Universidade Federal do Rio de Janeiro. Escola Politécnica. Departamento de Eletrônica e de Computação

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1 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: Orientador: Examinador: Examinador: Pedro Henrique Castello Branco Dágola Prof. Carlos Fernando Teodósio Soares, D. Sc. Prof. Joarez Bastos Monteiro, D. Sc. Prof. Maurício Cardoso Arouca, D. Sc. DEL Agosto de 2014

2 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 Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de arquivamento. É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre 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). ii

3 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. iii

4 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. iv

5 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 v

6 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 vi

7 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 vii

8 Sumário 1 Introdução Energia Renovável Eólica A Proposta do Projeto Justificativa e Objetivos Metodologia Organização do Texto Captação da Energia Eólica Tipos de Geradores Eólico Eficiência Energética do Gerador Eólico Conversores Eletrônicos Conversor Eletrônico Buck Conversor Eletrônico Boost Conversor Eletrônico Buck-Boost Conversor Eletrônico Flyback Conversor Eletrônico Forward Conversor Eletrônico Utilizado no Trabalho Técnica de Rastreamento do Ponto de Máxima Potência Método Perturbação e Observação (P&O) Método Tensão Constante (CV) Método Perturba e Observa e Tensão Constante no Trabalho viii

9 3 Placa de Controle Digital Microprocessada Principais Componentes Utilizados e Cálculo de Dimensionamento Esquema Elétrico e Layout do Circuito Impresso Placa de Potência do Conversor Boost Principais Componentes Utilizados e Cálculo de Dimensionamento Esquema Elétrico e Layout do Circuito Impresso Confecção do Protótipo Programação e Teste de Funcionamento Resultados 48 6 Conclusão e Trabalhos Futuros 56 Bibliografia 58 Apêndice A 59 Apêndice B 60 ix

10 Lista de Figuras 1.1 Diagrama de Blocos do Sistema Curva de Potência Teórica para uma Turbina Eólica Curva de Potência Real para uma Turbina Eólica Gerador de Darrius e ao fundo Gerador de Eixo Horizontal Gerador Notus de 350 Watts ENERSUD Fábrica de Aerogeradores Montagem e Balanceamento de Aerogeradores Porcentagens de Duty Cycle Conversor Step-Down ou Buck Formas de Onda do Conversor Buck para Modo Descontínuo Ganho Estático do Conversor Buck Conversor Step-Up ou Boost Formas de Onda do Conversor Boost para o Modo Contínuo Ganho Estático do Conversor Boost Conversor Step Down/Up ou Buck-Boost Formas de Onda do Conversor Buck-Boost no Modo Contínuo Ganho Estático do Conversor Buck-Boost Conversor Flyback Formas de Onda do Conversor Flyback para o Modo Descontínuo Formas de Onda do Conversor Flyback para o Modo Contínuo Conversor Forward Formas de Onda do Conversor Forward para o Modo Contínuo Gráfico de Ponto de Máxima Potência (MPP) Gráfico sem MPPT X MPPT Fluxograma Método Perturbação & Observação (P&O) x

11 3.1 Placa de Progamação QL Esquemático da Placa de Controle Disposição dos Componentes da Placa de Controle Layout da Placa de Controle Placa de Controle Montada Conversor Boost Esquemático do Conversor Boost Layout da Placa do Conversor Boost Placa de Potência Boost Montada Fotolito da Placa de Potência Boost Estágio Final da Confecção da Placa de Circuito Impresso Fluxograma do Sistema de Controle 1/ Fluxograma do Sistema de Controle 2/ Visão Frontal do Controlador Visão Interna do Controlador Túnel de Vento Gráfico Comparativo para Turbina A Teste Gráfico Comparativo para Turbina B Teste Gráfico Comparativo entre Turbina A sem boost e a Turbina B Gráfico Comparativo para Turbina B Teste Tensão de Entrada do Gerador x Tensão de Saída do Conversor Boost PWM do Conversor Boost no Microcontrolador Ripple da Tensão de Saída do Conversor Boost Forma de Onda da Variação da Corrente no Indutor xi

