João André Pereira Pacheco Brás Interface de um Gerador Eólico
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Universidade do Minho Escola de Engenharia Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas UMinho | 2011 João André Pereira Pacheco Brás Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas João André Pereira Pacheco Brás dezembro de 2011 Universidade do Minho Escola de Engenharia João André Pereira Pacheco Brás Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Dissertação de Mestrado Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores Trabalho efetuado sob a orientação do Professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita de Freitas dezembro de 2011 Aos meus pais e à minha namorada Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Agradecimentos Embora uma tese seja um trabalho individual, há contributos que não podem ficar esquecidos nem devem deixar de ser realçados. Desde o início do mestrado, contei com a confiança e o apoio de inúmeras pessoas. Sem esses contributos, esta investigação não teria sido possível. Ao Professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita de Freitas, orientador da dissertação, agradeço o apoio, a partilha do saber e as valiosas contribuições para o trabalho. Pela competência com que orientou esta minha tese e pela sua crítica sempre tão atempada, como construtiva. Um sentido agradecimento aos meus colegas de laboratório, Luís Pacheco, Rui Barros, Leandro Cruz, Vítor Costa, Pedro Conceição, Cláudio Gomes e Delfim Anderson, pela amizade, companheirismo e encorajamento. Sou muito grato a todos os meus familiares pelo incentivo recebido ao longo destes anos, principalmente à minha namorada, Ana Sofia Fernandes, que agradeço toda a atenção, tempo, apoio e o amor que me dedicou, sem reservas. Aos meus pais, António Brás e Rosa Ribeiro, obrigado pela dedicação, compreensão e por todo o esforço em permitir o meu percurso académico. Aos meus irmãos, Nelson Pacheco e Catarina Brás pelo carinho. Por último, e não menos importante, quero agradecer ao Micael Henriques e à Patrícia Fernandes pelo incentivo e apoio. O meu profundo e sentido agradecimento a todas as pessoas que contribuíram para a concretização desta dissertação, estimulando-me intelectual e emocionalmente. iii Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas iv Resumo Nos dias de hoje fontes de energia renovável têm um papel cada vez mais importante, tanto em Portugal como no mundo, no sentido de contribuírem, cada vez mais, para a conservação do planeta, do desenvolvimento económico ou da criação de emprego por todo o mundo. A energia eólica tem-se revelado ao longo dos anos uma mais-valia no contributo das energias renováveis para o desenvolvimento e preservação do planeta. Actualmente a produção de energia eólica não é feita apenas em grande escala, a micro produção de energia eólica tem crescido cada vez mais, tanto no mundo como em Portugal. Com este trabalho pretende-se desenvolver um sistema capaz de efectuar o Interface de um gerador eólico para microgeração de energia com cargas eléctricas, que são destinadas a serem alimentadas através da rede eléctrica. Desta forma desenvolveu-se um circuito constituído por um rectificador monofásico de forma a obter-se uma tensão contínua na saída do gerador eléctrico e alimentar um circuito inversor de tensão monofásico, capaz de converter a tensão do gerador eléctrico numa tensão alternada de 230V e frequência 50Hz para alimentar a carga pretendida. O sistema de controlo implementado é executado pelo microcontrolador PIC18F4431 da Microchip que tem como função gerar os sinais que vão controlar o circuito inversor de tensão. São também mostrados os resultados das simulações do sistema de interface entre o gerador e a carga, e os resultados experimentais do protótipo desenvolvido. Palavras-chave: Energias Renováveis; Gerador Eólico; Inversor de Tensão v Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas vi Abstract Nowadays, renewable energy sources play an increasingly important role, in Portugal and around the world, in the sense that they contribute, more and more, to the planet’s conservation, economical development and job creation throughout the world. Throughout the years, wind energy has proven itself an asset to the contribution of renewable energies to the conservation of the planet. Nowadays, the harvesting of wind energy is not only performed on a grand scale, as micro-energy production have been growing steadily, both in Portugal and in the rest of the world. The purpose of this work was to develop a system capable of interfacing with a wind-powered generator for energy micro-generation with electric loads, designed to be supplied by the power grid. For this purpose, a circuit made up of a single-phase rectifier was developed in order to obtain a continuous voltage at the output of the electrical generator, which in turn feeds a single-phase voltage inverter capable of converting the continuous current into a 50Hz 230V alternating current to feed the intended load. The implemented control system is executed by Microchip’s PIC18F4431 microcontroller whose purpose is to generate the signals which will control the voltage inverter circuit. Simulation results of the generator-load interface and experimental results obtained from the developed prototype are also presented. Keywords: Renewable Energies; Wind Generator; Voltage Inverter vii Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas viii Índice Agradecimentos..................................................................................................................... iii Resumo .................................................................................................................................... v Abstract .................................................................................................................................vii Índice ......................................................................................................................................ix Lista de Figuras......................................................................................................................xi Lista de Tabelas .................................................................................................................... xv Lista de Siglas e Acrónimos ................................................................................................ xvii CAPÍTULO 1 Introdução ........................................................................................................ 1 1.1. Identificação do Problema ........................................................................................... 1 1.2. Potência Eólica Instalada no Mundo e na Europa......................................................... 4 1.3. Potência Eólica Instalada em Portugal ......................................................................... 6 1.4. Motivações do Trabalho .............................................................................................. 8 1.5. Objectivos do Trabalho ............................................................................................... 8 1.6. Organização da Tese ................................................................................................... 9 CAPÍTULO 2 Geradores Eólicos........................................................................................... 11 2.1. Tipos de Turbinas Eólicas ......................................................................................... 11 2.2. Componentes de um Gerador Eólico ......................................................................... 13 2.3. Geradores Eléctricos ................................................................................................. 19 2.3.1. Gerador de Corrente Contínua ................................................................................ 19 2.3.2. Gerador Síncrono ................................................................................................... 21 2.3.3. Gerador Síncrono de Rotor Bobinado ..................................................................... 21 2.3.4. Gerador Síncrono de Imanes Permanentes .............................................................. 22 2.3.5. Gerador de Indução Assíncrono .............................................................................. 22 2.3.5.1 Gerador de Indução com Rotor em Gaiola de Esquilo ........................................ 23 2.3.5.2 Gerador de Indução com Rotor Bobinado .......................................................... 23 2.4. Micro-Eólicas ........................................................................................................... 23 2.4.1. Características de diferentes Micro-Eólicas existentes no Mercado ......................... 25 2.5. Aproveitamento da Energia fornecida pelo Vento ...................................................... 30 2.6. Sistemas Usados na Aplicação de Geradores Eólicos ................................................. 35 2.6.1. Sistemas Isolados ................................................................................................... 35 2.6.2. Sistemas Híbridos ................................................................................................... 36 2.6.3. Sistemas Interligados à Rede Eléctrica .................................................................... 37 2.6.4. Sistemas “off - shore” ............................................................................................. 38 CAPÍTULO 3 Diferentes Topologias de Sistemas Micro-Eólicos ......................................... 39 3.1. Topologia de Sistemas Micro-Eólicos Ligados à Rede Eléctrica ................................ 39 ix Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 3.2. Topologia de Interface de Sistemas Micro-Eólicos com Cargas Eléctricas Independentes ..................................................................................................................... 44 3.3. Exemplo de Sistema Micro-eólico com Seguidor do Ponto de Máxima Potência (MPPT - Maximum Power Point Tracker) ........................................................................... 46 3.3.1. Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes .............................................................. 48 3.3.2. Conversor CA/CC (rectificador) ............................................................................. 49 3.3.3. Conversor CC/CC .................................................................................................. 53 3.3.3.1. Conversor Step-up ........................................................................................... 53 3.3.3.2 Conversor Step-up com Controlo PWM (Pulse-Width Modulation) ................... 63 3.3.3.3. Dimensionamento do Conversor Step-up .......................................................... 65 3.3.4. Sistema de controlo MPPT ..................................................................................... 66 3.4. Topologia do Sistema Micro-Eólico com Interface para Cargas CA Desenvolvido..... 68 3.4.1. Inversor .................................................................................................................. 68 3.4.2. Inversor em Ponte Completa (Full – Bridge) Monofásico ........................................ 70 3.4.3. Inversor com Controlo PWM (Pulse-Width Modulation) ........................................ 72 CAPÍTULO 4 Simulações Computacionais ........................................................................... 77 4.1. Psim ......................................................................................................................... 77 4.2. Modelo de Simulação do Gerador Micro-eólico ........................................................ 79 4.3. Conversor Step-up .................................................................................................... 83 4.4. Inversor .................................................................................................................... 86 CAPÍTULO 5 Implementação Prática do Sistema de Interface do Gerador Micro-Eólico com Cargas Eléctricas........................................................................................................... 95 5.1. Gerador Micro-eólico ................................................................................................ 96 5.2. Sistema de controlo ................................................................................................... 97 5.2.1. Controlo do inversor ............................................................................................. 100 5.3. Interface entre o Microcontrolador e o Inversor ....................................................... 101 5.4. Implementação do Rectificador ............................................................................... 103 5.5. Implementação do Inversor Monofásico .................................................................. 105 5.6. Sistema Implementado ............................................................................................ 107 CAPÍTULO 6 Resultados Experimentais ............................................................................ 109 6.1. Ensaio do Gerador Síncrono .................................................................................... 109 6.2. Resultados Experimentais do Circuito de Controlo. ................................................. 110 6.3. Resultados experimentais do Circuito Inversor ........................................................ 111 CAPÍTULO 7 Conclusões e Propostas de Trabalho Futuro ............................................... 115 7.1. Conclusões.............................................................................................................. 115 7.2. Propostas de Trabalho Futuro .................................................................................. 116 Referências Bibliográficas .................................................................................................. 117 x Lista de Figuras Figura 1-1 Projecção das emissões de ( ) a nível mundial [2]. .............................................. 2 Figura 1-2 Evolução anual da potência eólica instalada total no Mundo [6]................................ 4 Figura 1-3 Evolução anual da potência eólica instalada por ano no Mundo [6]. .......................... 5 Figura 1-4 Evolução anual da potência eólica instalada na Europa [7]........................................ 6 Figura 1-5 Capacidade total de energia eólica instalada em Portugal [6]. ................................... 7 Figura 1-6 Evolução da Potência eólica instalada em Portugal Continental [4]. .......................... 7 Figura 2-1 Turbina de eixo horizontal (HAWT) [8]. ................................................................ 12 Figura 2-2 Turbina de eixo vertical (VAWT) [8]. .................................................................... 12 Figura 2-3 Componentes de uma turbina eólica [9]. ................................................................. 13 Figura 2-4 Potência nominal em relação ao diâmetro do rotor [10]. ......................................... 14 Figura 2-5 “Upwind” [11]. ...................................................................................................... 15 Figura 2-6 “Downwind” [11]. .................................................................................................. 15 Figura 2-7 Torre tubular [13]................................................................................................... 19 Figura 2-8 Torre em treliça [14]. ............................................................................................. 19 Figura 2-9 Estator e Rotor de um gerador de corrente contínua [15]......................................... 20 Figura 2-10 Micro-eólica [19]. ................................................................................................ 24 Figura 2-11 Gerador eólico de grande porte [20]. .................................................................... 25 Figura 2-12 Micro-eólica PK-10 [21]. ..................................................................................... 26 Figura 2-13 em função de λ para vários tipos de turbinas [30]. ........................................... 33 Figura 2-14 Modelo de Betz [32]. ............................................................................................ 33 Figura 2-15 Sistemas isolados. ................................................................................................ 36 Figura 2-16 Sistemas híbridos. ................................................................................................ 37 Figura 2-17 Sistema interligados à rede eléctrica. .................................................................... 37 Figura 2-18 Sistema “off-shore” [35]....................................................................................... 38 Figura 3-1 Gerador síncrono ligado directamente à rede eléctrica. ........................................... 40 Figura 3-2 Gerador síncrono ligado à rede através de conversores CA/CC e CC/CA. ............... 41 Figura 3-3 Gerador síncrono sem caixa de velocidades e ligação à rede através de conversores CA/CC e CC/CA..................................................................................................................... 41 Figura 3-4 Gerador assíncrono com rotor em gaiola de esquilo ligado directamente à rede. ...... 42 Figura 3-5 Gerador assíncrono com dupla alimentação com estator ligado directamente à rede e rotor ligado através de conversores CA/CC e CC/CA. ............................................................. 43 Figura 3-6 Gerador assíncrono com rotor em gaiola de esquilo ligado à rede através de conversores CA/CC e CC/CA. ................................................................................................ 43 Figura 3-7 Sistema de interface com cargas CA. ...................................................................... 44 xi Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 3-8 Sistema de interface com cargas CA com conversor CC/CC. .................................. 45 Figura 3-9 Sistema de interface com cargas CC. ...................................................................... 