Conversor Elétrico para o Gerador Eólico de Baixo Custo
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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 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 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. 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. SUMÁRIO ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................ 7 ÍNDICE DE TABELAS E QUADROS ....................................................................... 10 RESUMO.................................................................................................................. 11 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 12 1.1 JUSTIFICATIVA .......................................................................................................12 1.2 OBJETIVOS ..............................................................................................................13 1.2.1 Objetivo Geral .....................................................................................................13 1.2.2 Objetivos Específicos ........................................................................................... 13 1.3 METODOLOGIA.......................................................................................................14 2 REFERENCIAL TEÓRICO.................................................................................... 16 2.1 POTENCIAL EÓLIO - ELÉTRICO ESTIMADO ...................................................... 16 2.2 GERADOR EÓLICO DE BAIXO CUSTO................................................................. 21 2.2.1. Detalhes Construtivos .........................................................................................21 2.2.2 Ensaios Realizados ..............................................................................................25 2.3 TÓPICOS DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA.......................................................... 31 2.3.1 Dispositivos Semicondutores de Potência ............................................................35 2.3.2 Retificador........................................................................................................... 43 2.3.3 Inversor ............................................................................................................... 46 2.4 BATERIAS ................................................................................................................50 2.4.1 Função Básica da Bateria ou Acumulador de Energia.........................................51 2.4.2 Breve Resumo Histórico.......................................................................................51 2.4.3 Estrutura de uma Célula Acumuladora ................................................................51 2.4.4 Princípio de Operação.........................................................................................53 2.4.5 Tecnologias .........................................................................................................54 2.4.6 Capacidade Nominal da Bateria ..........................................................................55 2.4.7 Carga da Bateria ................................................................................................. 55 2.4.8 Ciclo de Operação e Vida Útil ............................................................................. 56 2.4.9 Implicações Ambientais .......................................................................................57 2.5 CONTROLADOR DE CARGA ................................................................................. 57 2.5.1 Características Gerais .........................................................................................58 3 METODOLOGIA.................................................................................................... 60 4 PROJETO DOS CIRCUITOS ................................................................................ 61 4.1 RETIFICADOR..........................................................................................................61 4.2 CONTROLADOR DE CARGA ................................................................................. 63 4.3 INVERSOR................................................................................................................64 4.4 CONVERSOR EÓLICO ELÉTRICO .........................................................................69 5 TESTES E RESULTADOS.................................................................................... 73 5.1 TESTES DE LABORATÓRIO...................................................................................75 5.2 TESTES DE CAMPO.................................................................................................80 5.2.1 Montagem do gerador.......................................................................................... 80 5.2.2 Resultados do Teste de Campo............................................................................. 85 6 CONCLUSÕES ..................................................................................................... 90 REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 92 ANEXO 1.................................................................................................................. 94 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 01 – Atlas Eólico do Brasil (dados preliminares de 1998) .......................... 17 Figura 02 – Potencial eólico estimado para vento médio anual igual ou superior a 7,0 m/s ............................................................................................. 20 Figura 03 – Vista explodida do Protótipo 2 ............................................................. 21 Figura 04 – Materiais utilizados .............................................................................. 22 Figura 05 – Disco metálico para acoplamento entres os discos de freios .............. 22 Figura 06 – Colagem dos imãs ............................................................................... 23 Figura 07 – Bobina ..................................................................................................24 Figura 08 – Posição dos imãs e das bobinas ......................................................... 24 Figura 09 – Ensaio no Protótipo 2 .......................................................................... 26 Figura 10 – Esquema de montagem ...................................................................... 26 Figura 11 – Gráfico da Potência x Corrente ........................................................... 28 Figura 12 – Gráfico da Potência x Tensão ............................................................. 28 Figura 13 – Gráfico da Potência x Rotação ........................................................... 29 Figura 14 – Valores de tensão, corrente e velocidade em plena carga ................. 30 Figura 15 – Controle da carga através de uma chave ........................................... 31 Figura 16 – Conversor eólico elétrico proposto ..................................................... 34 Figura 17 – Estrutura, símbolo e curva característica de tensão x corrente do diodo................................................................................................... 35 Figura 18 – Estrutura, símbolo e curva característica tensão x corrente do transistor............................................................................................. 36 Figura 19 – Conexão Darlington entre dois transistores ....................................... 37 Figura 20 – Símbolo e curva característica de um MOSFET ................................ 37 Figura 21 – Símbolo e curva característica do IGBT ............................................ 38 Figura 22 – Símbolo e curva característica do SCR ............................................. 39 Figura 23 – Símbolo e curva característica do triac .............................................. 40 Figura 24 – Símbolo e curva característica do GTO ............................................. 41 Figura 25 – Símbolo e curva característica do MCT ............................................. 42 Figura 26 – Gráfico comparativo entre as chaves semicondutoras ...................... 42 Figura 27 – Retificador de meia onda ................................................................... 43 Figura 28 – Retificador de onda completa ............................................................. 44 Figura 29 – Retificador de onda completa em ponte ............................................. 45 Figura 30 – Circuito básico de um inversor ........................................................... 46 Figura 31 – Tensão de saída do inversor .............................................................. 47 Figura 32 – Inversor monofásico de fonte de tensão em ponte completa.............. 48 Figura 33 – Exemplos de modulação PWM .......................................................... 49 Figura 34 – Padrão de modulação PWM senoidal ................................................ 50 Figura 35 – Estrutura Básica de uma Célula ......................................................... 52 Figura 36 – Fluxo de elétrons e íons para descarga e carregamento.................... 53 Figura 37 – Regime Tensão Constante ................................................................. 56 Figura 38 – Circuito em blocos .............................................................................. 58 Figura 39 – Circuito do retificador .......................................................................... 61 Figura 40 – Funcionamento do circuito retificador ................................................ 62 Figura 41 – Circuito do controlador de carga ........................................................ 63 Figura 42 – Circuito do inversor ............................................................................ 65 Figura 43 – Função dos transistores ..................................................................... 66 Figura 44 – Semiciclo positivo de saída ................................................................ 66 Figura 45 – Semiciclo negativo de saída ............................................................... 67 Figura 46 – Teste com o circuito do inversor ......................................................... 68 Figura 47 – Forma de onda na saída do inversor .................................................. 69 Figura 48 – Acoplamento dos estágios com chaves .............................................. 69 Figura 49 – Circuitos de sistemas ininterruptos de fornecimento de energia ........ 70 Figura 50 – Fotos do circuito do conversor eólico-elétrico sob testes.................... 71 Figura 51 – Circuito completo do conversor eólico-elétrico ................................... 72 Figura 52 – Acoplamento do gerador com o motor de indução para as simulações........................................................................................... 73 Figura 53 – Montagem do circuito no laboratório ................................................... 73 Figura 54 – Gerador em campo ............................................................................. 74 Figura 55 – Equipamentos de medição, conversor elétrico e bateria sob carga.... 75 Figura 56 – Ligação original das bobinas – 3 ramos paralelos .............................. 76 Figura 57 – Ligação modificada das bobinas – 2 ramos paralelos......................... 