55 V, IDS = 49 A e RDS(on) =
17,5 mΩ além de ser encontrado facilmente no comércio e ter baixo custo.
Para o diodo D foi escolhido um diodo rápido, o diodo schottky MBR7030. Esse
diodo atende às especificações do projeto (tensão e corrente de funcionamento do
conversor) e foi utilizado por já estar disponível no laboratório.
O IRFZ44N também foi utilizado para acionar a resistência de descarte, também
conhecido como dump load. Esse sistema é necessário para garantir a segurança e
controle de velocidade de rotação do aerogerador, caso a demanda de energia seja
menor que a produzida. Assim, as resistências são progressivamente acionadas para
estabilizar a tensão de geração e velocidade de rotação. As resistências também são
importantes para garantir a segurança em eventuais falhas de conexão e fim de vida útil
das baterias, que deixaria o gerador sem carga e livre para atingir altas velocidades.
Na placa de potência do conversor também foi utilizado um relé para funcionar
como freio automático. Ele é acionado pelo controle quando o sistema alcança tensões
acima das especificadas evitando avarias ao gerador eólico e ao banco de baterias ou
quando as resistências de descarte não são suficientes para estabilizar a velocidade de
rotação. Assim, o gerador é freado até parar e permanece durante um tempo nesse
estado até ser liberado.
37
Para terminar de especificar todos os componentes do conversor, ainda é
necessário calcular o indutor (L) mínimo para manter o conversor funcionando no modo
contínuo e o capacitor (C) mínimo para manter a tensão de saída oscilando dentro de um
limite. Foi considerada a variação de 50 mV como ideal para evitar capacitores com alta
capacitância e volumosos.
O indutor mínimo foi calculado segundo Sá [10] conforme as equações a seguir:
(4.1)
Onde:
Vc é a tensão sobre o capacitor C
Vin é a tensão de entrada do conversor (gerador eólico)
D é o ciclo de trabalho máximo do conversor (Duty Cycle)
(4.2)
Onde:
Lmin é o indutor mínimo
Ts é o período da onda quadrada aplicada na chave T
It é a corrente máxima na chave T
O indutor mínimo calculado para manter o conversor operando no modo
contínuo foi de 50,55 uH. O indutor disponível no laboratório para ser utilizado com
margem de segurança tem indutância de 274 uH.
(4.3)
38
Onde:
Cmin é o capacitor mínimo
Tdesligado é o período desligado em um ciclo (Tdesligado = Duty Cycle Off . Ts)
ΔV é variação da tensão de saída do conversor em Volts
O capacitor mínimo, calculado segundo Sá [10], para garantir oscilação menores
que 50 mV (0,36 % de ripple) na saída do conversor é de 2200 uF. O capacitor utilizado
foi de 2200 uF / 63 V.
4.2 – Esquema Elétrico e Layout do Circuito Impresso
Na Figura 4.2, tem-se o esquemático do conversor boost. O desenho do
esquemático tem como peça central o conector de comunicação com a placa de controle.
É através dessa linha de comunicação que a placa de potência é comandada para
somente atuar em momentos de baixa velocidade de vento e ser desabilitada quando o
conversor deixa de ser energeticamente vantajoso.
O conversor boost é desativado através do pino de comunicação 5, pelo sinal de
controle PWM conformado pelo driver IR 2104 da placa de controle. Devido à
utilização da tensão de saída do lado baixo (VLO - “low side output voltage”) do driver, a
lógica de controle é invertida. Assim, o conversor é desabilitado quando o sinal PWM
gerado pelo microcontrolador está em 100%, ou seja, em nível lógico 1 ou 5V.
No pino de comunicação 4, a placa de potência recebe outro sinal de controle
PWM. Esse sinal somente será gerado quando a tensão do gerador eólico (Vger)
ultrapassar o valor nominal de segurança de 14,2 V. Esse sinal de controle irá ativar o
sistema chamado de descarte de energia. O sistema de descarte tem como principais
funções a de assegurar que o aerogerador não ultrapasse a velocidade angular máxima
evitando vibrações excessivas no gerador e na torre de sustentação, estabilizar a tensão
máxima de saída do gerador em níveis seguros que não ocasionem danos ou avarias
39
permanentes nos equipamentos acoplados ao sistema de geração. Vale ressaltar que essa
situação em que o sistema tem energia em excesso pode acontecer por pelo menos três
motivos principais: o primeiro, mais óbvio, seria por haver vento muito forte, fazendo o
gerador ter alta produção de energia; a segunda possibilidade é aplicada quando o
sistema está operando de forma “offline, ou seja, conectado a um banco de baterias para
realizar o armazenamento de energia e o terceiro motivo é aplicado em sistemas
“online”, quando o aerogerador está ligado a um inversor de potência que, por sua vez,
está conectado a rede elétrica.
