desenvolvimento de um conversor para um gerador...

Vitor José Moreira da Costa

Desenvolvimento de umConversor para um Gerador Eólico

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Outubro de 2012

Tese de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores

Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita deFreitas

Vitor José Moreira da Costa

Desenvolvimento de umConversor para um Gerador Eólico

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

iii

Agradecimentos

A presente dissertação apresenta-se como o culminar de um ciclo na minha vida,

como tal, não posso deixar de agradecer a todos os que estiveram presentes e me

apoiaram durante esta caminhada, sem os quais não seria possível chegar aqui.

Pretendo agradecer ao professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita de

Freitas por ter aceitado ser meu orientador nesta dissertação e principalmente pela

disponibilidade e ajuda que ofereceu durante a realização da mesma.

Aos meus colegas e amigos de laboratório, Rui Barros, Avelino Ferreira, Luís

Pacheco, João Brás, Cláudio Gomes, Pedro Conceição, Anderson Baptista e Leandro

Cruz, agradeço todo o apoio, amizade e bom ambiente de trabalho que existiu.

Agradeço aos funcionários do Departamento de Eletrónica Industrial, Joel,

Carlos e Ângela por todo o apoio técnico e também pela simpatia e disponibilidade

sempre presentes.

A todos os meus amigos, em especial o Yazalde Manganhela, o Tiago Rocha e o

Romeu Rocha, fica a minha gratidão por todos os bons momentos passados e amizade

partilhada por muitos anos neste ciclo acadêmico.

Para o fim deixo o agradecimento àqueles que mais amor, carinho e

compreensão têm tido para com a minha pessoa, a minha família. À minha mãe Isabel

Rodrigues, que é o grande pilar da minha vida, ao meu pai Emircio Costa a quem

também devo muito do que sou, e a todos os meus seis irmãos sem exceção, Daniela,

Marisa, Fátima, Cláudia, Tiago e Andreia, que além de irmãos são os meus maiores

amigos, com quem sei que sempre posso contar. Também destaco os meus cunhados

Pedro Ferreira, Miguel Thomas e Anis Abdelaoui por todo o apoio e amizade que me

têm dado, e a toda a restante família que sempre demonstrou carinho e preocupação

comigo e com o meu percurso acadêmico, em especial à minha madrinha Laurinda

Moreira.

v

Resumo

Atualmente, a produção de energia proveniente de fontes renováveis tem

merecido grande aposta por parte de muitos países, uma vez que esta reduz a sua

dependência de combustíveis fósseis e permite a redução da emissão de gases de efeito

de estufa. A aposta na produção de energia eólica não é exceção e é das que mais têm

crescido nos últimos anos em Portugal. É nesta temática que se insere a presente

dissertação.

Os objetivos da presente dissertação consistem no estudo, simulação,

implementação e teste de um sistema capaz de converter a energia gerada por uma

turbina eólica para valores de amplitude e frequência da tensão idênticos aos que

existem na rede elétrica.

O sistema desenvolvido consiste na ligação de um conjunto motor e gerador, que

substitui o gerador eólico, a um conversor CA-CC (retificador) de forma a obter uma

tensão contínua. Ligado ao retificador está o circuito inversor, que tem a função de

converter a tensão contínua, que recebe do retificador, em tensão alternada. O controlo

do inversor é implementado por um microcontrolador e é do tipo PWM unipolar.

Por fim, apresentam-se os resultados obtidos tanto em simulação computacional,

como em testes experimentais após a implementação prática do sistema.

Palavras-Chave: Energia eólica; Geradores eólicos síncronos e de indução; Retificador

CA-CC; Inversor CC-CA; Controlo PWM Unipolar; Filtro LC;

vii

Abstract

Nowadays, the production of energy that comes from sustainable sources has

been gaining a lot of importance for many countries, because it reduces the dependence

of fossil resources, reducing the emission of greenhouse gases. The investment on the

production of the wind energy, is the one that has been growing the most in Portugal in

the last years. And it’s addressing this issue that this dissertation is all about.

The objectives of dissertation consists in the study, simulation, implementation

and a test of one system that will be capable of converting energy made by a wind

turbine to amplitude and frequency of the voltage identical to those that exist in the

power grid.

The developed system consists in connection of a set motor and generator which

replaces the wind generator with an AC-DC converter (rectifier) to obtain a DC voltage.

Connected to the rectifier is the inverter circuit, which has the function of converting the

DC voltage that received by the rectifier in alternated voltage. The inverter control is

implemented by a microcontroller and is unipolar PWM type.

Finally, it’s presented the results obtained by computer simulation and

experimental tests after the practical implementation of the system.

ix

Índice

Agradecimentos ................................................................................................ iii

Resumo ............................................................................................................. v

Abstract ........................................................................................................... vii

Índice ............................................................................................................... ix

Índice de Figuras ............................................................................................ xiii

Índice de Tabelas ........................................................................................... xvii

Lista de siglas e acrónimos ............................................................................. xix

Capítulo 1 .......................................................................................................... 1

Introdução ......................................................................................................... 1

1.1 Motivação e enquadramento ................................................................. 1

1.2 Objetivos da Dissertação ...................................................................... 2

1.3 Organização da Dissertação .................................................................. 2

Capítulo 2 .......................................................................................................... 5

Energia Eólica ................................................................................................... 5

2.1 Contextualização .................................................................................. 5

2.2 Características do vento ........................................................................ 8

Aproveitamento da energia do vento ........................................................ 10

2.3 Principais componentes de um sistema eólico ..................................... 11

2.3.1 Torre ............................................................................................ 12

2.3.2 Pás ................................................................................................ 13

2.3.3 Rotor ............................................................................................ 13

2.3.4 Eixos ............................................................................................ 14

2.3.5 Caixa de velocidades .................................................................... 14

2.3.6 Travão .......................................................................................... 14

2.3.7 Gerador ........................................................................................ 14

x

2.4 Tipos de turbinas ................................................................................ 15

2.4.1 Turbinas de eixo horizontal ........................................................... 15

2.4.2 Turbinas de eixo vertical ............................................................... 16

2.5 Métodos de controlo de potência ........................................................ 19

2.5.1 Controlo por perda aerodinâmica .................................................. 19

2.5.2 Controlo por variação do ângulo de ataque das pás ....................... 19

Capítulo 3 ........................................................................................................ 21

Tecnologia de Geração de Energia Eólica ........................................................ 21

3.1 Geradores Elétricos ............................................................................ 21

3.1.1 Geradores de indução ................................................................... 21

3.1.2 Geradores Síncronos ..................................................................... 26

3.2 Eletrónica de Interface ........................................................................ 31

3.2.1 Conversor CA-CC ........................................................................ 32

3.2.2 Conversor CC-CC ........................................................................ 34

3.2.3 Conversores CC-CA ..................................................................... 41

3.3 Tipos de controlo de inversores .......................................................... 54

3.4 Filtro LC ............................................................................................ 59

3.5 Topologia desenvolvida...................................................................... 61

Capítulo 4 ........................................................................................................ 63

Simulações Computacionais ............................................................................ 63

4.1 Ferramentas de simulação computacional ........................................... 63

PSIM ....................................................................................................... 63

4.2 Simulação de todo o sistema ............................................................... 65

4.3 Simulação do sistema de geração eólica ............................................. 66

4.4 Simulação do Retificador ................................................................... 67

4.5 Simulação do Inversor com controlo PWM unipolar........................... 69

4.6 Simulação do Inversor com Filtro LC ................................................. 72

xi

4.7 Simulação completa do sistema .......................................................... 74

Capítulo 5 ........................................................................................................ 77

Implementação e Resultados Experimentais..................................................... 77

5.1 Sistema de geração de energia ............................................................ 77

5.2 Circuito do retificador ........................................................................ 79

5.3 Circuito de comando .......................................................................... 81

5.3.1 Microcontrolador .......................................................................... 81

5.3.2 Circuito de drive ........................................................................... 84

5.4 Circuito do Inversor ........................................................................... 87

5.5 Sistema Completo .............................................................................. 89

Capitulo 6 ........................................................................................................ 91

Conclusões e Trabalho Futuro ......................................................................... 91

6.1 Conclusões ......................................................................................... 91

6.2 Propostas de Trabalho Futuro ............................................................. 92

Referências ...................................................................................................... 95

xiii

Índice de Figuras

Figura 2-1 - Evolução da potência instalada de energia eólica na Europa, no Mundo

(MW) [4]…………………………………………………………………………………6

Figura 2-2 - Evolução da potência instalada de energia eólica na EU na última década

(MW) [4]…………………………………………………………………………………6

Figura 2-3 - Percentagem de consumo de energia eólica por país da EU [5]……………7

Figura 2-4 – Evolução da energia produzida a partir de fontes renováveis (TWh) [3]….7

Figura 2-5 - Evolução da potência instalada de energia eólica em Portugal [3]………...8

Figura 2-6 - Ventos Globais [7]………………………………………………………….9

Figura 2-7 - Ventos locais, em zona costeira [8]………………………………………...9

Figura 2-8- Energia do vento antes e depois de passar pela turbina…………………...10

Figura 2-9 - Principais elementos de um gerador eólico……………………………….12

Figura 2-10 - Torre tubular de aço, torre tubular de betão e torre de estrutura [10]..…..13

Figura 2-11 - Turbina de eixo horizontal [11]………………………………………….15

Figura 2-12 - Turbina de eixo vertical [12].………………………………………….16

Figura 2-13 - Turbina Savonius [14]…………………………………………….……..17

Figura 2-14 - Turbina Darrieus [15]…………………………………………………...18

Figura 2-15 - Turbina Giromill [16]……………………………………………………18

Figura 3-1 - Rotor e estator de um SCIG……………………………………………….22

Figura 3-2 - Sistema de geração eólica com um SCIG….……………………………...23

Figura 3-3 - SCIG ligado indiretamente à rede elétrica [15]…………………………...23

Figura 3-4 - Rotor de um gerador de indução com rotor bobinado…………………….24

Figura 3-5 - Sistema de ligação de um WRIG à rede elétrica…………..…..………….25

Figura 3-6 - Ligação de um DFIG à rede elétrica………………………………………26

Figura 3-7 - Estator de um gerador síncrono [20]……………………………………...27

Figura 3-8 - Rotor de um WRSG a) Vista frontal b) Vista lateral………….………….28

Figura 3-9 - Ligação de um WRSG à rede elétrica…………….………………………29

Figura 3-10 - Rotor e estator de um PMSG…………………………………………….30

Figura 3-11 - Topologia de interface de um PMSG com a rede elétrica……….….…...31

Figura 3-12 - Retificador trifásico não controlado de onda completa [23]…..………...33