76 Figura 58 – Gráfico de tensões Vrms e Vmáx em função da rotação no eixo do Gerador .............................................................................................. 78 Figura 59 – Gráfico potência – carga bateria x rotação.......................................... 79 Figura 60 – Local de montagem ............................................................................ 80 Figura 61 – Estrutura de montagem do gerador .................................................... 81 Figura 62 – Gerador montado com pás de madeira .............................................. 82 Figura 63 – Gerador parado com corda para início de giro ................................... 83 Figura 64 – Detalhe do logger. .............................................................................. 84 Figura 65 – Protótipo 1 montado ........................................................................... 85 Figura 66 – Gráfico das Tensões Vrms e Vmáx com a variação da rotação........ 86 Figura 67 – Variação da rotação em função do vento ........................................... 87 Figura 68 – Potência entregue à bateria durante o carregamento em campo....... 88 Figura 69 – Gráfico de potências ........................................................................... 89 ÍNDICE DE TABELAS E QUADROS Tabela 01 – Valores de corrente, tensão e potência ............................................. 27 Tabela 02 – Valores de rotação e potência ........................................................... 29 Tabela 03 – Algumas aplicações de eletrônica de potência................................... 33 Tabela 04 – Quatro estados de saída do inversor ................................................. 46 Tabela 05 – Variação da vida útil com acréscimo da temperatura......................... 57 Tabela 06 – Valores de simulação sem carga ...................................................... 77 Tabela 07 – Simulação carga bateria .................................................................... 79 Tabela 08 – Valores de tensão em função da rotação, sem carga ....................... 86 Tabela 09 – Carga da bateria com variação do vento ........................................... 87 Tabela 10 – Carga bateria e alimentação de carga pelo inversor.......................... 88 Quadro 01 – Potencial eólico-elétrico estimado do Brasil, calculado por integração de áreas nos mapas temáticos a partir das premissas apresentadas .................................................................................... 19 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 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 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 10.438/2002 (ANEEL,2003). 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 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. 1.2.2 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 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 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 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 20.000MW. Hoje a maioria dos estudos indica valores maiores que 60.000MW. 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 140.000MW. 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 Figura 01 – Atlas Eólico do Brasil (dados preliminares de 1998) Fonte: AMARANTE, 2001. 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 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/km2 . 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 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 Figura 02 – Potencial eólico estimado para vento médio anual igual ou superior a 7,0 m/s. Fonte: AMARANTE, 2001. 21 2.2 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. 2.2.1. 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 Suporte Chapas laminadas Disco de freios 2 Eixo Bobinas Fonte: COSTA, 2003. Ímãs Disco de metal Rolamento s 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, 2003. 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 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, 2003. 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 Figura 07 – Bobina Fonte: COSTA, 2003. 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 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. 2.2.2 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 Figura 09 - Ensaio no Protótipo 2 Fonte: COSTA, 2003. 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 Figura 10 – Esquema de montagem 1 V R AC AC 2 A AC Fonte: COSTA, 2003. 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) Fonte: COSTA, 2003. 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 28 Figura 11 - Gráfico da Potência x Corrente. 100 Potência (W) 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Corrente (A) Fonte: COSTA, 2003. Figura 12 - Gráfico da Potência x Tensão. 100 Potência (W) 80 60 40 20 0 10 12 14 16 18 20 Tensão (V) Fonte: COSTA, 2003. 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 Tabela 02 - Valores de rotação e potência. Rotação (rpm) Corrente (A) Tensão (V) Potência (W) 500 8,25 12,20 100,65 475 7,91 11,52 91,12 450 7,43 11,00 81,73 425 6,95 10,50 72,97 400 6,62 9,45 62,55 375 6,33 8,80 55,70 350 6,00 8,20 49,20 325 5,67 7,50 42,52 300 5,30 6,85 36,30 275 4,92 6,20 30,50 250 4,53 5,60 25,36 225 4,10 4,91 20,13 200 3,63 4,28 15,53 175 3,14 3,65 11,46 150 2,61 3,00 7,83 125 2,05 2,40 4,92 Fonte: COSTA, 2003. Figura 13 - Gráfico da Potência x Rotação. 120 Potência (W) 100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 Rotação (rpm) Fonte: COSTA, 2003. 400 500 600 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 2.3 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 • 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 Tabela 03 - Algumas aplicações de eletrônica de potência Conversor de potência Retificador não controlado Aplicações Fonte CC para circuitos eletrônicos CA para CC Retificador controlado Controle de velocidade de motor CC a partir CA para CC de uma fonte CA Controle de velocidade para ferramentas elétricas portáteis Transmissão CC em alta tensão Chopper CC Controle de velocidade de motor CC a partir CC para CC de fonte CC Fonte de alimentação chaveada Controlador de tensão CA Chave de regulagem para iluminação CA para CA Controle de aquecedores Controle de velocidade de aparelhos eletrodomésticos Controle de potência reativa Partida suave para motores de indução Inversor Fonte de alimentação de funcionamento CC para CA contínuo (UPS) Controle de velocidade de motores CA trifásicos Aquecimento por indução Conversor cíclico Controle de velocidade de motores CA CA para CA Fonte de freqüência constante para aeronaves Chave estática Substituição de chaves mecânicas e CA ou CC eletromagnéticas Fonte: AHMED, 2000. 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. 34 Para chegar a esta disposição, foram pesquisados geradores eólicos de pequeno porte tal como “Turbina Air Wind 403 - Modelo Rural 400 W a 12,5 m/s” da marca Southwest (ENERGIA ALTERNATIVA, 2003), concluindo que esta topologia é a adequada ao gerador utilizado, com correção elétrica, sendo que apenas geradores eólicos de grande porte utilizam correção mecânica com caixa de engrenagem para manter a velocidade constante (WIND POWER MONTHLY, 2003). Figura 16 – Conversor eólico elétrico proposto Retificador CA/CC Controlador de Carga Inversor CC/CA Carga Entrada de Energia Acumulador (Bateria) Entre a entrada de energia e a carga, há o diagrama em blocos do conversor eólico elétrico, objetivo deste estudo. O conversor é composto de quatro estágios. O primeiro estágio é um retificador de tensão, utilizado porque a freqüência de saída do gerador não é fixa, ou seja, é um gerador assíncrono, depende dos ventos. No segundo estágio, será feito o controle da tensão retificada para armazenar em um acumulador e alimentar o conversor CC/CA, ou inversor. O acumulador, ou bateria, será utilizado em caso de falta da geração primária para alimentar o conversor CC/CA. A função de um inversor de freqüência consiste em converter uma tensão de entrada CC em uma saída CA simétrica de amplitude e freqüência desejadas, para que a energia seja utilizável, ou seja, o consumidor poderá ligar lâmpadas ou eletrodomésticos, com potência de até 100W, como descrito no projeto anterior. Uma outra aplicação para este conversor eólico elétrico é o carregamento de baterias, muito utilizado em comunidades isoladas e em locais de preservação, tal 35 como em Superagüi no Paraná (COPEL, 2003). Nesta localidade a população utiliza células solares para carregar suas baterias automotivas que são utilizadas como única fonte de energia elétrica em suas residências. Neste caso, apenas os três primeiros estágios do conversor são utilizados. Cada um dos estágios que compõem o conversor completo será abordado a seguir com mais detalhes nos tópicos seguintes. 2.3.1 Dispositivos Semicondutores de Potência Como já foi dito, as chaves semicondutoras de potência são os elementos mais importantes dos circuitos de eletrônica de potência. Neste tópico serão vistas algumas características dos principais dispositivos. a) Diodo Os diodos de potência desempenham um papel importante nos circuitos de eletrônica de potência. São utilizados principalmente como retificadores não controlados, convertendo tensões CA em CC e como diodos de retorno, a fim de fornecer passagem para o fluxo de corrente de cargas indutivas. Na figura 17 são apresentados a estrutura de dopagem, o símbolo e uma curva típica de tensão pela corrente de um diodo comum. Figura 17 – Estrutura, símbolo e curva característica de tensão x corrente do diodo Fonte: AHMED, 2000. 36 Os materiais utilizados na fabricação de diodos podem ser de silício ou germânio. Os diodos de potência são normalmente feitos de silício, pois este material pode operar com correntes maiores e temperaturas de junção mais altas, além de ter uma resistência reversa maior. b) Transistor bipolar de junção (BJT) Um transistor tem três terminais: a base (B), o coletor (C) e o emissor (E). Quando um transistor é usado como chave, para controle de potência fornecida pela fonte para uma carga, os terminais C e E são ligados em série com o circuito principal da fonte. Já os terminais B e E são interligados ao circuito acionador, que controla a ação de ligar e desligar. Uma baixa corrente circula através da junção base-emissor e induz o fluxo da alta corrente entre coletor e emissor. Na figura 18 são apresentados a estrutura de dopagem, o símbolo e uma curva típica de tensão pela corrente de um transistor bipolar de junção. Figura 18 – Estrutura, símbolo e curva característica tensão x corrente do transistor Fonte: AHMED, 2000. O ganho de corrente é de 5 a 10 vezes em transistores bipolares de potência e, por isso, esses componentes algumas vezes são conectados em configuração Darlington para alcançarem um maior ganho de corrente, como o esquema de conexão visto a seguir na figura 19. 37 Figura 19 – Conexão Darlington entre dois transistores Fonte: AHMED, 2000. c) Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) Um MOSFET de potência é similar ao MOSFET utilizado para pequenos sinais, porém com maior capacidade no que se refere aos valores nominais de tensão e corrente. É um transistor de chaveamento rápido, com alta impedância de entrada, apropriado para potências baixas e para aplicações de alta freqüência. Ele tem três terminais: o gatilho ou porta G, a fonte S e o dreno D. Na figura 20 são apresentados o símbolo e curva característica, onde aparecem as tensões VGS – tensão entre gatilho e fonte, VDS – tensão entre dreno e fonte e as correntes IG – corrente do gatilho, ID – corrente do dreno e IS – corrente da fonte. Figura 20 – Símbolo e curva característica de um MOSFET Fonte: AHMED, 2000. 