Ministério da Educação

Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná

Departamento Acadêmico de Eletrotécnica

Projeto Final de Graduação

CONVERSOR ELÉTRICO PARA O GERADOR EÓLICO DE BAIXO CUSTO

MOSKO, Flavio Luiz, Acadêmico de Engenharia Industrial Elétrica e-mail: fmosko@terra.com.br

RIBAS, Hugo Reis de Oliveira, Acadêmico de Engenharia Industrial Elétrica

e-mail: hugoreis@swi.com.br

RAMOS, Lúcio Fabiano, Acadêmico de Engenharia Industrial Elétrica e-mail: luciofabramos@pop.com.br

PINHO, Antonio Carlos, Professor Doutor CEFET-PR

Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná – Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR e-mail: pinho@cefetpr.br

RESUMO

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

1 INTRODUÇÃO

Há no Brasil, hoje a necessidade de sério planejamento para aumentar a capacidade de oferta em demanda de energia elétrica, para que se possa buscar crescimento econômico, mas sem deixar de lado as questões ambientais, no que se refere a grandes impactos, como para o caso de construção de hidrelétricas e termoelétricas.

Algumas alternativas em atual estudo são a concepção de plantas de geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis com baixos impactos ambientais, dentre elas a geração eólica, ou seja, utilizar a energia dos ventos. Assunto a ser tratado neste trabalho acadêmico.

No primeiro momento será assumida a seqüência dos estudos sobre o protótipo do gerador eólico de baixo custo (COSTA, 2003), cientes de que o conjunto eletromagnético, já está finalizado. Caberá ao grupo, portanto, pesquisar outro assunto de grande relevância técnica à concepção final de um gerador eólico utilizável.

Buscar solução para duas questões importantes, que é de tornar sua energia utilizável, através de carregamento de baterias, e deixar a tensão e a freqüência fixas para alimentar cargas domésticas, pois como o protótipo se encontra, estes parâmetros oscilam. Solucionada estas questões, o gerador se tornará de uso prático, o que não ocorre isoladamante.

2 METODOLOGIA

O tipo da pesquisa desenvolvida neste trabalho foi empírica, utilizando ferramentas de análise de resultados de ensaios realizados em laboratório e em campo, e pesquisa teórica de tecnologias de circuitos e componentes eletrônicos, para o projeto do conversor.

A seguir é apresentada uma seqüência de atividades desenvolvidas no decorrer deste projeto, a qual pode-se relacionar como os procedimentos metodológicos utilizados.

Compreensão do projeto final da equipe que montou o protótipo 2 do gerador de baixo custo e estudo de material bibliográfico teórico, buscando informações de fabricantes de componentes elétrico-eletrônicos, para desenvolvimento de um projeto com boa confiabilidade, robustez e custos reduzidos.

Projeto do circuito eletrônico do conversor, estágios de retificação, controle de carga de bateria e inversão. Confecção da placa de circuito impresso, e aquisição de componentes no mercado varejista local de componentes eletrônicos, bem como a montagem.

Ensaios dos circuitos, utilizando aparelhos específicos e adequados para coletar dados e análise de formas de onda resultantes.

Estudo do local para realização dos testes de campo, em função de ventos, altitude, custos de montagem e transporte.

Coleta de dados do comportamento do conversor e comparação dos resultados com os esperados da fase de projeto.

2.1 PROJETO DO CONVERSOR

Conforme a figura 1, nota-se que existem três blocos principais do circuito a ser projetado, o retificador

(CA/CC), o controlador de carga da bateria e o inversor (CC/CA). A seguir cada bloco com suas funções será detalhado.

Figura 1 – Conversor eólico elétrico

2.1.1 Retificador

Como o gerador é monofásico e não possui terminador central no enrolamento de suas bobinas, então foi escolhido o retificador de onda completa em ponte, o mais adequado ao projeto por ser mais eficiente que o retificador meia onda.

Como o gerador tem capacidade máxima de 100 W, então este componente foi projetado para 10 A em 12 V corrente contínua. Foi necessário adicionar um filtro na saída do retificador para eliminar o ripple. Esse filtro é calculado a partir de uma freqüência fixa, como o gerador possui freqüência variável, então o mesmo foi superdimensionado.