Figura 3-13 - Ondas das tensões do retificador [23]……………………………….…..33

Figura 3-14 - Conversores CC-CC: Step-up, Step-down e Step-up/Step-down………..35

xiv

Figura 3-15 - Conversor Step-up……………………………………………………….36

Figura 3-16 - Formas de onda da tensão e corrente na bobine em modo de condução

continua [25]……………………………………………………………………………37

Figura 3-17 - Formas de onda de tensão e corrente na bobine em condução descontinua

[25]……………………………………………………………………………………...39

Figura 3-18 - Ripple da tensão de saída [25]………………………………….………..40

Figura 3-19 - Inversor CSI trifásico para acionamento de um motor [26]……………..42

Figura 3-20 - Inversor monofásico de onda completa…………………….……………43

Figura 3-21 - Inversor monofásico de onda completa………………………………….44

Figura 3-22 - Inversores VSI trifásicos: a) meia onda; b) onda completa…….………..45

Figura 3-23 - Inversor push-pull……………………………….……………………….46

Figura 3-24 - Inversor Flyback [29]……………………………………………………47

Figura 3-25 - Inversor em Z trifásico [31]……………………………………………...49

Figura 3-26 - Primeiro estado de operação [31]……………………………….……….49

Figura 3-27 - Segundo estado de operação do inversor z……………………….……...50

Figura 3-28 - Esquema de inversor trifásico de 3 níveis (NPC)……………….……….52

Figura 3-29 - Inversor VSI multinível [33]…………………………………….………53

Figura 3-30 - Esquema de um inversor VSI de pontes monofásicas…………………...54

Figura 3-31 - Funcionamento do controlo PWM……………………….……………...55

Figura 3-32 - Moduladoras e portadora do controlo PWM unipolar……….…………..57

Figura 3-33 - Tensão de controlo no a) braço A e b) braço B………………………….57

Figura 3-34 - Tensões de saída do inversor com controlo unipolar……………………58

Figura 3-35 - Tensão de saída do inversor com controlo bipolar………………………59

Figura 3-36 - Filtro LC…………………………………………………………………60

Figura 3-37 - Ganho de um filtro LC [26]………………………….…………………..61

Figura 3-38 - Diagrama de blocos do projeto a desenvolver…………………………...62

Figura 4-1 - Ambiente de simulação em PSIM………………………………………...64

Figura 4-2 - Exemplo de resultados de uma simulação………………….……………..64

Figura 4-3 - Sistema simulado………………………………………………………….65

Figura 4-4 - Simulação do gerador eólico……………………………………………...66

Figura 4-5 - Tensões Compostas Vab, Vbc e Vca à saída do gerador………….……...66

Figura 4-6 - Circuito do retificador ligado ao módulo do gerador eólico………….…..67

Figura 4-7 - Formas de onda de tensão e corrente na carga à saída do retificador……..67

Figura 4-8 - Riplle na tensão de saída, sem condensador………………………………68

xv

Figura 4-9 - Ripple da tensão na carga…………………………………………………68

Figura 4-10 - Sistema implementado com inversor controlado por PWM unipolar..….69

Figura 4-11 - Formas de onda utilizadas para o controlo unipolar.…….…………… 69

Figura 4-12 - Formas de onda dos sinais comparados…………………..……………...70

Figura 4-13 - Tensão e Corrente à saída do inversor………………………..………….71

Figura 4-14 - Vista mais pormenorizada da tensão de saída…………………….……..72

Figura 4-15 - Sistema simulado com filtro LC à saída do inversor………………… 72

Figura 4-16 - Tensão e Corrente à saída do inversor com filtro LC……………………73

Figura 4-17 - Tensão e corrente na carga com o sistema completo simulado………….74

Figura 4-18 - Tensão aos terminais dos semicondutores……………………………….75

Figura 4-19 - Corrente na drain dos semicondutores no braço A……………………75

Figura 5-1 - Sistema de geração de energia e aparelhos auxiliares…….……..………..78

Figura 5-2 - Tacómetro utilizado para medição de velocidade………………………...78

Figura 5-3 - Tensão numa das fases do gerador síncrono a operar em vazio….….……79

Figura 5-4 - Esquema do circuito retificador implementado……………………...……80

Figura 5-5 - Circuito retificador implementado…………………………………..……80

Figura 5-6 - Tensão à saída do retificador……………………………………………...81

Figura 5-7 - PIC18F4431……………………………………………………………….81

Figura 5-8 - Diagrama de pinos do PIC18F4431 [36]………………………………….82

Figura 5-9 - Esquema de ligação do microcontrolador………………………………...83

Figura 5-10 - Programador MPLAB ICD2 In Circuit Debugger…….………………...84

Figura 5-11 - Formas de onda dos sinais de controlo gerados pelo microcontrolador…84

Figura 5-12 - Acoplador ótico VO3120 e o seu esquema interno[38]…………………85

Figura 5-13 - Esquema de ligação do acoplador ótico………………….……………...85

Figura 5-14 - Circuito de controlo implementado…………………………………….86

Figura 5-15 - Sinais de controlo a enviar para os mosfets……………………………...86

Figura 5-16 - Esquema de ligação do circuito inversor………………………………...87

Figura 5-17 - Circuito inversor com filtro LC, ligado ao circuito de controlo……........88

Figura 5-18 - Forma de onda da tensão à saída do inversor…….………………….…..88

Figura 5-19 - Forma de onda da tensão á saída do inversor com filtro LC…………….89

Figura 5-20 - Sistema implementado…………………………………………………...89

Figura 5-21 - Tensão à saída do retificador com todo o sistema ligado………………..90

Figura 5-22 - Tensão na carga com todo o sistema ligado……………………………..90

xvii

Índice de Tabelas

Tabela 3-1 - Díodos em condução por cada tensão composta………………….………34

Tabela 3-2 - Estados de comutação do inversor de meia onda………………………....43

Tabela 3-3 - Estados de comutação do inversor monofásico de onda completa….……45

Tabela 3-4 - Estados de comutação do inversor trifásico onda completa……………...46

Tabela 3-5 - Estados de comutação do inversor push-pull……………………………..47

Tabela 3-6 - Estados de operação do inversor flyback…………………………………48

Tabela 3-7 - Estados de comutação no braço a do inversor de 3 níveis………………..52

Tabela 3-8 - Estados de comutação e níveis de tensão na saída………………………..58

xix

Lista de siglas e acrónimos

C Capacidade

f Frequência

i Corrente

I Corrente eficaz

Corrente de pico

L Indutância

R Resistência

P Potência Ativa

v Tensão

V Tensão eficaz

Tensão de pico

0 Frequência angular de

corte

Coeficiente de

amortecimento

CSI Current Source Inverter

(Inversor Fonte de

Corrente)

DFIG Doubly-Fed Induction

Generator (Gerador de

Indução Duplamente

Alimentado)

EU European Union (União

Europeia)

IGBT Insulated Gate Bipolar

Transistor (Transístor

Bipolar de Porta Isolada)

PMSG Permanent Magnet

Synchronous generator

(Gerador Síncrono de

Ímanes Permanentes)

PWM Pulse Width Modulation

(Modulação por Largura

de Pulso)

SCIG Squirrel Cage Induction


Indução com Rotor em

Gaiola de Esquilo)

VSI Voltage Source Inverter

(Inversor Fonte de

Tensão)

WRIG Wound Rotor Induction


Indução de Rotor

Bobinado)

WRSG Wound Rotor

Synchronous Generator

(Gerador Síncrono de

Rotor Bobinado)

Desenvolvimento de um conversor para um gerador eólico

Universidade do Minho 1

Capítulo 1

Introdução

1.1 Motivação e enquadramento

Desde os tempos mais remotos que a humanidade sente necessidade de

aproveitar as várias fontes de energia existentes na natureza para produzir energia para

seu próprio consumo. Sempre que o Homem conseguiu desenvolver novas formas de

aproveitamento de energia proporcionou o desenvolvimento em geral da sua

comunidade. Chegados aos dias de hoje, constata-se que a questão energética é algo

vital para toda a humanidade e determinante para o desenvolvimento de cada país.

Existem diversas formas de produzir energia, no entanto podem-se dividir as

fontes em dois grupos:

Fontes de energia renovável - como o próprio nome indica são recursos

que se renovam e como tal não se prevê que um dia se esgotem. São

exemplo disso a água, o vento e o Sol.

Fontes de energia não renovável – são recursos que têm uma duração

limitada, dependendo muitas vezes da quantidade consumida pela

humanidade, ou seja, em que a taxa de reposição é menor que a taxa de

consumo. Como exemplos citam-se os combustíveis fósseis petróleo,

carvão e gás natural e os recursos nucleares.

Várias estimativas apontam para que nas próximas décadas a quantidade de

combustíveis fósseis no Mundo comece a diminuir, ao ponto de um possível

esgotamento. Dessa forma, torna-se urgente encontrar alternativas para produzir energia

[1] [2]. A produção de energia elétrica a partir de combustíveis fósseis origina também

graves problemas ambientais, devido à emissão de gases de efeito de estufa.

A aposta em energias renováveis, do ponto de vista económico, torna-se assim

uma boa oportunidade de reduzir a dependência energética de um país que não possua

no seu território reservas de combustíveis fósseis suficientes para produzir toda a

energia que consome, como é o caso de Portugal.



1.2 Objetivos da Dissertação

Para a realização da presente dissertação definiram-se previamente alguns

objetivos, que vão ao encontro do tema escolhido “Desenvolvimento de um conversor

eletrónico para um gerador eólico”.

O primeiro objetivo definido consiste numa análise prévia de toda esta temática

de forma a realizar todo o trabalho de pesquisa e estudo das várias componentes que o

incluem, como a energia eólica, os diversos tipos de geradores e os conversores

eletrónicos que possam ser utilizados para a realização da dissertação.

Do mesmo modo, outro objetivo apontado prende-se com a simulação

computacional e desenvolvimento do sistema pretendido. A simulação computacional é

bastante relevante para o sucesso do projeto e pode-se considerar o objetivo intermédio,

uma vez que faz uma ponte de ligação entre a análise teórica que é feita inicialmente e a

realização prática do projeto.

Por fim, como último objetivo estabeleceu-se a implementação prática do

sistema e todos os exercícios práticos de teste ao sistema de forma a verificar se este vai

de encontro àquilo que é proposto.

1.3 Organização da Dissertação

Esta dissertação encontra-se dividida em 6 capítulos. Cada capítulo descreve

uma etapa diferente da realização do trabalho. Desta forma, a dissertação encontra-se

organizada da seguinte forma:

No capítulo introdutório é feita uma abordagem ao tema, essencialmente da

energia eólica e estabelecem-se os principais objetivos pretendidos para a realização da

dissertação.