45 Figura 3-10 Curva característica da potência de uma turbina micro-eólica [33]. ....................... 46 Figura 3-11 Topologia do Sistema Micro-eólico com Seguidor do Ponto de Máxima Potência. 47 Figura 3-12 Rectificador trifásico não controlado. ................................................................... 50 Figura 3-13 Rectificador trifásico não controlado com filtro capacitivo. .................................. 50 Figura 3-14 Formas de onda da tensão de entrada (Vab, Vbc, Vca) e saída do rectificador não controlado. .............................................................................................................................. 51 Figura 3-15 Formas de onda da corrente de entrada (Ia, Ib, Ic) e saída do rectificador não controlado. .............................................................................................................................. 51 Figura 3-16 Formas de onda da tensão de entrada (Vab, Vbc, Vca) e saída do rectificador não controlado com filtro capacitivo. ............................................................................................. 52 Figura 3-17 Formas de onda da corrente de entrada (Ia, Ib, Ic) e saída do rectificador não controlado com filtro capacitivo. ............................................................................................. 52 Figura 3-18 Conversor Step-up. ............................................................................................... 54 Figura 3-19 Formas de onda da tensão e corrente na bobina para o modo de condução contínua [39]. ........................................................................................................................................ 55 Figura 3-20 Circuito Step-Up para o estado ................................................................... 55 Figura 3-21 Circuito Step-Up para o estado . ................................................................... 56 Figura 3-22 Formas de onda da tensão e corrente na bobina para o limite entre a condução contínua e descontínua [39]. .................................................................................................... 57 Figura 3-23 Curvas de e em função de D para constante [39]. ............................... 58 Figura 3-24 Formas de onda e corrente da bobina para o modo de condução descontínua [39]. 60 Figura 3-25 Curva característica do conversor Step-Up para constante [39]. ....................... 61 Figura 3-26 Ripple da tensão de saída do conversor Step-Up [39]. ........................................... 62 Figura 3-27 Esquema eléctrico do conversor Step-Up com controlo PWM............................... 63 Figura 3-28 Resultado da comparação entre os sinais e . .................................... 64 Figura 3-29 Fluxograma do algoritmo do método P&O implementado. ................................... 67 Figura 3-30 Gerador micro-eólico com interface para cargas CA monofásicas. ........................ 68 Figura 3-31 a) Inversor VSI em ponte completa. b) Inversor VSI em meia ponte. .................... 70 Figura 3-32 Circuito eléctrico do conversor CC/CA inversor. .................................................. 71 Figura 3-33 Modos de operação do inversor. ........................................................................... 71 Figura 3-34 Comparação entre e [39]. ............................................................. 72 Figura 3-35 Modulação PWM modo bipolar [39]. ................................................................... 73 Figura 3-36 Comparação dos sinais , e [39]. ................................. 74 Figura 3-37 Tensão de saída do braço A e B [39]. ................................................................... 75 Figura 3-38 Modulação PWM unipolar [39]. ........................................................................... 75 xii Figura 4-1 Ambiente gráfico do Psim com alguns componentes que o constituem. .................. 78 Figura 4-2 Exemplo de visualização de um sinal sinusoidal no ambiente gráfico, onde são apresentadas as grandezas medidas.......................................................................................... 78 Figura 4-3 Modelo do gerador micro-eólico usado por [36]. .................................................... 79 Figura 4-4 Tensões compostas do gerador eléctrico. ................................................................ 80 Figura 4-5 Modelo do gerador micro-éolico com rectificador ligado na saída do gerador eléctrico. ................................................................................................................................. 81 Figura 4-6 Tensão na carga. .................................................................................................... 82 Figura 4-7 Corrente na carga. .................................................................................................. 82 Figura 4-8 Potência eléctrica do gerador. ................................................................................. 82 Figura 4-9 Conversor Step-up ligado ao gerador micro-eólico. ................................................ 83 Figura 4-10 Conversor Step-up. .............................................................................................. 84 Figura 4-11 Sinal de controlo PWM. ....................................................................................... 85 Figura 4-12 Tensão de entrada e saída do step-up. ................................................................... 85 Figura 4-13 Tensão e Corrente na bobina. ............................................................................... 86 Figura 4-14 Inversor ligado ao gerador micro-eólico. .............................................................. 87 Figura 4-15 Inversor. .............................................................................................................. 88 Figura 4-16 PWM unipolar. .................................................................................................... 89 Figura 4-17 Sinais de controlo dos mosfets. ............................................................................. 89 Figura 4-18 Tensão de entrada do inversor. ............................................................................. 90 Figura 4-19 Tensão de entrada do inversor com zoom. ............................................................ 90 Figura 4-20 Tensão na carga. .................................................................................................. 91 Figura 4-21 Corrente na carga. ................................................................................................ 91 Figura 4-22 Inversor com transformador na saída. ................................................................... 92 Figura 4-23 Forma de onda da tensão com transformador na saída do inversor. ....................... 92 Figura 4-24 Forma de onda da corrente com transformador na saída do inversor...................... 93 Figura 5-1 Bancada de trabalho. .............................................................................................. 95 Figura 5-2 Sistema usado para emular um gerador micro-eólico. ............................................. 96 Figura 5-3 Microcontrolador PIC18F4431. .............................................................................. 98 Figura 5-4 Diagrama de pinos do PIC18F4431 [47]. ................................................................ 99 Figura 5-5 Programador MPLAB ICD 2. ................................................................................. 99 Figura 5-6 Esquema do circuito inversor. .............................................................................. 100 Figura 5-7 Modo Counting UP/DOWN [47]. ......................................................................... 101 Figura 5-8 Esquema do Acoplador Óptico HCPL3120 [48]. .................................................. 102 Figura 5-9 Esquema do circuito eléctrico implementado com o Acoplador óptico [48]........... 102 Figura 5-10 Unidade de Controlo. ......................................................................................... 103 Figura 5-11 Rectificador 26MT80. ........................................................................................ 104 xiii Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 5-12 Esquema do Rectificador com Filtro Capacitivo na Saída. .................................. 104 Figura 5-13 Rectificador Implementado na Prática. ............................................................... 105 Figura 5-14 Esquema do Mosfet FCP11N60 [49]. ................................................................. 106 Figura 5-15 Circuito inversor Implementado. ........................................................................ 107 Figura 5-16 Sistema Implementado. ...................................................................................... 107 Figura 6-1 Forma de onda da tensão da fase do gerador síncrono. .......................................... 109 Figura 6-2 Sinais de PWM gerados pelo microcontrolador. ................................................... 110 Figura 6-3 Sinais de PWM amplificados. .............................................................................. 110 Figura 6-4 Dead time de 5µs entre os sinais de PWM. ........................................................... 111 Figura 6-5 Tensão CC de entrada do inversor. ....................................................................... 111 Figura 6-6 Forma de onda de tensão na carga. ....................................................................... 112 Figura 6-7 Forma de onda de corrente na carga. .................................................................... 113 xiv Lista de Tabelas Tabela 3-1 Dados do Sistema micro-eólico Gerar246 [36] http://www.eolicario.com.br/energia_eolica_gerar246.html ..................................................... 48 Tabela 5-1 Características do Motor Série Universal e Máquina Síncrona. ............................... 97 xv Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas xvi Lista de Siglas e Acrónimos OCDE Organização de Cooperação e de Desenvolvimento Económico PNALEII Plano Nacional de Atribuição de Licenças de Emissão de CO2 W Watt CA Corrente Alternada CC Corrente Contínua HAWT Horizontal Axis Wind Turbine VAWT Vertical Axis Wind Turbine f Frequência TSR Type Speed Ratio Cp Coeficiente de Potência MPPT Maximum Power Point Tracker P&O Pertubation and Observation PWM Pulse Width Modulation VSI Voltage Source Inverter CSI Current Source Inverter PSIM Power Simulator V Volt A Ampere Ω Ohm Hz Hertz rpm rotações por minuto MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor xvii Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas xviii Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas CAPÍTULO 1 Introdução Como parte introdutória deste capítulo é analisado o papel das energias fósseis na poluição do nosso planeta, e como as energias renováveis têm um papel de relevância no combate à poluição. De seguida é descrito o panorama internacional e nacional da energia eólica. Na parte final são expostos os objectivos desta dissertação e respectiva organização. 1.1. Identificação do Problema Devido ao desenvolvimento industrial e ao crescimento demográfico, tem-se verificado nos últimos anos um aumento do consumo de energia por todo o mundo, na sua maioria oriunda de fontes de combustível fóssil. O aumento do consumo de energia na sua maioria proveniente de combustíveis fósseis tem contribuído significativamente para o aumento de muitos dos problemas ambientais do nosso planeta. Em instalações que utilizam combustíveis fósseis na produção de energia, para além da energia produzida, também são produzidos gases nocivos como os óxidos de azoto (NO2), de enxofre (SO2) e os hidrocarbonetos (HC), que dão origem a formação de chuvas ácidas, e poluição das cidades. Além da produção deste tipo de gases, este processo produz grandes quantidades de dióxido de carbono (CO2), que é um dos responsáveis pela poluição da atmosfera [1]. No estudo publicado pela agência internacional dos Estados Unidos EIA (U.S. Energy Information Administration), o futuro em termos de emissões de dióxido de carbono é muito mais promissor para os países membros da OCDE (Organização de Cooperação e de Desenvolvimento Económico), e o inverso para os países que se encontram de fora desta organização. No ano de 2007, o total de emissões de dióxido de carbono em relação ao ano anterior cresceu apenas 1% nos países membros da OCDE, contrastando com o aumento de 4,9% de emissões de CO2 atingidos pelos países não membros. Universidade do Minho 1 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Segundo uma projecção efectuada no estudo, no período de 2007 a 2035, as emissões totais de CO2 nos países fora da OCDE vai aumentar em média 2% por ano, o que equivale a um aumento 20 vezes superior, em relação à taxa de 0,1% prevista para os países membros, no que diz respeito a emissões de dióxido de carbono. Confirmando-se assim uma tendência optimista no controlo de emissões de dióxido de carbono, por parte dos países membros da OCDE, como se pode visualizar na figura (1-1). Figura 1-1 Projecção das emissões de ( ) a nível mundial [2]. Estas projecções são efectuadas com base nas leis e políticas existentes, podendo vir a ser alteradas se entretanto as leis e políticas destinadas à redução das emissões de dióxido de carbono forem alteradas [2]. Em 1997 no Japão foi acordado Protocolo de Quioto com vista a estabelecer metas que devem ser alcançadas por todos os países que fazem parte do protocolo, de modo a reduzirem a quantidade de gases efeito de estufa emitidos para a atmosfera por cada um. Os objectivos do protocolo recaem sobre a redução da emissão de seis gases com efeito de estufa, dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), 2 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas hidrocarbonetos fluorados (HFC), hidrocarbonetos perfluorados (PFC) e hexafluoreto de enxofre (SF6). No que diz respeito aos estados signatários do protocolo de Quioto, estes comprometem-se em conjunto na redução em, pelo menos, 5% das emissões totais de gases com efeito de estufa por parte dos países desenvolvidos, em relação aos níveis atingidos em 1990, durante um período de quatro anos, entre 2008 e 2012. No mesmo ano em que é assinado o protocolo de Quioto é também criado um documento oficial pela Comissão Europeia que aumentou a quota de energias renováveis de 6% para 12% do total de consumo de energia até 2010 para a União Europeia. Nos anos que se seguiram foram criadas uma série de directivas no que diz respeito à política europeia de energias renováveis. Destacando-se as directivas criadas em 2001 e 2003, que impõem o aumento para 21% da energia eléctrica produzida a partir de fontes renováveis no consumo total de electricidade da Comunidade em 2010, e a incorporação de uma cota de 2% para a quantidade de biocombustível utilizado para transportes na Europa em 2005 e 5,75% em 2010. Para 2020 a Europa tem como objectivos alcançar as metas estabelecidas pela directiva criada em 2009. Estas metas passam por atingir uma cota de 20% de energias renováveis no consumo final de energia da União Europeia em 2020 e o objectivo mínimo de incorporação de 10% de biocombustíveis no consumo de combustíveis pelos transportes até 2020. No contexto nacional, ao abrigo da directiva criada em 2009 pelo concelho europeu, Portugal tem como compromisso atingir uma cota de 31% de energia proveniente de recursos renováveis no consumo final de energia, abrangendo a produção de electricidade, e transportes. Em 2010 a inclusão de fontes de energia renovável no consumo bruto de energia eléctrica para efeitos da directiva 2001/77/CE, foi de 50%. Esta directiva estipulou que 39% da produção de energia eléctrica em Portugal deveria ser proveniente de fontes renováveis até 2010, meta que mais tarde foi actualizada para 45% no PNALE II (Plano Nacional de Atribuição de Licenças de Emissão de CO2) [3] [4] [5]. Actualmente Portugal tem como objectivo para 2020 alcançar uma cota de 31% do consumo de energia final, tendo origem em fontes renováveis e uma percentagem de Universidade do Minho 3 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 60% da energia eléctrica produzida, com origem de fontes renováveis e uma redução de 20% do consumo de energia final. Com a finalidade de reduzir estes problemas, em quase todo o mundo, tem crescido significativamente a aposta em soluções capazes de gerar energia que tenham como fonte energias renováveis. Entre todas as fontes de energia renovável, a energia eólica tornou-se uma das mais exploradas por todo o mundo devido aos avanços obtidos na eficiência e tecnologia para este tipo de energia. A aposta neste tipo de energia apresenta-se como uma mais-valia para Portugal, contribuindo para o desenvolvimento económico do País, através da redução do consumo de energia proveniente de fontes de energia fóssil, diminuição da emissão de gases de poluentes para a atmosfera e a criação de novos postos de trabalho. 1.2. Potência Eólica Instalada no Mundo e na Europa Através da visualização da figura (1-2), é possível constatar que a potência eólica instalada no mundo, em 1996, era de 6100 MW, verificando-se um crescimento mais acentuado a partir de 2004, atingindo os 197039 MW de potência instalada, em 2010. Devido à crise financeira, em 2010, o crescimento da energia eólica não foi o esperado. O crescimento da nova potência instalada, em 2009, foi de 38,8 GW ao contrário de 2010 de apenas 38,3 GW, como pode se visualizado pela figura (1-3), contrariando assim a tendência de crescimento da nova potência instalada, que se tem verificado ao longo dos anos [6]. Figura 1-2 Evolução anual da potência eólica instalada total no Mundo [6]. 