Conversor Elétrico para o Gerador Eólico de Baixo Custo

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1 Ministério da Educação Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná Departamento Acadêmico de Eletrotécnica Projeto Final de Graduação Conversor Elétrico para o Gerador Eólico de Baixo Custo Projeto Final de Graduação FLÁVIO LUIZ MOSKO HUGO REIS DE OLIVEIRA RIBAS LÚCIO FABIANO RAMOS CURITIBA 2004

2 FLÁVIO LUIZ MOSKO HUGO REIS DE OLIVEIRA RIBAS LÚCIO FABIANO RAMOS Conversor Elétrico para o Gerador Eólico de Baixo Custo Projeto Final de Graduação Projeto Final de Graduação do Curso de Engenharia Industrial Elétrica ênfase Eletrotécnica do Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná, apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista, orientado pelo Prof. Dr. Antonio Carlos Pinho CURITIBA 2004

3 Dedicamos às nossas famílias, pelo apoio e compreensão durante o projeto e todo o decorrer da Faculdade. Márcia, Kaiana e Nicolas. Joel e Cida. Gizele, Gabriel e Guilherme.

4 Agradecemos Aos senhores Hans e Alencar, pela estrutura dos testes. A Evilásia e Leandro, pela grande ajuda e incentivo nos testes. A Funcefet, pelos recursos financeiros fornecidos. Às empresas COPEL e KRAFT, pelo empréstimo dos equipamentos de testes. Aos departamentos de Eletrotécnica, Eletrônica e Mecânica, pelo apoio e infra-estrutura disponibilizados. Ao professor orientador Pinho, pelo apoio e acompanhamento do projeto. Aos amigos Elton, Ronaldo, Bruno, Vanessa e todos os outros, pela grande ajuda.

5 SUMÁRIO ÍNDICE DE FIGURAS... 7 ÍNDICE DE TABELAS E QUADROS RESUMO INTRODUÇÃO JUSTIFICATIVA OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos METODOLOGIA REFERENCIAL TEÓRICO POTENCIAL EÓLIO - ELÉTRICO ESTIMADO GERADOR EÓLICO DE BAIXO CUSTO Detalhes Construtivos Ensaios Realizados TÓPICOS DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Dispositivos Semicondutores de Potência Retificador Inversor BATERIAS Função Básica da Bateria ou Acumulador de Energia Breve Resumo Histórico Estrutura de uma Célula Acumuladora Princípio de Operação Tecnologias Capacidade Nominal da Bateria Carga da Bateria Ciclo de Operação e Vida Útil Implicações Ambientais CONTROLADOR DE CARGA Características Gerais METODOLOGIA PROJETO DOS CIRCUITOS... 61

6 4.1 RETIFICADOR CONTROLADOR DE CARGA INVERSOR CONVERSOR EÓLICO ELÉTRICO TESTES E RESULTADOS TESTES DE LABORATÓRIO TESTES DE CAMPO Montagem do gerador Resultados do Teste de Campo CONCLUSÕES REFERÊNCIAS ANEXO

7 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 01 Atlas Eólico do Brasil (dados preliminares de 1998) Figura 02 Potencial eólico estimado para vento médio anual igual ou superior a 7,0 m/s Figura 03 Vista explodida do Protótipo Figura 04 Materiais utilizados Figura 05 Disco metálico para acoplamento entres os discos de freios Figura 06 Colagem dos imãs Figura 07 Bobina...24 Figura 08 Posição dos imãs e das bobinas Figura 09 Ensaio no Protótipo Figura 10 Esquema de montagem Figura 11 Gráfico da Potência x Corrente Figura 12 Gráfico da Potência x Tensão Figura 13 Gráfico da Potência x Rotação Figura 14 Valores de tensão, corrente e velocidade em plena carga Figura 15 Controle da carga através de uma chave Figura 16 Conversor eólico elétrico proposto Figura 17 Estrutura, símbolo e curva característica de tensão x corrente do diodo Figura 18 Estrutura, símbolo e curva característica tensão x corrente do transistor Figura 19 Conexão Darlington entre dois transistores Figura 20 Símbolo e curva característica de um MOSFET Figura 21 Símbolo e curva característica do IGBT Figura 22 Símbolo e curva característica do SCR Figura 23 Símbolo e curva característica do triac Figura 24 Símbolo e curva característica do GTO Figura 25 Símbolo e curva característica do MCT Figura 26 Gráfico comparativo entre as chaves semicondutoras Figura 27 Retificador de meia onda Figura 28 Retificador de onda completa... 44