38 A resistência de condução do MOSFET aumenta rapidamente com a tensão nominal do componente. Por causa disso, somente componentes com baixa tensão nominal estão disponíveis. Considerando as perdas totais nas chaves, pode-se fazer a seguinte comparação entre MOSFETs e bipolares: em um nível de tensão de 300 a 400V os MOSFETs competem com os bipolares somente se a freqüência de chaveamento ultrapassar os 30kHz d) Transistor bipolar de porta isolada (IGBT) O IGBT tem algumas das vantagens do MOSFET, do BJT e do GTO (item g) combinados. Similarmente ao MOSFET, o IGBT tem alta impedância de entrada, o qual necessita de uma pequena quantidade de energia para chavear o componente. Como o transistor bipolar, o IGBT tem uma pequena queda de tensão de condução mesmo em componentes com elevada tensão de bloqueio nominal. Do GTO, o IGBT pode ser projetado para bloquear tensões negativas. Na figura 21 são apresentados o símbolo e uma curva típica de tensão pela corrente de um IGBT, sendo semelhante a de um transistor comum. Figura 21 – Símbolo e curva característica do IGBT Fonte: AHMED, 2000. 39 e) Retificador controlado de silício (SCR) O SCR é o controlador elétrico de potência com o uso mais difundido. Isso se deve à sua ação de chaveamento rápido, ao pequeno porte e aos seus altos valores nominais de corrente e de tensão. O SCR tem três terminais: o anodo (A), o catodo (K) e o gatilho (G). Os terminais A e K são os de potência, enquanto G é o de controle. O SCR atua como uma chave, quando a tensão aplicada alcançar o ponto de disparo, ou se um sinal positivo for aplicado em G, ele passará para o estado ligado e permanecerá assim até que a tensão de alimentação for retirada ou a corrente de anodo for reduzida a um nível abaixo da corrente de sustentação. Na figura 22 são apresentados o símbolo e uma curva típica de tensão pela corrente de um SCR descrevendo seu funcionamento. Figura 22 – Símbolo e curva característica do SCR Fonte: AHMED, 2000. f) Triac O triac opera como dois SCRs ligados em anti-paralelo. Ele é capaz de conduzir corrente em ambas as direções, direta e inversa, e pode ser controlado por um sinal de gatilho positivo ou negativo. Isso o torna útil para o controle de potência CA. Um triac também é denominado SCR bidirecional. 40 Na figura 23 são apresentados o símbolo onde aparecem os terminais de condução MT1, MT2 e o terminal de disparo G, e a curva característica do triac com VBR – tensão mínima de condução e IH – corrente mínima de condução direta. Figura 23 – Símbolo e curva característica do triac Fonte: AHMED, 2000. O triac é mais econômico e fácil de controlar. Caso a potência a ser regulada seja maior do que os valores nominais do dispositivo, é possível um par de SCRs. Uma das limitações é a baixa velocidade, que restringe a freqüência operacional a algumas centenas de hertz. Os triacs são utilizados apenas para regular a tensão CA de 60 Hz em aplicações como iluminação, controles de velocidade de motores e de aquecimento e em relés CA de estado sólido. g) Tiristor de desligamento de porta (GTO) Como o SCR, o GTO pode ser levado à condução por um pequeno pulso de corrente no gatilho e, uma vez conduzindo, pode permanecer nesse estado sem necessidade de corrente de gatilho. No entanto, ao contrário do SCR, o GTO pode ser bloqueado pela aplicação de uma tensão negativa entre o gatilho e o catodo. Essa fonte de tensão negativa deve ser tal que permita a circulação de um grande 41 fluxo de corrente negativa. Esta corrente negativa precisa circular por uns poucos microssegundos, mas deve ter a magnitude da ordem de um terço da corrente de anodo que está sendo bloqueado. Na figura 24 são apresentados o símbolo e uma curva típica de tensão pela corrente do GTO. Figura 24 – Símbolo e curva característica do GTO Fonte: AHMED, 2000. h) Tiristor controlado MOS (MCT) O MCT é um dispositivo novo que combina as características do MOSFET e do SCR. A funcionalidade é similar ao GTO, mas exige uma corrente de gatilho menor para o desligamento. Sua principal desvantagem é a baixa capacidade de bloqueio de tensão inversa. O MCT é um componente controlado por tensão como IGBT e o MOSFET. Ele tem duas vantagens que superam o GTO: circuito de comando mais simples e maior velocidade de chaveamento. Também tem menor queda de tensão na condução comparado com o IGBT de valor nominal semelhante. Na figura 25 são apresentados o símbolo com A - anodo, C – catodo e G porta e uma curva típica de tensão pela corrente do MCT. 42 Figura 25 – Símbolo e curva característica do MCT Fonte: AHMED, 2000. A figura 26 apresenta um gráfico comparativo entre as chaves semicondutoras apresentadas até agora. Mostra a melhor escolha levando-se em consideração os fatores tensão, corrente e freqüência de chaveamento. Figura 26 – Gráfico comparativo entre as chaves semicondutoras Fonte: MOHAN, 1995 43 Todos os dispositivos mostrados, exceto o MCT, tem uma relativa maturidade tecnológica. Entretanto a tecnologia do MCT está em rápida expansão, o que significa melhorias na capacidade deste dispositivo são possíveis, como está indicado na figura 26. 2.3.2 Retificador Retificador é um circuito que faz a conexão entre uma fonte CA e uma carga CC, isto é, converte tensão e corrente alternadas em tensão e corrente contínuas. A amplitude da tensão de saída CC é determinada pela amplitude da tensão de alimentação CA, porém a saída CC não é pura como a de uma bateria. Ela contém uma componente CA chamada “ripple” superposta ao nível médio CC (LANDER,1988). Para eliminá-la é necessário inserir um filtro após o retificador. Os retificadores são divididos em meia-onda, onda completa e onda completa em ponte. Podem ser controlados ou não controlados, conforme apresentado na tabela 03. As diferenças entre os diversos tipos de retificador variam do “ripple” de saída a aplicação à qual se destinam. Os retificadores de meia-onda são aqueles que possuem um diodo por fase da tensão CA de alimentação de entrada, mostrado na figura 27. Figura 27 – Retificador de meia-onda 44 A tensão de saída pode ser calculada pela seguinte equação: π Vo ( méd ) V 1 = ∫ Vm sen θdθ = m π 2π 0 Onde: Vo (méd ) é o valor da tensão média na carga Vm é o valor máximo da tensão de alimentação Um retificador de meia onda não é muito prático por causa da baixa tensão média de saída, da pouca eficiência e do alto “ripple”. Essas limitações podem ser eliminadas pela retificação em onda completa. Os retificadores de onda completa correspondem à associação de dois retificadores de meia-onda ligados em série. Um deles leva a corrente até a carga e o outro faz o retorno para a entrada CA. Para este tipo de retificador é necessário um transformador com terminação central, como pode ser observado na figura 28 que também mostra a curva de saída. Figura 28 – Retificador de onda completa 45 O valor da tensão de saída é o dobro do valor fornecido pelo retificador de meia onda, como mostra a expressão abaixo: Vo ( méd ) π 2V 1 = ∫ Vm sen θdθ = m π 2π 0 A retificação de onda completa pode ser também obtida com um retificador em ponte. Esse retificador utiliza quatro diodos. Durante o semiciclo positivo da fonte de tensão, D2 e D3 estarão diretamente polarizados então o fluxo de corrente na carga dá-se através de D2 e retorna à fonte por D3, o que resulta em uma queda de tensão positiva na carga. No semiciclo negativo, D1 e D4 estarão diretamente polarizados, agora a corrente passa por D4 e retorna por D1, gerando novamente uma tensão positiva na carga, conforme figura 29. Figura 29 – Retificador de onda completa em ponte Os valores médios da tensão e da corrente na carga são similares aos do retificador onda completa com terminação central, porém cada diodo deve suportar apenas a metade da corrente média na carga. Outra vantagem deste tipo de retificador é a não necessidade de terminação central na fonte de alimentação. Todos os circuitos apresentados até aqui são chamados de retificadores não controlados. Um retificador pode tornar-se controlado substituindo-se o diodo por um 46 tiristor, cujo acionamento é feito por um circuito de disparo. Este tipo de retificador não será abordado neste trabalho porque não faz parte do escopo do projeto a ser desenvolvido. 2.3.3 Inversor Os inversores são circuitos estáticos que convertem potência CC em potência CA com a freqüência e tensão ou corrente de saída desejada. A tensão de saída tem uma forma de onda periódica que, embora não senoidal, pode chegar a ser considerada como tal (AHMED, 2000). O circuito básico para gerar uma tensão alternada monofásica, a partir de uma alimentação de tensão CC. Esse circuito também é conhecido como inversor em meia ponte, porque utiliza duas chaves semicondutoras, que são simuladas pelas chaves S1 e S2 conforme figura 30. Figura 30 – Circuito básico de um inversor As chaves S1 e S2 ligam e desligam a fonte à carga de modo alternado, o que produz uma forma de onda retangular de tensão CA. A combinação das chaves fornece quatro estados mostrados na tabela 04. Tabela 04 – Quatro estados de saída do inversor Estado S1 S2 Tensão de Saída 1 + - +V 2 - - 0 3 - + -V 4 + + 0 Fonte: AHMED, 2000. 47 Quando os estados 1 e 3 são repetidos de maneira alternada, uma tensão de onda quadrada é gerada na carga, se os estados 2 e 4 são utilizados, obtém-se uma onda em degrau como mostra a figura 31. Figura 31 –Tensão de saída do inversor Fonte: AHMED, 2000. Um outro tipo de inversor é mais empregado, é chamado de inversor de fonte de tensão (VSI). Nele, a tensão da fonte de entrada CC é constante e independe da corrente drenada pela carga. Existe o VSI em meia ponte e ponte completa. O mais utilizado na prática é o circuito básico para um inversor monofásico de fonte de tensão em ponte completa que será apresentado. São necessárias quatro chaves e quatro diodos de retorno. As chaves assumem os estados ligado e desligado aos pares em diagonal, ou seja, as chaves S1 e S4 operam alternadamente com as chaves S2 e S3. A fonte CC fica ligada de maneira alternada à carga, em direções opostas. A freqüência de saída é controlada pela taxa de velocidade com que as chaves abrem e fecham, conforme ilustra a figura 32. 48 Figura 32 – Inversor monofásico de fonte de tensão em ponte completa Fonte: AHMED, 2000. A tensão de saída deste inversor pode ser calculada através das fórmulas: 2δ Vo ( méd ) = E 1 − T , valor médio da tensão. Vo ( ef ) = E 1 − 2δ T , valor eficaz da tensão. Onde: E é o valor da tensão CC da fonte. δ é o tempo que a tensão de saída é igual a zero. T é o período da forma de onda. A freqüência da tensão que se alterna é determinada pela taxa de variação do chaveamento. A tensão de saída CA retangular do inversor serve para algumas aplicações. Entretanto, a tensão de saída senoidal é a forma de onda ideal para muitas aplicações. Para conseguir isso, pode ser empregado um filtro no lado da saída do inversor ou utilizar a modulação por largura de pulso (PWM), que usa um esquema de chaveamento no inversor para modificar a forma de onda da tensão de saída. 