4 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 1-3 Evolução anual da potência eólica instalada por ano no Mundo [6]. O investimento efectuado em 2010 para aumentar a capacidade de energia eólica em todo o mundo representa cerca de 49,8 milhares de milhões de euros. Os principais mercados em crescimento são a Ásia com a instalação de 21,5 GW de energia eólica em 2010, e a Europa com 9,9 GW respectivamente. Pela primeira vez, em 2010, mais de metade da nova potência eólica instalada em todo o mundo foi acrescentada fora dos mercados tradicionais, Europa e América do Norte. Este facto deve-se ao elevado crescimento da energia eólica na China, que representa metade das novas instalações de energia eólica em todo o mundo, com uma potência de 18,9 GW. Actualmente a China tem uma potência eólica total instalada de 44,7 GW, sendo assim o maior produtor mundial de energia eólica, ultrapassando a América do Norte que era até então o maior produtor de energia eléctrica a partir dos ventos [6]. No cenário europeu a energia eólica representou 16,8% da potência instalada em 2010. A instalação anual de potência eólica por toda a Europa cresceu nos últimos 15 anos de 814 MW em 1995 para 9295 MW em 2010. Em 2010 na Europa estavam instados um total de 84074 MW de potência eólica como se pode visualizar na figura (1-4), representando um crescimento de 12,2% em relação ao ano anterior. Entre os países europeus a Alemanha é o país com mais capacidade de energia eólica instalada seguido da Espanha, França e Reino Unido. Universidade do Minho 5 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 1-4 Evolução anual da potência eólica instalada na Europa [7]. A Dinamarca é o país com a maior taxa de inclusão de energia eólica no consumo de electricidade (24%), seguido por Portugal (14,8%), Espanha (14,4%), Irlanda (10,1%) e Alemanha (9,3%) [7]. 1.3. Potência Eólica Instalada em Portugal Nos últimos anos o desenvolvimento da energia eólica em Portugal tem sofrido um elevado crescimento, sendo o Norte e Centro do País os locais onde mais se nota este crescimento. Pelo visualização da figura (1-5) é possível verificar-se no período entre 2000 e 2007 o crescimento da energia eólica em Portugal foi bastante acentuado, onde em 2007 a potência eólica total instalada era cerca de 20 vezes mais superior em relação a 2000. Em 2010, 345 MW de potência eólica estavam ligados à rede nacional de energia eléctrica, distribuídos por 21 novos parques eólicos com uma potência total instalada de 3898 MW. A produção de energia eléctrica com recurso aos ventos obtida em 2010 foi superior ao registado em 2009, com um total de 2 476 horas equivalentes por MW. Destacando-se que foram ultrapassadas as 2 000 horas de produção equivalente para todos os distritos portugueses [4] [6]. 6 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 1-5 Capacidade total de energia eólica instalada em Portugal [6]. Segundo os dados disponibilizados pela Direcção Geral da Energia e Geologia [4] a potência eólica total instalada em Portugal no final do mês de Maio de 2011 era cerca de 4 094 MW. Esta potência está distribuída por um total de 212 parques eólicos, com um número total de 2146 geradores espalhados por todo o território português, com maior incidência no Norte de Portugal, sendo que 36% da potência instalada é proveniente de parques com potência igual ou inferior a 25 MW. Ao consultar a figura (1-6) confirma-se o crescimento da potência eólica instalada em Portugal para o ano de 2011. Figura 1-6 Evolução da Potência eólica instalada em Portugal Continental [4]. Em Maio de 2011 os distritos com maior potência eólica instalada eram: Viseu (774 MW), Castelo Branco (526 MW), Coimbra (497 MW), Vila Real (481 MW), Viana do Castelo (339 MW), Lisboa (313 MW), Leiria (241 MW), Guarda (210 MW), Santarém (159 MW) e Braga (148 MW) [4]. Universidade do Minho 7 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 1.4. Motivações do Trabalho As fontes de energia renovável têm um papel cada vez mais importante, tanto em Portugal como no mundo, no sentido de contribuírem cada vez mais para a conservação do planeta, desenvolvimento económico ou criação de emprego por todo o mundo. Na produção de energias renováveis os recursos naturais mais utilizados são o vento, a água e o sol. Além de serem recursos inesgotáveis, são energias limpas, características de grande importância, nos dias de hoje, devido às temáticas da poluição mundial e do aquecimento global. A energia eólica tem-se revelado ao longo dos anos uma mais-valia no contributo das energias renováveis para o desenvolvimento e preservação do planeta. Actualmente a produção de energia eólica não é feita apenas em grande escala, a micro produção de energia eólica tem crescido cada vez mais, tanto no mundo como em Portugal. A dimensão mais reduzida deste tipo de geradores torna possível a sua utilização em áreas residenciais ou em locais isolados, ligados directamente à rede eléctrica ou a cargas, contudo a energia produzida pelos geradores micro-eólicos na grande maioria dos casos não apresentam as características aceitáveis do ponto de vista das cargas. Como principal motivação da elaboração deste trabalho, surge a necessidade de estudar e desenvolver um sistema de interface capaz de efectuar a ligação de um gerador micro-eólico com cargas eléctricas. O sistema tem como objectivo converter a energia gerada pelo gerador eólico para o nível de amplitude e frequência exigidos por cargas que são criadas para serem alimentadas através da energia fornecida pela rede eléctrica. A solução proposta é baseada neste tipo de cargas, devido à infinidade de cargas existentes dimensionadas para serem alimentadas a partir da rede. 1.5. Objectivos do Trabalho O trabalho elaborado consiste no estudo e implementação do Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas, tendo como principais objectivos as seguintes tarefas: 8 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Estudo das características de geradores eólicos para micro-geração de energia existentes no mercado. Estudo de diferentes topologias de interface de geradores eólicos ligados à rede eléctrica e a cargas eléctricas independentes. Estudo e simulação de um circuito MPPT (Maximum Power Point Tracker). Estudo e simulação de um inversor electrónico de potência para converter a saída do gerador eólico para 230V CA, 50Hz. Desenvolvimento e implementação de um inversor electrónico de potência. 1.6. Organização da Tese No capítulo 1 é apresentado o panorama da potência eólica instalada em Portugal e no mundo. São também descritas as motivações do trabalho e seus objectivos e respectiva organização da tese. No capítulo 2 são identificados diferentes tipos de turbinas eólicas e os diferentes componentes dos geradores eólicos. No final é apresentado um estudo sobre o aproveitamento da energia do vento e são expostas as diferentes aplicações possíveis para os geradores eólicos. No capítulo 3 é feito um estudo das diferentes topologias para a ligação de geradores micro-eólicos à rede e a cargas eléctricas. É também estudado um sistema para optimização da potência disponível e apresentada a topologia do sistema desenvolvido para interface com cargas. O capítulo 4 apresenta os modelos de simulação do gerador micro-eólico, sistema MPPT, circuito de interface com cargas no software PSIM e respectivos resultados de simulação. No capítulo 5 é apresentada a implementação prática do sistema de interface com cargas eléctricas. No capítulo 6 são apresentados os resultados experimentais, verificando-se os principais valores e formas de onda obtidos. São também comentados os resultados obtidos. Por fim, no Capítulo 7 apresentam-se as conclusões dos resultados obtidos, e são feitas algumas propostas para trabalho futuro. Universidade do Minho 9 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas CAPÍTULO 2 Geradores Eólicos Os geradores eólicos são constituídas por diversos componentes e sistemas, que no seu conjunto permitem transformar a energia do vento em energia eléctrica. Neste capítulo serão descritos todos os componentes constituintes de uma turbina eólica e os diferentes tipos de geradores eléctricos utilizados em turbinas eólicas. Após esta descrição será estudada a forma como as turbinas aproveitam a energia proveniente dos ventos, para de seguida serem apresentadas as diferentes aplicações de geradores eólicos. 2.1. Tipos de Turbinas Eólicas Na produção da energia eléctrica, as turbinas eólicas utilizam a energia cinética dos ventos. Estas podem ser classificadas mediante a orientação do eixo do seu rotor. Geralmente os diferentes tipos de turbinas são classificados em dois grupos, turbinas de eixo horizontal (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbine) (figura 2-1) e turbinas de eixo vertical (VAWT – Vertical Axis Wind Turbine) (figura 2-2). Nas turbinas de eixo horizontal o sentido de orientação do rotor é normalmente o mesmo em que o vento se desloca, sendo o eixo de rotação paralelo ao solo. Possuem normalmente três pás devido à superioridade em termos de eficiência em relação às restantes de uma ou duas pás. Universidade do Minho 11 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 2-1 Turbina de eixo horizontal (HAWT) [8]. Figura 2-2 Turbina de eixo vertical (VAWT) [8]. A vantagem que mais contribui para o facto de o maior número de turbinas, que hoje se encontram instaladas serem de eixo horizontal, deve-se ao facto de possuírem uma torre geralmente metálica. Isto permite a instalação dos geradores em alturas superiores ao solo, onde normalmente a velocidade do vento é muito superior, ao 12 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas contrário das de eixo vertical que apenas permite a captação de ventos próximos do solo, que têm velocidades muito baixas. As turbinas de eixo vertical têm o eixo de rotação perpendicular em relação ao solo e ao sentido em que o vento se desloca. Neste género de turbinas não são necessários sistemas ou mecanismos de orientação, pois o seu tipo de arquitectura permite-lhe captar ventos em qualquer direcção, possibilitando também a instalação dos geradores próximos do solo, facilitando o acesso a estes para posterior manutenção. 2.2. Componentes de um Gerador Eólico A construção de um gerador eólico é algo complexo devido ao elevado número de componentes e complexidade de sistemas que o constituem. Na figura (2-3) é possível visualizar todos esses componentes e sistemas. Figura 2-3 Componentes de uma turbina eólica [9]. Universidade do Minho 13 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Através da imagem apresentada na figura (2-3) também é possível visualizar com algum detalhe os componentes e sistemas de uma turbina eólica, quais o componentes que estão ligados entre si directamente e indirectamente. Entre estes componentes encontra-se o gerador eléctrico, a caixa de velocidades, o eixo de baixa velocidade, que liga a caixa de velocidades com o rotor da turbina eólica, entre outros. Rotor O rotor é o componente responsável por capturar a energia cinética do vento transformando-o em energia mecânica de rotação. Este elemento é um dos principais constituintes do gerador eólico, dado que a potência do gerador eléctrico da turbina está directamente relacionada com diâmetro do rotor, como se pode observar na figura (2-4). Uma grande fatia do custo dos geradores eólicos, provêm da aquisição do rotor que representa 20% do custo final. Figura 2-4 Potência nominal em relação ao diâmetro do rotor [10]. Outra característica importante, a ter em conta no rotor, é a orientação em que se encontra em relação à direcção do vento, denominando-se por “upwind” ilustrado na figura (2-5) e “downwind” figura (2-6). Na primeira opção o rotor é colocado para que o vento possa atacar as pás de frente, sendo as pás sujeitas a ventos de maior intensidade. Na opção seguinte o vento 14 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas passa a incidir sobre a parte traseira das pás do gerador, sujeitando assim as pás a ventos mais turbulentos, devido ao facto do vento atingir a torre antes de passar pelas pás do rotor. Figura 2-5 “Upwind” [11]. Figura 2-6 “Downwind” [11]. Pás Na construção das pás são usados diversos materiais, os mais utilizados são a madeira, PVC, alumínio, fibra de carbono e fibra de vidro. A conjugação de todos estes permite que as pás sejam suficientemente flexíveis para não quebrar, mas ao mesmo as suficientemente rígidas para não dobrarem e não embaterem na torre. Uma característica fundamental das pás está relacionada com o seu design aerodinâmico, que é projectado de forma a controlar a intensidade das forças de arrasto que incidem sobre elas. Devido a este factor, torna-se possível o controlo da potência gerada, variando o ângulo de ataque das pás conforme a velocidade dos ventos, denominado de controlo “pitch”. Para velocidades elevadas o ângulo das pás é Universidade do Minho 15 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas controlado, de forma a aumentar ou diminuir as forças de sustentação aerodinâmica limitando a potência de saída, de forma a não exceder a potência nominal do gerador. Uma outra forma de controlo da potência é o modo “stall”, em que o ângulo das pás é fixo, e estas são projectadas, de forma a que, quando as velocidades do vento são demasiado elevadas surjam turbulências que se vão reflectir em perdas, limitando assim a potência que está a ser gerada. Travão Para prevenir acidentes ou danos estruturais todos os geradores eólicos possuem obrigatoriamente travões, para casos em que a velocidade máxima é excedida ou haja falhas de origem mecânica ou eléctrica. Na travagem mecânica é utilizado um sistema semelhante ao dos automóveis. Utiliza-se um disco metálico fixado directamente ao eixo que se pretende travar. Através da acção de duas peças metálicas que vão pressionar o disco é criada uma força de atrito que vai diminuir velocidade do disco. Eixo de baixa velocidade Todas as turbinas eólicas possuem um eixo de baixa velocidade, também conhecido como eixo primário. Este elemento é responsável pela transmissão do binário primário do rotor para a caixa de velocidades [12]. O eixo e respectivos rolamentos podem ser integrados, ou não na caixa de velocidades, estando dependentes do formato desta. Nos casos em que o eixo não está integrado na caixa, este é conectado através de um acoplamento apropriado. Caixa de velocidades A caixa de velocidades é constituída por um conjunto de eixos, rolamentos e engrenagens ligados ao eixo de baixa velocidade e ao eixo de alta velocidade que por sua vez se encontra ligado ao gerador eléctrico. Devido à baixa velocidade de rotação do rotor e do eixo de baixa velocidade que estão ligados entre si, é necessária a utilização de uma caixa de velocidades para elevar a velocidade de rotação do eixo de alta velocidade, para os valores exigidos pelo gerador. Grande parte dos fabricantes de geradores eólicos utilizam a caixa de velocidades 16 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas como maneira a que seja possível reduzir o número de pólos constituintes do gerador, e consequentemente o seu diâmetro e massa. Gerador Este elemento converte a energia mecânica de rotação, disponível no eixo de alta velocidade em energia eléctrica. Uma turbina eólica pode ser equipada com diferentes tipos de geradores, os mais utilizados são os geradores de corrente contínua para unidades de muito baixa potência, ou geradores de corrente alternada. A incorporação de geradores em sistemas eólicos, para produção de energia apresenta algumas dificuldades, nomeadamente a variação da velocidade dos ventos que vão fazer variar a potência. Controlador Um controlador de uma turbina eólica conta com diversos tipos de componentes, tais como: sensores de velocidade do vento, orientação, tensão, corrente, entre outros. Aqui são lidos os sinais provenientes dos sensores, são posteriormente analisados por autómatos que irão enviar os respectivos sinais para actuar, os sistemas de controlo de direcção, geradores, válvulas, motores, entre outros. Anemómetro Para um aproveitamento mais eficiente do vento, a turbina eólica contem um anemómetro instalado na parte superior da nave. Este elemento é um sensor que mede a velocidade do vento. Este sistema serve também para prevenir danos na turbina eólica devido a velocidades demasiado elevadas do vento. Cata-vento O cata-vento consiste numa espécie de lâmina que gira em torno de um eixo vertical por acção do vento, indicando a sua direcção. Conforme os valores das medições, é transmitido um sinal para o sistema de orientação, para que direccione o rotor na direcção em que a velocidade do vento é superior. Universidade do Minho 17 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Nave A nave é uma espécie de invólucro acessível a partir da torre, que contem os principais equipamentos eléctricos e mecânicos (gerador, eixo principal, engrenagens, entre outros), protegendo-os da degradação devido às condições climatéricas. Eixo de alta velocidade Como se pode visualizar na figura (2-3), o eixo de alta velocidade faz a ligação da caixa de velocidades com o gerador, que transforma a energia disponível neste eixo em energia eléctrica. Controlo de direcção e Motor para controlo de direcção Este sistema tem como principal função direccionar o rotor da turbina até encontrar o ângulo ideal em relação à direcção do vento. Podem ser encontrados dois tipos distintos de controlo de direcção, o controlo activo e passivo. No tipo passivo não é necessária utilização de um motor para direccionar o rotor. A turbina consegue seguir a direcção do vento automaticamente, devido à colocação do rotor ser favorável à direcção do vento. Para o tipo activo, contrariamente ao referido anteriormente é necessário um motor para accionar as engrenagens do sistema de controlo de direcção, e assim mover em conjunto o rotor e a cabine para um ângulo favorável à direcção do vento. Torre O principal objectivo da torre é elevar o gerador da turbina eólica até ventos mais regulares, dado que geralmente a velocidade do vento aumenta com a distância em relação ao solo, aumentando a eficiência. Este componente deve ser muito bem projectado, pois deve aguentar os esforços a que está sujeito, devido ao peso da nave e rotor, velocidades do vento e as forças a que as pás estão sujeitas, afectando também a torre. Existem dois tipos de torre, em treliça (figura 2-8), normalmente metálicas, e tubular (figura 2-7), de aço ou betão. No primeiro tipo os efeitos de sombra são mais 18 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas reduzidos, as tubulares são mais seguras para o pessoal que efectua a manutenção e as mais utilizadas são as de aço. Figura 2-7 Torre tubular [13]. Figura 2-8 Torre em treliça [14]. 