8 Figura 29 Retificador de onda completa em ponte Figura 30 Circuito básico de um inversor Figura 31 Tensão de saída do inversor Figura 32 Inversor monofásico de fonte de tensão em ponte completa Figura 33 Exemplos de modulação PWM Figura 34 Padrão de modulação PWM senoidal Figura 35 Estrutura Básica de uma Célula Figura 36 Fluxo de elétrons e íons para descarga e carregamento Figura 37 Regime Tensão Constante Figura 38 Circuito em blocos Figura 39 Circuito do retificador Figura 40 Funcionamento do circuito retificador Figura 41 Circuito do controlador de carga Figura 42 Circuito do inversor Figura 43 Função dos transistores Figura 44 Semiciclo positivo de saída Figura 45 Semiciclo negativo de saída Figura 46 Teste com o circuito do inversor Figura 47 Forma de onda na saída do inversor Figura 48 Acoplamento dos estágios com chaves Figura 49 Circuitos de sistemas ininterruptos de fornecimento de energia Figura 50 Fotos do circuito do conversor eólico-elétrico sob testes Figura 51 Circuito completo do conversor eólico-elétrico Figura 52 Acoplamento do gerador com o motor de indução para as simulações Figura 53 Montagem do circuito no laboratório Figura 54 Gerador em campo Figura 55 Equipamentos de medição, conversor elétrico e bateria sob carga Figura 56 Ligação original das bobinas 3 ramos paralelos Figura 57 Ligação modificada das bobinas 2 ramos paralelos Figura 58 Gráfico de tensões Vrms e Vmáx em função da rotação no eixo do Gerador Figura 59 Gráfico potência carga bateria x rotação Figura 60 Local de montagem... 80

9 Figura 61 Estrutura de montagem do gerador Figura 62 Gerador montado com pás de madeira Figura 63 Gerador parado com corda para início de giro Figura 64 Detalhe do logger Figura 65 Protótipo 1 montado Figura 66 Gráfico das Tensões Vrms e Vmáx com a variação da rotação Figura 67 Variação da rotação em função do vento Figura 68 Potência entregue à bateria durante o carregamento em campo Figura 69 Gráfico de potências... 89

10 ÍNDICE DE TABELAS E QUADROS Tabela 01 Valores de corrente, tensão e potência Tabela 02 Valores de rotação e potência Tabela 03 Algumas aplicações de eletrônica de potência Tabela 04 Quatro estados de saída do inversor Tabela 05 Variação da vida útil com acréscimo da temperatura Tabela 06 Valores de simulação sem carga Tabela 07 Simulação carga bateria Tabela 08 Valores de tensão em função da rotação, sem carga Tabela 09 Carga da bateria com variação do vento Tabela 10 Carga bateria e alimentação de carga pelo inversor Quadro 01 Potencial eólico-elétrico estimado do Brasil, calculado por integração de áreas nos mapas temáticos a partir das premissas apresentadas... 19

11 RESUMO Este trabalho tem como objetivo demonstrar as atividades desenvolvidas pela equipe de projeto final de graduação de Engenharia Industrial Elétrica durante o projeto e construção de um conversor elétrico para o gerador eólico de baixo custo. O conversor desenvolvido tem a função de alimentar cargas em corrente alternada (CA) e carregar baterias. Como a fonte é um gerador eólico, a energia fornecida não pode ser diretamente utilizada, pois depende do regime dos ventos, portanto a utilização do conversor é de vital importância. Após montado, o conjunto conversor-gerador foi submetido a testes de laboratório e campo, onde foi verificado seu funcionamento e coletados todos os dados comportamentais necessários para o estudo. A análise dos resultados obtidos durante os testes, mostra que este projeto obteve sucesso em situação real e pode ser utilizado para alimentar cargas domésticas.