49 O sistema de controle do inversor pode ser constituído de circuitos integrados lineares ou de processadores de sinais digitais. Os avanços da tecnologia de fabricação das chaves semicondutores aumentam os níveis de tensão e corrente suportáveis, a velocidade de chaveamento, melhorando o desempenho dos conversores. Para controlar a freqüência e/ou a tensão de saída do inversor, é necessário um circuito de controle. De acordo com o caso, poderá apenas gerar pulsos quadrados para comutação da etapa de potência, somente dando liberdade de controlar a freqüência do inversor. Ou gerar um sinal PWM que comutará a etapa de freqüência de acordo com uma referência, controlando tanto a freqüência do inversor como a tensão aplicada na carga. Pela modulação PWM pode-se comutar a etapa de potência de tal forma que os harmônicos gerados sejam minimizados já que o somatório das tensões médias de cada porção da forma de onda PWM gerada na saída se assemelha muito a uma senóide. Nos casos em que é necessário controlar o torque de um motor é utilizado este tipo de modulação, visto que a armadura do motor atua como filtro e elimina as harmônicas restantes na tensão, fazendo com que a corrente seja quase senoidal. Na figura 33 podem ser observadas duas modulações PWM com larguras de pulso diferentes, já na figura 34 a modulação é do tipo senoidal. Figura 33 – Exemplos de modulação PWM Fonte: AHMED, 2000. 50 Figura 34 – Padrão de modulação PWM senoidal Fonte: AHMED, 2000. Como foi dito o circuito deste projeto se destina e ser a última etapa do conversor elétrico eólico, um inversor de freqüência com parâmetros de amplitude de tensão e freqüência fixos. Portanto não será utilizado um circuito de controle mais complexo, com microprocessadores ou modulação PWM. O objetivo na saída é fornecer uma tensão alternada, pronta para ser utilizada como gerador isolado. Será utilizado um circuito de controle simples, capaz de gerar uma onda quadrada de amplitude constante que será conectada a um transformador que fará o papel do filtro e de elevador de tensão para 127 V. 2.4 BATERIAS Para o projeto do conversor elétrico do gerador eólico de baixo custo, um equipamento, ou melhor, um componente de muita importância será o acumulador elétrico, ou mais usualmente chamado de bateria. Utilizando-se a energia eólica, fica-se suscetível ao regime de ventos do local em que for instalado o gerador eólico. Para compensar os momentos em que não houver vento, ou seja, corte de fornecimento de eletricidade, buscar-se-á suprir a energia elétrica a partir de um acumulador que é carregado previamente quando existe vento suficiente para fornecer movimento ao sistema de pás do gerador. Outra aplicação da bateria pode ocorrer, por exemplo, em comunidades carentes e isoladas, onde um centro de geração de energia elétrica faz a carga de acumuladores e os moradores das imediações trocam sua bateria já sem carga por uma carregada, podendo ter pontos de luz, rádio, ou um pequeno televisor ligado. Essa poderia ser uma forma de disseminar o uso de eletricidade em locais ainda não atendidos por uma rede convencional. 51 Para melhor adequar os projetos dos circuitos do conversor, é necessário estudar alguns detalhes técnicos referentes à tecnologia das baterias, principalmente no que diz respeito a ciclo de operação, influências sobre a vida útil, curvas de carga e outros que serão abordados logo abaixo. 2.4.1 Função Básica da Bateria ou Acumulador de Energia Os acumuladores são dispositivos destinados à conversão de energia química em energia elétrica e vice-versa, que são utilizados em sistemas que não possuem nenhuma outra fonte de energia ou para sistemas de emergência (ROCHA, 2002). A impossibilidade do armazenamento de energia em corrente alternada faz dos acumuladores a grande solução para este caso, utilizando-se de um sistema em corrente contínua. 2.4.2 Breve Resumo Histórico Segundo ROCHA (2002), o primeiro registro de desenvolvimento de uma célula acumuladora de energia data de 1800 quando Alessandro Conte di Volta obteve uma diferença de potencial entre dois eletrodos de zinco-prata tendo como eletrólito uma solução de sal. Em 1854, Josef Sinsteden utilizou lâminas de chumbo como eletrodos e ácido sulfúrico diluído como eletrólito. Acabara de ser inventada uma rudimentar célula chumbo-ácida recarregável. Desde então, melhoramentos técnicos têm sido aplicados e, como conseqüência, houve incrementos enormes quanto à capacidade em armazenar energia, aumento da vida útil dos acumuladores e melhor relação volume / energia armazenada nas baterias. 2.4.3 Estrutura de uma Célula Acumuladora Em termos técnicos, bateria ou mais adequadamente, bateria de acumuladores, é usada para definir uma associação em série de vários acumuladores elétricos, também chamados de células (ROCHA,2002). Uma célula chumbo-ácida que será o foco deste estudo possui componentes responsáveis pela conversão da energia elétrica em química, como pode ser visto na figura 35: 52 • Material ativo da placa negativa (eletrodo de chumbo); • Material ativo da placa positiva (eletrodo de óxido de chumbo); • Eletrólito (ácido sulfúrico). Figura 35 - Estrutura Básica de uma Célula Nível do Eletrólito Eletrodo Pb Vaso Recipiente - Eletrodo PbO + Solução – H2SO4 Para aumentar a capacidade de corrente, os eletrodos são constituídos de várias placas. Um grupo de placas positivo e negativo é entrelaçado e forma um pacote de placas. As placas positivas são interligadas e conectadas ao pólo positivo, o mesmo ocorre com o sistema de placas negativas. Entre as placas positivas e negativas são usados separadores com o objetivo de evitar a ocorrência de curtos-curcuitos. Esses separadores devem ter porosidade suficiente para permitir a passagem do eletrólito. Se não for assim, o movimento das cargas elétricas (íons) não poderia ocorrer e, portanto, o fluxo de corrente entre as placas negativas e positivas não seria possível. 53 2.4.4 Princípio de Operação A função da bateria é: • Na descarga converter a energia química em energia elétrica; • Na carga, por meio de uma fonte, converter energia elétrica em energia química. Durante a descarga da bateria, analisando o circuito externo, é possível ver o fluxo de corrente (sentido convencional) fluindo do terminal positivo para o negativo. Durante a carga, o fluxo de corrente é do negativo para o positivo. Estas duas descrições correspondem ao sentido oposto ao fluxo de elétrons. A figura 36 mostra os deslocamentos dos íons e dos elétrons na bateria para os processos de carga e descarga. Figura 36 – Fluxo de elétrons e íons para descarga e carregamento Fonte CC Carga elétrons - I (A) I (A) elétrons + - + Ânions Ânions Eletrólito Eletrólito A seguinte equação química descreve as reações de descarga e carga. Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O Durante a descarga, chumbo do eletrodo negativo, bem como o dióxido de chumbo do eletrodo positivo, são convertidos em sulfato de chumbo. O ácido sulfúrico envolve-se no processo na forma de íons sulfato. A água que resulta do 54 processo indica que o ácido é diluído e, portanto durante a descarga a densidade do ácido diminui. Durante a carga, o processo ocorre de maneira inversa. No processo químico descrito anteriormente não existe a formação dos gases O2 e H2. Então, resta a equação da formação desses gases quando a bateria é mantida em situação de recarga quando já está plenamente carregada. O fluxo de corrente deve entregar uma certa quantidade de energia em sua passagem do eletrodo sólido para o eletrólito. Para que isso ocorra normalmente é necessário que haja suficiente sulfato de chumbo disponível durante a carga. Porém, se o conteúdo de sulfato de chumbo nos eletrodos é muito baixo (isto ocorre quando a bateria está descarregada), alguns elétrons não encontrarão o sulfato de chumbo necessário à conversão. Estes elétrons então devem realizar algum outro trabalho (entregar energia ao sistema) que consistirá na quebra de moléculas de água (H2O) que existem no eletrólito. Assim, são produzidos os gases hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) durante o carregamento excessivo da bateria. O hidrogênio e o oxigênio são gases combustíveis ou mesmo explosivos dependendo do seu grau de concentração. 2.4.5 Tecnologias As baterias podem ser ventiladas ou seladas. As seladas, que são o foco deste projeto, são algumas vezes chamadas de “maintenance-free” (livre de manutenção). Estas baterias chumbo-ácidas são do tipo VRLA, ou seja, reguladas por válvula, (ROCHA, 2002). Nas baterias ventiladas atuais existe um sistema que minimiza a quantidade de gases que escapam da célula. Grande parte dos vapores do eletrólito são condensados ainda dentro da célula e retornam ao sistema. Por essa razão, mesmo as ventiladas necessitam de pouca reposição de eletrólito, ou seja, pouca manutenção. As baterias seladas são livres de manutenção porque utilizam eletrólito na forma de gel e, assim a formação de gases é reduzida a um mínimo. Somente na eventualidade de um aumento de pressão interna, a válvula de segurança se abre e, imediatamente após restituir o equilíbrio de pressão, fecha-se. Portanto, as baterias 55 seladas permitem que eventuais gases sejam liberados para o exterior, mas não permitem que o ambiente externo contamine a célula. 2.4.6 Capacidade Nominal da Bateria A capacidade nominal das baterias chumbo-ácidas reguladas por válvula refere-se a um regime de 10 horas, com corrente constante nominal, respeitando-se uma tensão de descarga final e uma temperatura de 25°C. Para compreender melhor pode-se usar o seguinte exemplo: se houver uma bateria de especificação 50 Ah significa que fornece 5 ampères num período de 10 horas. Se for exigido um fluxo de corrente maior que o nominal ou se a bateria for submetida a trabalho em temperatura maior que 25°C esta relação será prejudicada, diminuindo sua capacidade. Para saber qual seria o novo regime de descarga devese consultar o manual do fabricante. 2.4.7 Carga da Bateria A carga da bateria é considerada completa quando a tensão da célula e o valor da densidade do ácido não se alteram após um período de 2 horas. O processo de recarga consiste em limitar a corrente de carga a um valor definido pelo fabricante da bateria no início do processo de carga. Durante esse período a tensão é inferior à tensão de flutuação e vai aumentando gradativamente para manter a corrente constante nesse período. Chegará o momento em que a tensão atingirá a tensão de flutuação e a fonte de corrente contínua a manterá constante. A partir desse momento a corrente de carga começa a cair de forma exponencial até atingir o valor da corrente normal de flutuação. Na figura 37 é mostrada a curva de carga em regime de tensão constante, que apresenta uma tensão mínima (Vmín), que deve ser a mínima tensão da bateria e a linha pontilhada representa E, ou seja, tensão de flutuação de carga que não deve exceder a tensão máxima (Vmáx) da bateria. Pode-se observar também o comportamento da corrente de carga. 56 Figura 37 - Regime Tensão Constante Corrente Vmáx E (V) - flutuação Vmín I (mA) - flutuação T (h) Fonte: ROCHA, 2002. A recarga das baterias normalmente é realizada em regime de tensão constante com limitação inicial da corrente. Quando a tensão de flutuação é atingida, o sistema de carga mantém constante a tensão e a corrente se ajusta conforme a necessidade da bateria, ou seja, ao seu estado de carga, daí a importância de um adequado carregador que respeite suas curvas de tensão e corrente. 