No caso do sistema “offline”, basta que aconteça alguma falha nas baterias para
que o gerador tenha a tensão de saída elevada além de 14,2 V. A falha pode ser de
várias naturezas como tempo de vida útil do banco de baterias ter ultrapassado (baterias
sulfatadas) ou até uma simples falha na conexão entre as baterias do banco ou mesmo
do banco de baterias com o gerador.
Figura 4.2 – Esquemático do Conversor Boost
O sistema de descarte é dimensionado para suportar a potência nominal do
aerogerador. Mas, não é desejável que um sistema de geração de energia tenha somente
um único sistema de segurança disponível para ação imediata. Desta forma, através do
pino de comunicação 8, a placa de potência recebe um sinal binário (Liga – Desliga)
40
que irá controlar um relé. O relé irá provocar um curto no aerogerador de forma a
realizar a parada rápida, quase que imediata, do rotor do gerador. Esse sistema é
chamado de freio de segurança. Esse método de frenagem não é o mais aconselhado
para o aerogerador devido a motivos elétricos por exposição dos enrolamentos a uma
corrente impulsiva de alta intensidade.
Nas linhas de comunicação 9 e 10 a placa de controle obtêm-se a tensão de saída
do conversor boost e a tensão do aerogerador, respectivamente. É através do
monitoramento dessas tensões que o algoritmo da placa de controle obtém as
informações necessárias para monitorar a geração e gerar os sinais PWM e binários para
bom funcionamento do sistema.
Na saída do conversor para os bancos de baterias, foi adicionado um sistema
limitador de tensão com diodos zener para suprimir qualquer imperfeição ou pulso de
tensão que possa ocorrer a fim de proteger os equipamentos acoplados ao sistema de
geração.
Na Figura 4.3 tem-se o layout da placa de potência boost demonstrando o
roteamento realizado com os dispositivos eletrônicos aparentes. É interessante ressaltar
nessa figura que nas trilhas de potência, onde haverá maior densidade de corrente, a
largura da trilha foi aumentada de forma a suportar a potência nominal do sistema. Já
nas trilhas de sinais, a largura da trilha pode ser reduzida de forma a facilitar o
roteamento da placa de circuito impresso.
Figura 4.3 – Layout da Placa do Conversor Boost
41
Na Figura 4.4, tem-se a placa de potência boost montada em uma bancada de
testes com alguns componentes acessórios acoplados como: o cabo flat de comunicação
com a placa controladora, o banco de baterias e um diodo emissor de luz “LED” na
saída de controle de descarte. Neste momento, estavam sendo realizados os primeiros
testes para conferência de possíveis curtos das trilhas ou nas soldas após a montagem.
Assim, o gerador nesse primeiro momento foi simulado por uma fonte de tensão
controlada que não aparece na Figura 4.4. Nesta etapa, o sistema de descarte de energia
também não está visível, porque os testes ainda estavam sendo de forma controlada.
Assim, ainda não havia necessidade desse sistema nos primeiros testes. Mas, nessa
etapa o sistema de descarte foi conferido através de um LED que, através da intensidade
do brilho, foi possível verificar a geração do sinal PWM que controla o gate do
MOSFET do sistema de descarte.
Figura 4.4 – Placa de Potência Boost Montada
42
4.3 – Confecção do Protótipo
O projeto passou por várias fases de testes em cada circuito utilizado para
compor tanto a placa de controle como a placa de potência boost. Por isso, foi
necessária a prototipagem de algumas versões antes de se obter uma versão considerada
funcional e estável. A técnica utilizada para confecção dos protótipos foi através da tinta
fotossensível a luz ultravioleta (UV). Essa técnica é simples e atualmente bem
difundida. Ela permite a confecção de placas com ótima resolução, possibilitando
espaçamento entre trilhas bem pequena e espessura também. O segredo para o sucesso
da técnica é a “calibração” do tempo de cada etapa do processo.