12 12 1 INTRODUÇÃO Atualmente no Brasil, existe a necessidade de sério planejamento para aumentar a capacidade de oferta de energia elétrica, para que se possa buscar crescimento econômico, sem deixar de lado as questões ambientais, no que se refere a grandes impactos, como no caso de construção de hidrelétricas e termoelétricas. Algumas alternativas em estudo são a concepção de plantas de geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis com baixos impactos ambientais, dentre elas a geração eólica, ou seja, a utilização da energia dos ventos, assunto a ser tratado neste trabalho acadêmico. Como forma de iniciar estudos neste segmento, no 2º semestre de 2002 uma equipe de projeto final de graduação em engenharia elétrica apresentou estudos e um protótipo montado de um gerador eólico de baixo custo, no qual foram bem sucedidos. Neste momento assume-se a seqüência dos estudos sobre o mesmo protótipo, cientes de que o conjunto eletromagnético já está finalizado. Cabe ao grupo, portanto, pesquisar outro assunto de grande relevância técnica à concepção final de um gerador eólico utilizável. Buscar solução para questões importantes, como tornar sua energia utilizável, através de carregamento de baterias, deixar a tensão e a freqüência fixas para alimentar cargas domésticas, pois como o protótipo se encontra, estes parâmetros oscilam. Solucionadas estas questões, o gerador se tornará de uso prático, o que não ocorre hoje. 1.1 JUSTIFICATIVA Conforme pesquisas eólicas já realizadas, o potencial de geração eólica no Brasil pode ser explorado até um nível de 143,5 GW (AMARANTE, 2001). Dar-se-á início a um estudo de novas tecnologias para que se possa começar a explorar cada vez mais esse gigantesco potencial energético, pois hoje a capacidade instalada nacional é de 83 GW, predominantemente hidráulica.

13 13 O fato de a geração eólica ser ainda nova, como fonte de energia elétrica, faz com que em nosso país o conhecimento ou sistemas desenvolvidos sejam ainda escassos. Isto se torna para nós um fator motivador para o desenvolvimento deste trabalho acadêmico, que poderá contribuir para desenvolvimento de tecnologia nacional. Havendo a possibilidade de implantação de unidades ou parques de geração de energia elétrica a partir dos ventos, em locais remotos de proteção ambiental e comunidades carentes, é possível prever que o domínio e difusão desta tecnologia podem oferecer contribuições sociais relevantes, ajudando no processo da universalização da energia elétrica. Observando acontecimentos e noticiários atuais, pode-se constatar que há interesses políticos, econômicos e ambientais para que se abra espaço na atual matriz energética nacional para outras formas de geração de energia elétrica, mais limpas e renováveis, o que torna o desenvolvimento da geração eólica bastante atraente do ponto de vista ambiental e potencial gerador de empregos e renda, pois há possibilidade de vir a ser um ramo bastante explorado industrialmente no futuro, conforme texto do Proinfa, Programa de Incentivo a Fontes Alternativas de Energia, lei federal /2002 (ANEEL,2003). 1.2 OBJETIVOS Objetivo Geral Projetar e construir um protótipo de conversor elétrico para o gerador eólico de baixo custo, que converte a energia eólica em elétrica, utilizável para consumo e carregamento de bateria, e em seguida submeter o conjunto a ensaios de laboratório e testes de campo Objetivos Específicos Estudar o material sobre o gerador já construído, analisando como foi seu desempenho em aspectos que sejam importantes para o estudo, como comportamentos de tensão e freqüência relacionados com variação de rotação.