2.3. Geradores Eléctricos 2.3.1. Gerador de Corrente Contínua As principais partes constituintes do gerador de corrente contínua são: o estator e o rotor. Universidade do Minho 19 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas No estator estão situados os ímanes que produzem os pólos (N e S), quando são percorridos por uma corrente contínua. No rotor, encontram-se espiras que são formadas por condutores dispostos em ranhuras ao longo da superfície, que estão ligadas ao anel colector, situado no eixo do rotor. Através das escovas que estão em contacto com o anel colector é feita a ligação eléctrica do rotor com o exterior. Na figura (2-9) é possível visualizar o aspecto do estator e rotor de um gerador de corrente contínua. Figura 2-9 Estator e Rotor de um gerador de corrente contínua [15]. Na operação da máquina de corrente continua como gerador aplica-se uma tensão contínua aos enrolamentos do estator, esta tensão faz com que circulem correntes nesses enrolamentos, que vão dar origem ao aparecimento de um campo magnético que atravessará o rotor. Para que o rotor do gerador de corrente contínua gire é necessário aplicar um binário, originado por uma fonte mecânica, como por exemplo um gerador eólico, uma turbina hidráulica, um motor, entre outros. Quando o rotor entra em movimento as espiras, trespassam perpendicularmente as linhas do campo magnético produzido pelo estator, originando forças electromotrizes induzidas nas espiras do rotor. A tensão induzida nas espiras do rotor é alternada. Para se obter uma tensão contínua na saída do rotor usa-se o anel colector e as escovas, que em conjunto funcionam como um rectificador mecânico [16]. 20 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 2.3.2. Gerador Síncrono O gerador síncrono apresenta como principal vantagem o rendimento, que é superior ao dos restantes geradores. Comparado com o gerador de indução o gerador síncrono não necessita do uso de uma bateria de condensadores para o fornecimento de energia reactiva. O gerador síncrono, também designado por alternador, ligado juntamente com conversores de Electrónica de Potência, é o tipo de aplicação utilizada na grande maioria dos sistemas de conversão de energia eólica em energia eléctrica, conectados à rede eléctrica. A utilização deste tipo de aplicação, permite aos geradores eólicos com velocidade variável operar, directamente ligados à rede eléctrica [17]. O rotor deste tipo de gerador pode ser constituído por dois tipos de pólos, pólos salientes ou pólos lisos. A aplicação do rotor com pólos salientes é normalmente feita em geradores onde a velocidade de rotação é baixa. Para velocidades de rotação elevadas é usado o rotor com pólos lisos em que o número de pólos é baixo [16]. 2.3.3. Gerador Síncrono de Rotor Bobinado O gerador síncrono de rotor bobinado é um dos tipos de geradores síncronos que podem ser encontrados nas turbinas eólicas, é constituído pelo estator que contem três enrolamentos, e por um rotor com um enrolamento de magnetização. Para o gerador entrar em funcionamento, o rotor é alimentado através das escovas com uma corrente contínua, que vai criar um campo magnético no rotor com determinado número par de pólos. No estator são induzidas tensões alternadas, devido à polaridade alternada dos pólos do rotor, que através das linhas do campo magnético do rotor em movimento, dão origem a três tensões de saída alternadas, desfasadas entre si 120 graus. Através da equação 2.1 é possível verificar que a frequência está relacionada com a velocidade destas tensões do rotor e com os números pares de pólos que o constituem. (2.1) Universidade do Minho 21 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Em sistemas eólicos de velocidade constante o gerador síncrono pode ser ligado directamente à rede eléctrica, sendo para isso necessário controlar a velocidade do gerador recorrendo a uma caixa de velocidades, para que a frequência da tensão de saída esteja em sincronismo com a da rede. No entanto a evolução da electrónica de potência veio tornar possível a ligação directa com a rede de eólicas de velocidade variável, através da utilização de conversores de electrónica de potência [17]. 2.3.4. Gerador Síncrono de Imanes Permanentes Segundo [17] a grande maioria dos artigos científicos sugere a utilização de geradores síncronos de ímanes permanentes em turbinas eólicas, devido às suas propriedades de auto excitação. Como estes não necessitam de um circuito de excitação externa, tem uma eficiência superior em relação a outro tipo de geradores, entre eles o gerador síncrono de rotor bobinado [17]. No entanto a produção dos ímanes permanentes requer materiais caros e difíceis de trabalhar durante o processo de fabrico. Para que as turbinas eólicas, que utilizam este tipo de gerador, possam operar com velocidade variável é necessário aplicar circuitos conversores de electrónica de potência, com a finalidade de ajustar a frequência e a tensão para valores compatíveis com os da rede eléctrica. Contudo é necessário garantir uma velocidade mínima de rotação da turbina eólica, para que a tensão produzida pelo gerador eléctrico seja a suficiente, para o correcto funcionamento dos equipamentos electrónicos [17]. 2.3.5. Gerador de Indução Assíncrono O termo assíncrono neste tipo de geradores deve-se à diferença de velocidade de rotação entre a velocidade de rotação do rotor e do campo girante criado pelo estator [18]. Os geradores assíncronos são caracterizados principalmente pela sua robustez e simplicidade mecânica, e devido à sua produção em grande quantidade o preço de aquisição é mais baixo em relação aos geradores síncronos [17]. 22 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Como principal desvantagem, o gerador tem consumo de energia reactiva, obrigando à compensação do factor de potência, através de bancos de condensadores. 2.3.5.1 Gerador de Indução com Rotor em Gaiola de Esquilo Em geradores de indução com rotor em gaiola de esquilo os enrolamentos do rotor encontram-se em curto-circuito. Comparativamente com o gerador de corrente contínua e o gerador de rotor bobinado, este tipo de gerador tem a vantagem de não necessitar de anéis colectores e escovas [18]. Em sistemas de velocidade variável o gerador é ligado à rede através de circuitos conversores de electrónica de potência, em sistemas de velocidades constantes é ligado directamente à rede. Contudo o gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo não é dos mais utilizados devido à dificuldade em controlá-lo. 2.3.5.2 Gerador de Indução com Rotor Bobinado No caso do gerador de indução de rotor bobinado, os enrolamentos rotor são semelhantes aos do estator, contendo escovas e anéis colectores. Através de resistências variáveis aplicadas no rotor, que permitem limitar a corrente é também possível controlar a velocidade de rotação do gerador [18]. Uma outra forma de controlar a energia, consiste em ligar os enrolamentos do estator directamente à rede, com o rotor também ligado à rede eléctrica através de circuitos conversores de electrónica de potência, que vão permitir controlar a velocidade de rotação do gerador. 2.4. Micro-Eólicas Como o próprio nome indica as micro-eólicas são caracterizadas por possuírem uma potência mais baixa e terem dimensões mais reduzidas em relação aos geradores eólicos de grande porte. Universidade do Minho 23 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Nas micro-eólicas não é necessário a utilização de uma caixa de velocidades, pois a velocidade necessária para o gerador eléctrico produzir energia é semelhante à velocidade de rotação do rotor da micro-eólica. A grande maioria das micro-eólicas para aproveitar o máximo de energia do vento utiliza uma cauda para poder deslocar-se no sentido de orientação do vento. De uma forma geral todos os outros componentes de uma micro-eólica são semelhantes aos de um gerador eólico de grande porte. Na figura (2-10) e (2-11) é possível visualizar a diferença das dimensões de uma micro-eólica e um gerador eólico que necessita de uma grua de grande porte para ser montada. Figura 2-10 Micro-eólica [19]. 24 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 2-11 Gerador eólico de grande porte [20]. 2.4.1. Características de diferentes Micro-Eólicas existentes no Mercado A aposta na produção de energias renováveis tem vindo a aumentar cada vez mais ao longo dos anos, a crescente procura deste tipo de energia faz com que existam cada vez mais produtores de sistemas que permitam produzir energia, tendo como fontes energias renováveis. Por esta razão os produtores de micro-eólicas têm vindo a aumentar em todo o mundo. De seguida são apresentados diferentes empresas internacionais que produzem micro-eólicas, sendo apresentados alguns modelos e algumas características desses modelos, como Cut-in Wind speed (velocidade do vento para a qual a micro-eólica começa a fornecer energia), Cut-out Wind speed (velocidade do vento para a qual o dispositivo de segurança da micro-eólica é activado), velocidade nominal do vento (velocidade do vento necessária para a micro-eólica alcançar a potência nominal), entre outras. Universidade do Minho 25 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Micro-Eólicas SAWT Xangai Aeolus Windpower Technology Co., Ltd. (Sawt), é uma empresa chinesa, sediada em Xangai, que produz micro-eólicas de eixo horizontal, com potências que vão desde os 200W até aos 10kW [21]. As características do Modelo PK-10 representado na figura (2-12) são as seguintes: Tipo de eixo – Vertical; Diâmetro do rotor - 600 cm; Comprimento das pás – 620 cm; Gama de velocidades de vento de operação – de 4 a 25 m/s; Velocidade máxima do vento de segurança – 55 m/s; Potência nominal – 10 kW; Tensão de saída – 110 V/CC; Altura da torre – 5,5 m; Figura 2-12 Micro-eólica PK-10 [21]. Micro-Eólicas African Windpower A empresa Sul-Africana, African Windpower, produz Micro-Eólicas de eixo horizontal, os modelos disponíveis são o AWP 3.6 e uma evolução deste modelo o AWP 3.7 com as seguintes características [22]: 26 Tipo de eixo – Horizontal; Diâmetro do rotor – 3,7 m; Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Número de pás – 3; Cut-in Wind Speed – 3 m/s; Cut-out Wind Speed – Não tem (a unidade micro-eólica suporta velocidades do vento até ao valor da velocidade do de segurança); Velocidade máxima do vento de segurança – 60 m/s; Velocidade máxima do rotor – 500 rpm; Velocidade nominal do vento – 12 m/s; Potência nominal – 2 kW; Tensão de saída – 12V, 24V, 36V, 48V, 96V, 110/220V, CA/0-125 Hz; Micro-Eólicas Ampair A Ampair é uma empresa do Reino Unido que produz sistemas de energia renovável acerca de quarenta anos, os modelos de micro-eólicas produzidos vão desde os 100W de potência nominal até aos 6000W, as características da Micro-Eólica Ampair 6000 são as seguintes [23]: Tipo de eixo – Horizontal; Diâmetro do rotor – 5,5 m; Número de pás – 3; Cut-in Wind Speed – 3,5 m/s; Cut-out Wind Speed – 15 – 35 m/s; Velocidade máxima do vento de segurança – 70 m/s; Velocidade do rotor – 70 – 250 rpm; Tipo de gerador eléctrico – Gerador Síncrono de Imanes Permanentes; Potência nominal – 6000 W; Tensão de saída – 230V CA/50 Hz, 208/240/277V CA/60Hz, 48V CC; Altura da torre – 10m / 12m / 15m; Universidade do Minho 27 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Micro-Eólicas EvanceWind A empresa EvanceWind, é uma empresa do Reino Unido que produz micro-eólicas de eixo horizontal. As características técnicas do modelo Evance R9000 são [24]: Tipo de eixo – Horizontal; Diâmetro do rotor – 5,5 m; Número de pás – 3; Cut-in Wind Speed – 3 m/s; Cut-out Wind Speed – Não tem (a unidade micro-eólica suporta velocidades do vento até ao valor da velocidade do de segurança); Velocidade máxima do vento de segurança – 60 m/s; Velocidade nominal do rotor – 200 rpm; Tipo de gerador eléctrico – Gerador Síncrono de Imanes Permanentes; Potência nominal – 5000 W; Altura da torre – 10 m / 12 m/ 15m / 18m; Micro-Eólicas Wind Turbine Industries Corp. A Empresa Wind Turbine Industries Corp. está sediada nos Estados Unidos da América, e é o único fabricante de sistemas eólicos Jacobs, desde 1986. A micro-eólica Jacobs tem as seguintes características técnicas [25]: Tipo de eixo – Horizontal; Diâmetro do rotor – 10 m; Número de pás – 3 ; Cut-in Wind Speed – 3,4 m/s; Cut-out Wind Speed – Não tem (a unidade micro-eólica suporta velocidades do vento até ao valor da velocidade do de segurança); 28 Velocidade nominal do vento – 12 m/s; Velocidade máxima do vento de segurança – 54 m/s; Velocidade nominal do rotor – 175 rpm; Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Tipo de gerador eléctrico – Gerador Síncrono sem escovas com excitação externa; Potência nominal – 20 kW; Altura da torre – 24 m; Micro-Eólicas Solener A Solener é uma empresa espanhola sediada em Madrid que fabrica micro-eólicas que vão até aos 15kW de potência. Entre o modelo que produz a micro-eólica Vélter II apresenta as seguintes características técnicas [26]: Tipo de eixo – Horizontal; Diâmetro do rotor – 3,08 m; Número de pás – 3; Cut-in Wind Speed – 3 m/s; Cut-out Wind Speed – 14 m/s; Velocidade nominal do vento – 10 m/s; Potência nominal – 2 kW; Tensão de saída – 24V CA; Altura da torre – 6 m; Micro-eólicas Aelos Wind Turbine A Aelos Wind turbines foi fundada em 1986 na Dinamarca, além de produzir micro-eólicas de eixo horizontal com potências que vão desde os 500W, esta empresa também produz micro-eólicas de eixo vertical com potências que vão desde os 300W até aos 10kW. As características técnicas dos modelos Aelos –H 500W e Aelos-V 600W são as seguintes[27]: Aelos – H 500W Tipo de eixo – Horizontal; Universidade do Minho 29 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Diâmetro do rotor – 2,7 m; Número de pás – 3; Cut-in Wind Speed – 2,5 m/s; Cut-out Wind Speed – Não tem ( a unidade micro-eólica suporta velocidades do vento até ao valor da velocidade do de segurança); Velocidade nominal do vento – 12 m/s; Velocidade máxima do vento de segurança – 45 m/s; Tipo de gerador eléctrico – Gerador Síncrono de Imanes Permanentes; Potência nominal – 500 W; Tensão de saída – 24V CA; Aelos – V 600W Tipo de eixo – Vertical; Diâmetro do rotor – 1,3 m; Cut-in Wind Speed – 2 m/s; Cut-out Wind Speed – Não tem (a unidade micro-eólica suporta velocidades do vento até ao valor da velocidade do de segurança); Velocidade nominal do vento – 10 m/s; Velocidade máxima do vento de segurança – 50 m/s; Tipo de gerador eléctrico – Gerador Síncrono de Imanes Permanentes; Potência nominal – 600W; Tensão de saída – 24/48V CA; 2.5. Aproveitamento da Energia fornecida pelo Vento Uma massa de ar em movimento produz uma dada energia cinética, que varia conforme o produto da massa pelo quadrado da velocidade a que se desloca. Esta razão pode ser mostrada através da equação 2.2. (2.2) 30 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas A potência gerada pela energia cinética do vento ao atravessar uma superfície, com uma dada área, é dada pela equação [28]. (2.3) [W] Onde: ρ Massa específica do ar Velocidade do vento [ ] Considerando uma turbina eólica de eixo horizontal, a área varrida pelas pás é semelhante à de uma circunferência, expressa por A. (2.4) Onde : A Área varrida pelas pás [ ] Comprimento das pás [ ] Substituindo 2.4 em 2.3, é possível calcular a potência do vento para uma área como a da superfície criada pelo varrimento das pás de uma turbina eólica, resultando na expressão 2.5. (2.5) Através da análise da expressão 2.5, é possível constatar que a potência do vento, está não só dependente da velocidade do vento mas também da área varrida pelas pás das turbinas. Esta área varia com o quadrado do comprimento das pás. Universidade do Minho 31 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Porém a potência disponível no vento não pode ser totalmente utilizada pela turbina eólica, na produção de energia eléctrica. Devido a esta limitação física é necessário levar em conta , que representa o coeficiente de potência, definindo a eficiência aerodinâmica das pás do rotor da turbina [29] e pode ser definido pela expressão: (2.6) Segundo [30] o valor de depende da velocidade do vento, e da velocidade de rotação da turbina eólica, e pode ser obtido em função de “TSR - type speed ratio ( )”, que é definida pela razão entre a velocidade tangencial das pás da turbina e a velocidade real do vento. Na figura (2-13) estão representados os valores do coeficiente de potência em função de , para diversos tipos de turbinas, que demonstra, a eficiência superior das turbinas de eixo horizontal com duas ou três pás. (2.7) Onde: Comprimento das pás [ ] Velocidade angular do rotor [ Velocidade do vento [ 32 ] ] Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 2-13 em função de λ para vários tipos de turbinas [30]. A quantificação máxima do Coeficiente de Potência é obtida através do Limite de Betz, criado pelo físico alemão Albert Betz. Betz considerou um modelo em que o vento se desloca ao longo de um tubo, com o conjunto de pás da turbina eólica no seu interior. Este modelo é representado na figura (2-14), onde representa a velocidade do vento antes de passar pelas pás, e a velocidade do vento após passar pelas pás [31]. Figura 2-14 Modelo de Betz [32]. Universidade do Minho 33 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas O deslocamento da massa de ar a uma velocidade movimento, saindo depois a uma velocidade e diferente de é retardado pelas pás em . Através das considerações citadas anteriormente é obtida a expressão seguinte para a potencia extraída do vento que relacionada com e [31]: (2.8) Através da expressão 2.8 é possível constatar que se a velocidade do vento antes das pás for igual à velocidade depois das pás, a potência extraída do vento é nula. Se fosse possível o aproveitamento máximo da energia do vento disponível na entrada do tubo, antes da passagem pelas pás, a velocidade do vento após passar as pás, teria uma velocidade de valor zero, deixando assim de haver vento para uma turbina que se situa próxima desta. O limite de Betz afirma que o valor máximo da potência do vento aproveitada para gerar potência mecânica é de 59%, logo o valor máximo possível para é 0,59. Teoricamente o coeficiente de potência estudado anteriormente depende de TSR ( ), mas na prática também é influenciado pelo ângulo de inclinação das pás ( ), sendo a potência mecânica extraída do vento pela turbina em função de ( ) e ( ) expressa por 2.9 [33]. (2.9) Na posse da equação 2.9, falta agora abordar o binário mecânico gerado pela turbina eólica, para que seja possível obter todas as expressões para uma modelização aproximada da turbina. Segundo [34] o binário (T) é dado pela razão entre a potência mecânica ( )ea velocidade angular da turbina ( ), sabendo que o coeficiente de binário CT é dado por (2.10), ao substituir (2.9), (2.10) e (2.7), em (2.11), obtém-se a expressão (2.12), demonstrando que a quantidade de binário mecânico produzido pela turbina é influenciado pelo coeficiente de binário. 