O processo de prototipagem se inicia com a fabricação do fotolito. O fotolito
servirá como uma máscara para a luz ultravioleta. Onde estiver preto, a luz não passará
e onde a luz ultravioleta passar, ela irá sensibilizar a tinta fotossensível. Assim, o papel
desempenhado pelo fotolito é de selecionar aonde a placa poderá ser sensibilizada.
Figura 4.5 – Fotolito Placa de Potência Boost
Os próximos passos são:
- Cortar a placa de cobre e o fotolito, conferindo se estão do mesmo tamanho;
- Aplicar a tinta fotossensível sobre a placa de cobre;
- Secar a tinta em estufa (em torno de 60ºC) por aproximadamente 8 horas;
- Expor a placa na luz ultravioleta por 15 minutos com o fotolito;
43
- Remover a tinta não sensibilizada com solução de carbonato de cálcio 2% por
15 minutos.
- Verificar se há algum curto entre as trilhas ou trilha faltando. Caso haja falta de
trilha, desenhar com caneta retroprojetora a parte faltante ou raspar o excesso.
- Finalmente, corroer no percloreto de ferro o cobre exposto. Essa etapa costuma
demorar até 15 minutos.
- Lembrar-se de, após finalizar a corrosão, verificar se restou alguma parte sem
corroer (possíveis curtos) ou da tinta ter rachado (minúsculos vãos sem cobre) e haver
trilhas em aberto.
Após essas etapas, obtemos o resultado da Figura 4.6 e restando apenas realizar
a etapa de montagem e inicio dos testes de funcionamento.
Figura 4.6 – Estágio Final da Confecção da Placa de Circuito Impresso
4.4 – Programação e Teste de Funcionamento
A programação da unidade de controle desenvolvida foi dividida em 2 principais
blocos. O algoritmo que implementa o conversor boost através da técnica de controle
perturba & observa e a técnica de controle tensão constante que determina o
desligamento do conversor.
44
Neste trabalho, foi programado um algoritmo híbrido que mescla as duas
técnicas de controle segundo as motivações descritas no item 2.4.3
O método perturba & observa permanece em funcionamento na faixa de pouco
vento para extrair o máximo de energia útil da turbina. Entende-se como energia útil
somente o que efetivamente é entregue para a bateria, ou seja, realiza o carregamento da
bateria com tensão constante em 13,8 V e corrente variável com o maior valor possível
de forma que não seja extraído completamente o momento de inércia da turbina. O
algoritmo permanece enquanto a tensão do gerador (Vger) estiver entre 6,0 V e 11,5 V.
Nesse intervalo o conversor boost está ativo, fazendo com que a tensão de geração seja
elevada para a tensão de carga da bateria (13,8 V) e convertendo uma pequena
quantidade de energia que não seria aproveitada para efetuar o carregamento da bateria
por estar abaixo da tensão de carga.
O algoritmo que implementa a função boost é simples. O ciclo de trabalho do
conversor boost é alterado de 1% em 1%. Quando a tensão do gerador estiver entre 7,5
V e 11,5 V o ciclo de trabalho é aumentado até o limite de 30%. Enquanto a tensão
estiver entre 6,0 V e 7,5 V a função boost não altera o ciclo de trabalho, mantendo o
sistema no modo BOOST ON. Se Vger diminuir abaixo de 6,0 V, o ciclo de trabalho
será decrementado gradualmente para tentar manter Vger na faixa do sistema operando
no modo BOOST ON. Caso não obtenha êxito o ciclo de trabalho, o ciclo de trabalho é
reduzido a 0% e o sistema entra no modo OCIOSO.
Nas figuras 4.7 e 4.8 o fluxograma completo de funcionamento do sistema é
descrito.
45
Figura 4.7 – Fluxograma do Sistema de Controle – ½
A rotina que implementa o algoritmo perturba e observa (P&O) e função boost
[Apêndice A] foram descritas utilizando macros para simplificar o código e torná-lo
mais ágil para eventuais mudanças de valores dos parâmetros. Os nomes usados nas
macros estão no fluxograma das Figuras 4.7 e 4.8.