2.4.8 Ciclo de Operação e Vida Útil O ciclo de operação é a seqüência repetida de cargas e descargas de uma bateria. As baterias utilizadas em sistemas de energias renováveis, como solar e eólica, trabalham no regime de carga e descarga planejada “cyclic operation” (operação cíclica). Se uma bateria chumbo-ácida á usada em operação cíclica, sua vida útil deve ser expressa preferencialmente em número de ciclos e não de anos de uso. Isso porque durante a carga e a descarga o processo de corrosão é bastante acelerado devido ao maior aquecimento e, também, há maior produção de oxigênio nas placas positivas. Para melhor entender a respeito da capacidade em função do ciclo adotado, utiliza-se o exemplo: Um número possível de ciclos considerando descargas de 80% 57 da capacidade é de 700 vezes (ROCHA, 2002). Com descargas de apenas 40% da capacidade, o número de ciclos pode atingir o dobro, ou seja, 1400 vezes. A justificativa para o aumento do número de ciclos é a de que os fatores que degradam a bateria são reduzidos pela menor descarga por ciclo. A cada 10°C de aumento na temperatura média anual em relação à de referência, dobra a taxa de corrosão e, conseqüentemente, a vida útil diminui pela metade. Na tabela 05 é mostrado o exemplo de uma determinada bateria para uma temperatura de referência de 25°C e sua variação de vida útil. Tabela 05 – Variação da vida útil com acréscimo da temperatura Temperatura Vida útil média anual aproximada 20°C 16 anos 25°C 12 anos 30°C 8 anos 35°C 6 anos 40°C 4 anos Fonte: ROCHA, 2002. 2.4.9 Implicações Ambientais Como forma de criar consciência ambiental no descarte de baterias, foi adicionado ao trabalho no Anexo 1 o texto da resolução 257 de 30 de junho de 1999 expedido pelo Conama – Conselho Nacional do Meio Ambiente. Esta resolução considera os impactos negativos causados ao meio ambiente pelo descarte inadequado de pilhas e baterias. Dita regras quanto a uma adequada reutilização, reciclagem ou disposição final e as responsabilidades que seus distribuidores importadores e fabricantes têm sobre estes dispositivos. 2.5 CONTROLADOR DE CARGA Um controlador de carga de baterias deve ser concebido de tal modo que a bateria receba uma certa carga compatível com seu sistema eletrolítico sob regime 58 de tensão constante e estabilizada. Importante, também, é o controle de limite de corrente, a qual, quando em valores elevados, causa excessivo aquecimento da solução de eletrólitos, com conseqüente intemperismo das placas e sensível redução de sua vida útil. Uma bateria de chumbo-ácido com tensão nominal de 12 V é formada normalmente por seis conjuntos de placas, ou seis células voltaicas. Cada célula voltaica apresenta uma tensão de 2,1 V e uma resistência interna muito baixa, da ordem de 0,01 ohms, já que se trata de uma solução condutora onde os íons se movem com grande facilidade. 2.5.1 Características Gerais O carregador desenvolvido apresenta uma série de vantagens do ponto de vista técnico e operacional, que visam aumentar a vida útil da bateria que necessita constantemente de recarga. Figura 38 - Circuito em blocos SENSOR DE CORENTE RETIFICAÇÃO BUFFER MONITOR DE CARGA FILTROS ZENER OPERACIONAL REG. DE TENSÃO SIMÉTRICA CONTROLE DE LIMITE DE CORENTE DRIVER PORTA OU MONITOR DE TENSÃO BATERIA FONTE DC REGULADOR DE TENSÃO CONTROLE DE LIMITE DE TENSÃO Fonte: MARTINI FILHO, 1989. Dentre algumas vantagens, como se pode observar no esquema anterior, destaca-se a possibilidade do controle de corrente, o qual além de fixar um valor 59 limite tal que não ocorra aquecimento durante o processo de carga, ainda possibilita controlar a velocidade do mesmo, assim como protege o aparelho contra curtocircuito. O controle do limite de tensão evita que o processo eletrolítico seja forçado quando os valores de cada célula forem atingidos. Do ponto de vista técnico observam-se ainda algumas configurações interessantes como fonte fixa estabilizada para a bateria, por configuração Darlington, o “booster” de corrente, o zener operacional, o amplificador operacional como “buffer” em configuração de seguidor de tensão, a porta lógica OU com componentes discretos, os comparadores de tensão e os circuitos de monitoração de carga e tensão, construídos de idéias simples que utilizarão apenas alguns parâmetros de transistores de uso geral. 60 3 METODOLOGIA O tipo da pesquisa desenvolvida neste trabalho foi empírica, utilizando ferramentas de análise de resultados de ensaios realizados em laboratório e em campo, e pesquisa teórica de tecnologias de circuitos e componentes eletrônicos, para o projeto do conversor. A seguir é apresentada uma seqüência de atividades desenvolvidas no decorrer deste projeto, às quais se pode relacionar como os procedimentos metodológicos utilizados. Compreensão do projeto final da equipe que montou o protótipo 2 do gerador de baixo custo e estudo de material bibliográfico teórico, buscando informações de fabricantes de componentes eletroeletrônicos, para desenvolvimento de um projeto com alta confiabilidade, robustez e custos reduzidos. Projeto do circuito eletrônico do conversor, estágios de retificação, controle de carga de bateria e inversão. Confecção da placa de circuito impresso, e aquisição de componentes no mercado varejista local de componentes eletrônicos, bem como a montagem. Ensaios dos circuitos, utilizando aparelhos específicos e adequados para coletar dados e análise de formas de onda resultantes. Estudo do local para realização dos testes de campo, em função de ventos, altitude, custos de montagem e transporte. Coleta de dados do comportamento do conversor e comparação dos resultados com os esperados da fase de projeto. 61 4 PROJETO DOS CIRCUITOS Conforme a figura 16 do item 2.3 do capítulo 2, nota-se que existem três blocos principais do circuito a ser projetado, o retificador (CA/CC), o controlador de carga e o inversor (CC/CA). Além disso, a forma como estes blocos interagem é algo que deve ser analisado durante o projeto. A seguir cada bloco com suas funções será detalhado. 4.1 RETIFICADOR Como o gerador é monofásico e não possui terminador central no enrolamento de suas bobinas, foi escolhido o retificador de onda completa em ponte, o mais adequado ao projeto por ser mais eficiente que o retificador de meia onda. Este tipo de retificador possui quatro diodos em ponte como visto no item 2.3.2 e pode ser encontrado encapsulado em um único componente, com quatro terminais. Como o gerador tem capacidade de 100 W, a corrente pode chegar a 8 A, então este componente foi projetado para 10 A. É necessário adicionar um filtro na saída do retificador para eliminar o “ripple”. Como o gerador possui freqüência variável, então foi utilizado como filtro dois capacitores de 4700µF. O circuito do retificador está representado na figura 39. Figura 39 – Circuito do retificador 62 O circuito do retificador foi testado e o resultado pode ser visto nas fotos da figura 40: Figura 40 – Funcionamento do circuito retificador: (a) saída do gerador sem retificação - Vg (b) retificador onda completa sem filtro capacitivo (c) saída do retificador - Vsaída (a) (b) (c) 63 4.2 CONTROLADOR DE CARGA O controlador de carga apresentado no item 2.5.1 é o mais adequado do ponto de vista da bateria, porém, encontrou-se uma série de dificuldades técnicas que impossibilitaram a sua implementação. A principal limitação que impediu de prosseguir com o projeto foi a falta de uma fonte simétrica utilizada no controle e limite de corrente e tensão. Na saída do retificador tem-se apenas o nível de tensão positivo, variável de acordo com o vento, não sendo apropriado para controles microprocessados. Como será utilizada uma bateria automotiva, pesquisou-se circuitos carregadores mais simples. No alternador de um carro, o regulador permite a passagem de tensões de 14 a 28 volts (BOSCH, 2004), com a bateria sofrendo todo tipo de intempéries e ciclos de carga e descarga não regulares. Então, não é necessário se preocupar muito com o controle de tensão, apenas com a corrente máxima para a bateria. O circuito carregador utilizado está especificado conforme a figura 41: Figura 41 – Circuito do controlador de carga Fonte: BERTINI, 2003. 64 Este circuito utiliza o regulador de tensão variável LM317, que tem a função de polarizar os transistores de potência 2N3055 na sua região ativa. A tensão de saída do componente para esta configuração é dada através da seguinte equação: R2 Vout = 1,25.1 + + R1.I adj 1 R Sendo R2 a associação dos resistores 1,5 kΩ e 2 kΩ, R1 o resistor de 270 Ω, Iadj a corrente que circula do pino 1 para a massa, passando por R2 e Vout a tensão de saída do componente, ligado na base dos transistores. Através do potenciômetro de 2 kΩ é regulada a tensão de saída que se converte em corrente de base dos transistores, permitindo a passagem de uma corrente controlada entre coletor e emissor para a carga da bateria. São utilizados dois transistores em paralelo para diminuir as perdas por impedâncias internas e aumentar a capacidade de dissipação de calor dos componentes. Cada transistor tem a capacidade de conduzir até 15 A com dissipador de calor. O diodo, na saída do circuito, tem a função de bloquear a corrente da bateria no sentido do gerador, caso este reduza a tensão pela redução da velocidade do vento. O amperímetro serve para monitorar a corrente de carga da bateria, sendo possível o ajuste pelo potenciômetro caso necessário. 4.3 INVERSOR O inversor é a última etapa do conversor eólico elétrico. Nele a tensão contínua gerada pelos circuitos anteriores se transformará em tensão alternada, de nível constante em 127 V e freqüência fixa em 60 Hz. Este circuito é composto de um oscilador, regulado para 60 Hz, que será utilizado para controlar chaves semicondutoras de potência em nível de tensão baixo que será aplicado a um transformador para elevar a tensão. O circuito do inversor está representado na figura 42. 65 Figura 42 – Circuito do inversor Fonte: MINAMIZAWA, 2002 O oscilador foi montado com o CI 4069 de portas lógicas inversoras. Os resistores de 100 kΩ, 2,2 kΩ, o potenciômento de 2 kΩ e o capacitor de 2,2 µF foram calculados para que seja possível ajustar através do potenciômetro a freqüência em 60Hz. Freqüência Mínima: Freqüência Máxima: f = 1 1 = = 49,2 Hz 2,2.C.R 2,2.2,2.10 −6.4,2.10 3 f = 1 1 = = 93,9 Hz 2,2.C.R 2,2.2,2.10 −6.2,2.10 3 O oscilador de portas lógicas irá gerar um sinal variável com 5V em nível alto e 0V em nível baixo que é aplicado diretamente na base de TR1 e invertido em TR2, como pode ser visualizado na figura 43. 