2.1.2 Controlador de Carga da Bateria

Como, para o projeto foi utilizada uma bateria automotiva, pesquisou-se circuitos carregadores mais

simples. No alternador de um carro, o regulador permite a passagem de tensões de 14 a 28 volts (BOSCH, 2004), com a bateria sofrendo todo tipo de intempéries e ciclos de carga e descarga não regulares. Então, não é necessário se preocupar muito com o controle de tensão, apenas com a corrente máxima para a bateria.

2.1.3 Inversor

O inversor é a última etapa do conversor eólico elétrico. Nele a tensão contínua gerada pelos circuitos

anteriores se transformará em tensão alternada, de nível constante em 127 V e freqüência fixa em 60 Hz. Este circuito é composto de um oscilador, regulado para 60 Hz, que será utilizado para controlar chaves

semicondutoras de potência em nível de tensão baixo que será aplicado a um transformador para elevar a tensão.

2.2 MONTAGEM PARA TESTES

Ao submeter o conjunto montado do conversor e gerador a testes, optou-se por fazê-lo em duas etapas,

sendo a primeira em laboratório, ou seja, simulando, com auxílio de um motor de indução alimentado por um inversor de freqüência que possibilitou variar a rotação no eixo do gerador.

A segunda etapa, testes de campo, foi realizada na cidade de Florianópolis, em Santa Catarina, para verificar o comportamento do conjunto, onde se analisou a relação potência fornecida e rotação no eixo, em função da velocidade do vento.

Antes de fazer esta montagem, de forma a obter os melhores resultados possíveis, foram feitas melhorias na parte mecânica do gerador e novas regulagens do entreferro.

O conjunto foi montado com pás de madeira, numa altura de 6,50m em um suporte metálico com 4 estais de cabo de aço. Foram também utilizados um anemômetro e biruta a 4,40m do solo para registro do comportamento do vento. As medições e levantamentos de dados foram executados na tarde do dia 23 de fevereiro de 2004 das 12:00h às 17:00h.

3 RESULTADOS

Nos testes de laboratório foram feitas leituras de tensão variando a velocidade desde 200 rpm até 400

rpm no eixo do gerador. Com o aumento da rotação, as tensões máxima e eficaz, Vmáx e Vrms, respectivamente, e a freqüência de saída das bobinas medidas pelo osciloscópio também aumentaram. Os testes seguintes foram de carga da bateria, com o uso dos circuitos de retificação e carregador de bateria. Para o aumento da rotação pode-se ver que a potência entregue à bateria sob carga também aumentou.

Concluída a fase de simulação em laboratório do conjunto gerador e conversor, o sistema foi preparado para testes de campo visto que seu desempenho correspondeu ao previsto pelo grupo. Nestes testes, após vencida a inércia de partida, o rotor começou a girar com uma velocidade surpreendente, pois superou as expectativas do grupo, girando a velocidades superiores às simuladas em laboratório, e o gerador não parou mesmo com baixa incidência de vento, 3 m/s.

Analisando o gráfico da figura 2, dos testes de campo, se verifica que a partir de 12 m/s de velocidade do vento, aproximadamente, o sistema fornece toda a corrente para a carga alimentada pelo inversor e ainda sobra energia para carga da bateria, mostrando que este projeto obteve sucesso em situação real e pode ser utilizado para alimentar cargas domésticas, cumprindo o objetivo do projeto.

Figura 2 – Gráfico de potências

Teste de Campo / Carga Bateria + carga 50 W - Potência x Velocidade do vento

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Velocidade do vento (m/s)

Pot

ênci

a (W

)

Potência entrada Inversor Potência total entregue

4 CONCLUSÕES

Como resultado final do projeto do conversor elétrico para o gerador eólico de baixo custo, podemos afirmar que houve sucesso em todas as fases, desde a parte inicial de desenvolvimento dos circuitos até os resultados dos testes em campo.

Na verdade o conjunto superou as expectativas da equipe, foram feitos no laboratório testes com rotação no eixo de até 400 rpm e nos testes em campo houve momentos de até 660 rotações por minuto, embora a média tenha sido de aproximadamente 290 rotações por minuto.

Este bom desempenho é devido às melhorias mecânicas promovidas ao gerador pela equipe, como fixação das placas de aço-silício com parafusos, lavagem e lubrificação dos rolamentos e novo ajuste de entreferro.