34 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas (2.10) (2.11) (2.12) 2.6. Sistemas Usados na Aplicação de Geradores Eólicos Nos dias de hoje os geradores eólicos são usados em diferentes tipos de sistemas para o fornecimento de energia eléctrica, tais como: sistemas isolados, que também incluem os sistemas híbridos, sistemas interligados à rede eléctrica ou sistemas offshore. 2.6.1. Sistemas Isolados Como o próprio nome indica, os sistemas isolados (figura 2-15) são normalmente usados em locais remotos e isolados, onde o fornecimento de energia eléctrica através de uma rede pública é escasso ou até mesmo inexistente. Neste tipo de sistema a energia produzida é armazenada em baterias, e destina-se a alimentar directamente aparelhos eléctricos, como bombas hidráulicas, com a finalidade de bombear água para posterior armazenamento, ou para ser usada directamente em consumo doméstico ou em sistemas de irrigação. Para carregar as baterias é utilizado um conversor CA/CC, de modo a rectificar a tensão do gerador, associado a um dispositivo controlador de carga e descarga da bateria. A alimentação de aparelhos, que funcionam com corrente alternada é feita por intermédio de um inversor (conversor CC/CA). Normalmente o inversor é associado a Universidade do Minho 35 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas um circuito seguidor do ponto de máxima potência, denominado de MPPT ((Maximum Power Point Tracker), que permite maximizar a potência extraída. Figura 2-15 Sistemas isolados. 2.6.2. Sistemas Híbridos À semelhança dos sistemas isolados, estes sistemas também são usados em locais isolados, onde o consumo de energia é superior. São caracterizados pelo uso de diversas fontes de energia associadas entre si para poderem fornecer uma quantidade superior de energia como se pode visualizar na (figura 2-16). Normalmente são usadas fontes de energia fotovoltaica e eólica, e em alguns casos é associado um gerador eléctrico movido por um motor a diesel. Este sistema também inclui conversores CA/CC, devido à utilização de geradores eólicos e gerador a diesel, circuitos MPPT e um inversor para alimentar aparelhos de corrente alternada (CA). 36 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 2-16 Sistemas híbridos. 2.6.3. Sistemas Interligados à Rede Eléctrica Os sistemas interligados com a rede eléctrica (figura 2-17) são os mais usuais. Nestes sistemas são empregadas um elevado número de turbinas eólicas, e não necessitam de baterias para o armazenamento de energia, fornecem energia directamente à rede eléctrica, reduzindo assim os custos inerentes à sua implementação. Como nos restantes sistemas a utilização de conversores CA/CC, inversores CC/CA e circuitos MPPT é também necessária. Figura 2-17 Sistema interligados à rede eléctrica. Universidade do Minho 37 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 2.6.4. Sistemas “off - shore” Devido à redução, cada vez mais significativa, de locais com potencial para a instalação de geradores eólicos em terra o investimento na instalação de geradores eólicos no mar (sitemas off-shore) (figura 2-18) tem crescido ao longo dos anos, apesar dos custos elevados inerentes à instalação das torres no mar e na utilização de cabos específicos para poderem estar submersos. Em compensação, a altura das torres pode ser inferior, pois os ventos no mar são menos turbulentos e mais intensos e constantes. Figura 2-18 Sistema “off-shore” [35]. 38 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas CAPÍTULO 3 Diferentes Topologias de Sistemas Micro-Eólicos A ligação de sistemas micro-eólicos com a rede eléctrica pode ser efectuada através de diversas topologias, dependendo do tipo de geradores síncronos ou assíncronos usados, como se descreve neste capítulo. Neste capítulo serão ainda estudados os sistemas constituintes de um seguidor do ponto de máxima potência para uma micro-eólica e proposta a topologia de um circuito de interface com cargas CA monofásicas, 230V/ 50Hz. 3.1. Topologia de Sistemas Micro-Eólicos Ligados à Rede Eléctrica As topologias de ligação de sistemas micro-eólicos à rede eléctrica diferem no tipo de gerador utilizado, geradores síncronos ou assíncronos, com ligação directa ou indirecta à rede eléctrica. Em topologias com ligação directa à rede eléctrica, a velocidade do gerador é praticamente fixa quando é utilizada a máquina assíncrona, podendo a turbina microeólica ser ligada ao gerador por intermédio de uma caixa de velocidades, enquanto para as máquinas síncronas a velocidade tem que ser fixa. A aplicação de geradores, ligados indirectamente com a rede, permite aos geradores operar com uma velocidade variável. A ligação é efectuada por intermédio de conversores de electrónica de potência. São utilizados conversores CA/CC para rectificar a tensão de saída do gerador, e conversores CC/CA com a finalidade de converter a tensão rectificada (CC) para tensão alternada (CA), com a frequência e amplitude exigidas pela rede. Universidade do Minho 39 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Topologia com Geradores Síncronos Na topologia apresentada na figura (3-1), o rotor da turbina eólica está conectado com o gerador síncrono através de uma caixa de velocidades, e o gerador encontra-se ligado directamente à rede eléctrica. Figura 3-1 Gerador síncrono ligado directamente à rede eléctrica. Esta topologia tem como principais vantagens a facilidade de instalação e manutenção do sistema, possibilitando também o controlar directamente a energia reactiva do gerador síncrono, através do ajuste da corrente de excitação. Devido à conexão directa com a rede qualquer perturbação na velocidade do vento vai reflectir-se na energia fornecida à rede, resultando em problemas de qualidade de energia na rede [28]. Na topologia da figura (3-2) a ligação com a rede é feita por intermédio de um conversor CA/CC ligado com um conversor CC/CA. Como descrito no início deste capítulo os conversores têm a função de rectificar a tensão de saída do gerador, e converter a tensão rectificada (CC) para tensão alternada (CA), com a frequência e amplitude exigidas pela rede. 40 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Toda a energia fornecida pelo gerador passa pelos conversores electrónicos de potência. À semelhança da topologia anterior a conexão do rotor da turbina com o gerador também é feita através de uma caixa de velocidades. Figura 3-2 Gerador síncrono ligado à rede através de conversores CA/CC e CC/CA. Neste tipo de topologia a turbina micro-eólica está acoplada directamente ao gerador eléctrico, como se pode visualizar na figura (3-3), não sendo necessário estabelecer esta ligação por intermédio de uma caixa de velocidades, reduzindo os custos da aplicação. Neste tipo de aplicação a conexão com a rede eléctrica também é efectuada por intermédio de conversores electrónicos, CA/CC e CC/CA. Figura 3-3 Gerador síncrono sem caixa de velocidades e ligação à rede através de conversores CA/CC e CC/CA. Universidade do Minho 41 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Topologia com Geradores Assíncronos O gerador utilizado por este tipo de topologia é um gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo, conectado ao rotor da turbina através de uma caixa de velocidades como se pode visualizar através da figura (3-4). A ligação do gerador assíncrono é efectuada directamente com a rede, contendo um banco de condensadores. O banco de condensadores tem como objectivo compensar o factor de potência, devido ao consumo de energia reactiva da rede por parte do gerador assíncrono. Como consequência da ligação directa do gerador com a rede, a velocidade de rotação deve permanecer dentro de uma gama de valores determinada pelos parâmetros do gerador, e a frequência é imposta pela rede. Figura 3-4 Gerador assíncrono com rotor em gaiola de esquilo ligado directamente à rede. Em topologias como a da figura (3-5) onde é usado um gerador assíncrono com dupla alimentação, o estator da máquina é ligado directamente à rede eléctrica, enquanto o rotor é interligado com a rede por intermédio de conversores de electrónica de potência, CA/CC e CC/CA. É usado um transformador elevador antes da rede eléctrica para em conjunto com o conversor CC/CA regular a tensão contínua aos terminais do condensador. Através do conversor CC/CA, ligado ao rotor do gerador, é possível controlar a frequência da forma de onda inserida no rotor, e conjuntamente controlar a intensidade de corrente [28]. 42 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Como se pode visualizar na figura (3-5) este sistema também contem um filtro para a filtragem de harmónicos. Figura 3-5 Gerador assíncrono com dupla alimentação com estator ligado directamente à rede e rotor ligado através de conversores CA/CC e CC/CA. Na topologia representada pela figura (3-6) o rotor da turbina é ligado ao gerador assíncrono através de uma caixa de velocidades. A ligação do gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo, com a rede é feita através de dois conversores, um CA/CC e outro CC/CA. Este sistema contém também um filtro para filtrar os harmónicos e um banco de condensadores para compensar o factor de potência e evitar o consumo de energia reactiva por parte da máquina. Figura 3-6 Gerador assíncrono com rotor em gaiola de esquilo ligado à rede através de conversores CA/CC e CC/CA. Universidade do Minho 43 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 3.2. Topologia de Interface de Sistemas Micro-Eólicos com Cargas Eléctricas Independentes A utilização de sistemas de interface para alimentar cargas eléctricas independentes é muito usual em locais onde o acesso à energia eléctrica é difícil, ou quando muitas das vezes se pretende alimentar cargas em locais distantes da rede eléctrica, tornando-se dispendioso a criação de uma rede capaz de transportar energia proveniente da rede eléctrica mais próxima, como é o caso de alguns sistemas de irrigação de campos agrícolas que utilizam motores eléctricos. Na topologia apresentada na figura (3-7), o sistema de interface é constituído por um conversor CA/CC (rectificador em conjunto com um condensador) e um conversor CC/CA (inversor), permitindo alimentar cargas CA, podendo estas serem monofásicas ou trifásicas, dependendo do tipo de inversor implementado. Figura 3-7 Sistema de interface com cargas CA. Para além dos conversores CA/CC e CC/CA utilizados na topologia da figura (3-7) também pode ser utilizado um conversor CC/CC ligado entre estes, como ilustra a figura (3-8), tornando possível regular os níveis de tensão contínua do barramento CC que alimenta o circuito inversor, e consequentemente regular a tensão de alimentação das cargas CA mais facilmente, ou subir o nível de tensão CC. 44 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 3-8 Sistema de interface com cargas CA com conversor CC/CC. Embora na maioria das vezes as cargas alimentadas por este tipo de sistemas sejam de corrente alternada, também surge por vezes a necessidade de serem alimentadas cargas CC, como é o caso de sistemas de telecomunicações em locais isolados. A topologia de interface com cargas CC é apresentada na figura (3-9), sendo esta constituída por um conversor CA/CC interligado com um conversor CC/CC, que permite regular os níveis de tensão contínua que vão alimentar as cargas CC. Este tipo de sistemas inclui habitualmente baterias que armazenam energia, para alimentar as cargas CC, em situações em que a energia produzida pelo sistema micro-eólico é insuficiente. Figura 3-9 Sistema de interface com cargas CC. Universidade do Minho 45 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 3.3. Exemplo de Sistema Micro-eólico com Seguidor do Ponto de Máxima Potência (MPPT - Maximum Power Point Tracker) Neste subcapítulo é abordado o estudo teórico de um sistema MPPT para um gerador micro-eólico e os circuitos que o constituem. A implementação prática deste sistema não é efectuada, uma vez que não faz parte dos objectivos desta dissertação, sendo apenas simulado todo o sistema no capítulo 4. Devido à variação das condições ambientais a que as turbinas micro-eólicas estão sujeitas, a potência produzida por estes não é constante, variando com velocidade do vento que é sujeita a diversas perturbações. Como se pode visualizar na figura (3-10) ao variar a velocidade do vento vai existir uma variação da velocidade de rotação do rotor do gerador. Para cada velocidade do rotor a curva da potência gerada vai ser diferente, concluindo-se assim que o ponto de máxima potência vai variar conforme a velocidade do vento. Figura 3-10 Curva característica da potência de uma turbina micro-eólica [33]. O objectivo do seguidor do ponto de máxima potência, num gerador micro-eólico é extrair o máximo de potência disponível no vento a cada instante. Mais concretamente 46 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas este sistema vai seguir o ponto de máxima potência do gerador, que varia para cada velocidade do vento. Na figura (3-11) é mostrada a topologia do sistema micro-eólico, com MPPT estudada. Figura 3-11 Topologia do Sistema Micro-eólico com Seguidor do Ponto de Máxima Potência. Este sistema é constituído por um gerador síncrono de ímanes permanentes, e funciona com velocidade variável. O conversor CA/CC tem como função transformar a tensão alternada gerada pelo gerador em tensão contínua, que depois vai alimentar o circuito MPPT, que é constituído por um conversor CC/CC, com controlo para seguir o ponto de potência máxima. O conversor CC/CC é usado para alterar a tensão aparente do barramento DC vista pelo gerador. Assim controlando o conversor CC/CC através de um algoritmo apropriado que altera o valor do duty-cycle, a tensão de saída do conversor de electrónica de potência elevador de tensão é ajustada a fim de maximizar a potência [29]. Universidade do Minho 47 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 3.3.1. Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes No estudo efectuado no subcapítulo 2.4 a maioria dos geradores eléctricos utilizados na construção das unidades micro-eólicas são geradores síncronos de ímanes permanentes, daí a escolha deste tipo de gerador na topologia apresentada anteriormente. Para efeitos da simulação do sistema, são utilizadas as características apresentadas em [36] para o gerador síncrono de ímanes permanentes do sistema eólico Gerar46, de modo a simplificar todo o processo, uma vez que não se encontra disponível no laboratório um gerador eléctrico deste tipo, para que sejam medidas todas as grandezas exigidas pelo software de simulação. Na tabela (3-1) é possível visualizar as características do sistema micro-eólico Gerar246. Dados do Sistema Micro-Eólico Gerar246 Diâmetro da Hélice 2,46 m Números de Pás 3 Velocidade de Arranque 2,2 m/s Binário de Arranque 0,3 Nm Controle de Velocidade Controlo de Perda Aerodinâmica Activo Protecção Para Altas Velocidades Controlo de Passo Potência (12,5 m/s) 1kW Velocidade de Rotação Nominal 700 rpm Tensão de Linha (700 rpm) (rms) 75 V Frequência (700 rpm) (rms) 80 Hz Gerador Síncrono Íman Permanente Sistema Eléctrico Trifásico Número de Pólos 14 Indutância Síncrona do Gerador 3,5 mH Resistência Série do Gerador 0,9 Ω Tabela 3-1 Dados do Sistema micro-eólico Gerar246 [36]. http://www.eolicario.com.br/energia_eolica_gerar246.html 48 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Desta forma o gerador utilizado apresenta os seguintes valores medidos por [36] de resistência de enrolamento do estator (Rs), indutâncias do estator de eixo-d (Ld), que significa que o eixo passa pelo centro do íman, e eixo-q (Lq) que significa que o eixo está no meio de dois ímanes, força electromotriz por milhar de rotações por minuto (Vpk/rpm), número de pólos (P), momento de inércia e constante de tempo mecânica: Rs 0,9 Ω Ld 0,0035 H Lq 0,0035 H Vpk/rpm 157,232 P 14 Momento de inércia 0,06 Constante de tempo mecânica 0 3.3.2. Conversor CA/CC (rectificador) O conversor CA/CC (rectificador) converte a corrente alternada proveniente do gerador eléctrico em corrente contínua, a partir de uma ponte rectificadora monofásica ou trifásica. Dependendo do tipo de aplicação os rectificadores podem ser de meia ponte, ponte completa, não controlados, quando são utilizados díodos como componentes de rectificação, e semi controlados ou totalmente controlados através da utilização de transístores ou tiristores [37]. O ripple da tensão de saída CC dos rectificadores deve ser o mínimo possível, sendo para isso usado um condensador como filtro ligado aos terminais de saída. O rectificador utilizado é trifásico de ponte completa não controlado, devido à sua simplicidade de utilização e à tensão de saída do gerador eléctrico ser trifásica. Rectificador Trifásico de Ponte Completa não Controlado O rectificador trifásico utilizado é constituído por seis díodos que são usados como elementos de rectificação, como se pode visualizar pela figura (3-12), o que não possibilita o controlo da tensão de saída do circuito. Universidade do Minho 49 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 3-12 Rectificador trifásico não controlado. A este rectificador foi também acrescentado um filtro na saída, implementado através de um condensador ligado aos seus terminais. A figura (3-13) apresenta o esquema eléctrico do rectificador com filtro capacitivo. Figura 3-13 Rectificador trifásico não controlado com filtro capacitivo. A inclusão de um condensador no circuito faz com que o ripple da tensão de saída seja reduzido. O condensador vai-se carregando com a tensão de pico da entrada até atingir um valor superior ao da tensão de entrada. Quando a tensão do condensador se torna superior à tensão de entrada os diodos deixam de conduzir sendo a corrente de saída do circuito totalmente fornecida pelo condensador, que vai descarregando até atingir um nível de tensão inferior ao da entrada, recarregando-se de seguida [37]. Através das figuras (3-14) e (3-15) é possível visualizar as formas de onda da tensão de entrada e de saída do rectificador em ponte completa não controlado sem filtro. 