14 14 Buscar material bibliográfico para a pesquisa que deve ser feita, com as fontes mais adequadas, preferencialmente as indicadas por especialistas consultados pela equipe. Projetar as estruturas internas do conversor, de forma a discutir arranjos de circuitos, características de componentes, e o que esperar de tal solução. Consultar fabricantes e obter informações com pessoas ligadas à área. Utilizar durante o desenvolvimento do projeto programas que simulem circuitos elétricos em computadores, pois podem adiantar possíveis resultados. O conversor é um sistema eletro-eletrônico ligado ao gerador e permite que na sua saída sejam utilizadas cargas reais, que operam com parâmetros de tensão e freqüência normalizados, 127 Vca - 60 Hz, respectivamente. Desenvolver estruturas responsáveis pela retificação do sinal coletado do gerador, controle de carga/descarga de baterias e inversão CC/CA. Acoplar o conversor ao gerador, alimentar cargas elétricas a partir do conjunto e carregar baterias. Montar os circuitos escolhidos, previamente definidos como mais adequados visando uma boa relação de custo-benefício e desempenho, prezando também pela qualidade na confecção das placas de circuito impresso. Ensaiar os circuitos em bancadas de laboratório do CEFET-PR, e fazer coleta de dados para analisar seus resultados. Montar o conjunto gerador eólico e conversor elétrico para possibilitar simulações também em laboratório. Escolher um local para testes de campo do conjunto e montar em torre para os testes de campo. Coletar dados e fazer nova análise de resultados. 1.3 METODOLOGIA Compreendendo o projeto final da equipe que montou o protótipo do gerador, sempre com foco nos dados mais relevantes para o conversor elétrico, como comportamento de curvas de desempenho de tensão e freqüência variando a rotação. Estudando o material bibliográfico teórico que permitam idéias de arranjos de circuitos, buscando informações de fabricantes de componentes elétrico-eletrônicos,

15 15 para o desenvolvimento de um projeto com boa confiabilidade, robustez e custos reduzidos. Projetando um circuito eletrônico de retificação, de controle de carga de baterias e inversão, para isso utilizando como recurso programas de simulação. Com isto evitando possíveis gastos com recursos desnecessários. Decidindo o projeto a ser escolhido, com auxílio sempre constante do orientador e possíveis co-orientadores. Estampando placas de circuito impresso, e adquirindo componentes no mercado varejista local de componentes eletrônicos, e assim montando as placas em laboratórios do CEFET-PR. Ensaiando os circuitos, utilizando aparelhos específicos e adequados para coletar dados e analisando formas de onda resultantes. Estudando locais para testes de campo, em função de ventos, altitude, custos de montagem de transporte. Montando uma estrutura com tubo metálico, para submeter o conjunto gerador eólico mais conversor elétrico a testes de campo. Fazendo a coleta de dados do comportamento do conversor e comparando os resultados com os esperados da fase de projeto. Realizando reuniões semanais entre componentes da equipe e orientador, e outras pessoas que possam ser úteis e se disponham a contribuir com o projeto.

16 16 2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 POTENCIAL EÓLIO - ELÉTRICO ESTIMADO Embora ainda haja divergências entre especialistas e instituições na estimativa do potencial eólico brasileiro, vários estudos indicam valores consideráveis. Até poucos anos, as estimativas eram da ordem de MW. Hoje a maioria dos estudos indica valores maiores que MW. A razão dessas divergências decorre principalmente da falta de informação (dados de superfície) e às diferentes metodologias empregadas. Segundo os dados do Atlas Eólico Brasileiro, o potencial eólico brasileiro é da ordem de MW. Os diversos levantamentos e estudos realizados e em andamento (locais, regionais e nacionais) têm dado suporte e motivado a exploração comercial da energia eólica no país. Os primeiros estudos foram feitos na Região Nordeste, principalmente no Ceará e em Pernambuco. Com o apoio da ANEEL e do Ministério de Ciência e Tecnologia MCT, o Centro Brasileiro de Energia Eólica CBEE, da Universidade Federal de Pernambuco UFPE, publicou em 1998 a primeira versão do Atlas Eólico da Região Nordeste. Com o auxílio de modelos atmosféricos e simulações computacionais, foram feitas estimativas para todo o país, dando origem a uma versão preliminar do Atlas Eólico Brasileiro como pode ser visto na figura 01 (AMARANTE, 2001).