O segundo capítulo consiste numa análise e esclarecimento de vários aspetos

relacionados com a energia eólica, que incluem estatísticas e fundamentos teóricos da

tecnologia associada a esta energia.

No terceiro capítulo pretende-se analisar e descrever com mais detalhe alguns

componentes necessários para desenvolvimento de um conversor eletrónico para um

gerador eólico. A informação apresentada neste capítulo foca-se nos aspetos técnicos e

na descrição da tecnologia necessária para a implementação do projeto. Assim,



apresentam-se os vários tipos de geradores elétricos usados em aerogeradores, os

diversos tipos de conversores que podem ser usados em topologias de interface entre um

gerador e a rede elétrica e ainda métodos de controlo desses conversores.

O capítulo quatro consiste na apresentação de sistemas simulados no

computador, assim como dos resultados obtidos nessas simulações.

No quinto capítulo apresentam-se as montagens práticas dos módulos

pretendidos para o desenvolvimento do sistema e os resultados obtidos nos testes feitos

ao sistema.

No sexto, e último, capítulo realiza-se uma análise e apreciação do trabalho

realizado à luz dos objetivos traçados. Após um diagnóstico, apresentam-se sugestões

de possíveis melhorias em trabalhos futuros.



Capítulo 2

Energia Eólica

2.1 Contextualização

A energia eólica consiste no aproveitamento da energia cinética dos ventos para

gerar energia elétrica. Este método de geração de energia já é utilizado pela humanidade

há centenas de anos, em moinhos de vento e também nos barcos à vela.

Com o tempo constatou-se que este tipo de energia poderia também ser utilizado

para a geração de energia elétrica, uma vez que um dos métodos mais utilizados para

obter energia elétrica consiste em aproveitar a energia cinética para gerar energia

mecânica que através de geradores é transformada em energia elétrica.

O aproveitamento da energia dos ventos para geração de energia elétrica já

existe há mais de um século, no entanto só a partir da década de 70 do século XX,

devido à crise provocada pela escassez de petróleo, é que este tipo de geração de energia

passou a justificar uma maior aposta, e consequentemente proporcionou o

desenvolvimento da tecnologia dos geradores eólicos.

Atualmente, os países da União Europeia no seu todo são os responsáveis pela

maioria da produção de energia eólica em todo o Mundo. Na figura 2.1 pode-se verificar

a evolução da potência instalada na Europa e no resto do Mundo, assim como a

comparação percentual da Europa em relação ao resto do Mundo até ao ano de 2003.

Pode-se constatar que nesse ano a União Europeia possuía mais de 70% da potência

instalada em todo o Mundo [4].



Figura 2-1 - Evolução da potência instalada de energia eólica na Europa, no Mundo (MW) [4]

Dados mais atuais indicam que em 2010 a potência instalada de energia eólica

na União Europeia foi de mais de 75 000 MW, facto que revela o grande investimento

que tem sido feito pelos governos destes países, assim como a importância que este tipo

de energia adquiriu.

Figura 2-2 - Evolução da potência instalada de energia eólica na EU na última década (MW) [4]

Os países da EU com mais potência instalada de energia eólica são a Alemanha

(27 214 MW) e a Espanha (20 676 MW), o que em conjunto corresponde a mais de

metade da energia eólica instalada. Portugal é o sexto país com mais potência instalada,



3 898 MW que corresponde a 5% do total. Por outro lado, Dinamarca e Portugal são os

países que mais sentem o impacto deste tipo de energia, uma vez que a percentagem de

energia consumida proveniente da energia eólica é maior, ver figura 2-3 [5].

Figura 2-3 - Percentagem de consumo de energia eólica por país da EU [5]

Em Portugal tem-se registado um crescimento significativo de produção de

energia elétrica a partir de fontes renováveis durante a última década, sendo que

atualmente mais de 50% da energia total produzida no país provém deste tipo de fontes

[3]. Na figura 2-4 pode-se verificar a evolução da produção de energia através dos

diferentes tipos de fontes, ao longo dos últimos anos.

Pode-se verificar também pela figura 2-4 que a energia eólica teve um impacto

muito grande nesse crescimento, o que revela a importância que este método de geração

de energia tem tido.

Figura 2-4 - Evolução da energia produzida a partir de fontes renováveis (TWh) [3]



A aposta na energia eólica em Portugal é recente. O primeiro parque eólico no

país foi construído em 1985 na Ilha de Porto Santo, no entanto foi no fim da década de

90 que se deu um forte crescimento da potência instalada em Portugal. Na figura 2-5,

pode-se verificar como a potência instalada de energia eólica cresceu a um grande ritmo

em Portugal na última década. Esse crescimento pode ser explicado pelos

compromissos que foram estabelecidos com os outros estados membros da EU,

nomeadamente através da directiva 2001/77/EC que estabelecia uma meta de 22% de

energia consumida a partir de fontes renováveis nos países da EU [6].

Figura 2-5 - Evolução da potência instalada de energia eólica em Portugal [3]

As regiões de Portugal com melhores características para implementação de

parques eólicos são as situadas na costa litoral e nas regiões mais montanhosas, no

entanto como grande parte da zona litoral do país tem maior densidade populacional

constata-se que os distritos com mais capacidade eólica instalada são Viseu, Coimbra,

Vila Real, Viana do Castelo e Castelo Branco, portanto regiões não muito distantes do

litoral e com mais montanhas.

2.2 Características do vento

O vento significa ar em movimento, de zonas de altas pressões para zonas de

baixas pressões. Consoante a diferença de pressão entre essas zonas e a posição das

mesmas, assim se define a sua velocidade e direção.

Na Terra, as diferenças de pressão no ar que originam os ventos são causadas

pelo aquecimento não uniforme da superfície terrestre. Assim, em zonas onde a radiação

solar é maior o ar aquece e sobe deslocando-se na direção das zonas mais frias onde o ar

tem tendência a tornar-se mais pesado e assim baixar. Este deslocamento de ar (vento)

verifica-se tanto a uma escala global como local, isto é, ventos globais e ventos locais.



Os ventos globais são aqueles em que o deslocamento da atmosfera acontece em

grande escala das zonas mais quentes do planeta para as zonas mais frias, tomando

assim a direção do equador para os polos.

Figura 2-6 - Ventos Globais [7]

Os ventos locais são formados por diferenças de aquecimentos em zonas mais

próximas, como por exemplo as diferenças de aquecimento do mar para a terra dão

origem a ventos locais, mas também outros fatores como vales, montanhas ou locais

com obstáculos como edifícios ou árvores vão determinar a formação e as

características de ventos locais [8].

Figura 2-7 - Ventos locais, em zona costeira [8]

Para escolher uma área para instalação de um sistema de geração de energia

eólica é necessário fazer um estudo que deve conter dados e variáveis relativas a pelo

menos um ano de análise, de forma a avaliar a regularidade da velocidade e da direção



dos ventos, uma vez que estes fatores têm valores diferentes consoante a estação do ano

que se atravessa.

Aproveitamento da energia do vento

Para aproveitar a energia do vento para geração de energia elétrica é necessário

estudar e determinar alguns parâmetros e variáveis que permitam o cálculo da energia

fornecida pelo vento e da potência por esta gerada.

A energia cinética do vento, que depende da massa de ar ( ) e da velocidade

(V), é determinada através da equação 2.1:

Para a obtenção da potência gerada pela energia do vento, é necessário

determinar previamente a densidade do ar (ρ), dada pela razão da massa pelo volume; a

área do círculo que as pás percorrem (A), , em que corresponde ao comprimento

das pás; e a velocidade do vento ( ). Assim, a equação que permite o cálculo da

potência gerada pelo vento é:

A turbina eólica não é capaz de aproveitar toda a potência produzida pelo vento,

uma vez que há uma percentagem de vento que passa pela turbina sem atingir as suas

pás, tal como mostra a figura 2-8 [9].

Figura 2-8 – Energia do vento antes e depois de passar pela turbina



Assim, existe um coeficiente de potência (Cp) que estabelece uma relação entre

a potência consumida pela turbina e a potência transformada pelo vento:

Desta forma, conclui-se que a potência da turbina é da dada pela equação 2.4:

Segundo o físico alemão Albert Betz, o valor máximo que o coeficiente de

potência pode ter é de 16/27, o que significa que a percentagem máxima de potência do

vento aproveitada pela turbina eólica é de 59,3%. Esta proposição é conhecida como

Limite de Betz.

2.3 Principais componentes de um sistema eólico

A energia eólica é hoje em dia vista como uma das mais importantes e

promissoras tecnologias para a produção de energia a partir de fontes renováveis. O seu

aproveitamento é feito recorrendo a aerogeradores, que têm como função transformar a

energia dos ventos em energia elétrica. Estes, por sua vez, podem ser implementados em

terra ou no mar e estar agrupados em parques eólicos ou funcionar de forma isolada.

O funcionamento do gerador eólico é resumidamente o seguinte: o vento ao

passar pelas pás das turbinas provoca movimento das mesmas, fazendo rodar o eixo do

rotor. Posto isto, o gerador transforma essa energia mecânica de rotação em energia

elétrica. Dependendo da utilização e do tipo de turbina eólica, pode haver passos

intermédios específicos.

Os aerogeradores podem variar na sua estrutura em vários aspetos: altura,

comprimento das pás, potência do gerador, sistema de controlo e número de pás, mas

têm alguns componentes em comum como as pás, travão, torre, gerador, caixa de

velocidades, eixos e cubo do rotor, que podem ser identificados na figura 2-9.



Figura 2-9 - Principais elementos de um gerador eólico

2.3.1 Torre

As torres servem de suporte ao gerador para que esta esteja à altura pretendida,

de forma a aproveitar os ventos mais intensos e menos turbulentos que se sentem a uma

maior distância do solo. Estas devem ser projetadas para suportar o esforço provocado

pela força do vento nas pás.

Existem três tipos de torres: torres tubulares de aço, torres de betão e torres de

estrutura (ver figura 2-10). As mais usuais atualmente são as tubulares de aço, pois

permitem a manutenção quando as condições meteorológicas são más, uma vez que

possuem escadas no seu interior que permitem o acesso à parte superior do aerogerador,

e são mais resistentes. As torres de betão têm uma forma semelhante às de aço, no

entanto são normalmente mais pesadas e mais caras. As torres de estrutura ou em treliça

são mais antigas e começam a ser cada vez menos usadas pelo facto de terem difícil

acesso à nacelle (parte dos aerogeradores situada no topo da torre onde se situam os

restantes elementos), no entanto têm a vantagem de usar menos material e deixar passar

o ar por si, oferecendo-lhe menos resistência.