50 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 3-14 Formas de onda da tensão de entrada (Vab, Vbc, Vca) e saída do rectificador não controlado. Figura 3-15 Formas de onda da corrente de entrada (Ia, Ib, Ic) e saída do rectificador não controlado. Com a inclusão do filtro capacitivo o rectificador apresenta as formas de onda das tensões e correntes, representadas nas figuras (3-16) e (3-17). Universidade do Minho 51 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 3-16 Formas de onda da tensão de entrada (Vab, Vbc, Vca) e saída do rectificador não controlado com filtro capacitivo. Figura 3-17 Formas de onda da corrente de entrada (Ia, Ib, Ic) e saída do rectificador não controlado com filtro capacitivo. 52 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 3.3.3. Conversor CC/CC Os conversores CC/CC são circuitos electrónicos de potência que têm a capacidade de ajustar de forma controlada o nível da tensão contínua na entrada dos seus terminais para níveis diferentes na saída. Os componentes que constituem os diferentes tipos de conversores CC/CC são semicondutores de electrónica de potência, boninas e condensadores. A diferença entre os tipos de conversores está na disposição dos seus componentes e na função para a qual são projectados. Os principais tipos de conversores segundo [38] são: conversor Step-Down (baixa a tensão), Step-Up (eleva a tensão), conversor Step-down/Step-Up (baixa e eleva tensão), conversor Cúk e conversor em ponte completa (full-bridge). Dos cinco conversores citados anteriormente, apenas os conversores Step-Down e o Step-Up são topologias básicas de conversores. Ambos os conversores. StepDown/step-Up e Cúk são combinações das topologias básicas. O conversor em ponte completa é o único que deriva apenas do conversor Step-Down [38]. Na topologia do sistema micro-eólico com seguidor do ponto de potência máxima proposta é utilizado o conversor CC/CC Step-Up para elevar o nível de tensão fornecida pelo gerador da micro-eólica, em conjunto com o sistema de controlo MPPT, para que a micro-eólica funcione sempre no ponto de máxima potência. De seguida é analisado o funcionamento do conversor Step-up e no subcapítulo 3.3.4 é analisado o sistema de controlo MPPT. 3.3.3.1. Conversor Step-up O conversor Step-up permite elevar a tensão de corrente contínua da entrada para valores superiores aos da saída. O nível de tensão na saída é controlado através da técnica de controlo PWM (Pulse-Width Modulation), modulação por largura de pulso. Os elementos constituintes do conversor são uma bobina (L) e um condensador (C) que armazenam energia, um díodo (D) e um semicondutor de electrónica de potência que funciona como um interruptor (int) no circuito, como se pode visualizar na figura (3-18). Universidade do Minho 53 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 3-18 Conversor Step-up. O funcionamento do interruptor (int) é determinado pelo controlo PWM, que determina a frequência com que é ligado e desligado, fazendo com que o interruptor esteja ligado durante um determinado período de tempo e desligado durante Quando o interruptor (int) é ligado, a tensão de entrada quando a tensão de entrada tem um nível inferior ao da saída ( . é aplicada na bobina, ) o díodo fica inversamente polarizado. Desta forma a carga é alimentada pela energia acumulada no condensador enquanto a bobina vai acumulando energia. Quando o interruptor é desligado o díodo passa a estar directamente polarizado, conduzindo a energia acumulada na bobina, que vai alimentar a carga e carregar o condensador. Se a corrente que passa pela bobina nunca for a zero durante o tempo de condução do díodo indica que o conversor opera no modo de condução contínua, caso contrário opera no modo descontínuo. Regra geral é preferível que o conversor opere no modo de condução contínua, devido à facilidade com que é possível determinar a relação entre a largura de pulso e a tensão média de saída [37]. Modo de Condução Contínua Neste modo de condução a corrente na bobina circula de forma contínua, nunca é nula ( . O funcionamento do conversor step-up durante o período de tempo estados distintos, quando o interruptor (int) está ligado e tem dois quando interruptor (int) está desligado. 54 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Na figura (3-19) são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente na bobina para o modo de condução contínua. Figura 3-19 Formas de onda da tensão e corrente na bobina para o modo de condução contínua [39]. Estado Durante o estado o interruptor (int) está ligado durante um determinado tempo criando um caminho para que a energia fornecida por carregue a bonina, como se pode visualizar na figura (3-20). Figura 3-20 Circuito Step-Up para o estado Universidade do Minho . 55 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas O tempo de duração do estado on é dado pela equação (3.1), onde D representa o duty-cycle do sinal de controlo PWM. (3.1) Estado No estado o interruptor está desligado durante um determinado tempo criando um caminho para que a fonte cuja tensão é em conjunto com a bobina forneçam energia ao condensador e à carga, como se pode visualizar na figura (3-21). Figura 3-21 Circuito Step-Up para o estado . O tempo de duração do estado off é dado pela equação (3.2). (3.2) Observando os gráficos da figura (3-19) é possível obter a relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída do conversor, expressa pela equação (3.3), uma vez que o aumento da corrente durante é igual à diminuição da corrente , durante [38]. (3.3) Substituindo (3.1) e (3.2) em (3.3) e resolvendo em ordem a obtém-se a equação: 56 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas (3.4) Desprezando as perdas do circuito a potência de entrada é igual à de saída, : (3.5) Resolvendo a equação anterior em ordem a obtém-se a relação: (3.6) Limite entre a Condução Contínua e Descontínua A figura (3-22) mostra as formas de onda no modo do limite da condução contínua da tensão no final do tempo e corrente na bobina . Neste modo a corrente vai a zero [38]. Figura 3-22 Formas de onda da tensão e corrente na bobina para o limite entre a condução contínua e descontínua [39]. Universidade do Minho 57 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas No limite da condução contínua o valor da corrente na bobina é expresso por: (3.7) Usando (3.4) em (3.7): (3.8) No conversor Step-up a corrente entrada e a corrente que passa pela bonina são iguais, usando (3.6) e (3.8) obtém-se a equação da corrente média de saída (3.9), no limite da condução contínua [38]: (3.9) Na figura (3-23) é possível visualizar as curvas de duty-cycle para uma tensão de saída e , em função do constante. O conversor Step-up tem a como função elevar a tensão de saída mantendo-a constante, para isso é necessário variar o valor do duty-cycle, para que a tensão de saída permaneça constante independentemente da tensão de entrada Figura 3-23 Curvas de 58 e em função de D para [38]. constante [39]. Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Observando a figura (3-23), verifica-se que de duty-cycle (D = 0,5), e atinge o valor máximo para o valor para (D = 1/3) [38]: (3.10) (3.11) Em função dos seus valores máximos as correntes e são expressas por [38]: (3.12) (3.13) Para um determinado valor do duty-cycle (D) com um valor constante de corrente na carga descer para valores abaixo de , se a , o conversor entra no modo de condução descontínua [38]. Modo de Condução Descontínua Quando o conversor entra no modo de condução descontínua a corrente na bobina é zero durante um determinado instante de tempo do período de , como se pode visualizar pela figura (3-24). Universidade do Minho 59 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 3-24 Formas de onda e corrente da bobina para o modo de condução descontínua [39]. Através da figura (3-24) verifica-se que a corrente na bobina durante atinge o valor máximo, de seguida decresce até atingir o valor zero durante o instante , permanecendo em zero durante . A relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada , observando a figura (3-24), é obtida através da seguinte equação [38]: (3.14) Resolvendo em ordem a : (3.15) Considerando a potência de entrada igual à potência de saída ( ) a relação entre as correntes de entrada e saída é dada por [38]: (3.16) A corrente média de entrada é dada por [38]: 60 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas (3.17) Usando (3.16) em (3.17) [38]: (3.18) Através das equações (3.14), (3.18) e (3.13) obtém-se o valor do duty-cycle, em função da tensão de saída [38]: (3.19) A figura (3-25) apresenta a curva característica do conversor Step-up mantendo constante para diferentes valores do duty-cycle (D), quando o conversor está no modo de condução descontínua. Figura 3-25 Curva característica do conversor Step-Up para No modo de condução descontínua se constante [39]. não for controlada durante cada período de comutação, a energia transferida para o condensador e para carga é expressa por: Universidade do Minho 61 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas (3.20) Se a carga não for capaz de absorver toda esta energia a tensão no condensador pode atingir um nível demasiado elevado, podendo fazer com que seja destruído [38]. Ripple da Tensão de Saída Assumindo que a corrente de saída do conversor é constante, considerando as formas de onda da figura (3-26), é possível calcular o ripple pico a pico da tensão de saída [38]. Figura 3-26 Ripple da tensão de saída do conversor Step-Up [39]. Na figura (3-26) carga está representada pela área a sombreado. O ripple pico a pico da tensão de saída é expresso por [38]: (3.21) 62 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Resolvendo em ordem a : (3.22) 3.3.3.2 Conversor Step-up com Controlo PWM (Pulse-Width Modulation) No conversor Step-up a tensão de saída deve ser controlada para que possa atingir um valor de tensão superior ao da entrada. O nível da tensão de saída é controlado através do interruptor int com controlo PWM. Esta técnica de controlo, liga e desliga sucessivamente o interruptor com uma frequência de comutação constante. O tempo que o interruptor permanece ligado ou desligado ( é controlado pelo valor do duty-cycle, que define o tempo que o interruptor permanece ligado para o período de comutação . Na figura (3-27) estão representados o esquema eléctrico do conversor Step-up com os respectivos blocos do controlo PWM. Figura 3-27 Esquema eléctrico do conversor Step-Up com controlo PWM. Universidade do Minho 63 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Analisando a figura (3-27) é possível perceber como são gerados os sinais que vão actuar o interruptor. O valor da tensão de saída do conversor tensão de referência que se pretende ter na saída ( o sinal de erro é subtraído ao valor da ) através do bloco Sub, resultando que representa a diferença entre e . De seguida o sinal é comparado com uma forma de onda do tipo dente de serra (Sawtooth Wave) , por intermédio do bloco Comparador, resultando na saída deste bloco o sinal que vai actuar o interruptor int. Como se pode visualizar pela figura (3-28) a frequência de comutação vai ser determinada pela frequência da onda dente de serra. Normalmente a frequência da onda dente de serra é na ordem de alguns kHz até poucas centenas de kHz [38]. Figura 3-28 Resultado da comparação entre os sinais Quando o sinal é superior a e . o sinal de PWM é alto, o interruptor fica no estado on, quando se sucede o contrário, o sinal de PWM é baixo e o interruptor fica no estado off, e assim sucessivamente. O valor do duty-cycle em função de e do valor de pico da onda dente de serra pode ser obtido pela equação: 64 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas (3.23) 3.3.3.3. Dimensionamento do Conversor Step-up Para o dimensionamento dos componentes do conversor Step-up foram usados os seguintes parâmetros: = 143 V Tensão gerada pela micro-eólica = 200 V Tensão de saída do Step-up R = 60 Ω Carga do Step-up = 25 kHz Frequência de comutação = 40 µs Período de comutação = 1% Percentagem máxima para o ripple da tensão de saída Cálculo do valor do duty-cycle: O cálculo do valor mínimo da indutância da bobina foi efectuado através da equação (3.24), estudada em [40]. (3.24) Universidade do Minho 65 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Cálculo do valor da capacidade do condensador para um ripple máximo da tensão de saída de 1%: 3.3.4. Sistema de controlo MPPT O sistema de controlo MPPT consiste num algoritmo que vai actuar o interruptor do conversor CC/CC, permitindo seguir o ponto de máxima potência do sistema. Existem diversos métodos, para seguir o ponto de máxima potência, foram desenvolvidos, diferenciando-se pela forma como o ponto de máxima potência é atingido. Estes métodos são conhecidos como: Perturbação e Observação (P&O), Tensão Constante (CV) e Condutância, Incremental (IncCond) e Hill Climbing (HC). Dos métodos referidos, o escolhido para a elaboração da topologia apresentada foi o Perturbação e Observação (P&O), devido à sua fácil implementação e por ser um dos métodos mais aplicados. Este método aplica uma perturbação ( ) no valor do duty-cycle (D), que por sua vez vai alterar o sinal de comando do interruptor do conversor Step-up. Se o valor da potência aumentar a perturbação da tensão é feita no mesmo sentido que a anterior, caso o valor da potência diminua a perturbação da tensão é efectuada no sentido inverso [41] [42] [43] [44]. Na figura (3-29) está representado o fluxograma do algoritmo usado para implementar o método de MPPT estudado. 66 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 3-29 Fluxograma do algoritmo do método P&O implementado. Pelo estudo do fluxograma anterior é possível verificar que a primeira acção do algoritmo é perturbar o valor do duty-cycle, de seguida calcula a potência actual . Depois de calculada são analisados dois cenários possíveis na perturbação da variável (D): Se a potência anterior ( ) toma o valor da actual e é efectuada uma perturbação positiva no valor de D. No caso de Universidade do Minho é efectuada uma perturbação negativa no valor de D. 67 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 3.4. Topologia do Sistema Micro-Eólico com Interface para Cargas CA Desenvolvido Neste subcapítulo é abordado o estudo teórico de um sistema para interface de um gerador micro-eólico, com cargas CA monofásicas e circuitos que o constituem. A figura (3-30) representa a topologia de interface desenvolvida. Figura 3-30 Gerador micro-eólico com interface para cargas CA monofásicas. O gerador eléctrico e o conversor CA/CC (rectificador) apresentados nesta topologia são os mesmos estudados na topologia apresentada no subcapítulo 3.3. A topologia aqui apresentada contém também um conversor CC/CA monofásico (inversor), que possibilita gerar tensões alternadas com a amplitude e a frequência necessárias para alimentar cargas CA monofásicas, a partir da tensão rectificada do gerador. 3.4.1. Inversor Os inversores são na maioria das vezes conversores comutados, que transformam a energia de um circuito de tensão contínua (ou corrente) em tensão alternada (ou corrente), através do controlo de semicondutores de potência que funcionam como interruptores. 68 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Existem vários tipos de inversores CC/CA e vários métodos de controlo. Estes podem ser do tipo VSI (Voltage Source Inverter), fonte de tensão, ou CSI (Current Source Inverter) fonte de corrente. Os inversores do tipo CSI são habitualmente usados em instalações de elevada potência. Em comparação com os inversores do tipo VSI, os inversores CSI são os menos usados por apresentarem um rendimento inferior e um custo mais elevado [45] [46]. Na topologia proposta o inversor utilizado é do tipo VSI, e faz o interface entre a saída de tensão rectificada do gerador e as cargas CA. A topologia dos inversores VSI monofásicos difere no número de braços com semicondutores de potência que cada uma pode ter, podendo ser em ponte completa (Full-Bridge) ou meia ponte (Half-Bridge). Na figura (3-31) estão representados os inversores VSI em ponte completa e meia ponte. Analisando esta figura é possível verificar que o número de semicondutores de potência e díodos utilizados nos inversores em ponte completa é superior aos utilizados nos de meia ponte. Em aplicações de elevada potência é preferível a utilização do inversor em ponte completa, pois permite obter uma tensão de saída com o dobro do valor da tensão de saída do inversor em meia ponte para o mesmo valor de tensão de entrada CC, o que implica que para a mesma potência a corrente de saída e dos semicondutores têm metade do valor das do inversor em meia ponte, o que é uma vantagem em aplicações de elevada potência, uma vez que permite a utilização de menos dispositivos em paralelo [38]. Universidade do Minho 69 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 3-31 a) Inversor VSI em ponte completa. b) Inversor VSI em meia ponte. Na topologia do sistema micro-eólico com interface para cargas CA proposta é utilizado o inversor em ponte completa monofásico, para permitir que as cargas CA monofásicas sejam alimentadas através do gerador da micro-eólica. Nos subcapítulos seguintes é analisado o funcionamento do inversor VSI em ponte completa e o respectivo controlo. 3.4.2. Inversor em Ponte Completa (Full – Bridge) Monofásico O inversor em ponte completa monofásico é constituído por quatro semicondutores de potência, que funcionam como interruptores e quatro díodos. Os semicondutores de potência estão dispostos em arranjos, vulgarmente denominados de braços, constituídos por dois semicondutores de potência e dois díodos em antiparalelo, como se pode visualizar através da figura (3-32) [47]. 