17 17 Figura 01 Atlas Eólico do Brasil (dados preliminares de 1998) Fonte: AMARANTE, O Atlas apresenta as condições médias anuais de vento para todo o território brasileiro na resolução de 1km x 1km. Por meio da integração dos mapas digitais, utilizando-se recursos de geoprocessamento e cálculos de desempenho e produção de energia elétrica a

18 18 partir de curvas de potência de turbinas eólicas existentes no mercado, chegou-se aos valores listados no quadro 01. Esse processo indicativo foi realizado considerando-se as seguintes premissas: Foram integradas todas as áreas que apresentaram velocidades médias anuais iguais ou superiores a 6 m/s. Foram consideradas curvas médias de desempenho de turbinas eólicas no estado-da-arte mundial, instaladas em torres de 50m de altura. Para essa estimativa, foi utilizada uma densidade média de ocupação de terreno de apenas 2 MW/km 2. Esse valor é considerado conservativo, uma vez que representa cerca de 20% do realizável por usinas eólicas em terrenos planos. Foram adotados intervalos com incrementos de 0,5 m/s para as velocidades médias anuais de vento. O desempenho de turbinas eólicas foi calculado para os limites inferiores de cada intervalo. Foi adotado um fator de disponibilidade de 0,98, considerado típico para usinas eólicas comerciais. Foram descartadas da integração as áreas cobertas por água (lagos e lagoas, açudes, rios e mar). Os resultados da integração, por faixas de velocidade, são apresentados no quadro 01 e na figura 02, por regiões. A partir desses resultados, estimou-se um potencial disponível (segundo as premissas anteriores) da ordem de 143 GW, conforme se mostra na coluna Integração Cumulativa do quadro 01.

19 19 Quadro 01 Potencial eólico-elétrico estimado do Brasil, calculado por integração de áreas nos mapas temáticos, a partir das premissas apresentadas ao lado. Fonte: AMARANTE, 2001.

20 20 Figura 02 Potencial eólico estimado para vento médio anual igual ou superior a 7,0 m/s. Fonte: AMARANTE, 2001.

21 GERADOR EÓLICO DE BAIXO CUSTO Após tomar conhecimento do trabalho intitulado Gerador Eólico de Baixo Custo desenvolvido como projeto final nesta instituição no período anterior, surgiu o interesse pela continuação deste projeto. Primeiramente, fez-se um estudo detalhado do trabalho citado, onde foram analisadas duas opções de protótipos. O protótipo 1, de até 60 W de potência e campo magnético radial e o protótipo 2, de até 100 W e campo magnético axial, chegou-se a decisão de escolher o protótipo 2, já que este obteve valores mais significativos para este trabalho. Nesta introdução estará sendo mostrada a parte construtiva, bem como alguns ensaios realizados pela equipe anterior, que foi o ponto de partida inicial deste trabalho. De posse desses valores, começou-se a escolha de circuitos para realizar a confecção do projeto. A fim de dar um melhor embasamento, algumas informações e ilustrações oriundas do trabalho citado são apresentados nos itens que seguem Detalhes Construtivos De acordo com Projeto do Gerador Eólico de Baixo Custo, o protótipo 2 possui uma construção mecânica com campo magnético na direção axial, podendo ser observada na figura 03 a posição dos ímãs e bobinas, a qual possibilita maior versatilidade nos ajustes de entreferro e dimensões das bobinas. Figura 03 - Vista explodida do Protótipo 2 Disco de freios 1 Chapas laminadas Ímãs Disco de freios 2 Suporte Eixo Bobinas Disco de metal Rolamento s Fonte: COSTA, 2003.