66 Figura 43 – Função dos transistores Quando o sinal está em alto, TR1 fecha aplicado-se 0V nos gatilhos dos MOSFETS TR3 e TR4, ao mesmo tempo em que TR2 recebe 0V em sua base e fica aberto, aplicando 12V nos gatilhos de TR5 e TR6. Nessa condição TR3 conduzirá, pois é um PMOSFET, conduz com 0V no gatilho e TR6 conduzirá, pois é um NMOSFET, conduz com +V no gatilho. A corrente irá sair da fonte de tensão contínua +12V, passará por TR3, percorrerá a bobina do transformador e finalmente passará por TR6 para chegar à terra, assim o semiciclo positivo da tensão de saída é gerado, conforme mostrado na figura 44. Figura 44 – Semiciclo positivo de saída Quando o sinal do oscilador está em baixo, TR1 fica aberto e são aplicados +12V nos gatilhos dos MOSFETS TR3 e TR4, ao mesmo tempo em que TR2 recebe 67 +5V em sua base e fecha, aplicando 0V nos gatilhos de TR5 e TR6. Nessa condição TR4 conduzirá, pois é um NMOSFET, conduz com +V no gatilho e TR5 conduzirá, pois é um PMOSFET, conduz com 0V no gatilho. A corrente, então, irá sair da fonte de tensão contínua de +12V, passará por TR5, percorrerá a bobina do transformador e finalmente passará por TR4 para chegar à terra, assim o semiciclo negativo da tensão de saída será gerado, como mostrado na figura 45. Figura 45 – Semiciclo negativo de saída Esta tensão quadrada e alternada, passando por um transformador eliminará alguns harmônicos, visto que o mesmo é uma carga indutiva e opera como filtro, e finalmente elevará a tensão para 127V, porém a forma de onda permanecerá quadrada. O regulador de tensão 7805 serve para alimentar o CI 4069 com 5Vcc contínuos. Como a tensão do secundário do transformador é dez vezes maior que no primário, é de se prever que a corrente no primário será praticamente dez vezes maior que no secundário, por isso deve-se ter especial atenção à bitola dos fios utilizados no primário para ligá-lo aos MOSFETS e estes à fonte de 12Vcc. O inversor foi montado e testado utilizando apenas a bateria como fonte de energia, gerando uma tensão com valor eficaz de 119,5 V, sendo medida por um 68 multiteste comum, alimentando com sucesso uma lâmpada fluorescente compacta com reator embutido, conforme a fotografia mostrada na figura 46. Figura 46 – Teste com o circuito do inversor. A forma de onda na saída do transformador pode ser vista na figura 47, como previsto uma onda não senoidal, praticamente quadrada. Como foi utilizada uma ponta de prova 10x, a indicação de tensão eficaz deve ser multiplicada por 10, gerando uma indicação de 130,1 V em 60,61 Hz no osciloscópio, considerado satisfatório pelo grupo. 69 Figura 47 – Forma de onda na saída do inversor 4.4 CONVERSOR EÓLICO ELÉTRICO Finalmente é necessário montar todos estes circuitos em um único conversor, ou seja, acoplar os estágios. Foram estudadas várias configurações levando em conta o funcionamento dos circuitos. Uma das alternativas estudadas está apresentada na figura 48 com chaves de acoplamento. Figura 48 – Acoplamento dos estágios com chaves: R – retificador C – controlador de carga I – inversor B - bateria 70 As chaves seriam acionadas ora para carregar a bateria, ora para alimentar uma carga ligada na saída do inversor, ou diretamente da bateria para o inversor, no caso de falta de vento. Para acionar estas chaves seria necessária a implementação de um microprocessador ou CLP, sensores de corrente, tensão e fluxo de potência do gerador, o que tornaria o circuito mais caro e complexo, além das dificuldades técnicas já mencionadas. Analisando circuitos de sistemas ininterruptos de fornecimento de energia (WEBER), verificou-se que existem vários tipos de configurações, e que a bateria deve estar sempre conectada ao circuito, e são eles: 1 – Sistema contínuo; 2 – Comutação para inversor energizado permanentemente; 3 – Comutação para inversor normalmente inativo; 4 – Sistema contínuo com chaveamento estático para fonte C.A. Figura 49 – Circuitos de sistemas ininterruptos de fornecimento de energia Fonte: WEBER, 1993. 71 Como a energia do gerador não pode ser aproveitada diretamente, o circuito mais adequado é o sistema contínuo, no qual toda a energia que entra passa pelo circuito de conversão, tornando-a útil à carga. Não é possível utilizar a sincronização, pois se trata de um gerador assíncrono, ou seja, a freqüência é variável. A figura 50 mostra os circuitos já montados sob testes em bancada e no local do teste em campo. Na primeira foto o ventilador está sendo alimentado pelo circuito, na segunda o circuito está sem carga, sendo medido pelo osciloscópio. Figura 50 – Fotos do circuito do conversor eólico-elétrico sob testes O circuito completo está representado na figura 51. 72 Figura 51 – Circuito completo do conversor eólico-elétrico 73 5 TESTES E RESULTADOS Ao submeter o conjunto completo, gerador, retificador, carregador de baterias e inversor a testes, optou-se por fazê-lo em duas etapas, sendo a primeira em laboratório, ou seja, simulando, com auxílio de um motor de indução alimentado por um inversor de freqüência que possibilitou variar a rotação no eixo do gerador, como pode ser visto na figura 52. Figura 52 - Acoplamento do gerador com o motor de indução para as simulações. Na figura 53 observa-se a ligação do gerador ao circuito de carregamento da bateria e alimentação do inversor. Figura 53 – Montagem do circuito no laboratório. 74 A segunda etapa de testes foi realizada na cidade de Florianópolis, em Santa Catarina, para verificar o comportamento do conjunto gerador-conversor elétrico, onde se analisou a relação potência fornecida e rotação no eixo, em função da velocidade do vento. Antes de fazer esta montagem, de forma a obter os melhores resultados possíveis, foram feitas melhorias na parte mecânica do gerador. Os rolamentos foram lavados com querosene e lubrificados com graxa. As chapas de aço silício, que fazem o fechamento do circuito magnético do estator foram furadas e fixadas com parafusos, pois alguns conjuntos destes pacotes de chapas estavam se descolando. E na última fase o conjunto do eixo foi desmontado para novas regulagens do entreferro e limpeza dentro do gerador. O conjunto foi montado com pás de madeira sobre um disco de madeira, em uma altura de 6,50m em um suporte metálico com 4 estais de cabo de aço. Foram também utilizados um anemômetro e biruta a 4,40m do solo, conforme figura 54. Figura 54 - Gerador em campo 75 Na figura 55 observam-se os equipamentos utilizados durante os testes, multitestes, osciloscópio, amperímetros, logger de leitura do anemômetro, os circuitos e a bateria. Figura 55 - Equipamentos de medição, conversor elétrico e bateria sob carga 5.1 TESTES DE LABORATÓRIO Nesta etapa de testes, foram feitas diversas leituras individuais por bobinas e em conjunto, para conhecer melhor o gerador, quanto a tensões, freqüência, forma de onda e potência de saída. Observando o ensaio realizado com o gerador pela equipe do trabalho Gerador Eólico de Baixo Custo, constata-se que utilizaram um arranjo de 3 ramos paralelos com 4 bobinas em série, no qual obtiveram no máximo 12,2 V, conforme figura 56. Como o objetivo é de carregar uma bateria de 12 V automotiva e haverá queda de tensão sobre a ponte retificadora e outros dispositivos do carregador, foi 76 mudada a ligação das bobinas para elevar a tensão de saída, de forma a adequar o sistema ao circuito, observado na figura 57. Figura 56 - Ligação original das bobinas – 3 ramos paralelos. Figura 57 - Ligação modificada das bobinas – 2 ramos paralelos. O gerador foi fixado numa bancada, com seu acoplamento mecânico sendo feito por meio de uma correia a um motor elétrico trifásico de 3 HP, alimentado por um inversor de freqüência, para variar a velocidade, simulando o vento. Variando a velocidade desde 200 rpm até 400 rpm, foram feitas leituras de tensão com as 12 bobinas individualmente. Em seguida foram interligadas em série, como mostrado na tabela 06, por exemplo, 1-2 bobinas 1 e 2 em série, 1-3 bobinas 1, 2 e 3 em série, até 1-6 bobinas, ou seja, um circuito série de 6 bobinas. Para as últimas leituras foram interligados os dois circuitos em paralelo, como 1-6 // 7-12. Cada freqüência escolhida no inversor corresponde a uma rotação do motor elétrico, que transmitia, através da correia, movimento ao eixo do gerador. Tais velocidades foram lidas pelo tacômetro óptico no eixo do gerador. 77 Com o aumento da rotação as tensões máxima e eficaz, Vmáx e Vef, respectivamente, e a freqüência de saída das bobinas medidas pelo osciloscópio também aumentaram. Observou-se que a freqüência de saída do gerador era sempre dez vezes menor que a velocidade no seu eixo, devido a sua forma construtiva, com doze pólos. Estes valores de tensão e freqüência podem ser analisados na tabela 06. O gráfico da figura 58 representa a resposta de tensões Vef e Vmáx obtidos variando a rotação no eixo. Tabela 06 – Valores de simulação sem carga Medições Bobinas do Gerador Freqüência de Saída do Inversor (Hz) Rotação no Eixo do Gerador (rpm) Tensão Máxima (Vmáx) Tensão Eficaz (Vef) Freqüência da Tensão de Saída (Hz) 1 2 3 4 5 6 1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 13,8 13,8 13,8 13,8 13,8 13,8 200 200 200 200 200 200 2,80 5,80 8,20 10,80 14,20 17,60 1,81 3,65 5,44 7,20 9,12 11,22 20 20 20 20 20 20 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 7 7-8 7-9 7-10 7-11 7-12 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 3,40 6,80 9,80 13,80 17,40 21,60 3,80 7,00 10,20 14,00 17,60 21,20 2,25 4,54 6,73 8,98 11,35 13,90 2,38 4,70 7,03 9,38 11,60 14,02 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 19 20 21 22 23 24 25 1-6 1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 300 300 300 300 300 300 300 25,00 4,00 7,80 11,80 15,80 20,00 25,20 16,70 2,67 5,40 8,07 10,77 13,55 16,70 30 30 30 30 30 30 30 26 27 28 29 30 31 1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 350 350 350 350 350 350 4,60 9,00 13,80 18,40 23,60 29,00 3,12 6,38 9,47 12,55 15,88 19,50 35 35 35 35 35 35 32 1 27,4 400,6 5,80 3,55 40 78 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 7-8 7-9 7-10 7-11 7-12 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 6,00 5,20 5,80 6,00 6,50 6,10 5,80 5,80 5,60 6,80 6,20 11,00 16,60 22,00 27,00 32,00 10,24 15,60 21,20 25,60 32,40 3,70 3,50 3,54 3,81 4,14 3,79 3,71 3,68 3,68 3,73 3,73 7,21 10,70 14,10 17,80 21,90 7,15 10,50 13,20 16,80 22,00 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 54 55 56 57 58 1-6 // 7-12 1-6 // 7-12 1-6 // 7-12 1-6 // 7-12 1-6 // 7-12 13,8 17,2 20,5 24,0 27,6 200 250 300 350 400 18,00 20,80 24,40 28,40 32,60 11,20 13,95 16,62 19,50 22,30 20 25 30 35 40 Figura 58 - Gráfico de tensões Vef e Vmáx em função da rotação no eixo do Gerador. Testes de Laboratório / Tensão de saída sem carga x Rotação no eixo Vef Vmáx 35 30 Vef e Vmáx (V) 25 20 15 10 5 0 0 50 100 150 200 250 Rotação (rpm) 300 350 400 450 79 Os testes seguintes foram de carga da bateria, com o uso dos circuitos de retificação e carregador de bateria. Os valores de rotação no eixo, nível de tensão contínua aplicada e corrente de carga fornecida à bateria podem ser vistos na tabela 07. Para o aumento da rotação pode-se ver que a potência entregue à bateria sob carga também aumentou. Tabela 07 – Simulação carga bateria. Rotação no Eixo do Gerador (rpm) Tensão Aplicada na Bateria (Vcc) Corrente de Carga da Bateria (A) Potência de Carga da Bateria (W) 200 250 300 350 400 12,0 12,7 12,9 13,1 13,3 0,00 0,28 1,00 1,90 2,92 0,00 3,56 12,90 24,89 38,92 Para melhor visualizar o desempenho de carga da bateria pode ser visto o gráfico da figura 59, que mostra a potência que o gerador fornecia à bateria em regime de carga variando a rotação no eixo. Figura 59 – Gráfico potência – carga bateria x rotação. Simulação Lab. / Carregamento de Bateria x Rotação (rpm) 45,00 Potência entregue à Bateria (W) 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0 50 100 150 200 250 Rotação (rpm) 300 350 400 450 80 Concluída a fase de simulação em laboratório do conjunto gerador e conversor, o sistema foi preparado para testes de campo visto que seu desempenho correspondeu ao previsto pelo grupo. 5.2 TESTES DE CAMPO. 