46
Figura 4.8 – Fluxograma do Sistema de Controle – 2/2
O método de tensão constante foi necessário para gerar a variável que informa
ao controle que a turbina possui quantidade de movimento suficiente para gerar energia
capaz de carregar a bateria, sendo a partir desse ponto energeticamente mais eficiente
que o conversor boost.
Na Figura 4.9 e 4.10 mostra o protótipo após a aplicação de engenharia de
produto para simplificar a montagem e torná-lo visualmente mais confortável. Esse
pode ser considerado um cabeça de série que ainda deverá ser submetido a testes reais
de operação em campo
Sim Não
47
Figura 4.9 – Visão Frontal do Controlador
Figura 4.10 – Visão Interna do Controlador
Durante o desenvolvimento foram realizados vários testes em bancada no
laboratório. A verificação do funcionamento “real” do sistema foi realizada com o
auxílio de um túnel de vento. Os dados obtidos são o mais próximo possível da
realidade, pois submete a turbina e controlador as condições de funcionamento mais
semelhantes ao do campo, exceto pela dinâmica das velocidades de vento.
Figura 4.4.4 – Túnel de Vento
48
Capítulo 5
Resultados
O sistema eletrônico desenvolvido, composto pela placa de controle e pela placa
de potência boost, é capaz de realizar o acompanhamento integral da geração eólica de
uma turbina modelo Notus de 350W. Dessa forma, almejamos ter como resultado do
projeto um controlador eletrônico de turbina eólica otimizado para operar em um
intervalo maior de velocidades de vento, conferindo, assim, maior eficiência energética
ao sistema quando comparado a um sistema de controle simples (sem conversores
eletrônicos).
Foram realizadas várias seções de testes até ser alcançada a versão final. O
projeto passou por 4 versões que tiveram alterações estruturais no circuito eletrônico da
placa de potência boost e 9 versões na placa de controle. É interessante frisar que
somente na quarta versão da placa de controle foi consolidado que esta era uma versão
estável. Assim, somente nessa versão é que foi solicitada a confecção do circuito
impresso em fábrica especializada. As versões anteriores foram prototipadas de forma
mais econômica, utilizando o método descrito no Capítulo 4.
Nas figuras e tabelas abaixo, temos os principais dados, mais conclusivos e
otimizados que foram obtidos ao longo do trabalho. Neles poderemos notar claramente
como uma das variáveis de controle, obtidas através dos métodos apresentados
anteriormente, interfere na dinâmica de funcionamento do gerador eólico.
Na Figura 5.1, tem-se o gráfico dos dados da Tabela 5.1 que foram obtidos
utilizando a última versão do controlador em uma turbina projetada para ter eficiência
mediana. A eficiência da turbina A é classificada como mediana, pois tem eficiência
regular em ventos fracos e fortes.
Tabela 5.1 – Tabela com os Dados do Teste da Turbina A
49
Figura 5.1 – Gráfico Comparativo para Turbina A entre o Controlador Com e
Sem o Conversor Boost
Nesse teste com a Turbina A não foi necessário submeter o sistema a
velocidades maiores, pois rapidamente foi identificado que o conversor boost não estava
proporcionando nenhuma melhora na quantidade de energia gerada versus velocidade
do vento para esse enrolamento do estator da turbina.
Mediante esse resultado, foi necessário o aprimoramento da turbina eólica para
que a dinâmica de geração fosse alterada de forma a obtermos um gerador que tivesse
rendimento pior em baixas velocidades de vento. Quando pioramos a eficiência do
gerador para ventos fracos, obtivemos uma dinâmica melhor na geração de energia em
alta velocidade. Desta forma, seguindo esse objetivo, a Turbina B desenvolvida tem
baixa eficiência para ventos fracos e ótima eficiência para ventos fortes. Esse
comportamento é muito desejado, pois uma das maiores característica que o conversor
boost pode realizar no sistema é a aumentar a eficiência em ventos fracos, recuperando
eletronicamente a eficiência perdida devido às características físicas dos enrolamentos
do estator na construção da turbina eólica.
.Na Tabela 5.2, tem-se os dados do teste realizado com a Turbina B e na Figura
5.2, o gráfico comparativo do sistema com e sem o conversor boost.