70 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 3-32 Circuito eléctrico do conversor CC/CA inversor . O funcionamento dos interruptores ( ) é determinado pelo controlo PWM que liga e desliga estes interruptores quando é necessário. Na figura (3-33) estão representados os modos de operação do inversor. Quando os interruptores de estão ligados, a tensão de saída tem o valor durante o tempo em que estes permanecem ligados. No instante de tempo em que os interruptores saída e é- e estão ligados e os restantes desligados o valor da tensão de . Figura 3-33 Modos de operação do inversor. Universidade do Minho 71 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 3.4.3. Inversor com Controlo PWM (Pulse-Width Modulation) A técnica de controlo PWM é uma forma eficaz de obter um sinal alternado de baixa frequência na saída do inversor, podendo ser do tipo bipolar ou unipolar. Para obter um sinal de tesão sinusoidal, com a frequência desejada é utilizado um sinal de controlo sinusoidal ( ), com a mesma frequência que se pretende obter na tensão de saída, que é comparado com um sinal com forma de onda triangular ( ), para se obter os sinais de controlo dos semicondutores de potência. A frequência de comutação dos interruptores é estabelecida pela frequência da onda triangular, também conhecida como frequência portadora. A frequência determina a frequência com que cada interruptor vai comutar. O sinal tem uma frequência com o valor desejado para a frequência fundamental da tensão de saída. Este sinal é também usado para determinar a relação da frequência de comutação dos interruptores [38]. Como se pode visualizar na figura (3-34) o sinal gerado na comparação de com a onda triangular é constituído por diversos pulsos, que contêm a componente fundamental de uma sinusóide. Depois de filtrado este sinal obtém-se uma sinusóide. Figura 3-34 Comparação entre 72 e [39]. Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas A tensão na saída do inversor não é uma sinusóide perfeita devido às componentes harmónicas existentes. A onda de tensão fundamental de saída do inversor depende da amplitude de modulação que é expressa na equação 3.25 [38]: (3.25) Onde: Índice de modulação Valor de pico do sinal de controlo Valor de pico do sinal triangular Controlo com PWM bipolar No controlo com PWM bipolar a tensão de saída do inversor ( e ), varia entre - , que representam a tensão de entrada do inversor, como se pode visualizar pela figura (3-35) [38]. Neste tipo de controlo os interruptores são actuados aos pares, um dos pares é constituído por e , e o outro por e . Figura 3-35 Modulação PWM modo bipolar [39]. Universidade do Minho 73 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas No inversor em ponte completa da figura (3-33), quando os interruptores estão ligados, a saída do braço A é dada por e e a saída do braço B por , verificando-se que a saída do braço B é o oposta do à braço A [38]. Então: (3.26) e (3.27) Controlo com PWM unipolar Contrariamente ao controlo apresentado no ponto anterior, o controlo com PWM unipolar permite actuar cada braço do inversor individualmente. Para controlar os braços do inversor são usadas duas sinusóides - , desfasado 180º entre si, que são comparadas com a onda triangular e , como mostra a figura (3-36). Figura 3-36 Comparação dos sinais , e [39]. Através da análise da figura (3-36) deduz-se que a comparação do sinal e - com , produz os sinais de controlo dos braços A e B, resultando os seguintes estados lógicos dos interruptores de cada um dos braço [38]: 74 ; on e ; on e Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas ; on e ; on e A figura (3-37) representa a tensão de saída para cada um dos braços do inversor. Figura 3-37 Tensão de saída do braço A e B [39]. A tensão de saída do inversor neste tipo de controlo PWM varia entre o valor 0 e ou entre 0 e - , como se pode visualizar na figura (3-38). Figura 3-38 Modulação PWM unipolar [39]. As formas de onda das figuras anteriores demonstram que existem quatro combinações possíveis de estados dos interruptores para controlar a tensão de saída [38]: , on: , on: , on: , on: , ; , ; , , ; ; Quando os dois interruptores superiores ou inferiores são ligados conjuntamente a tensão de saída do inversor tem valor zero. Universidade do Minho 75 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas CAPÍTULO 4 Simulações Computacionais Neste capítulo serão simulados todos os circuitos necessários na implementação deste projecto, nomeadamente o modelo do gerador micro-eólico, o conversor Step-up e o inversor. A opção da elaboração de simulações antes de uma implementação prática devese à necessidade de conhecer previamente o funcionamento de todos os circuitos envolvidos. Ao utilizar um método de simulação computacional apropriado, antes de implementar o circuito real, é possível ajustar facilmente os parâmetros a usar nos circuitos, de forma segura e sem prejuízo para o investigador, poupando-se tempo e dinheiro, uma vez que não é necessário comprar novos componentes e voltar a implementar todo o circuito no caso de algo inapropriado acontecer. No mercado, cada vez mais, surgem novas ferramentas de simulação, uma vez que estas têm muita procura e são consideradas de grande utilidade. 4.1. Psim De entre todas as ferramentas disponíveis o programa de simulação escolhido foi o Psim. Esta ferramenta possui um ambiente de trabalho bastante apelativo e intuitivo, facilitando o interface com o utilizador. O Psim é um simulador de circuitos eléctricos especialmente projectado para a simulação de circuitos de electrónica de potência, para análise de conversores de potência, malhas de controlo e estudo de accionamento de motores. Na simulação de circuitos são utilizados módulos com símbolos e características de componentes reais, como se pode visualizar na figura (4-1), que ligados entre si formam o circuito que se pretende simular. Este simulador pode simular quase todo o tipo de circuitos, apresentando os resultados das medições efectuadas nos circuitos de uma forma gráfica, permitindo conhecer o comportamento das grandezas medidas ao longo do tempo. Algo muito útil para determinar a causa de possíveis problemas nos circuitos. Universidade do Minho 77 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Na figura (4-2) está representado o ambiente gráfico que apresenta todas as grandezas medidas nos circuitos. Figura 4-1 Ambiente gráfico do Psim com alguns componentes que o constituem. Figura 4-2 Exemplo de visualização de um sinal sinusoidal no ambiente gráfico, onde são apresentadas as grandezas medidas. 78 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 4.2. Modelo de Simulação do Gerador Micro-eólico Para que todos os estudos efectuados se aproximassem o mais possível da realidade gerador considerou-se essencial usar um modelo de simulação de um micro-eólico. Para tal, foi usado o modelo da figura (4-3) implementado por [36], que representa o gerador micro-eólico. Este modelo tem como parâmetros de entrada a velocidade do vento e o raio do rotor da turbina, e como saída a tensão gerada pelo gerador eléctrico, permitindo variar a tensão de saída através da variação da velocidade do vento. Figura 4-3 Modelo do gerador micro-eólico usado por [36]. Na figura (4-4) é possível visualizar as formas de onda das tensões compostas, , , , do gerador eléctrico ao operar em vazio. Estas tensões têm um valor de pico próximo dos 200V para uma velocidade do vento de 12 m/s e um raio do rotor de 1,23m. Universidade do Minho 79 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 4-4 Tensões compostas do gerador eléctrico. De seguida acrescentou-se ao modelo um rectificador trifásico, como se pode visualizar na figura (4-5), com a finalidade de rectificar a tensão de saída do gerador eléctrico para que possam ser usados os circuitos Step-up e inversor. Como carga é usada uma resistência de 60Ω, e em todos os testes que serão apresentados de seguida é utilizada uma velocidade do vento de 12 m/s e um raio de 1,23 m do rotor do gerador eólico. 80 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 4-5 Modelo do gerador micro-éolico com rectificador ligado na saída do gerador eléctrico. Universidade do Minho 81 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Na figura (4-5) o rectificador trifásico é representado pelo bloco com o símbolo de um díodo, à saída foi ligado um condensador de 1050 µF de forma a reduzir o ripple da tensão de saída. O bloco que se segue ao rectificador é um wattímetro para se poder medir a potência do gerador eléctrico. Nas figuras (4-6), (4-7) e (4-8) estão representadas as formas de onda da tensão, corrente na carga e potência eléctrica do gerador. Figura 4-6 Tensão na carga. Figura 4-7 Corrente na carga. Figura 4-8 Potência eléctrica do gerador. 82 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Através da visualização das figuras anteriores constata-se que todas as grandezas demoram quase dois segundos a estabilizarem. O valor da potência eléctrica é de aproximadamente 400W, a tensão na carga 160V e a corrente 2,6 A. 4.3. Conversor Step-up Na figura (4-9) é possível visualizar o conversor step-up ligado ao gerador micro-eólico. Figura 4-9 Conversor Step-up ligado ao gerador micro-eólico. Universidade do Minho 83 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Na figura (4-10) está representado o conversor Step-up, que foi projectado para elevar a tensão de 143V para 200V na saída. Figura 4-10 Conversor Step-up. O conversor da figura (4-10) é constituído por componentes ideais como uma bobina, um condensador, díodo e um mosfet. O valor de indutância e capacidade utilizados na simulação foram 250µH e 400µF, estes valores foram obtidos de forma empírica através de vários ajustes feitos durante as simulações, para que o resultado final fosse o pretendido. Estes ajustes foram necessários pois os valores calculados de indutância e capacidade eram os valores mínimos exigidos. O sinal de controlo do mosfet (PWM) representado na figura (4-11) é gerado através da comparação dos sinais e , que aqui são representados por uma fonte de tensão contínua e outra em forma de dente de serra. 84 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 4-11 Sinal de controlo PWM. Pela análise da figura (4-11) verifica-se que a frequência do sinal é de 25kHz, com um duty-cycle próximo dos 28,5%. Na figura (4-12) estão representadas as tensões de entrada e saída do Step-up, verificando-se que o conversor cumpre a finalidade para a qual foi projectado, ao elevar a tensão de entrada nos seus terminais com o valor de 143V para 200V na saída. Figura 4-12 Tensão de entrada e saída do step-up. Com a finalidade de verificar se o conversor funciona em modo de condução contínua são apresentadas na figura (4-13) a forma de onda da tensão e corrente na bobina do Step-up. Universidade do Minho 85 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 4-13 Tensão e Corrente na bobina. Analisando a figura (4-13) verifica-se que o valor da corrente na bobina nunca vem a zero, provando que o Step-up opera em modo de condução contínua. 4.4. Inversor Na figura (4-14) é possível visualizar o inversor ligado ao gerador micro-eólico. 86 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 4-14 Inversor ligado ao gerador micro-eólico. Universidade do Minho 87 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Para o estudo do conversor CC/CA, foi criado o modelo do inversor monofásico em ponte completa com filtro LC (L=1,02mH, C=4,7µF) representado na figura (4-15), com objectivo de testar o funcionamento do circuito e validar a técnica de controlo utilizada. Figura 4-15 Inversor. O tipo de controlo utilizado no funcionamento do inversor foi o PWM unipolar. Este consiste na comparação dos sinais e- com uma forma de onda triangular, como se pode visualizar através da figura (4-16). 88 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 4-16 PWM unipolar. Na figura (4-16) é possível visualizar que os sinais de controlo - e apresentam um período de 20ms correspondente a uma frequência de 50Hz, sendo esta a frequência desejada na tensão de saída do inversor. Da comparação das ondas de controlo anteriores com a onda triangular surgem os sinais de controlo dos mosfets, representados na figura (4-17). Figura 4-17 Sinais de controlo dos mosfets. Universidade do Minho 89 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Analisando a figura (4-17) verifica-se que para os mosfets do mesmo braço os sinais de controlo gerados são complementares um ao outro, e a frequência de comutação dos mosfets é de 10kHz, a mesma que a da onda triangular. Na figura (4-18) é apresentada a tensão contínua de entrada do inversor, que contém algum ripple. Depois de feito um zoom na figura (4-18) concluiu-se que o valor da tensão de entrada do inversor é de aproximadamente 167V CC, como ilustra a figura (4-19). Figura 4-18 Tensão de entrada do inversor. Figura 4-19 Tensão de entrada do inversor com zoom. Para uma tensão de entrada no inversor de aproximadamente 167V CC obtêm-se uma tensão alternada na carga com o valor de 167V de pico, e um período de 20ms, o que significa que se conseguiu gerar uma tensão CA com uma frequência de 50Hz, como se pode visualizar pela figura (4-20). Na figura (4-21) é apresentada a forma de onda da corrente na carga. 90 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 4-20 Tensão na carga. Figura 4-21 Corrente na carga. Como o principal objectivo do circuito é obter na saída do inversor uma tensão de 325VAC, optou-se por incluir um transformador na saída do inversor para elevar a tensão, como demonstra a figura (4-22). Universidade do Minho 91 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 4-22 Inversor com transformador na saída. As figuras (4-23) e (4-24) apresentam as formas de onda da tensão e corrente após a inclusão do transformador. Figura 4-23 Forma de onda da tensão com transformador na saída do inversor. 92 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 4-24 Forma de onda da corrente com transformador na saída do inversor. Universidade do Minho 93 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas CAPÍTULO 5 Implementação Prática do Sistema de Interface do Gerador Micro-Eólico com Cargas Eléctricas Neste capítulo são apresentados e explicados todos os circuitos implementados, desde o rectificador ao inversor. É também apresentado o sistema utilizado no laboratório de máquinas eléctricas, que permitiu emular um gerador micro-eólico. Em termos de software, será explicado o sistema de controlo do inversor, de forma a obter-se uma tensão sinusoidal na saída. Será também abordada neste capítulo a implementação do circuito de interface entre o circuito controlo e o circuito de potência, e demonstrada a importância da sua utilização. Na figura (5-1) está represada a bancada de trabalho onde todo o sistema foi desenvolvido, e todos os testes foram efectuados. Figura 5-1 Bancada de trabalho. Universidade do Minho 95 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 5.1. Gerador Micro-eólico Na gerador elaboração prática deste trabalho não foi possível utilizar um micro-eólico uma vez que este não se encontra disponível no laboratório. Sendo assim, foi utilizado o sistema existente no laboratório de máquinas eléctricas de forma a emular um gerador micro-eólico. Este sistema é constituído por um motor série universal acoplado mecanicamente a uma máquina síncrona trifásica de rotor bobinado, como se pode ver na figura (5-2). Figura 5-2 Sistema usado para emular um gerador micro-eólico. Na tabela (5-1) estão representadas as principais características do motor série universal e da máquina síncrona. 96 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Motor Série Universal (Feeback ETL174A) Máquina Síncrona (Feedback ETL174G) Características nominais: Características nominais: Alimentação: CA (Monofásico) ou CC P ≈ 248,7W P = 186,5W (CA) ou P ≈ 248,7W (CC) V = 120V (CA) ou 120V (CC) n = 2000 rpm I = 4A = 120V (CA) = 1,2 (CA) n = 3000 rpm = 5A Tabela 5-1 Características do Motor Série Universal e Máquina Síncrona. Na montagem da figura (5-2) o motor série universal é alimentado por uma corrente alternada, por intermédio do variac. Depois de alimentado o motor este, acciona a máquina síncrona que vai funcionar como gerador. A fonte CC tem como função alimentar o enrolamento de excitação do gerador. A variação da velocidade de rotação do motor série universal é efectuada através do variac. Em conjunto o variac e o motor série universal permitem variar a velocidade de rotação do gerador e consequentemente a tensão produzida por este. 5.2. Sistema de controlo O sistema de controlo é a parte fundamental de todo o trabalho, é o responsável por processar todos os dados necessários, e de acordo com os objectivos pretendidos, gerar os sinais de controlo para actuar os semicondutores de potência, e assim obter as formas de onda pretendidas na saída do inversor. Para implementar o sistema de controlo recorreu-se ao microcontrolador PIC18F4431 da figura (5-3), fabricado pela Microcip. Universidade do Minho 97 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 5-3 Microcontrolador PIC18F4431. A escolha deste microcontrolador deve-se ao facto de ser gratuito e conter todos os módulos necessários para a elaboração deste projecto. É também um dispositivo bastante simples de programar. Existem várias informações sobre como programar este dispositivo em diversos locais da Internet que serve como ajuda, e o facto de ser um dispositivo muito utilizado por vários colegas de curso permite que se possam ultrapassar mais facilmente algumas dificuldades impostas por este dispositivo. O software necessário para a sua programação também é disponibilizado de forma gratuita. Apenas foi adquirido o programador, que foi cedido pelos colegas do Laboratório de Electrónica de Potência. Em termos de aspectos técnicos, este microcontrolador necessita de um circuito de baixa complexidade para a sua programação, de realçar que são necessários poucos componentes para o seu funcionamento e a possibilidade de ser programado no próprio circuito onde opera. Para a elaboração deste trabalho utilizou-se o módulo de hardware POWER CONTROL PWM MODULE, que simplifica a tarefa de gerar múltiplas saídas de PWM sincronizadas, que são especialmente usadas no controlo de motores e conversores de energia [47]. Este módulo possui quatro canais de PWM, que funcionam no modo complementar. Ou seja, em cada canal são geradas duas saídas PWM complementares simplificando bastante a programação do controlo do inversor. O módulo utilizado possui uma resolução de 14 bit, dependendo do período do PWM [47], e permite a programação de um dead-time entre os sinais de PWM gerados, algo muito útil para evitar curtos-circuitos no inversor, durante as comutações dos semicondutores de potência de cada braço. 