22 22 A idéia principal da equipe anterior era fazer um gerador de baixo custo, por isso foram escolhidos materiais encontrados em depósitos de sucata. Então se optou por um disco de freios de um veículo modelo Opala (disco de freios 1) associado a um disco de freios de um veículo modelo Brasília (disco de freios 2), como é observado na figura 04. Figura 04 Materiais utilizados Eixo Disco de Freios 1 Disco de Freios 2 Fonte: COSTA, Para fazer o acoplamento entre os dois discos de freios de veículos diferentes, foi necessária a confecção de um disco metálico interno ao disco de freios 2, onde foi fixado o eixo, possibilitando ajuste da distância entre eles, vide figura 05. Figura 05 - Disco metálico para acoplamento entres os discos de freios. Fonte: COSTA, 2003.

23 23 Para a produção do campo magnético foram utilizados 12 ímãs de ferrite anisotrópico de bário, com campo magnético de 1,4 T, de dimensões - 20 x 35 x 35 mm - (P x A x L). Para a fixação dos ímãs foi necessária a limpeza da superfície inferior do disco de freios 2 através de lixamento. A fixação foi realizada através de colagem, utilizando adesivo à base de epóxi. Os imãs foram distribuídos de maneira uniforme ao longo da superfície do disco de freios 2, conforme figura 06. Figura 06 Colagem dos ímãs. Fonte: COSTA, Em seguida foram confeccionadas as bobinas, e para o fechamento eficiente do caminho magnético foram feitos núcleos de aço-silício para as bobinas. As bobinas foram confeccionadas sobre um suporte de madeira de 20 x 18 x 18 mm (P x A x L), depois de retiradas do suporte foram amarradas por fio de poliéster para modelagem. Cada bobina foi composta por 150 espiras de fio de cobre esmaltado 19 AWG. No interior da bobina foi colocado filme de poliéster para proteger o enrolamento de eventual atrito com o núcleo e possível passagem de corrente elétrica para o mesmo, como pode ser visto na figura 07.

24 24 Figura 07 Bobina Fonte: COSTA, As bobinas foram fixadas utilizando adesivo à base de epóxi, distribuídas uniformemente de maneira que cada ímã do disco de freios 2 correspondesse a uma bobina, conforme observado na figura 08. Para proteção mecânica das bobinas e aumento da condução do fluxo magnético foi colocado em torno de cada bobina uma lâmina de aço-silício de 18 mm de largura. Figura 08 Posição dos ímãs e das bobinas Fonte: COSTA, 2003.

25 25 As bobinas foram agrupadas quatro a quatro e conectadas em série entre si, respeitando o sentido de enrolamento, utilizando solda com estanho. Obtendo-se desta forma três grupos que foram associados em paralelo. Em seguida foi ajustado o entreferro através dos parafusos do disco metálico interno de maneira a deixá-lo o mais reduzido possível para maior aproveitamento do campo magnético dos ímãs. Construtivamente foi constatado que: Não há necessidade da procura de um tambor de freio que se adapte ao núcleo laminado do ventilador de teto; Não possui ranhuras para fixação das bobinas. No que tange à parte elétrica, pode-se destacar: É possível regular o entreferro; Existe a possibilidade de se utilizar ímãs de tamanhos maiores e maior capacidade de fluxo como os de terras raras; São reduzidas as possibilidades de existir fuga de corrente para a carcaça, pois não existe núcleo laminado com ranhuras Ensaios Realizados A seguir estão relacionados os ensaios realizados pela equipe anterior, que por motivos construtivos, foram feitos utilizando um motor de indução, simulando a ação do vento, conforme a figura 09. Como mostrado na proposta, serão realizados estes ensaios em campo, para identificar os verdadeiros valores que poderão ser obtidos, utilizando as pás em locais que possuem um potencial eólico satisfatório.