Figura 2-10 - Torre tubular de aço, torre tubular de betão e torre de estrutura [10]

2.3.2 Pás

As pás podem ser feitas de diversos tipos de materiais como madeiras, metais e

compostos sintéticos. Independentemente das suas características, têm de garantir acima

de tudo a resistência das pás e uma boa aerodinâmica para que estas tenham o máximo

desempenho. O material mais usado nos dias de hoje é um plástico composto por fibras

de vidro, uma vez que é um tipo de material mais barato, com boa resistência mecânica

e leve. As pás podem ter ângulos fixos ou variar consoante a intensidade do vento.

2.3.3 Rotor

O rotor é o componente responsável pela conversão da energia cinética dos

ventos em energia mecânica. É constituído pelas pás e pelo cubo do rotor e fica

diretamente ligado ao eixo de rotação. Quanto maior o diâmetro do rotor, maior é a

potência instalada no aerogerador.



2.3.4 Eixos

Os eixos têm como função fazer chegar a energia mecânica de rotação ao

gerador, para que este a transforme em energia elétrica. Normalmente, existem dois

eixos separados pela caixa de velocidades, o que está a montante é o eixo primário e

tem uma velocidade inferior ao eixo secundário.

2.3.5 Caixa de velocidades

A caixa de velocidades permite elevar a velocidade de rotação gerada pelo rotor

para uma velocidade superior que satisfaça os valores exigidos pelo gerador.

2.3.6 Travão

Num sistema eólico é necessário que existam sistemas de travagem de forma a

evitar que a turbina ultrapasse a velocidade máxima de funcionamento e em caso de

avarias mecânicas ou elétricas seja possível parar.

Existem dois tipos de travões usados em aerogeradores, o travão mecânico e a

travagem dinâmica. O travão mecânico é apenas aplicado quando se pretende manter a

turbina parada ou em casos em que seja muito urgente que a turbina pare de funcionar.

A travagem dinâmica consiste na utilização de uma resistência externa ligada ao

gerador. A resistência externa faz diminuir a corrente da armadura do gerador e por

conseguinte a sua velocidade também diminui, assim como a velocidade do rotor e de

toda a turbina.

2.3.7 Gerador

O gerador é o componente responsável pela transformação da energia mecânica

em energia elétrica. Para um gerador ser integrado num sistema de conversão eólica é

necessário ter em consideração alguns aspetos como a variação da velocidade do vento,

a variação do binário de entrada, a necessidade que alguns tipos de geradores têm de

produzir energia elétrica com tensão e frequência constantes, entre outros.



Na energia eólica, os geradores utilizados podem ser de três tipos: geradores

síncronos de ímanes permanentes, geradores síncronos de rotor bobinado e geradores

assíncronos. No capítulo 3 é feita uma descrição das características destes geradores.

2.4 Tipos de turbinas

As turbinas eólicas podem ser divididas em vários tipos, sendo o critério mais

usual de classificação das turbinas eólicas aquele que as classifica consoante a

orientação do eixo, que podem ser turbinas de eixo horizontal, HAWT (Horizontal Axis

Wind Turbine), ou turbinas de eixo vertical, VAWT (Vertical Axis Wind Turbine).

2.4.1 Turbinas de eixo horizontal

Neste tipo de turbinas o eixo é horizontal, portanto é paralelo à superfície

terrestre, o gerador elétrico e o rotor situam-se no topo da torre na parte oposta das pás,

que devem estar projetadas de forma a estarem alinhadas com a direção do vento. Para

que isso aconteça, é necessária a existência de mecanismos de controlo da direção da

turbina.

Figura 2-11 - Turbina de eixo horizontal [11]

Este tipo de turbinas é o mais usado atualmente para geração de energia elétrica,

principalmente para produção em larga escala, como por exemplo em parques eólicos,

pois o facto de possuir o eixo localizado vários metros acima do solo tem a vantagem de



aproveitar muito mais o vento que se faz sentir com maior intensidade do que junto ao

solo, como acontece no caso das turbinas de eixo vertical.

Dentro deste tipo de turbinas pode-se ainda verificar diferenças quanto ao

número de pás, sendo o mais usual as turbinas com 3 pás.

2.4.2 Turbinas de eixo vertical

Como o próprio nome indica, estas turbinas têm o eixo perpendicular em relação

ao solo, ficando as suas pás também dispostas na mesma direção, paralelas ao eixo.

Este tipo de turbinas apresenta como principal vantagem o facto de não

necessitar de mecanismos de orientação das pás, uma vez que a sua posição

perpendicular em relação ao vento e o sentido de rotação em torno do eixo faz com que

estas estejam sempre numa posição favorável para serem arrastadas pelo vento. Por

outro lado, grande parte das turbinas deste tipo ficam muito próximas do solo, o que tem

vantagens e desvantagens, uma vez que faz com que seja mais fácil e menos

dispendiosa a sua instalação, mas têm uma velocidade baixa, pois a velocidade do vento

junto ao solo é bastante menor. Outra desvantagem de algumas turbinas deste tipo

prende-se com o facto de em caso de avarias no rolamento principal, implicarem que

toda a turbina tenha de ser desmontada [12].

Atualmente, este tipo de turbina é mais utilizado em sistemas de microgeração.

Figura 2-12 - Turbina de eixo vertical [12]



Existem vários tipos de designs deste tipo de turbinas, podendo estas ser

divididas em 3 tipos:

Savonius;

Darrieus;

Giromill.

2.4.2.1 Turbina Savonius

As pás deste tipo de turbina diferem muito das mais usuais, pois estão

diretamente ligadas ao eixo central e têm uma superfície com uma concavidade para

captar o ar.

Enquanto a maioria das turbinas consegue ter um coeficiente de potência

máximo entre 30% a 45%, este tipo de turbinas não ultrapassa os 25%, tendo portanto

um baixo rendimento. No entanto, podem ter mais que um andar de pás, tendo assim um

maior rendimento [13].

Figura 2-13 - Turbina Savonius[14]

2.4.2.2 Turbina Darrieus

As pás deste tipo de turbina ficam na vertical e ligadas aos extremos do eixo,

ficando com uma forma circular, ver figura 2-14. O apoio das turbinas situa-se junto ao

solo, o que permite uma maior facilidade de manutenção e de instalação e dispensa um

sistema de orientação.

Este tipo de turbinas têm um baixo rendimento e não permite um controlo da

potência.



Figura 2-14 - Turbina Darrieus [15]

2.4.2.3 Turbina Giromill

Um estilo mais desenvolvido das turbinas Darrieus consiste em ter apenas as pás

retas na vertical, fixas ao eixo por um suporte na horizontal, tal como mostra a figura

2-15. A este tipo de turbinas também se dá o nome de Giromill.

Estas turbinas podem ser colocadas a uma altura maior, permitindo assim maior

rendimento e maior eficiência, uma vez que também possibilitam controlar a potência.

Figura 2-15 - Turbina Giromill [16]



2.5 Métodos de controlo de potência

As turbinas eólicas são concebidas para produzir energia eólica da forma mais

barata e eficaz possível. Como tal, estas são projetadas de forma a maximizar a potência

à saída do gerador, uma vez que nem sempre é possível que os ventos tenham grandes

velocidades. Por outro lado, quando os ventos são muito fortes, é necessário reduzir a

velocidade para não danificar o gerador. Tendo em conta estas condicionantes, as

turbinas eólicas são atualmente projetadas com algum tipo de controlo de potência, que

pode ser de dois tipos: por perda aerodinâmica, stall, e pela variação do ângulo de

ataque das pás, pitch.

2.5.1 Controlo por perda aerodinâmica

Nas turbinas com este método de controlo, também designado controlo stall, a

aerodinâmica das pás é mais simples de projetar, uma vez que o ângulo entre as pás e o

vento é fixo para qualquer velocidade do vento. No entanto, com o aumento da

velocidade do vento o ângulo de incidência das pás aumenta, fazendo com que estas

desaproveitem uma parte de energia em excesso que vem do vento.

O controlo stall pode ser ativo ou passivo, no caso de ser ativo tem a vantagem

de o controlo ser mais preciso do que o passivo, evitando que ultrapasse a potência

nominal do gerador no início de uma rajada de vento. Outra vantagem é que

independentemente da velocidade do vento este opera sempre próximo da potência

nominal, enquanto numa turbina com controlo stall passivo geralmente tem uma

diminuição da produção de energia elétrica a velocidades do vento mais altas [17].

2.5.2 Controlo por variação do ângulo de ataque das pás

Numa turbina com controlo por variação do ângulo de ataque das pás, também

designado controlo pitch, a potência de saída é controlada várias vezes por segundo,

quando essa potência for alta o mecanismo de controlo faz com que as pás girem de

forma a diminuir a velocidade do rotor. Assim como quando o vento tiver velocidades

mais baixas as turbinas giram no sentido inverso, de forma a aumentar a velocidade e

consequentemente a potência gerada. Portanto, uma turbina que possua este tipo de



controlo tem que permitir que as pás sejam capazes de girar sobre o seu próprio eixo.

Dessa forma, é possível ter um ângulo ideal entre as pás e a direção do vento que se

adeque às várias velocidades que o vento possa atingir.

Este tipo de controlo exige uma engenharia mais complexa e como tal é mais

caro, no entanto é o mais usado devido à sua eficiência [17].



Capítulo 3

Tecnologia de Geração de Energia Eólica

3.1 Geradores Elétricos

Os geradores elétricos são os responsáveis pela conversão da energia mecânica de

rotação em energia elétrica. Esta conversão baseia-se nas leis de Faraday de indução

eletromagnética, em que perante o movimento de um corpo condutor no seio de um

campo magnético constante, ou caso o corpo esteja fixo mas o campo magnético seja

variável, é provocada uma força eletromotriz, gerando assim energia elétrica. Os

geradores utilizados para geração de energia eólica são de corrente alternada, estes podem

dividir-se em geradores de indução, ou assíncronos, e geradores síncronos.

3.1.1 Geradores de indução

Este tipo de geradores caracteriza-se por serem robustos, de fácil manutenção e

possibilitarem um longo tempo de duração. Uma razão para isso é o facto de não terem

escovas e coletor, que são peças de maior desgaste.

Este tipo de máquinas tem a desvantagem de consumir potência reativa, sendo

necessária a utilização de bancos de condensadores que proporcionem a compensação do

fator de potência.