50
Tabela 5.2 – Tabela com os Dados do Teste 1 da Turbina B
Figura 5.2 – Gráfico Comparativo para Turbina B no Teste 1 entre o
Controlador Com e Sem o Conversor Boost
Nos testes realizados com a Turbina B, foram obtidos resultados
expressivamente melhores que com a Turbina A. Nesse teste já foi possível submeter à
turbina a velocidade mais elevada no túnel de vento. Na Figura 5.2, podemos observar
de forma bem evidente que a curva de geração com o conversor boost foi deslocada de
51
forma a iniciar a geração de energia antecipadamente, quando comparado com a curva
de geração que não utiliza o conversor.
Agora, quando realizamos a comparação entre a curva de geração com o
conversor boost da Turbina B com a curva de geração sem o conversor da Turbina A,
podemos observar que elas estão muito próximas. A proximidade dessas duas curvas
indica, graficamente, que o conversor boost conseguiu recuperar a eficiência perdida
devido à troca por uma turbina com pouco rendimento em baixa velocidade de vento
(início da geração). Na Figura 5.3, tem-se as duas curvas acima descritas plotadas em
um mesmo gráfico, juntamente com uma terceira curva que é da Turbina B sem o
conversor boost. Assim, tendo no gráfico uma curva com uma turbina com bom
rendimento em baixa velocidade (Turbina A), uma com baixo rendimento (Turbina B
sem boost) e uma com rendimento intermediário (Turbina B com boost).
Figura 5.3 – Gráfico Comparativo entre a Turbina A sem boost e a Turbina B
com e sem boost
Na curva da Turbina B com o conversor boost também é possível observar a
importância e atuação da variável de controle responsável por realizar o desligamento
do conversor. O parâmetro utilizado para saber o momento correto de efetuar a retirada
do conversor na geração da turbina foi gerado através do método de controle Tensão
Constante. Desse modo, foram realizados alguns testes de forma empírica através da
52
observação do comportamento da turbina ao ser desligado o conversor, até serem
obtidos os dados abaixo.
Tabela 5.3 – Tabela com os Dados do Teste 2 da Turbina B
Figura 5.4 – Gráfico Comparativo para Turbina B no Teste 2 entre o
Controlador Com e Sem o Conversor Boost
Na Figura 5.4, observamos que o desligamento do conversor ocorreu de forma
suave sem gerar perdas para o sistema de forma a prejudicar a eficiência do gerador. É
importante ressaltar que após o desligamento do conversor, no caso da Turbina B,
iremos gerar mais energia com ventos forte quando comparado a Turbina A. Assim,
53
teremos um conjunto que gera energia quase tão eficiente como uma turbina otimizada
para baixa velocidade e que tem como contrapartida gerar energia de forma eficiente em
alta velocidade, pois essa é uma turbina construída para ter rendimento ótimo em alta
velocidade. Dessa forma, a associação da turbina projetada corretamente com o
conversor boost proporcionou a obtenção de um sistema final com maior eficiência
energética quando comparado ao sistema tradicional (turbina sem conversor). O
conjunto desenvolvido é eficiente para uma gama maior de velocidades de vento.
Os sinais do sistema monitorados durante o desenvolvimento do trabalho foram
a tensão de entrada do gerador eólico, a tensão e o ripple de saída do conversor boost, o
PWM do conversor boost, a corrente no indutor. Na Figura 5.5, foi obtida a tensão de
entrada do gerador para um determinado instante em que o conversor estava ativo.
Nesta figura fica evidenciado que o conversor boost está realizando a função de
elevador de tensão, pois a tensão de entrada do gerador eólico, em azul, está em 9,50 V
e a tensão de saída do boost, em vermelho, está em 13,8 V.
Figura 5.5 – Tensão de Entrada (Gerador) x Tensão de Saída (Conversor Boost)
O sinal da Figura 5.6 é o ciclo de trabalho máximo do conversor boost
como descrito no Capítulo 4.4. O valor de PWM máximo do conversor,
inicialmente, foi limitado em 90%. Após vários testes, a limitação máxima
passou a ser de 30%, pois somente dessa forma é possível permitir que o sistema
evolua para o segundo momento em que a turbina gera energia sem o conversor.