26 26 Figura 09 - Ensaio no Protótipo 2 Fonte: COSTA, a) Ensaio Os materiais utilizados foram: 01 amperímetro digital CA; 01 voltímetro digital CA; 01 reostato de 0-100Ω; 01 tacômetro óptico digital; cabos com pino banana para conexões. O objetivo do ensaio foi o levantamento da curva de potência x rotação no eixo fornecida pelas bobinas do gerador. A metodologia utilizada para o levantamento da curva de potência gerada no Protótipo 2, foi fixado o valor da rotação em 450 rpm variando o valor da carga através do reostato. O esquema de montagem pode ser visto na figura 10.

27 27 Figura 10 Esquema de montagem R V AC AC 1 A AC 2 Fonte: COSTA, Os resultados apresentados na tabela 01 mostram os valores de corrente e tensão obtidos, a partir desses calculou-se a potência gerada. A carga utilizada foi resistiva pura, e as especificações da instrumentação não foram apresentadas no trabalho original, não permitindo afirmar se tratar de valores eficazes verdadeiros. Tabela 01 - Valores de corrente, tensão e potência. Corrente (A) Tensão (V) Potência (W) 0,01 16,26 0,16 0,25 16,00 4,00 0,50 15,87 7,93 0,75 15,67 11,75 0,98 15,54 15,22 1,25 15,35 19,18 1,47 15,20 22,34 1,75 15,03 26,30 1,95 14,92 29,09 2,20 14,73 32,40 2,50 14,50 36,25 3,38 13,93 47,08 4,13 13,40 55,34 5,26 12,58 66,17 7,12 11,12 79,17 Fonte: COSTA, 2003.

28 28 Figura 11 - Gráfico da Potência x Corrente Potência (W) Corrente (A) Fonte: COSTA, Figura 12 - Gráfico da Potência x Tensão Potência (W) Tensão (V) Fonte: COSTA, b) Levantamento da curva Potência x Rotação Com o levantamento dos dados neste ensaio, foi obtido o ponto de melhor aproveitamento em função da rotação, e assim foi fixado o valor da carga. Variando o valor da rotação, conforme tabela 02, foi obtida a curva da potência x rotação, como pode ser visto na figura 13.

29 29 Tabela 02 - Valores de rotação e potência. Rotação (rpm) Corrente (A) Tensão (V) Potência (W) 500 8,25 12,20 100, ,91 11,52 91, ,43 11,00 81, ,95 10,50 72, ,62 9,45 62, ,33 8,80 55, ,00 8,20 49, ,67 7,50 42, ,30 6,85 36, ,92 6,20 30, ,53 5,60 25, ,10 4,91 20, ,63 4,28 15, ,14 3,65 11, ,61 3,00 7, ,05 2,40 4,92 Fonte: COSTA, Figura 13 - Gráfico da Potência x Rotação Potência (W) Rotação (rpm) Fonte: COSTA, 2003.

30 30 Analisando os resultados da Curva de Potência x Rotação, foi detectado o melhor ponto de operação do gerador na potência de 100,65 W, 12,2 V e 8,25 A, na velocidade de 500 rpm. A figura 14 apresenta os valores de tensão, corrente e velocidade em plena carga. Nota-se que o gerador proposto é capaz de fornecer a uma rotação de 456,8 rpm a tensão necessária para o carregamento de um banco de baterias (12V) e uma corrente de carga de 7,61 A, totalizando uma potência de 91,70 W. Figura 14 - Valores de tensão, corrente e velocidade em plena carga. Fonte: COSTA, 2003.