12 Lista de Tabelas 5.1 Tabela com os Dados do Teste da Turbina A Tabela com os Dados do Teste 1 da Turbina B Tabela com os Dados do Teste 2 da Turbina B xii

13 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. 1

14 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. 2

15 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 3

16 (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: 4

17 Figura 1.3 Curva de Potência Real para uma Turbina Eólica Fonte: 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. 5

18 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. 6

19 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. 7

20 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. 8

21 Figura 2.1 Gerador de Darrius e, ao fundo, Gerador de Eixo Horizontal. Fonte: 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. 9

22 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: 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 (P disp ) é calculada da seguinte fórmula proveniente da energia cinética (E c = 0,5. m. v 2 ) [7]: P disp = 0,5. A. ρ. v 3 (2.1) Onde ρ é a densidade do ar em kg/m 3 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 m 2 que é calculada segundo a equação abaixo: A = n. R 2 (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 (c p ) representa o rendimento aerodinâmico 10

23 entre a energia total disponível e a captada pelo aerogerador que foi realmente transformada em energia rotacional. P disp = 0,5. A. ρ. v 3. c p (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 11

24 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 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. 12

25 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. 13

26 Figura 2.8 Ganho Estático do Conversor Buck [5] 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 14

27 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) 15

28 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] 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 16

29 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) 17

30 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] 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. 18

31 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) 19

32 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 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) 20

33 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. 21

34 Figura 2.18 Formas de Onda do Conversor Forward para o Modo Contínuo [5] 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. 22

35 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) 23

36 Figura 2.20 Gráfico Sem MPPT X MPPT. Fonte: 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. utilizadas são: Segundo Sequel [6], em estudo comparativo entre as principais técnicas, as mais - Método Tensão Constante (CV Constant Voltage); - Método Perturba e Observa (P&O Pertubation and Observation); - Método Condutância Incremental (IncCond Incremental Conductance). 24

37 Essas 3 técnicas são consideradas as mais utilizadas por terem menor dificuldade de implementação e complexidade de programação: 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. 25

38 Figura 2.21 Fluxograma Método Perturbação e Observação (P&O) [6] 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 (V max ). A primeira tensão é a do gerador eólico (V ger ) 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 (V oc ). 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 V oc é amostrado) e o período de amostragem de V ger. As tensões V oc e V max, nos sistemas solares, tem relação praticamente lineares mesmo sob condições de radiação e temperatura variáveis. A tensão V max é calculada conforme a equação abaixo segundo Sequel [6], [7] e [8]. 26

39 V max = k. V oc (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 V max será calculado a partir da leitura de V oc, 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 V oc, o controlador irá calcular um erro que é a diferença entre V max e V ger. Esse erro indica ao sistema de controle o que deve ser feito na variável de controle (V c ) 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) 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 27

40 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 V oc 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. 28

41 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 29

42 de 20MHz, entrada analógicas com conversor analógico-digital (A/D) de 10 bits, memória ROM adequada para 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. 30

43 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 31

44 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. 32

45 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 33

46 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 retrabalho, 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 34

47 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 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 35

48 saturação (V CEsat ) 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 I T 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 (R DS(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 V DS = 55 V, I DS = 49 A e R DS(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. 36

49 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: V c é a tensão sobre o capacitor C V in é a tensão de entrada do conversor (gerador eólico) D é o ciclo de trabalho máximo do conversor (Duty Cycle) (4.2) Onde: L min é o indutor mínimo T s 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) 37

50 Onde: C min é o capacitor mínimo T desligado é o período desligado em um ciclo (T desligado = Duty Cycle Off. T s ) 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 (V LO - 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 (V ger ) 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 38

51 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) 39

52 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 40

53 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 41

54 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; 42

55 - 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. 43

56 Neste trabalho, foi programado um algoritmo híbrido que mescla as duas técnicas de controle segundo as motivações descritas no item 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. 44

57 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

58 Não Sim 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 46

59 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 Túnel de Vento 47

60 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 48

61 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. 49

62 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 50

63 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 51

64 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, 52

65 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. 53

66 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: V out é a tensão de saída do conversor 54

67 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 55