98 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Na figura (5-4) é possível visualizar os pinos que constituem o PIC18F4431, onde se podem reconhecer os pinos dos módulos PWM. Figura 5-4 Diagrama de pinos do PIC18F4431 [47]. Para criar os programas desenvolvidos e enviá-los para o microcontrolador utilizou-se o software de programação disponibilizado pela MicroChip, MPLAB IDE v8.33 em conjunto com o compilador CCS C Compiler. Em termos de linguagem de programação os microcontroladores da família PIC podem ser programados em linguagem Assembly ou linguagem C. No desenvolvimento do projecto optou-se pela utilização da linguagem C, por se tratar de uma linguagem de alto nível, tornando assim o código mais perceptível e fácil de implementar. Para programar o microcontrolador com o código elaborado é utilizado o programador MPLAB ICD 2 da figura (5-5), que é ligado entre o comutador pessoal e o microcontrolador. Na ligação do programador com o PIC18F4431 são utilizados os pinos PGD, PGC e MCLR, identificados na figura (5-4). Figura 5-5 Programador MPLAB ICD 2. Universidade do Minho 99 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 5.2.1. Controlo do inversor Para o controlo do inversor foram utilizados dois canais de PWM do microcontrolador. A técnica de controlo implementada foi PWM unipolar para se obter uma tensão alternada na saída do inversor com uma frequência de 50Hz. Para gerar os sinais de PWM foram utilizados os canais PWM 0, e PWM 2, no modo complementar, permitindo gerar dois pares de sinais de controlo, que vão actuar os respectivos semicondutores de potência de cada braço do inversor PWM 0 e PWM 1, bem como PWM 2 e PWM 3, como se pode visualizar na figura (5-6). Sendo os sinais de cada par complementares um do outro, evitando assim que os semicondutores do mesmo braço entrem em condução simultaneamente. Como protecção contra curtos-circuitos, foi programado por software em cada módulo de PWM um dead-time de 5µs, isto é, durante 5µs os sinais de PWM complementares estão ambos inactivos, garantido que a comutação de estado dos semicondutores do mesmo braço do inversor não é efectuada precisamente no mesmo instante de tempo, prevenindo assim possíveis curtos circuitos nos braços do inversor. Figura 5-6 Esquema do circuito inversor. Para implementar a técnica de controlo PWM unipolar no microntrolador foi criada uma tabela com 100 posições de forma a sintetizar um seno que é comparado com uma onda triangular, onde o valor mais elevado da tabela é o valor máximo admitido pelo duty-cycle. Para gerar uma onda triangular internamente no microcontrolador o PWM é programado no modo Continuous Up/Down Counting [47]. 100 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Na figura (5-7) é possível visualizar a forma de onda triangular gerada, que posteriormente é comparada com o seno. Figura 5-7 Modo Counting UP/DOWN [47]. No passo seguinte o PWM é configurado com uma frequência de comutação de 10kHz e um dead-time de 5µs. Após este passo configurou-se o timer1 e activou-se a interrupção por overflow deste timer. O timer1 é configurado para que os valores do duty-cycle sejam actualizados 100 vezes por cada período de 20ms, através da geração de uma interrupção por overflow do timer1. A cada interrupção é chamada a rotina de serviço à interrupção onde são actualizados os valores do duty-cycle, mediante os critérios do método de controlo PWM unipolar aí programados. 5.3. Interface entre o Microcontrolador e o Inversor A implementação de um circuito de interface entre o microcontrolador e o inversor torna-se necessária, uma vez que os sinais de controlo para os semicondutores de potência têm referências diferentes, e o microcontrolador fornece apenas um nível de 5V revelando-se insuficiente para comutar os semicondutores de potência do inversor. Para tal, foi utilizado o acoplador óptico HCPL3120 da Hewlett Packard, cujo esquema está representado na figura (5-8). Universidade do Minho 101 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 5-8 Esquema do Acoplador Óptico HCPL3120 [48]. Este circuito permite o isolamento galvânico entre a unidade de controlo e o inversor, evitando os curtos-circuitos que de outra forma ocorreriam. Para garantir o isolamento entre o microntrolador e o inversor assegurou-se que as massas utilizadas por ambos eram diferentes, utilizando-se duas fontes de alimentação diferentes na alimentação dos circuitos. O acoplador óptico HCPL3120 funciona também como circuito de drive para o semicondutor de potência, possibilitando elevar o nível de tensão do sinal de controlo para os níveis exigidos, para fazer comutar o mosfet. Para o mosfet comutar é necessário que o nível de potencial da gate seja superior ao potencial da source com uma tensão superior à tensão de Treshold. Na figura (5-9) está representado o esquemático do circuito do acoplador óptico implementado, que permite elevar o nível de tensão do sinal de saída do microcontrolador. . Figura 5-9 Esquema do circuito eléctrico implementado com o Acoplador óptico [48]. 102 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Na entrada do circuito da figura (5-9) é ligado o sinal de PWM gerado pelo microcontrolador, com amplitude de 5V e frequência de 10kHz. A saída do circuito é alimentada por uma fonte de tensão de 17V, obtendo-se na saída um sinal de PWM com a mesma frequência e duty-cycle do sinal de entrada, mas com uma amplitude de 17V, que é ligado na gate do mosfet, garantindo desta forma o valor da tensão necessária para que o mosfet entre em comutação. Na figura (5-10) é possível visualizar a placa da unidade de controlo com o microcontrolador e o circuito do acoplador óptico para cada um dos mosfets do inversor. Figura 5-10 Unidade de Controlo. 5.4. Implementação do Rectificador Para alimentar a entrada do inversor com uma tensão contínua foi necessário implementar um rectificador trifásico, para rectificar as tensões alternadas geradas pelo gerador eléctrico e obter na saída uma tensão contínua. Como referido no subcapítulo 3.3.2. o rectificador implementado é de ponte completa não controlado, devido à sua simplicidade de implementação. Na implementação prática foi utilizado o componente 26MT80 do rectificador trifásico a díodos produzido pela Vishay, representado na figura (5-11). Universidade do Minho 103 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 5-11 Rectificador 26MT80. Este rectificador tem como características técnicas admitir uma tensão máxima de operação de 800V e uma corrente máxima de 25A. A figura (5-12) representa o esquema utilizado na implementação do rectificador trifásico com um filtro capacitivo, de forma a atenuar o ripple da tensão de saída. Figura 5-12 Esquema do Rectificador com Filtro Capacitivo na Saída. Como nas oficinas do Departamento de Electrónica não existiam condensadores com a capacidade ou valor de tensão necessários para serem usados no filtro de saída optou-se por construir um banco de condensadores constituído por quatro condensadores ligados em série, como representa figura (5-12), cada um com uma tensão de 63V e uma capacidade de 4200µF. Como são utilizados quatro condensadores ligados em série, a capacidade equivalente do banco de condensadores é de 1050µF, com uma tensão de 252V equivalente à soma das tensões dos quatro condensadores. 104 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas A capacidade equivalente foi calculada através da equação (5.1), onde representa a capacidade equivalente e , , e são a capacidade de cada um dos condensadores. (5.1) De notar que a cada condensador foi ligado em paralelo uma resistência de potência de 470Ω, de forma a garantir uma tensão igual em cada um dos condensadores. Na figura (5-13) é possível visualizar o rectificador trifásico implementado na prática. Figura 5-13 Rectificador Implementado na Prática. 5.5. Implementação do Inversor Monofásico Na implementação prática do inversor monofásico foi utilizada a topologia em ponte completa, pois permite obter na saída uma tensão com o dobro do valor permitido pela topologia em meia ponte. A entrada do inversor é alimentada pela tensão contínua de saída do rectificador, originando na saída do inversor uma tensão alternada. Universidade do Minho 105 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas O inversor de tensão desenvolvido é do tipo VSI, constituído por dois braços. Cada braço do inversor contém dois semicondutores de potência que vão comutar conforme os sinais de comando enviados pela unidade de controlo. Os semicondutores de potência utilizados foram mosfets, fabricados pela marca FAIRCHILD SEMICONDUCTOR do modelo FCP11N60, que têm como características técnicas uma corrente máxima admissível na drain de 11A e uma tensão máxima drain-source de 650V [49]. Na figura 5-14 é possível visualizar o esquemático interno do Mosfet FCP11N60. Figura 5-14 Esquema do Mosfet FCP11N60 [49]. Na saída do inversor foi inserido um filtro LC constituído por uma bobina com uma indutância de aproximadamente 1mH e um condensador com uma capacidade de 4,7µF. Este filtro tem a finalidade de filtrar os harmónicos de alta frequência produzidos pelas comutações do circuito inversor e assim obter uma tensão aproximadamente sinusoidal na saída. Na figura (5-15) é possível visualizar o circuito inversor implementado, com a bobina e o condensador usados como filtro na saída. 106 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 5-15 Circuito inversor Implementado. 5.6. Sistema Implementado Na figura (5-16) é possível visualizar em conjunto todos os circuitos que constituem o sistema implementado, nomeadamente o motor série universal e o gerador síncrono, que foram usados para emular uma turbina micro-eólica. Também é possível visualizar o rectificador implementado e o circuito inversor com o respectivo circuito de controlo. Além de todos os circuitos mencionados também é usada uma resistência 60Ω, como carga do sistema em todos os testes efectuados. Figura 5-16 Sistema Implementado. Universidade do Minho 107 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas CAPÍTULO 6 Resultados Experimentais Neste capítulo são apresentados os resultados experimentais dos testes efectuados aos circuitos implementados, verificando-se os principais valores e formas de onda obtidos. 6.1. Ensaio do Gerador Síncrono Neste ensaio foram obtidas as formas de onda da tensão de saída do gerador, com este a operar em vazio, com uma corrente excitação de 1,3A e uma velocidade de rotação de 3000rpm. Na figura (6-1) é possível visualizar a forma de onda da tensão simples da fase a, tendo esta um valor máximo de pico de 190V e uma frequência de 50,81Hz. As restantes fases b e c têm a mesma forma de onda e valores de tensão, estando apenas desfasadas 120º. Figura 6-1 Forma de onda da tensão da fase do gerador síncrono. Universidade do Minho 109 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas 6.2. Resultados Experimentais do Circuito de Controlo. Na Figura (6-2) é possível visualizar os sinais de controlo PWM 0 e PWM 1 na saída do microcontrolador, onde se verifica que são complementares, com 5V de amplitude e uma frequência de 10,14kHz. Os outros dois sinais, PWM 3 e PWM 4, também são iguais aos da figura. Figura 6-2 Sinais de PWM gerados pelo microcontrolador. Na figura (6-3) é possível visualizar os sinais de PWM amplificados pelo circuito de controlo, agora com uma amplitude de 17V que é suficiente para que os mosfets entrem em comutação. Figura 6-3 Sinais de PWM amplificados. 110 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Na figura (6-4) é possível visualizar o dead time de 5µs implementado entre os dois sinais de PWM, como foi referido no capítulo 5. Figura 6-4 Dead time de 5µs entre os sinais de PWM. 6.3. Resultados experimentais do Circuito Inversor Na execução dos testes do circuito inversor foi utilizada como carga uma resistência de 60Ω. Como referido no capítulo 5 este circuito é alimentado pela tensão rectificada, gerada pelo gerador síncrono a operar na velocidade nominal de 3000rpm. Na figura (6-5) é possível visualizar a tensão contínua de entrada do inversor, com um valor de 115V. Figura 6-5 Tensão CC de entrada do inversor. Universidade do Minho 111 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas A figura (6-6) mostra a tensão obtida na carga, com o inversor alimentado pela tensão da figura (6-5), onde se verifica que a tensão simples tem um valor de pico de 90V com uma frequência de 50,10Hz, como era pretendido. Figura 6-6 Forma de onda de tensão na carga. Devido ao ruído existente no sinal não foi possível elevar a tensão para os 230V eficazes por intermédio de um transformador. Para medir a corrente na carga através do osciloscópio ligou-se uma resistência, de 1,1Ω em série com a carga, e mediu-se a tensão nessa resistência. A tensão medida na resistência foi de 1,65V, aplicando a Lei de Ohm a corrente na resistência tem um valor de 1,5A. Como o valor da resistência é muito baixo causa uma redução no valor da tensão na carga de 1,83%, podendo afirmar-se que o valor da tensão na resistência de medida é desprezável face à da carga. A figura (6-7) representa a forma de onda da corrente, obtida através do método referido anteriormente, onde se deve considerar que o valor de pico é de 1,5A. 112 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Figura 6-7 Forma de onda de corrente na carga. Universidade do Minho 113 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas CAPÍTULO 7 Conclusões e Propostas de Trabalho Futuro 7.1. Conclusões Com este trabalho foi possível aprofundar os conhecimentos no desenvolvimento das energias renováveis, em todo o mundo e particularmente em Portugal, onde a energia eólica tem vindo a revelar um papel cada mais significativo no crescimento das energias renováveis. Numa primeira fase deste projecto são identificados os diferentes tipos de turbinas eólicas e os diferentes tipos de componentes que as constituem. De forma a perceber toda a dinâmica de um gerador micro-eólico, elaborou-se um estudo teórico, que permitiu perceber como este é capaz de produzir energia eléctrica a partir do vento. Este estudo permitiu também identificar quais as varáveis que influenciam a produção de energia por parte do gerador micro-éolico. Foram também apresentadas diversas topologias de ligação à rede eléctrica de unidades mico-eólicas. Um dos objectivos desta dissertação consiste no estudo e simulação de um sistema micro-eólico com circuito MPPT. De maneira a desenvolver este circuito efectuou-se o estudo teórico do circuito rectificador e do conversor CC/CC Step-up, que constituem o circuito MPPT, e foi apresentado um algoritmo de controlo para este circuito. Os resultados obtidos na simulação do circuito MPPT não foram os esperados, optando-se não os apresentar nesta dissertação. No entanto efectuou-se a simulação do circuito Step-up em conjunto com o modelo de um gerador micro-eólico, verificando-se o correcto funcionamento deste como elevador de tensão. Este trabalho apresenta como objectivo principal a elaboração de um circuito de interface de um gerador micro-eólico com cargas eléctricas. Este circuito torna-se útil em locais onde o acesso à rede eléctrica é difícil. O circuito de interface é formado por um rectificador e um inversor de tensão. Para a elaboração deste circuito efectuou-se um estudo aprofundado do inversor monofásico em ponte completa, assim como dos seus diferentes tipos de controlo. Universidade do Minho 115 Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas A implementação do inversor revelou algumas dificuldades a nível de controlo, dificuldades estas que foram ultrapassadas, tornando os fios condutores do circuito de controlo o mais curtos possíveis, e entrelaçando os fios que transmitem os sinais de controlo para os mosfets, aumentando a imunidade aos ruídos electromagnéticos que causam interferências no inversor. Em termos de resultados práticos, foi possível alimentar uma carga resistiva de 60Ω com uma tensão alternada de 90V e uma frequência de 50Hz através do circuito de interface elaborado. Devido ao ruído existente no sinal de tensão na saída do inversor não foi possível elevar a tensão para os 230V eficazes por intermédio de um transformador como era pretendido. Numa apreciação global deste trabalho, conclui-se que foi atingido o objectivo principal verificando-se o correcto funcionamento do inversor. Os restantes objectivos também foram atingidos com excepção da simulação do circuito MPPT. 7.2. Propostas de Trabalho Futuro De forma a enriquecer este trabalho propõe-se a utilização de um gerador micro-eólico, em substituição do modelo utilizado para emular o gerador. Uma vez que não se conseguiu obter o correcto funcionamento do sistema MPPT nas simulações, propõe-se a realização das simulações de uma forma mais adequada, através da implementação de outros algoritmos. Em relação aos circuitos implementados, propõe-se a sua implementação em placas de circuito impresso (PCB), de forma a reduzir os ruídos electromagnéticos que possam surgir, melhorando assim o desempenho de todos os circuitos, principalmente do circuito inversor. Em relação ao inversor concretamente, propõe-se a integração de circuitos snubber, de forma a reduzir os picos excessivos de corrente, prevenindo possíveis danos no circuito e nas cargas a que se encontra ligado. Propõe-se ainda também o teste de todo o sistema com cargas diferentes da utilizada, com o intuito de verificar como o sistema se comporta. 116 Universidade do Minho Interface de um Gerador Eólico para Microgeração de Energia com Cargas Eléctricas Referências Bibliográficas [1] AGENEAL, “Energias Não Renováveis.” http://www.ageneal.pt/content01.asp?BtreeID=00/01&treeID=00/0http://www.ap ren.pt/gca/?id=166 Consultado em Agosto de 2011. [2] EIA - Energy International Adninistration, “International Energy Outlook 2010,” International Energy Outlook 2010, vol. 484, no. July. Citeseer, 2010. [3] APREN, “Roteiro das Energia Renováveis.” http://www.apren.pt/gca/?id=166 Consultado em Agosto de 2011. [4] Direcção Geral de Energia e Geologia, “Renováveis Estatísticas rápidas Maio 2011. ” pp. 1-22, 2011. [5] Instituto do Ambiente, “Plano Nacional de Atribuição de Licenças de Emissão de CO 2 ( PNALE ),” vol. 2, pp. 2-37, 2006. [6] K. R. 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