31 TÓPICOS DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA O objetivo da eletrônica de potência é processar e controlar um fluxo de energia elétrica fornecendo tensões e correntes na forma mais adequada à carga (ROCHA, 2001). A eletrônica de potência trata da aplicação de dispositivos semicondutores de potência, como tiristores e transistores para este fim. Esta conversão pode ser CA para CC ou vice-versa, e os parâmetros controlados são tensão, corrente e freqüência (AHMED, 2000). Pode-se afirmar que o controle é feito através destes dispositivos semicondutores. Para entender melhor o funcionamento dos circuitos, estes dispositivos serão aproximados a uma chave, que será usada para o controle da carga na figura 15. Figura 15 Controle da carga através de uma chave Quando a chave está fechada, toda a potência é transferida para a carga; quando ela está aberta, não existe corrente circulando na carga, então a potência entregue é nula. Abrindo e fechando a chave periodicamente, controla-se a potência média na carga. Os dispositivos semicondutores, transistores e SCRs, usados como chaves podem abrir e fechar de maneira automática centenas de vezes por segundo. Para maior potência, a chave deve ficar fechada por períodos maiores e aberta a menor parte do tempo; para diminuir a potência, basta manter a chave desligada por mais tempo. Segundo Ahmed (2000), as chaves semicondutoras de potência são os elementos mais importantes em circuitos de eletrônica de potência. Os principais tipos de dispositivos semicondutores usados como chaves são:

32 32 Diodo; Transistor bipolar de junção (BJT); Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET); Transistor bipolar de porta isolada (IGBT); Retificador controlado de silício (SCR); Triac; Tiristor de desligamento por porta (GTO); Tiristor controlado MOS (MCT). Esses dispositivos são operados no modo de chaveamento, e podem atingir altas freqüências, a fim de converter e controlar a energia elétrica com alta eficiência e alta resolução. A perda de potência na chave é muito pequena, já que a diferença de potencial entre os terminais é quase igual a zero quando está fechada e a corrente é quase nula quando está aberta. Porém existem perdas na condução, provocadas pela corrente de fuga do semicondutor quando aberta a chave e perdas por chaveamento, porque o dispositivo não passa de um estado para outro, aberto para fechado (e vice-versa), de modo instantâneo, leva um certo tempo que provoca perda de potência. Em qualquer processo de conversão de potência é importante que haja uma baixa perda de potência, ou um alto rendimento, devido ao custo da energia perdida e a dificuldade de dissipar o calor gerado. A eletrônica de potência encontra aplicações em qualquer campo que requeira conversão e controle de potência elétrica. Os sistemas de eletrônica de potência são encontrados em uma grande quantidade de equipamentos, motores pequenos usados em eletrodomésticos, acionamentos industriais de grande potência, fontes de alimentação reguladas, transmissão CC de alta tensão, reguladores de iluminação, compensadores estáticos de potência reativa, são alguns exemplos de aplicações em que se encontram circuitos de conversão de energia. Os circuitos que fazem parte da eletrônica de potência podem ser divididos em sete grupos, conforme suas aplicações específicas, descritas na tabela 03, que dá uma boa idéia da sua amplitude e importância.

33 33 Tabela 03 - Algumas aplicações de eletrônica de potência Conversor de potência Retificador não controlado CA para CC Retificador controlado CA para CC Chopper CC CC para CC Controlador de tensão CA CA para CA Inversor CC para CA Conversor cíclico CA para CA Chave estática CA ou CC Aplicações Fonte CC para circuitos eletrônicos Controle de velocidade de motor CC a partir de uma fonte CA Controle de velocidade para ferramentas elétricas portáteis Transmissão CC em alta tensão Controle de velocidade de motor CC a partir de fonte CC Fonte de alimentação chaveada Chave de regulagem para iluminação Controle de aquecedores Controle de velocidade de aparelhos eletrodomésticos Controle de potência reativa Partida suave para motores de indução Fonte de alimentação de funcionamento contínuo (UPS) Controle de velocidade de motores CA trifásicos Aquecimento por indução Controle de velocidade de motores CA Fonte de freqüência constante para aeronaves Substituição de chaves mecânicas e eletromagnéticas Fonte: AHMED, Neste projeto será estudado e construído um protótipo de um conversor capaz de transformar a energia produzida pelo gerador eólico em tensão e freqüência compatíveis com os níveis oferecidos pelas concessionárias, portanto serão utilizados alguns circuitos anteriormente mencionados conforme ilustra a figura 16.

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