54
Figura 5.6 – PWM do Conversor Boost no Microcontrolador
A tensão de saída do conversor boost, Figura 5.7, foi obtida quando
operava próximo da corrente máxima de 3 A e PWM de 30% Nessas condições
o percentual de ripple da tensão de saída pode ser calculado segunda a equação
5.2:
(5.1)
Onde:
Vpp é a tensão de pico a pico
(5.2)
Onde:
Vout é a tensão de saída do conversor
55
Figura 5.7 – Ripple da Tensão de Saída do Conversor Boost
Devido à tensão de saída do conversor ser proveniente do chaveamento
do MOSFET, o ripple é composto por vários harmônicos, não tendo a forma de
ripple mais conhecida (em um retificador de onda completa). Dessa forma, a
Vpp estimada foi de 16 mV, que representa 0,10% de ripple na saída,
permanecendo, assim, abaixo do 0,36 % calculado teoricamente.
A forma de onda da variação da corrente no indutor, Figura 5.8, foi
medida utilizando uma ponteira de corrente na escala de 1 mV por 10 mA. O
conversor boost ficou funcionando no modo contínuo, como desejado, e teve
variação de corrente de 0,6 A, equivalente a 20%. Conforme [11] a variação
aceitável para a corrente no indutor do conversor boost é de 20% até 40%.
Figura 5.8 – Forma de Onda da Variação da Corrente no Indutor
56
Capítulo 6
Conclusão e Trabalhos Futuros
Os objetivos propostos para o trabalho foram alcançados e conclui-se que:
O hardware de controle desenvolvido funcionou corretamente em todas as
etapas de funcionamento do sistema, sem apresentar travamentos ou
reinicializações;
A placa de potência do conversor boost foi desenvolvida com sucesso, pois não
apresentou nenhum tipo de falha, mau funcionamento ou aquecimento durante
os testes;
Os parâmetros utilizados para controlar o sistema demonstraram ser suficientes e
eficientes, confirmando a viabilidade da geração das variáveis de controle pela
associação dos métodos perturba e observa e tensão constante;
A obtenção do controle para turbina eólica de pequeno porte de baixo custo
capaz de operar tanto em regimes de ventos fracos com em ventos fortes.
Esse projeto pode ser complementado com estudos de desenvolvimento de um
conversor DC-DC boost que funcione com capacitores ao invés de indutores. Essa
alteração estrutural eletrônica teria como principais objetivos a redução de custos,
simplificação da montagem, pois não será necessária a confecção de indutores. Outro
aspecto almejado seria que o conversor a capacitor tenha a mesma eficiência ou, se
possível, eficiência maior que a do conversor com indutores.
Além dos aperfeiçoamentos que podem ser realizados na parte eletrônica,
durante o andamento do projeto e principalmente na fase de testes, há indícios (por parte
do fabricante da turbina) que seja possível desenvolver um arranjo de turbina que
forneça resultados ainda melhores que os obtidos.
Outra melhoria que pode ser considerada significativa para o sistema é a
possibilidade de construção de um retificador ativo. A vantagem da utilização desse
retificador no lugar do realizado com pontes retificadoras de diodos é a redução do nível
de ruído emitido pela turbina durante o processo de geração. Assim, o ruído final do
57
sistema seria praticamente somente o emitido pelas pás do gerador devido à velocidade
de deslocamento de ar.
58
Bibliografia
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Brasil.
[2] ORLANDO, N.A., LISERRE, M., MONOPOLI, V.G., MASTROMAURO, R.A.
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Electronics 2008, pp. 2359-2364.
[3] MUYEEN, S.M., TAKAHASHI, R., MURATA, T. and TAMURA, J., 2009.
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Transactions on Energy Conversion, 24(3), pp. 740-749.
[4] CAMPOS, Fábio Galízia Ribeiro de. Geração de energia a partir de fonte eólica
com gerador assíncrono conectado a conversor estático duplo. 2004. Dissertação
(Mestrado em Sistemas de Potência) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo,
São Paulo, 2004
[5] ANICETO, José Manuel Antunes, 2010. Conversor DC-DC com busca de ponto de
potência máxima (MPPT) para painés solares. Dissertação (Mestrado em Engenharia
Eletrotécnica) – Universidade Nova de Lisboa, Lisboa, 2010.