5.2.1 Montagem do gerador O grupo decidiu realizar os testes numa região que possuísse uma boa incidência de ventos e fácil acesso. O local foi a cidade de Florianópolis, em Ingleses, aproximadamente a 50m do nível do mar e 1 km de distância da praia, pois lá o vento tem pouca variação, que é ideal para este tipo de gerador, bem como uma velocidade de vento apropriada para os testes, conforme orientação do Engº Dario Schultz, do Departamento de Energia Alternativa da COPEL, que forneceu o conjunto de equipamentos para a medição do vento. Em contato com Engenheiro Hans Jörg Hüeblin, foi marcado para o feriado de Carnaval a realização da montagem do conjunto e testes. Os testes foram realizados no Morro dos Ingleses, numa residência de propriedade do senhor Alencar Furtado, que atendeu o grupo com todo auxílio necessário, mostrada na figura 60. Figura 60 – Local de montagem 81 Boa parte do sucesso do teste em campo foi devido ao empenho do Engº Hans, que possuía a estrutura de fixação do gerador de tubos e estais, que já estavam previamente montados na posição ideal, conforme pode ser visto na foto da figura 61. Figura 61 – Estrutura de montagem do gerador Como o protótipo 2 não possui pás, três foram emprestadas do Engº Hans, confeccionadas em madeira, em formato próprio para geração eólica, com 1,0 metro de comprimento, fixadas mecanicamente a 120° mecanicamente uma da outra, para facilitar o balanceamento. A fixação das pás do gerador foi feita marcando os pontos de furação e, em seguida, o aperto dos parafusos e porcas, utilizando um disco de madeira para adequar o diâmetro do rotor com a furação das pás. O conjunto montado pode ser visto na figura 62. 82 Figura 62 – Gerador montado com pás de madeira Enquanto isso foram presos os equipamentos de medições de velocidade e direção do vento, bem como toda a fiação de controle do anemômetro e potência do gerador. Após a fixação de todos os equipamentos, ocorreu a primeira elevação do conjunto, sabendo que o gerador deve ser levantado e descido sem movimento giratório das pás, para evitar esforços mecânicos que poderiam danificar alguma estrutura. A partir do momento que estava em movimento, para travá-lo completamente, foi necessário curto-circuitar os terminais do gerador, simulando uma carga infinita que o gerador não conseguiria alimentar, conseqüentemente bloqueando a rotação, funcionando como freio. Apesar de o gerador possuir uma baixa inércia, somente o vento não conseguiu girá-lo sozinho, devido à força de atração magnética entre os ímãs do rotor e partes metálicas do estator, então foi utilizada uma corda para começar o giro das pás, como pode ser visto na figura 63. 83 Figura 63 – Gerador parado com corda para início de giro Após vencida a inércia de partida, o rotor começou a girar com uma velocidade surpreendente, pois superou as expectativas do grupo, girando a velocidades superiores às simuladas em laboratório. Com as altas velocidades obtidas a estrutura vibrou, pois não havia uma fixação adequada, então, o conjunto foi abaixado para melhorar a fixação dos estais, não esquecendo de curto-circuitar as bobinas, pois o gerador não parou mesmo com baixa incidência de vento, 3 m/s, a menor verificada pelo logger do anemômetro, mostrado na figura 64. 84 Figura 64 – Detalhe do Logger 9200. O equipamento de leitura do vento, Logger 9200 da NRG Systems, forneceu as leituras de velocidade do vento instantânea, média e picos, bem como a direção do vento, que para o dia do teste, 23 de fevereiro de 2004 era sentido sul, sem variações. O próximo passo foi a conexão das bobinas do gerador com o circuito de conversão. Então as medições e levantamentos de dados foram executados na tarde do dia 23 de fevereiro de 2004 das 12:00h às 17:00h. Esta montagem foi aproveitada para realizar os testes com outro gerador, no dia 24, o Protótipo 1 do Engº Hans, conforme mostrado na figura 65, que pode ser melhor conhecido no trabalho Gerador Eólico de Baixo Custo, porém não girou. O Protótipo 1 apresentou alguns problemas mecânicos, ou seja, grande inércia de partida, que o vento não superou para girá-lo. Este gerador também estava com alguns dos seus circuitos de bobinas desligados, como não se possuía o esquema de ligação, não foi possível testá-lo. 85 Figura 65 – Protótipo 1 montado Para aprofundar os estudos, decidiu-se trazer para o CEFET-PR este gerador para melhorar seu desempenho, ou seja, para melhorias mecânicas, que não faz parte do escopo deste trabalho acadêmico. Este protótipo possibilitará a familiarização com outra tecnologia, fluxo radial, mais comum às máquinas girantes, visto que o outro gerador trabalha com fluxo de campo axial, melhor detalhado no item 2.2.1. 5.2.2 Resultados do Teste de Campo Tal como nos ensaios de laboratório, foram feitas as mesmas leituras em campo, mas deste momento em diante tudo ficou em função da velocidade que o vento apresentava. Na tabela 08 podem ser vistos os valores obtidos, sabendo que todas as leituras dependem da resolução do equipamentos, como multitestes, Logger, sendo apenas fiel ao que o osciloscópio mostrava. Na figura 66 pode ser visto um gráfico com os valores da tabela 08. 86 Os valores de rotação são tirados da relação que o gerador apresentou, de 10 vezes a freqüência da tensão de saída lida no osciloscópio. Tabela 08 – Valores de tensão em função da rotação, sem carga Rotação no Eixo Tensão Eficaz de Tensão Máxima de do Gerador Saída do Gerador Saída do Gerador (rpm) (Vef) (Vmáx) 230 320 350 400 550 14,0 18,0 18,9 23,6 31,0 18,0 22,0 24,8 30,1 44,0 Figura 66 - Gráfico das Tensões Vef e Vmáx com a variação da rotação. Teste de Campo / Tensão de saída sem carga x Rotação no eixo Vef Vmáx 50 45 Vef e Vmáx (V) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 Rotação (rpm) Da mesma maneira que no laboratório, a próxima fase foi a ligação dos circuitos de retificação, carga de bateria e inversor para mais testes, e os valores lidos podem ser vistos na tabela 09. 87 Tabela 09 – Carga da bateria com variação do vento Velocidade do Vento (m/s) Rotação no Eixo do Gerador (rpm) 3 4 6 7 8 9 10 11 17 160 236 280 286 330 385 400 425 660 Freqüência da Tensão Corrente Potência de Tensão de Aplicada na de Carga Carga da Saída do Bateria da Bateria Bateria (W) Gerador (Hz) (Vcc) (A) 16,0 23,6 28,0 28,6 33,0 38,5 40,0 42,5 66,0 12,52 12,60 12,60 12,80 13,00 13,26 13,10 13,30 13,30 0,00 0,00 1,00 1,66 2,00 2,26 3,30 4,00 4,50 0,00 0,00 12,60 21,25 26,00 29,97 43,23 53,20 59,85 A resposta da rotação do eixo com a variação da velocidade do vento, é mostrado no gráfico da figura 67. A velocidade média apontada pelo Logger 9200 foi de 6,9 m/s durante o período de testes. Figura 67 – Variação da rotação em função do vento Teste de Campo / Rotação no eixo com variação da velocidade do vento Rotação no eixo (rpm) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Velocidade do vento (m/s) Com a carga da bateria, o teste de carga pode ser melhor visualizado nos valores do gráfico da figura 68. 88 Figura 68 – Potência entregue à bateria durante o carregamento em campo Teste de Campo / Pôtência - carga da bateria x Velocidade do vento Potência - Carga da Bateria (W) 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Velocidade do vento (m/s) O terceiro teste com o gerador e conversor, foi feito com a bateria em carga e mais uma carga (lâmpada dicróica de 50 W) de 127 Vca ligada à saída do inversor. Os valores estão na tabela 10 e o gráfico de potência fornecida pode ser visto na figura 69. Tabela 10 – Carga bateria e alimentação de carga pelo inversor Velocidade do Vento (m/s) 4 6 8 10 12 14 15 Rotação no Tensão Eixo do Aplicada Gerador na Bateria (rpm) (Vcc) 236 280 300 425 432 470 489 12,22 12,16 12,15 12,36 12,40 12,28 12,28 Potência Corrente Corrente Potência de de Carga de Entrada da Bateria Entrada no da Bateria no Inversor (A) Inversor (W) (A) (W) 0,94 1,31 1,77 3,25 3,79 4,50 4,95 11,49 15,93 21,51 40,17 47,00 55,26 60,79 3,90 3,90 3,90 3,90 3,90 3,90 3,90 47,66 47,42 47,39 48,20 48,36 47,89 47,89 89 Figura 69 – Gráfico de potências Teste de Campo / Carga Bateria + carga 50 W - Potência x Velocidade do vento Potência entrada Inversor Potência total entregue 70,00 Potência (W) 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Velocidade do vento (m/s) Analisando o gráfico acima, verifica-se que a partir de 12 m/s de velocidade do vento, aproximadamente, o sistema fornece toda a corrente para a carga alimentada pelo inversor e ainda há excedente de energia para carga da bateria, mostrando que este projeto obteve sucesso em situação real e pode ser utilizado para alimentar cargas domésticas, cumprindo o proposto no objetivo geral deste trabalho acadêmico. 90 6 CONCLUSÕES Como resultado final do projeto do conversor elétrico para o gerador eólico de baixo custo, podemos afirmar que houve sucesso em todas as fases, desde a parte inicial de desenvolvimento dos circuitos até os resultados dos testes em campo. Na verdade o conjunto superou as expectativas da equipe, pois observando a tabela 06 de simulações, foram feitos testes com rotação no eixo de até 400 rpm e nos testes em campo houve momentos de até 660 rotações por minuto, embora a média tenha sido de aproximadamente 290 rotações por minuto. Este bom desempenho é devido às melhorias mecânicas promovidas ao gerador pela equipe, como fixação das placas de aço-silício com parafusos, lavagem e lubrificação dos rolamentos e novo ajuste de entreferro pela regulagem dos parafusos do eixo. Analisando o gráfico da figura 69, verifica-se que a partir de 12 m/s de velocidade do vento, aproximadamente, o sistema forneceu energia suficiente para uma carga de 50 W, alimentada pelo conversor, e ainda carregou a bateria, que armazena energia para momentos em que o vento não está presente. Isto mostra que este projeto obteve sucesso em situação real e pode ser utilizado para alimentar cargas domésticas, cumprindo o proposto no objetivo geral deste trabalho acadêmico. Após concluído este projeto, detectaram-se alguns pontos interessantes para exploração em projetos futuros, tais como, desenvolvimento de um novo conversor com micro controlador, podendo utilizar tecnologia PWM para melhorar a forma de onda da saída e aperfeiçoar o sistema de carga de bateria, possibilitando ao conjunto maior eficiência e melhor qualidade, como eliminação de harmônicos. Quanto ao gerador, pode ser implementado um ganho de potência com a troca dos ímãs atuais por outros de maior campo magnético, como os de terras raras. Outra sugestão, que abrange a parte mecânica, é desenvolver uma carenagem que diminua o ruído e a resistência ao vento, e projetar pás que tenham maior aproveitamento. Também pode ser desenvolvido outro protótipo de campo magnético radial, mais usual para máquinas girantes, possibilitando projetos de maior potência. 91 Em caráter de aplicação de conhecimentos usados, pode-se afirmar que foi muito proveitosa toda a fase deste projeto final de graduação, pois foi colocado em prática muito do que é ensinado durante as disciplinas do curso, e a capacidade de pesquisa e trabalho em grupo foram aperfeiçoados sensivelmente. 92 REFERÊNCIAS AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência. São Paulo: Prentice Hall, 2000 AMARANTE, O. A. C et al. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. Brasília, 2001. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/abertura.htm> Acesso em abr. 2003. ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br>. Acesso em abr. 2003. BERTINI, Luiz. Sítio de circuitos eletrônicos práticos. Disponível em <http://www.luizbertini.net/circuitos>. Acesso em set. 2003. BOSCH. Sítio comercial. Fabricante de peças automotivas. Disponível em <http://www.bosch.com.br/br/autopecas/produtos/eletrica>. Acesso em jan. 2004. COPEL. Companhia Paranaense de Enegia Elétrica. Disponível em <http://www.copel.com>. Acesso em jul. 2003. COSTA, Vanessa, Projeto Final CEFET-PR. Gerador Eólico de Baixo Custo, Orientador: Profº Ms. ALVES, Gilberto Manoel. Orientados: MILLEO, Edifrancis. SANTOS, Eduardo. RIVABEM, José, BAQUI Marcelle, fev. 2003. ENERGIA ALTERNATIVA. Sítio comercial que apresenta a empresa e seus produtos. Disponível em: < http://www.energia-alternativa.com.br >. Acesso em fev. 2003. G.M. Electronica S.A. Sítio de componentes eletrônicos. Disponível em: <http://www.gmelectronica.com.ar/catalogo>. Acesso em fev. 2004. LANDER, Cyril W. Eletrônica Industrial: Teoria e Aplicações. São Paulo: McGrawHill, 1988. 93 MARTINI FILHO, Duílio. Carregador Automático de Baterias. Revista Saber Eletrônica, nº 195/89, São Paulo: Ed. Saber, 1989. MINAMIZAWA, Ronaldo. Inversor Monofásico. Trabalho Acadêmico para a disciplina de Eletrônica de Potência, Curitiba: CEFET-PR, 2002. MOHAN, Ned; Underland, T. M.; Robbins, W. P. Power Electronics: Converters, Applications and Design. Minnesota, 1995. Eletrônica de Potência Curitiba: CEFET-PR, 2001. ROCHA, Joaquim Eloir. Apostila. ROCHA, Joaquim Eloir. Sistema de Energia em Corrente Contínua, Curitiba: CEFET-PR, 2002. Apostila. WEBER,Leo. Sistemas Ininterruptos de Fornecimento de Energia. Revista Saber Eletrônica, nº 240/93, São Paulo: Ed. Saber, 1993. Wind Power Monthly, nº 12, News Magazine, vol 19, Dezembro 2003 94 ANEXO 1 Resolução Nº 257, de 30 de junho de 1999. O Conselho Nacional do Meio Ambiente - Conama, no uso das atribuições e competências que lhe são conferidas pela Lei no 6.938, de 31 de agosto de 1981 e pelo Decreto no 99.274, de 6 de junho de 1990, e conforme o disposto em seu Regimento Interno, e Considerando os impactos negativos causados ao meio ambiente pelo descarte inadequado de pilhas e baterias usadas; Considerando a necessidade de se disciplinar o descarte e o gerenciamento ambientalmente adequado de pilhas e baterias usadas, no que tange à coleta, reutilização, reciclagem, tratamento ou disposição final; Considerando que tais resíduos além de continuarem sem destinação adequada e contaminando o ambiente necessitam, por suas especificidades, de procedimentos especiais ou diferenciados, resolve: Art. 1o As pilhas e baterias que contenham em suas composições chumbo, cádmio, mercúrio e seus compostos, necessárias ao funcionamento de quaisquer tipos de aparelhos, veículos ou sistemas, móveis ou fixos, bem como os produtos eletroeletrônicos que as contenham integradas em sua estrutura de forma não substituível, após seu esgotamento energético, serão entregues pelos usuários aos estabelecimentos que as comercializam ou à rede de assistência técnica autorizada pelas respectivas indústrias, para repasse aos fabricantes ou importadores, para que estes adotem, diretamente ou por meio de terceiros, os procedimentos de reutilização, reciclagem, tratamento ou disposição final ambientalmente adequada. 95 Parágrafo Único. As baterias industriais constituídas de chumbo, cádmio e seus compostos, destinadas a telecomunicações, usinas elétricas, sistemas ininterruptos de fornecimento de energia, alarme, segurança, movimentação de cargas ou pessoas, partida de motores diesel e uso geral industrial, após seu esgotamento energético, deverão ser entregues pelo usuário ao fabricante ou ao importador ou ao distribuidor da bateria, observado o mesmo sistema químico, para os procedimentos referidos no caput deste artigo. Art. 2o Para os fins do disposto nesta Resolução, considera-se: I - bateria: conjunto de pilhas ou acumuladores recarregáveis interligados convenientemente.(NBR 7039/87); II - pilha: gerador eletroquímico de energia elétrica, mediante conversão geralmente irreversível de energia química.(NBR 7039/87); III - acumulador chumbo–ácido: acumulador no qual o material ativo das placas positivas é constituído por compostos de chumbo, e os das placas negativas essencialmente por chumbo, sendo o eletrólito uma solução de ácido sulfúrico. (NBR 7039/87); IV - acumulador (elétrico): dispositivo eletroquímico constituído de um elemento, eletrólito e caixa, que armazena, sob forma de energia química a energia elétrica que lhe seja fornecida e que a restitui quando ligado a um circuito consumidor.(NBR 7039/87); V - baterias industriais: são consideradas baterias de aplicação industrial, aquelas que se destinam a aplicações estacionárias, tais como telecomunicações, usinas elétricas, sistemas ininterruptos de fornecimento de energia, alarme e segurança, uso geral industrial e para partidas de motores diesel, ou ainda tracionárias, tais como as utilizadas para movimentação de cargas ou pessoas e carros elétricos; VI - baterias veiculares: são consideradas baterias de aplicação veicular aquelas utilizadas para partidas de sistemas propulsores e/ou como principal fonte de energia em veículos automotores de locomoção em meio terrestre, aquático e aéreo, 96 inclusive de tratores, equipamentos de construção, cadeiras de roda e assemelhados; VII - pilhas e baterias portáteis: são consideradas pilhas e baterias portáteis aquelas utilizadas em telefonia, e equipamentos eletro-eletrônicos, tais como jogos, brinquedos, ferramentas elétricas portáteis, informática, lanternas, equipamentos fotográficos, rádios, aparelhos de som, relógios, agendas eletrônicas, barbeadores, instrumentos de medição, de aferição, equipamentos médicos e outros; VIII - pilhas e baterias de aplicação especial: são consideradas pilhas e baterias de aplicação especial aquelas utilizadas em aplicações específicas de caráter científico, médico ou militar e aquelas que sejam parte integrante de circuitos eletro-eletrônicos para exercer funções que requeiram energia elétrica ininterrupta em caso de fonte de energia primária sofrer alguma falha ou flutuação momentânea. Art. 3o Os estabelecimentos que comercializam os produtos descritos no art.1o, bem como a rede de assistência técnica autorizada pelos fabricantes e importadores desses produtos, ficam obrigados a aceitar dos usuários a devolução das unidades usadas, cujas características sejam similares àquelas comercializadas, com vistas aos procedimentos referidos no art. 1o. Art. 4o As pilhas e baterias recebidas na forma do artigo anterior serão acondicionadas adequadamente e armazenadas de forma segregada, obedecidas as normas ambientais e de saúde pública pertinentes, bem como as recomendações definidas pelos fabricantes ou importadores, até o seu repasse a estes últimos. Art. 5o A partir de 1o de janeiro de 2000, a fabricação, importação e comercialização de pilhas e baterias deverão atender aos limites estabelecidos a seguir: I - com até 0,025% em peso de mercúrio, quando forem do tipo zinco-manganês e alcalina-manganês; II - com até 0,025% em peso de cádmio, quando forem do tipo zinco-manganês e alcalina-manganês; III - com até 0,400% em peso de chumbo, quando forem do tipo zinco-manganês e alcalina-manganês; 97 IV - com até 25 mg de mercúrio por elemento, quando forem do tipo pilhas miniaturas e botão. Art. 6o A partir de 1o de janeiro de 2001, a fabricação, importação e comercialização de pilhas e baterias deverão atender aos limites estabelecidos a seguir: I - com até 0,010% em peso de mercúrio, quando forem do tipo zinco-manganês e alcalina-manganês; II - com até 0,015% em peso de cádmio, quando forem dos tipos alcalina-manganês e zinco-manganês; III - com até 0,200% em peso de chumbo, quando forem dos tipos alcalinamanganês e zinco-manganês. Art. 7o Os fabricantes dos produtos abrangidos por esta Resolução deverão conduzir estudos para substituir as substâncias tóxicas potencialmente perigosas neles contidas ou reduzir o teor das mesmas, até os valores mais baixos viáveis tecnologicamente. Art. 8o Ficam proibidas as seguintes formas de destinação final de pilhas e baterias usadas de quaisquer tipos ou características: I - lançamento "in natura" a céu aberto, tanto em áreas urbanas como rurais; II - queima a céu aberto ou em recipientes, instalações ou equipamentos não adequados, conforme legislação vigente; III - lançamento em corpos d'água, praias, manguezais, terrenos baldios, poços ou cacimbas, cavidades subterrâneas, em redes de drenagem de águas pluviais, esgotos, eletricidade ou telefone, mesmo que abandonadas, ou em áreas sujeitas à inundação. Art. 9o No prazo de um ano a partir da data de vigência desta resolução, nas matérias publicitárias, e nas embalagens ou produtos descritos no art. 1o deverão constar, de forma visível, as advertências sobre os riscos à saúde humana e ao meio ambiente, bem como a necessidade de, após seu uso, serem devolvidos aos 98 revendedores ou à rede de assistência técnica autorizada para repasse aos fabricantes ou importadores. Art. 10 Os fabricantes devem proceder gestões no sentido de que a incorporação de pilhas e baterias, em determinados aparelhos, somente seja efetivada na condição de poderem ser facilmente substituídas pelos consumidores após sua utilização, possibilitando o seu descarte independentemente dos aparelhos. Art. 11. Os fabricantes, os importadores, a rede autorizada de assistência técnica e os comerciantes de pilhas e baterias descritas no art. 1o ficam obrigados a, no prazo de doze meses contados a partir da vigência desta resolução, implantar os mecanismos operacionais para a coleta, transporte e armazenamento. Art. 12. Os fabricantes e os importadores de pilhas e baterias descritas no art. 1o ficam obrigados a, no prazo de vinte e quatro meses, contados a partir da vigência desta Resolução, implantar os sistemas de reutilização, reciclagem, tratamento ou disposição final, obedecida a legislação em vigor. Art. 13. As pilhas e baterias que atenderem aos limites previstos no artigo 6o poderão ser dispostas, juntamente com os resíduos domiciliares, em aterros sanitários licenciados. Parágrafo Único. Os fabricantes e importadores deverão identificar os produtos descritos no caput deste artigo, mediante a aposição nas embalagens e, quando couber, nos produtos, de símbolo que permita ao usuário distinguí-los dos demais tipos de pilhas e baterias comercializados. Art. 14. A reutilização, reciclagem, tratamento ou a disposição final das pilhas e baterias abrangidas por esta resolução, realizadas diretamente pelo fabricante ou por terceiros, deverão ser processadas de forma tecnicamente segura e adequada, com vistas a evitar riscos à saúde humana e ao meio ambiente, principalmente no que tange ao manuseio dos resíduos pelos seres humanos, filtragem do ar, tratamento de efluentes e cuidados com o solo, observadas as normas ambientais, especialmente no que se refere ao licenciamento da atividade. 99 Parágrafo Único. Na impossibilidade de reutilização ou reciclagem das pilhas e baterias descritas no art. 1o, a destinação final por destruição térmica deverá obedecer as condições técnicas previstas na NBR - 11175 - Incineração de Resíduos Sólidos Perigosos - e os padrões de qualidade do ar estabelecidos pela Resolução Conama no 03, de 28 de junho de l990. Art. 15. Compete aos órgãos integrantes do SISNAMA, dentro do limite de suas competências, a fiscalização relativa ao cumprimento das disposições desta resolução. Art. 16. O não cumprimento das obrigações previstas nesta Resolução sujeitará os infratores às penalidades previstas nas Leis no 6.938, de 31 de agosto de 1981, e no 9.605, de 12 de fevereiro de 1998. Art. 17. Esta Resolução entra em vigor na data de sua publicação.