Estes geradores dividem-se em dois tipos:

- Geradores de indução com rotor em gaiola de esquilo;

- Geradores de indução de rotor bobinado;

3.1.1.1 Gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo

Os geradores de indução com rotor em gaiola de esquilo (em inglês Squirrel Cage

Induction Generator - SCIG) têm essa nomenclatura porque o rotor se assemelha à roda

da gaiola de um esquilo. Estes têm um design muito simples e muito universal e são

utilizados em várias aplicações comerciais e industriais. O rotor é feito de lâminas de aço

e os enrolamentos consistem em barras condutoras paralelas ao núcleo e próximas da

superfície do rotor, estes enrolamentos nas extremidades do rotor estão soldados



eletricamente a um anel sólido, existindo ainda nessa extremidade ventiladores. O estator

é constituído por um núcleo de chapa de aço laminado com ranhuras onde os

enrolamentos são colocados isolados. Os enrolamentos são agrupados e ligados de modo

a formar uma área definida polar e para produzir um campo magnético rotativo quando

ligado a uma corrente alternada [18].

Figura 3-1 – Rotor e estator de um SCIG

Num SCIG, o enrolamento secundário equivale ao enrolamento de campo num

motor síncrono, tal como neste as correntes no estator criam um campo magnético

rotativo. Os enrolamentos são distribuídos de modo a que o deslocamento seja uniforme

e contínuo, produzindo assim um campo magnético rotativo.

Um sistema de geração eólica com um gerador de indução é representado na

figura 3-2, onde se pode verificar a existência de bancos dos condensadores, que têm a

finalidade de compensar o fator de potência do SCIG em função da potência reativa

medida num determinado período de tempo. Esta ligação é feita de forma direta, o que

implica que o sistema seja de velocidade aproximadamente constante, tem a vantagem de

ser um sistema mais simples tanto na instalação como na manutenção, no entanto é mais

sensível a variações nas características do vento, e tem pouca durabilidade [19].

Os sistemas de velocidade constante são desenvolvidos para que a velocidade de

rotação do gerador se mantenha constante e próxima da velocidade de sincronismo de

forma que o sistema seja o mais estável possível. A frequência da rede é quem vai

determinar a gama de velocidades do gerador.



Figura 3-2- Sistema de geração eólica com um SCIG

Para além de ser ligado de forma direta à rede elétrica este tipo de gerador pode

ser ligado indiretamente através de conversores eletrónicos, o que faz com que seja um

sistema de velocidade variável. Esta topologia implica uma maior complexidade do

sistema e portanto maiores custos. Como se pode ver pela figura 3-3 são utilizados

conversores eletrónicos que permitem que o sistema tenha uma velocidade variável. O

objetivo do conversor é sincronizar a frequência variável da tensão produzida pelo

gerador com a frequência da rede elétrica. Esta configuração tem como vantagens o facto

de fazer um maior aproveitamento da energia eólica disponível e dispensa a necessidade

de colocar um banco de condensadores, uma vez que o sistema é capaz de tirar a potência

reativa necessária da rede. Por outro lado os conversores são mais caros em comparação

com os utilizados no gerador de indução duplamente alimentado, pois necessitam de ter a

mesma potência da máquina [20].

Figura 3-3 - SCIG ligado indiretamente à rede elétrica [20]



3.1.1.2 Gerador de indução com rotor bobinado

O gerador de indução com rotor bobinado (Wound Rotor Induction Generator -

WRIG) tem o estator igual ao do SCIG, enquanto o seu rotor tem os enrolamentos

semelhantes ao do estator e contém anéis coletores e escovas. No entanto, nenhuma

energia é aplicada sobre os anéis coletores, estes têm apenas como finalidade colocar uma

resistência em série com os enrolamentos do rotor durante o arranque.

Figura 3-4 - Rotor de um gerador de indução com rotor bobinado

Os sistemas de geração eólica que utilizem um WRIG são sistemas de velocidade

variável, no entanto têm uma velocidade limitada. O gerador está diretamente ligado à

rede elétrica. É necessário um banco de condensadores de forma a compensar a potência

reativa.

A característica mais importante nesta configuração é a resistência variável ligada

ao rotor, que pode ser substituído por um conversor controlado opticamente, sendo assim

a resistência totalmente controlável. Na figura 3-5 está representada a ligação de um

sistema deste tipo.



Figura 3-5 - Sistema de ligação de um WRIG à rede elétrica.

As vantagens desta configuração são que permite o controlo das potências reativa

e ativa, assim como o controlo da velocidade do gerador. Por outro lado o facto de

possuírem conversores de potência e caixa de velocidades constituem desvantagens claras

para este tipo de sistemas. A necessidade de colocar um banco de condensadores para a

compensação da potência reativa também faz com que o sistema seja menos robusto [21].

Esta topologia é utilizada mais em sistemas de baixa potência e em sistemas

isolados devido à sua simplicidade. Esta tem sido utilizada desde meados da década de

1990 pelo fabricante dinamarquês Vestas.

3.1.1.3 Gerador de indução duplamente alimentado

Este tipo de gerador é também um gerador de indução com rotor bobinado, no

entanto tem uma configuração diferente do que foi descrito no subcapítulo anterior, uma

vez que este tem os enrolamentos do estator diretamente ligados à rede elétrica através de

conversores de potência, enquanto no WRIG a velocidade do gerador é controlada pela

variação de uma resistência aplicada no rotor.

Os geradores de indução duplamente alimentados (Doubly-Fed Induction

Generator - DFIG) são alimentados por corrente alternada tanto no estator como no rotor.

Este tipo de máquinas elétricas já foi desenvolvida há várias décadas, no entanto só com o

crescimento das tecnologias eólicas para a geração de eletricidade é que passaram a ter

um maior uso, sendo atualmente estes uns dos mais comuns na energia eólica [19].



A principal vantagem dos DFIG quando utilizados em turbinas eólicas é que eles

permitem a amplitude e frequência da tensão de saída se mantenham constantes,

independentemente da velocidade do vento, o que permite que sejam conectados

diretamente à rede elétrica e assim permanecem sincronizados. Outras vantagens incluem

a capacidade para controlar o fator de potência e os dispositivos de eletrónica de potência

utilizados são mais baratos, porque a sua potência corresponde a um terço da potência da

máquina [22].

Figura 3-6 - Ligação de um DFIG à rede elétrica

Na ligação entre o DFIG e a rede elétrica é necessário um sistema de conversão

CA/CC/CA ligado entre o rotor e a rede, que torna possível controlar a velocidade através

da potência ativa proveniente do rotor da máquina, tendo como base o princípio do

aproveitamento da energia de deslizamento neste tipo de motores e, consequentemente

nos geradores eólicos equipados com estas máquinas. A potência reativa da máquina

também pode ser controlada, tanto na região indutiva como capacitiva, facto que constitui

uma importante vantagem [23].

3.1.2 Geradores Síncronos

As máquinas síncronas têm essa designação porque funcionam a uma velocidade

síncrona, a velocidade de rotação do rotor tem uma frequência que corresponde à

frequência de alimentação, e são principalmente utilizadas como geradores síncronos de

corrente alternada. Normalmente os geradores síncronos podem operar em conjunto para

sistemas de alta potência na geração de energia elétrica, além disso este tipo de geradores

pode ter grandes dimensões, capazes de gerar potências superiores a 1 500 MW [24].



Nos geradores síncronos a velocidade de rotação do rotor é idêntica à velocidade

de rotação da turbina. São dos mais usados em sistemas de geração de energia elétrica

como turbinas hídricas, eólicas, assim como em sistemas de energia não renovável como

a energia termoelétrica e a energia nuclear.

De acordo com a disposição do campo e enrolamentos da armadura, as máquinas

síncronas podem ser classificadas por ser de armadura rotativa, o enrolamento do

induzido está no rotor e o campo é no estator, ou de campo rotativo, o enrolamento do

induzido está no estator e o sistema de campo é no rotor [25].

O estator do WRSG é constituído por condutores de cobre isolados com resina,

um núcleo de ferro laminado com ranhuras, que é suportado por uma caixa de aço, e os

condutores. É no estator que se encontram os enrolamentos do induzido.

Figura 3-7 - Estator de um gerador síncrono [25]

O campo magnético no rotor pode ser criado de duas diferentes formas, usando

dois diferentes tipos de geradores. Assim, se o campo magnético for gerado pelo

enrolamento de campo o gerador síncrono usado é de rotor bobinado; caso seja através de

ímanes permanentes trata-se de um gerador síncrono de ímanes permanentes.



3.1.2.1 Gerador síncrono de rotor bobinado

Os geradores síncronos de rotor bobinado (Wound Rotor Synchronous Generator

– WRSG) são usados em máquinas de grande dimensão, mas com velocidades mais

lentas. Este tipo de geradores pode ser o mais adequado para aerogeradores com ligação

direta a rede elétrica e de grandes dimensões. Normalmente estes geradores necessitam de

sistemas de eletrónica de potência para que possam ser integrados em sistemas de

velocidade variável.

Figura 3-8 - Rotor de um WRSG a) Vista frontal b) Vista lateral [26]

O rotor destes geradores é constituído por um núcleo de ferro não laminado com

ranhuras no núcleo, nessas ranhuras são colocadas condutores de cobre isolados.

O funcionamento deste gerador consiste na aplicação de uma tensão contínua ao

enrolamento do rotor através de dois anéis coletores. Esta tensão aplicada ao enrolamento

dá origem a uma corrente, que por sua vez cria um campo magnético no rotor, também

designado por campo de excitação. Quando é aplicado um binário ao eixo do gerador o

rotor entra num movimento de rotação, assim como o campo magnético deste à mesma

velocidade. A velocidade a que rodará e a frequência vão determinar qual o número de

polos, através da equação 3.1:

Em que corresponde ao número de polos do gerador, [Hz] à frequência das tensões no

estator e n [rpm] à velocidade de rotação do gerador.

Na ligação do WRSG à rede elétrica são utilizados dois módulos de controlo, um

entre o rotor e a rede elétrica e outro entre o estator e a rede elétrica. O controlo sobre a

excitação do rotor faz com que seja possível um melhor controlo do binário do rotor, e o

conversor a usar é do tipo CC-CA, que se comporta como uma fonte variável. No



controlo do estator tem dois conversores, um do tipo retificador (CA-CC) e outro do tipo

inversor (CC-CA).

Figura 3-9 - Ligação de um WRSG à rede elétrica

Esta topologia apresenta como vantagem o controlo da velocidade a várias gamas

de funcionamento, e controlo independente da potência reativa e ativa. Por outro lado o

facto de ter três conversores eletrónicos de potência faz com que o controlo seja mais

complexo. Além disso o facto de ter conversor de potência ligado ao rotor implica que

tenha de usar escovas ou anéis coletores, o que faz com que esta topologia se torne mais

cara [27].