[6] SEQUEL, Julio Igor López, 2009 Projeto de um sistema fotovoltáico autônomo de
suprimento de energia usando técnica MPPT e controle digital. Dissertação (Mestrado
em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Minas Gerais
[7] T. Esran e P. L. Chapman, 2007 Comparison of photovoltaic array maximum power
point tracking techniques. IEEE Transactions on Energy Conversion, vol 22, no. 2, pp.
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[8] Y. M. Tung, A. P. Hu, N. K. Nair, 2006 Evolution of micro controller based
maximum power point tracking methods using dSPACE plataform. Power Engineering
Conference – Australian University
[9] D.T. Ojima and W. komatsu, 2008 A MPPT algorithm implementation using FPGA
for an experimental PV system. 9th
Brazilian Power Electronics Conference, pp 672-
675.
[10] Sá de R. M. F., 2008 Circuito de Interface para Ligação de Painel Fotovoltáico a
Cargas. Dissertação (Mestrado em Eletrônica de Potência) – Universidade do Minho –
Portugal
[11] Ivo Barbi e Denizar Cruz Martins, 2008 Conversores CC-CC Básico Não-Isolados
. Eletrônica de Potência – Edição do Autor, 377 pag.
59
Apêndice A
Programação da Função Boost
Rotina para chamada da função boost:
if((tensao_gerador < TENSAO_DEC_BOOST) || ((tensao_gerador <
TENSAO_MAXIMA_BOOST) && (tensao_gerador > TENSAO_MINIMA_BOOST))
&& (!flag_trava_boost))
func_boost();
Rotina da função boost:
int func_boost()
if(tensao_gerador < TENSAO_DEC_BOOST)
if(duty_cycle_boost != BOOST_DUTY_CYCLE_MIN) // diferente de zero
duty_cycle_boost--;
if((TENSAO_MINIMA_BOOST < tensao_gerador) && (tensao_gerador <
TENSAO_MAXIMA_BOOST))
flag_status = 2; // BOOST ON
if(duty_cycle_boost <= BOOST_DUTY_CYCLE_MAX)
duty_cycle_boost++;
Pwm2_Change_Duty(255 - duty_cycle_boost);
// Lógica invertida devido a utilização do driver IR2104, VLo (low side output voltage)
return(0);
60
Apêndice B
Programação do Método de Tensão
Constante
Rotina que implementa o algoritmo de controle tensão constante:
If ((contador_testa_boost == TEMPO_ABRE_CIRCUITO) && (duty_cycle_boost))
// Abre o circuito a cada tempo da macro ABRE CIRCUITO, caso o boost esteja ligado,
ou seja, a variável duty_cycle_boost é diferente de zero.
Pwm2_Change_Duty(255);
// Desliga o conversor boost. Devido à utilização do driver IR2104 (Lo) para fazer o
PWM ser de 0%, deve-se selecionar o valor 255 para o comando. A lógica é invertida.
Delay_ms(10);
// tempo para a tensão de circuito aberto subir e ser possível estimar se a turbina tem
inércia suficiente para ultrapassar a região em que o conversor é mais eficiente que a
turbina sem o conversor.
func_mede_tensao_gerador();
// função que realiza a medição da tensão do gerador
if(tensao_gerador > TENSAO_DESLIGA_BOOST)
// Estima se o gerador tem inércia suficiente (energia) para desligar o conversor boost.
Se tiver entra na função para efetuar o desligamento progressivo do conversor senão
restaura o PWM que estava em funcionamento
if(duty_cycle_boost >= 13) // Evita duty cycle negativo
duty_cycle_boost = (duty_cycle_boost - 13);
// Diminui a variável que controla o PWM progressivamente, de 5% em 5%
else
duty_cycle_boost = 0;
61
Pwm2_Change_Duty(255 - duty_cycle_boost); // Altera o PWM, 5% menor
flag_trava_boost = 1; // Ativa o travamento da função boost
if(duty_cycle_boost == 0)
flag_trava_boost = 0; // Libera o acesso da função boost para a próxima
vez
else
Pwm2_Change_Duty(255 - duty_cycle_boost); // restaura o duty cycle sem alterar
flag_trava_boost = 0; //Redundância para segurança. Libera o acesso a função boost
contador_testa_boost = 0;