Analisando os resultados, verificou-se que a partir de 12 m/s de velocidade do vento, aproximadamente, o sistema forneceu energia suficiente para uma carga de 50 W, alimentada pelo conversor, e ainda carregou a bateria, que armazena energia para momentos em que o vento não está presente.

Isto mostra que este projeto obteve sucesso em situação real e pode ser utilizado para alimentar cargas domésticas, cumprindo o proposto no objetivo geral deste trabalho acadêmico.

Após concluído este projeto, detectou-se alguns pontos interessantes para exploração em projetos futuros, tal como, desenvolvimento de um novo conversor com micro-controlador, podendo utilizar tecnologia PWM para melhorar a forma de onda da saída e aperfeiçoar o sistema de carga de bateria, possibilitando ao conjunto maior eficiência e melhor qualidade, como eliminação de harmônicos.

Quanto ao gerador, pode ser implementado um ganho de potência com a troca dos ímãs atuais por outros de maior campo magnético, como os de terras raras. Outra sugestão, que abrange a parte mecânica, é desenvolver uma carenagem que diminua o ruído e a resistência ao vento, e projetar pás que tenham maior aproveitamento.

Também pode ser desenvolvido outro protótipo de campo magnético radial, mais usual para máquinas girantes, possibilitando projetos de maior potência.

Em caráter de aplicação de conhecimentos usados, pode-se afirmar que foi muito proveitosa toda a fase deste projeto final de graduação, pois foi colocado em prática muito do que é ensinado durante as disciplinas do curso, e a capacidade de pesquisa e trabalho em grupo foram aperfeiçoados sensivelmente.

5 REFERÊNCIAS

AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência. São Paulo: Prentice Hall, 2000

AMARANTE, O. A. C et al. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. Brasília, 2001. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/abertura.htm> Acesso em abr. 2003.

ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br>. Acesso em abr. 2003.

BERTINI, Luiz. Sítio de circuitos eletrônicos práticos. Disponível em <http://www.luizbertini.net/circuitos>. Acesso em set. 2003.

BOSCH. Sítio comercial. Fabricante de peças automotivas. Disponível em <http://www.bosch.com.br/br/autopecas/produtos/eletrica>. Acesso em jan. 2004.

COPEL. Companhia Paranaense de Enegia Elétrica. Disponível em <http://www.copel.com>. Acesso em jul. 2003.

COSTA, Vanessa, Projeto Final CEFET-PR. Gerador Eólico de Baixo Custo, Orientador: Profº Ms. ALVES, Gilberto Manoel. Orientados: MILLEO, Edifrancis. SANTOS, Eduardo. RIVABEM, José, BAQUI Marcelle, fev. 2003.

ENERGIA ALTERNATIVA. Sítio comercial que apresenta a empresa e seus produtos. Disponível em: < http://www.energia-alternativa.com.br >. Acesso em fev. 2003.

G.M. Electronica S.A. Sítio de componentes eletrônicos. Disponível em: <http://www.gmelectronica.com.ar/catalogo>. Acesso em fev. 2004.

LANDER, Cyril W. Eletrônica Industrial: Teoria e Aplicações. São Paulo: McGraw-Hill, 1988.

MARTINI FILHO, Duílio. Carregador Automático de Baterias. Revista Saber Eletrônica, nº 195/89, São Paulo: Ed. Saber, 1989.

MINAMIZAWA, Ronaldo. Inversor Monofásico. Trabalho Acadêmico para a disciplina de Eletrônica de Potência, Curitiba: CEFET-PR, 2002.

MOHAN, Ned; Underland, T. M.; Robbins, W. P. Power Electronics: Converters, Applications and Design. Minnesota, 1995.

ROCHA, Joaquim Eloir. Eletrônica de Potência Curitiba: CEFET-PR, 2001. Apostila.

ROCHA, Joaquim Eloir. Sistema de Energia em Corrente Contínua, Curitiba: CEFET-PR, 2002. Apostila.

WEBER,Leo. Sistemas Ininterruptos de Fornecimento de Energia. Revista Saber Eletrônica, nº 240/93, São Paulo: Ed. Saber, 1993.

Wind Power Monthly, nº 12, News Magazine, vol 19, Dezembro 2003