3.1.2.2 Gerador síncrono de ímanes permanentes

Os geradores síncronos de ímanes permanentes (Permanente Magnet Synchronous

Generator – PMSG) têm uma configuração simples, dispensando a excitação CC nos

enrolamentos do rotor através de ímanes permanentes. Inicialmente, eram apenas

utilizados em sistemas de energia eólica de média ou baixa potência, mas hoje em dia são

também muito utilizados em sistemas de alta potência, pois são bastante estáveis quando

estão em funcionamento.

Neste tipo de geradores os enrolamentos de campo são substituídos por ímanes

permanentes. Estes dispensam o uso de escovas ou fonte de tensão contínua, o que

contribui para a redução do custo com manutenções, aumento do rendimento e uma

melhor relação binário/volume.



Figura 3-10 - Rotor e estator de um PMSG [28]

Este tipo de geradores atuam a velocidade variável, recorrendo a controlo pitch ou

stall-ativo para ajuste dos ângulos das pás de forma a extrair o máximo de potência

possível. A ligação entre este tipo de geradores e a rede elétrica é feita através de

conversores eletrónicos de potência, que têm como objetivo adaptar a frequência e

amplitude da tensão gerada à da tensão da rede.

Os geradores síncronos de ímanes permanentes podem-se definir quanto à

orientação do fluxo no entreferro relativamente ao eixo de rotação: radial ou axial, e

quanto à orientação do fluxo no núcleo do estator relativamente à direção do movimento

do rotor: transversal ou longitudinal [29].

Um sistema de geração eólica com geradores do tipo PMSG contém à saída do

gerador um conversor CA-CC, ou retificador, que é responsável pelo controlo da

velocidade da turbina de modo a que esta tenha um ponto de funcionamento compatível

com o do gerador. Isso é conseguido através do controlo do binário elétrico do gerador. O

conversor eletrónico do lado da rede, CC-CA ou inversor, é responsável por manter

constante a tensão que é injetada na rede. Ao contrário de outros tipos de geradores, estes

dispensam a utilização de caixa de velocidades. Desta forma, é necessário que o gerador

seja de polos salientes e possua um número de polos elevado para compensar a baixa

velocidade do gerador. Na figura 3-11, pode ser visualizado o esquema de interface entre

um gerador PMSG e a rede elétrica.



Figura 3-11 - Topologia de interface de um PMSG com a rede elétrica

Os PMSGs são bastante utilizados em geradores eólicos. Uma das maiores

vantagens destes é possuírem autoexcitação, o que permite que operem com um fator de

potência mais elevado e com maior eficiência. Outra importante vantagem prende-se com

o facto de não possuírem caixa de velocidades, melhorando assim a eficiência do sistema

e proporcionando uma redução no peso do aerogerador, no ruído e nos custos de

manutenção do sistema.

3.2 Eletrónica de Interface

Para fazer a ligação entre um gerador eólico e a rede elétrica é necessário o

desenvolvimento de circuitos eletrónicos que permitam que os parâmetros de tensão e

corrente gerados tenham amplitude e frequência igual à que se pretende na rede, ou nas

cargas que a estes vão ser ligadas.

Tal como visto no subcapítulo 3.1, nas topologias de interface entre os geradores e

a rede elétrica, podem existir vários tipos de conversores eletrónicos, dependendo do

gerador utilizado. No entanto, existem três tipos de conversores que são muito comuns

neste tipo de ligação e na eletrónica de potência em geral, que são:

- Conversores CA-CC.

- Conversores CC-CC.

- Conversores CC-CA.



3.2.1 Conversor CA-CC

O conversor CA-CC designa-se retificador e é um sistema eletrónico que tem

como finalidade converter corrente alternada em corrente contínua. Esta conversão tanto

pode ser feita através de uma ponte retificadora monofásica ou trifásica. Os retificadores

são o principal bloco de eletrónica de potência.

Os retificadores podem ser de meia onda ou onda completa, consoante a

disposição dos semicondutores, assim como podem ser controlados, semi-controlados ou

não controlados. Se um retificador for controlado significa que o circuito tem

componentes, normalmente tirístores, que fazem com que sejam modificados os

parâmetros de funcionamento do circuito e que a tensão na saída seja controlada. No caso

de o retificador ser não controlado a tensão de saída apenas está dependente da tensão de

entrada.

Normalmente à saída dos retificadores é colocado um filtro capacitivo de forma a

reduzir o ripple da tensão de saída.

Nos sistemas de geração eólica, os retificadores a usar são geralmente trifásicos de

onda completa não controlados, utilizando depois ainda outros tipos de conversores

quando é necessário controlar a tensão de saída.

Retificador trifásico de onda completa não controlado

O retificador trifásico de onda completa não controlado é constituído por seis

díodos, divididos em três braços que estão ligados a cada uma das fases. Existem sempre

dois díodos em condução em cada instante de tempo, um no semi-ciclo positivo e outro

no semi-ciclo negativo. Assim, quando a tensão de entrada em cada fase é positiva o

díodo que conduz é o da parte superior do circuito e quando essa mesma tensão é negativa

é o díodo da parte inferior do circuito que conduz. Na figura 3-12 está representado um

retificador deste tipo.



Figura 3-12 - Retificador trifásico não controlado de onda completa [30]

Tendo em conta que a tensão simples de cada fase está desfasada entre si 120º, e

as tensões compostas estão desfasadas destas 30º, pode-se determinar o valor médio de

saída que corresponde a uma junção da parte superior de cada uma das tensões

compostas, como mostra a figura 3-13, em que a parte mais escura corresponde à tensão

de saída do retificador.

Figura 3-13 - Ondas das tensões do retificador [30]

Na tabela seguinte mostra quais os díodos em condução em cada uma das formas

de onda das tensões compostas que corresponde à forma de onda da tensão na saída do

retificador, representadas a negrito na figura 3-13.



Tabela 3-1- Díodos em condução por cada tensão composta

Período (º) Tensão Composta (v) Díodos em condução

[0 ; 30]

[30 ; 90] e

[90 ; 150] e

[150 ; 210] e

[210 ; 270] e

[270 ; 330] e

[330 ; 360]

O valor médio da onda de saída pode também ser obtido pela seguinte expressão:

Ao colocar um filtro capacitivo na saída da ponte retificadora é possível diminuir

o ripple nas formas de ondas da tensão e da corrente, aproximando-as cada vez mais de

um valor constante ao longo do tempo.

3.2.2 Conversor CC-CC

Este tipo de conversores tem como objetivo converter a tensão ou a corrente

contínuas à entrada do circuito em tensão ou corrente também elas contínuas, mas com

níveis diferentes de amplitude, nos terminais de saída do conversor, ou seja a tensão ou

corrente de saída são reguladas. Os seus circuitos são não lineares e utilizam

semicondutores de potência como interruptores estáticos e elementos passivos para

armazenamento temporário da energia transferida entre a fonte de entrada e a carga.

Os conversores CC-CC podem ser utilizados para os mais variados fins como por

exemplo fontes de alimentação de computadores e outros aparelhos, UPSs, sistemas

fotovoltaicos, sistemas eólicos, e diversas aplicações com motores, etc.

Existem vários tipos de conversores CC-CC, os mais importantes são os seguintes:

Step-down ou buck, são circuitos abaixadores de tensão.

Step-up ou boost, são circuitos elevadores de tensão.

Step-up/Step-down ou buck-boost, tanto podem baixar como elevar os

níveis de tensão ou corrente.



Figura 3-14 - Conversores CC-CC: Step-up, Step-down e Step-up/Step-down.

Os conversores CC-CC que se usam normalmente em sistemas de energia eólica

são do tipo elevador de tensão e costumam ser mais aplicados nos sistemas de micro-

geração eólica, nomeadamente em sistemas que utilizem um circuito MPPT (Maximum

Power Point Tracker) que tem como objetivo que o gerador funcione sempre no ponto

máximo de potência, independentemente das condições do vento.

3.2.2.1 Conversor Step-Up

O conversor step-up tem como objetivo aumentar o valor da tensão contínua à

entrada do circuito para um nível mais alto de amplitude. Para aumentar a tensão é

utilizada a técnica de controlo PWM (Pulse Width Modulation) [31].



Figura 3-15 - Conversor Step-up

Este circuito é constituído por um semicondutor de potência S, que funciona como

interruptor e está ligado a um circuito de controlo, uma bobine L, um díodo D, um

condensador C e uma carga, que neste caso é representada como uma resistência R. O

controlo aplicado ao interruptor (S) é do tipo PWM e dita a frequência de comutação do

interruptor, ficando durante um determinado período de tempo ligado ( ) e durante

outro período desligado ( ).

O modo de funcionamento destes conversores é o seguinte: Quando o interruptor

S está ligado a tensão de alimentação é aplicada na bobine L e o díodo D fica

inversamente polarizado ( < ). Dessa forma não passa energia da fonte de

alimentação para a carga, sendo a carga alimentada pelo condensador, enquanto que, por

seu lado, a bobine vai acumulando energia. Assim que o interruptor é desligado o díodo

fica polarizado e passa a conduzir e a energia que se acumulou na bobine passa a

alimentar a carga e o condensador.

O conversor step-up pode operar em modo de condução contínua ou modo de

condução descontínua. O que determina esse modo em que o conversor funciona é a

corrente na bobine ( ), se esta nunca for nula significa que opera em modo de condução

contínua, caso contrário opera no modo de condução descontínua.

Modo de Condução Contínua

No modo de condução contínua o conversor step-up funciona de duas diferentes

formas durante o período , quando o interruptor está ligado ( ) e quando está

desligado ( ). Na figura 3-16 estão representadas as formas de onda da tensão ( ) e

da corrente ( ) na bobine durante um período .



Figura 3-16 - Formas de onda da tensão e corrente na bobine em modo de condução continua [32]

Como se pode verificar pelos gráficos a corrente na bobine aumenta tanto

quando o interruptor está ligado quanto o que decresce quando este é desligado,

independentemente dos tempos que demora em e .

A seguinte equação reflete a relação entre a tensão de entrada e a tensão na carga

no modo de condução contínua:

Em que corresponde à tensão de entrada no circuito, à tensão de saída,

ao tempo em que o interruptor está ligado e ao tempo em que o interruptor está

desligado.

Sabendo que o valor do duty-cycle (D) quando o semicondutor está ligado é dado

por:

Em que corresponde ao período da onda.

Quando está desligado, a equação do duty-cycle é a seguinte:



Então substituindo em 3.3, obtém-se:

Fazendo a relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada, obtém-se:

Admitindo que as perdas são nulas ( ):

Logo, obtém-se uma relação entre a corrente de entrada ( ) e a corrente de saída

( :

Modo de condução descontínua

Quanto ao modo de condução descontínua caracteriza-se por haver um instante de

tempo em que a corrente na bobine é zero. Na figura 3-17 pode-se verificar que ao longo

de um período a corrente passa por 3 estados diferentes, o primeiro corresponde ao

tempo em que o interruptor está ligado ( ) e a corrente está sempre a aumentar até

atingir o valor máximo. O momento em que atinge esse valor corresponde ao momento

em que o interruptor é desligado, a partir desse momento a corrente começa a baixar até

ter um valor nulo (na figura 3-17 este tempo corresponde ao valor ). No estado

seguinte a corrente mantém-se com o valor zero, e isso ocorre porque a corrente

chegou a zero antes do novo ciclo.



Figura 3-17 - Formas de onda de tensão e corrente na bobine em condução descontinua [32]

Para obter a relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída são seguidas

estas equações:

Substituindo os por ( D * ) e por ( ) tem-se:

Desenvolvendo a equação em ordem a

:

Admitindo que as perdas são nulas ( ), pode obter-se a relação entre a

corrente de entrada e a de saída:

A corrente média de entrada é calculada da seguinte forma:



Fazendo agora a mesma equação em ordem a e substituído na equação 3.14:

Desta forma tem-se todas as equações necessárias para o cálculo do duty-cycle:

Ripple na Tensão de saída

Para calcular o valor da variação da tensão de saída pode-se recorrer à forma de

onda representada na figura 3-18, em que se pode determinar a variação da carga (∆Q)

pela área a sombreado.

Figura 3-18- Ripple da tensão de saída [32]

As equações para o cálculo da variação da tensão do ripple são as seguintes:



Pela lei de Ohm, pode-se substituir por

, então:

(3.18)

Assim, tem-se todos os parâmetros necessários para calcular o valor mínimo do

condensador para filtrar o ripple, na equação 3.19:

(3.19)

3.2.3 Conversores CC-CA

Os conversores CC-CA, designam-se inversores, têm como objetivo converter

sinais elétricos contínuos em alternados, com amplitudes e frequências variáveis. Estes

podem ser aplicados em sistemas de geração de energia quando a energia gerada à saída

da fonte se apresenta em corrente contínua, é necessário a sua conversão em corrente

alternada para que se possa injetar essa energia na rede elétrica, como é caso dos sistemas

fotovoltaicos, ou nos outros sistemas de geração que necessitam de sincronizar a

frequência ou amplitude da tensão gerada com a tensão da rede, como é o caso do sistema

em estudo nesta dissertação. Além de sistemas de geração de energia, os inversores são

também utilizados em aplicações industriais, como acionamento de motores de corrente

alternada, em filtros ativos de potência, fontes de tensão reguladas ou tantas outras

aplicações genéricas de aparelhos eletrónicos, que podem ir desde os veículos elétricos

até aparelhos mais simples.

Os inversores têm um vasto número de topologias, assim como também existem

diversas formas de controlo associadas aos seus semicondutores. Numa primeira fase

podem-se diferenciar os inversores quanto ao tipo de alimentação, dividindo-os em dois

grupos: os Voltage Source Inverters (VSI), alimentados por fontes de tensão, e os Current

Source Inverters (CSI), alimentados por fontes de corrente.

Os inversores são constituídos por semicondutores de potência que funcionam

como interruptores, sendo os mais usuais mosfets ou IGBTs, que dependendo da sua

topologia vai determinar o número de semicondutores existentes no seu circuito. Além



destes podem ser ainda associados aos inversores resistências, condensadores e bobines

seja em filtros à saída do inversor ou em pequenos circuitos, como por exemplo o circuito

snubber, para proteger os semicondutores.

Quanto à tipologia, pode-se distinguir os inversores monofásicos dos trifásicos.

Dentro destes há ainda vários tipos como inversores de meia onda e de onda completa.

Além destes, há ainda outros mais específicos como os inversores push-pull, flyback ou

inversor em Z.

3.2.3.1 Inversores de fonte de corrente (CSI)

Os inversores do tipo CSI são usualmente mais utilizados em sistemas ou

equipamentos que operam a potências muito altas. Esse facto torna-se importante, porque

como a potência é elevada faz com que estes conversores usem normalmente

semicondutores de potência mais vocacionados para a alta potência como GTOs (Gate

Turn-Off Tyristor) ou SCRs ( Silicon Controlled Rectifier).

Neste tipo de inversor a carga usada à saída é que determina a tensão de saída,

sendo a onda da tensão muito próxima de uma sinusoide perfeita, no entanto a forma de

de onda da corrente é muito próxima de uma onda quadrada, o que provoca um binário

pulsante quando ligado a um motor, o que faz com que este tipo de inversor seja o mais

adequado para o acionamento de máquinas elétricas de grande potência. Na figura 3-19

pode-se verificar um inversor CSI utilizado para acionamento de um motor de indução.

Figura 3-19 - Inversor CSI trifásico para acionamento de um motor [33]



3.2.3.2 Inversores de tensão (VSI) monofásicos

3.2.3.2.1 Inversor monofásico de meia ponte

O inversor monofásico de meia onda (half bridge) é constituído apenas por um

braço, com um par de interruptores, e também dois condensadores que dividem a tensão

de entrada para metade. Na figura 3-20 pode-se verificar a constituição deste tipo de

inversor.

Figura 3-20 - Inversor monofásico de meia ponte

Quando o interruptor S+ está ligado e o interruptor S- está desligado, a tensão na

saída do inversor (Vo) apresenta uma tensão positiva. Quando S+ está desligado e S- está

ligado, a tensão (Vo) é negativa. Se ambos estiverem desligados a tensão na saída em

condições ideias tem o valor zero. Os dois interruptores têm de estar sempre em estados

diferentes, isto é quando um está ligado o outro tem de estar desligado, caso contrário

criar-se-ia um curto-circuito à fonte de tensão de entrada [34]. Na tabela 3-2 estão

representados os estados de comutação e quais os interruptores ligados.

Tabela 3-2 - Estados de comutação do inversor de meia onda

Estado S+ S- Vo

1 Ligado Desligado

2 Desligado Ligado

3 Desligado Desligado 0



3.2.3.2.2 Inversores monofásicos de ponte completa

O inversor de tensão monofásico de onda completa (full-bridge), é constituído por

dois braços inversores, ou seja dois pares de interruptores. Tal como no inversor de meia

ponte, associado a cada interruptor está um díodo em paralelo, para que a corrente siga

apenas um sentido.

Figura 3-21- Inversor monofásico de ponte completa

A comutação dos interruptores na figura 3-21, é feita aos pares, na diagonal, do

estado ligado para o estado desligado. Quando os interruptores S1+ e S2- estão ligados os

interruptores S1- e S2+ estão desligados. Quando S1+ e S2- comutam para desligado, os

interruptores S1- e S2+ comutam para o estado ligado. No caso de os interruptores não

comutarem na diagonal, isto é, se estiverem os dois interruptores da parte superior de

cada braço e os da inferior desligados, ou vice-versa, a tensão na saída é zero. Também

neste caso tem de existir uma complementaridade entre os pares de interruptores que

estão ligados, isto é quando está um par ligado o outro tem de estar necessariamente

desligado, para que não haja curto-circuitos [35].

A tensão de saída na carga (Vo) vai assumir alternadamente os valores da tensão

de entrada (Vi) com polaridades opostas, como se pode verificar na tabela 3-3, juntando

ainda os estados em que a tensão na saída é nula, assumem-se assim quatro estados de

operação.



Tabela 3-3 - Estados de comutação do inversor monofásico de onda completa

Estado S1+ S1- S2+ S1- Vo

1 Ligado Desligado Desligado Ligado Vi

2 Desligado Ligado Ligado Desligado -Vi

3 Ligado Desligado Ligado Desligado 0

4 Desligado Ligado Desligado Ligado 0

3.2.3.3 Inversores de tensão (VSI) trifásicos

Este tipo de inversores têm uma configuração semelhante aos inversores

monofásicos, apenas incluem mais um braço inversor, ou seja têm um braço para cada

fase. Também nos inversores trifásicos existem configurações de meia ponte e de ponte

completa, no entanto é muito raro encontrar-se aplicações que usem a configuração de

meia ponte. Na figura 3-22 estão representados os dois tipos de inversores trifásicos.

Figura 3-22 - Inversores VSI trifásicos: a) meia onda; b) onda completa.



O circuito possui 6 interruptores de potência, de maneira que o período de

comutação de cada estado será de 60º, e o número de estados de comutação é 6. Por cada

estado de comutação estão três interruptores ligados ao mesmo tempo [33].

Os interruptores do mesmo braço nunca estão ligados ao mesmo tempo. Na tabela

3-4, pode-se verificar as comutações possíveis (L indica que o interruptor está ligado e D

desligado) e quais as respetivas tensões compostas à saída, no inversor trifásico de onda

completa.

Tabela 3-4 - Estados de comutação do inversor trifásico onda completa

Estado S1+ S1- S2+ S2- S3+ S3- Vab Vbc Vca

1 L D D L D L Vi 0 -Vi

2 L D L D D L 0 Vi -Vi

3 D L L D D L -Vi Vi 0

4 L D L D L D 0 0 0

4 D L L D L D -Vi 0 Vi

5 D L D L L D 0 -Vi Vi

6 L D D L L D Vi -Vi 0

8 D L D L D L 0 0 0

Os sistemas trifásicos podem ainda conter mais um braço, caso sejam aplicados a

sistemas trifásicos que possuam neutro.

3.2.3.4 Inversor Push-Pull

O inversor push-pull foi um dos primeiros a ser utilizados em aplicações

industriais e adequa-se essencialmente a aplicações de baixas potências e baixas

frequências [34]. O seu circuito é constituído por um transformador com ponto médio no

primário e apenas dois interruptores semicondutores, ver figura 3-23.

Figura 3-23 - Inversor push-pull.



Tal como nos outros inversores monofásicos os interruptores comutam

alternadamente, sendo um interruptor responsável pelo controlo de um meio ciclo da onda

de saída e o outro pelo meio ciclo. Quando S1 está ligado a corrente passa pelo primeiro

enrolamento do primário do transformador (aquele que está diretamente ligado entre S1 e

a fonte CC), e a tensão na saída será Vi’, ou seja, a tensão condicionada pela relação de

transformação. Quando é S2 que está ligado a corrente passa pelo outro enrolamento do

primário do transformador, mas no sentido contrário, o que faz com que a tensão de saída

na carga assuma um valor negativo –Vi’. E desta forma obtém-se um valor alternado na

tensão de saída Vo. A tabela 3-5 resume a modo comutação e a tensão na saída deste

inversor.

Tabela 3-5 - Estados de comutação do inversor push-pull.

Estado S1 S2 Vo

1 Ligado Desligado Vi’

2 Desligado Ligado -Vi’

3.2.3.5 Inversor Flyback

O inversor flyback, tal como o push-pull utiliza um transformador com ponto

médio, e é também um sistema mais apropriado para baixas ou médias potências. No

entanto este inversor tem o dobro dos semicondutores do inversor push-pull, uma vez que

para além dos dois interruptores entre a fonte de alimentação contínua de entrada e o

primário do transformador, tem também outros dois interruptores entre o secundário do

transformador e a saída. Destes quatros interruptores, os dois primeiros operam em alta

frequência com razão cíclica variável e frequência fixa e os outros dois operam na

frequência da rede de fornecimento de energia [36].

Figura 3-24 - Inversor Flyback [36].



O inversor Flyback tem 5 estados diferentes de funcionamento. O primeiro estado

representa a transição entre o semi-ciclo positivo e negativo da rede CA, em que os

interruptores S3 e S4 estão abertos, neste caso é o condensador C4, que está em paralelo

com a carga e a alimenta. No segundo estado de operação, os interruptores S1 e S2 estão

ainda ligados, assim como S3. Este estado corresponde ao limiar da comutação dos

interruptores S1 e S3, onde o primário do transformador L2 é carregado. No estado

seguinte, S1 e S2 estão desligados, enquanto S3 permanece ligado, neste caso a energia

acumulada em L2 passa para L3 e daí para a bobine L5 que fornece essa energia à carga.

No quarto estado de funcionamento, S1 e S2 são novamente ligados, mas desta vez é o

interruptor S4 que está ligado, sendo que a tensão na saída corresponde à tensão de

entrada Vi condicionada pela razão de transformação (Vi’). O último estado corresponde

à fase em que S1 e S2 se voltam a desligar, mas S4 ainda está ligado. Neste caso, a

operação é semelhante ao que acontece no estado 3, mas a energia acumulada em L2

desta vez passa para L4 e daí para a bobine L5, fornecendo essa energia à carga.

Tabela 3-6 - Estados de operação do inversor flyback

Estado S1 S2 S3 S4 Vo

1 Ligado Ligado Desligado Desligado

2 Ligado Ligado Ligado Desligado

3 Desligado Desligado Ligado Desligado 0

4 Ligado Ligado Desligado Ligado

5 Desligado Desligado Desligado Ligado 0

3.2.3.6 Inversor em Z

Este tipo de inversor tem a vantagem de além de converter a tensão CC-CA

também ser capaz de elevar o nível da tensão contínua de entrada, dispensando assim a

necessidade de usar um conversor CC-CC elevador de tensão [37].

A elevação da tensão é conseguida graças à associação de condensadores e

bobines colocadas entre a tensão de entrada e o circuito inversor propriamente dito. Na

figura 3-25, pode ser vista a estrutura de um inversor do tipo Z trifásico. Verificando a

forma como os condensadores e as bobines estão dispostos no circuito, percebe-se o

porquê de se designar inversor em Z [38].



Figura 3-25 - Inversor em Z trifásico [38].

A parte elevadora pode atuar de dois modos, modo contínuo e modo descontínuo.

No modo contínuo existem dois estados de funcionamento, definidos pelo sentido da

corrente. No primeiro o díodo D1 está ao corte, e o circuito é alimentado apenas pelos

condensadores, a sua tensão vai diminuindo, enquanto que a corrente sobre as bobines

aumenta. No segundo estado é quando é transferida a energia da fonte para o circuito. O

díodo entra em condução e os condensadores são carregados pela fonte CC aumentando a

sua tensão e por sua vez diminuindo a corrente sobre as bobines. Nas figuras 3-26 e 3-27,

podem ser analisados esses dois estados de operação (apesar de na figura se tratar de um

conversor CC-CC em Z, o modo de funcionamento desta é igual para o inversor, e tem os

mesmos estados de operação).

Figura 3-26 - Primeiro estado de operação [38]



Figura 3-27 - Segundo estado de operação do inversor z [38]

No modo descontínuo o inversor tem três estados de operação, os dois primeiros

são iguais aos já descritos em modo contínuo, o terceiro estado de operação corresponde

ao momento em que o interruptor S ainda está desligado, mas o díodo já está ao corte e

consequentemente a tensão nos condensadores diminui e a corrente que vai para o

circuito é a soma da corrente das bobines.

3.2.3.7 Topologias VSI

Existem várias topologias VSI diferentes que se classificam quanto ao nível de

tensão que é possível gerar à saída do inversor, quanto ao número de andares e quanto à

existência ou não de transformadores [39].

As topologias classificam-se quanto ao número de andares pelo número de

conversores existentes. Assim, por exemplo, uma topologia que apenas apresente um

inversor entre uma fonte de tensão contínua e a carga é de apenas um andar, enquanto se

tiver um conversor CC-CC e um inversor trata-se de uma topologia de dois andares.

Existem topologias que diferem pela existência de transformador à saída de um

dos conversores. Este pode estar presente à saída de qualquer tipo de conversor que o

circuito possua e antes de uma carga ou da rede elétrica. A vantagem do uso de um

transformador num sistema destes é a de amplificar a tensão no secundário para a

amplitude que se pretende na carga ou na rede e de possuir isolamento galvânico.

As topologias VSI podem ainda ser distinguidas quanto ao nível de tensão na

saída do inversor, estas podem ser de dois níveis, três níveis ou multinível (5, 7 ou mais

níveis). Quanto maior o número de níveis menor será a distorção harmónica existente na

tensão de saída.



Topologia VSI de 2 níveis

A topologia VSI de 2 níveis é a mais comum nos inversores de potência, pois tem

uma configuração mais simples de implementar e bastante funcional. Essa configuração

permite aplicar apenas dois níveis diferentes de tensão na entrada do inversor, 0V ou Vcc.

Comparativamente a outras topologias, esta necessita de menos interruptores

semicondutores, o que a torna numa implementação menos dispendiosa, no entanto não

pode ser utilizada em casos em que as cargas necessitem de potências elevadas uma vez

que isso faz com que os semicondutores tenham de suportar uma tensão mais elevada.

Como exemplos de circuitos com esta topologia tem-se todos os circuitos de inversores

VSI mencionados anteriormente.

Topologia VSI de 3 níveis

Nesta topologia o princípio de funcionamento da topologia VSI é o mesmo que

nas outras topologias, o que a difere das outras é que neste caso a tensão de saída de cada

braço do inversor apresenta três níveis de tensão diferentes. Esse facto faz com que o

ripple das tensões e correntes seja menor para a mesma frequência de comutação.

Esta topologia é mais vantajosa em sistemas de média e alta potência, uma vez

que a tensão aplicada nos semicondutores é menor que na topologia VSI de 2 níveis se se

considerar a mesma alimentação do lado CC, pois esta topologia possui o dobro dos

semicondutores da anterior.

Esta topologia utiliza 4 interruptores semicondutores de potência por cada braço e

possui dois condensadores à saída do barramento CC que ligam a um ponto neutro e

dessa forma permitem a divisão da tensão contínua de entrada em três níveis distintos:

,

e 0. Verifica-se ainda a existência de mais dois díodos por cada braço ligados ao

ponto neutro, Dp e Dn, que têm como objetivo fazer com que os semicondutores quando

não conduzem num dado instante bloqueiam apenas metade da tensão aplicada do lado

CC [40]. Na figura 3-28 está representado inversor trifásico de 3 níveis NPC (Neutral

Point Clamped).



Figura 3-28 - Esquema de inversor trifásico de 3 níveis (NPC).

Podem-se distinguir três estados de funcionamento para cada um dos braços do

inversor. No primeiro estado, os semicondutores S1 e S2 estão em condução e a tensão de

saída apresenta um valor de

. No segundo estado, por sua vez estão os semicondutores

S3 e S4 a conduzir, e a tensão na saída será de

. No terceiro estado, conduzem os

semicondutores S2 e S3 e a tensão de saída será nula. Na tabela 3-7 está um resumo das

comutações por cada estado, neste caso para o braço A do inversor.

Tabela 3-7 - Estados de comutação no braço A do inversor de 3 níveis

Estado S1a S2a S3a S4a Vo

1 Ligado Ligado Desligado Desligado

2 Desligado Desligado Ligado Ligado

3 Desligado Ligado Ligado Desligado 0

Apesar das vantagens já mencionadas desta topologia em relação à topologia de 2

níveis, principalmente de ser mais apta para aplicações de média e alta potência, esta têm



também algumas desvantagens que devem ser tidas em consideração, tais como, podem

ocorrer desequilíbrios nas tensões dos condensadores e o facto de possuir o dobro do

número de semicondutores utilizados faz aumentar os custos da implementação e o

tamanho do circuito inversor, assim como, torna muito o sistema de controlo bastante

mais complexo.

Topologia VSI multinível

A topologia VSI multinível em nada difere no princípio de funcionamento das

topologias anteriores, aliás essas praticamente podem ser consideradas parte integrante

desta. O que difere é o número de braços de cada inversor, pois quantos mais níveis de

tensão à saída tiver o inversor mais braços de semicondutores o seu circuito terá,

aumentando assim proporcionalmente o número de semicondutores de potência. Desta

forma as vantagens e desvantagens enumeradas anteriormente na topologia de 3 níveis em

relação à de 2 níveis são ainda mais agravadas, ou seja, quanto maior o número de

semicondutores de potências maior a capacidade que o sistema terá para suportar

potências elevadas, mas por outro lado maior se torna o custo e a complexidade do

sistema. Na figura 3-29, está esquematizado um inversor VSI multinível dividido em

várias topologias [34].

Figura 3-29 - Inversor VSI multinível [40].



Uma outra grande vantagem que advém do aumento dos níveis de tensão na saída

é a redução de conteúdo harmónico na saída, assim como uma redução na frequência de

comutação, o que reduz as perdas de comutação nos semicondutores de potência.

3.3 Tipos de controlo de inversores

Para que a onda da tensão à saída de um inversor seja obtida dentro dos

parâmetros de frequência e amplitude pretendidos é necessário aplicar um controlo

aplicado aos seus semicondutores de potência. O controlo dos inversores pode ser feito

pela sua tensão ou por corrente. No presente trabalho o inversor a utilizar é do tipo VSI e

portanto o seu controlo incide sobre a sua tensão.

A técnica mais usual em sistemas de geração eólica é a modulação de largura de

pulso ou PWM (Pulse Width Modulation). Esta é uma técnica de controlo que permite a

obtenção de um sinal alternado através de um sinal de alta frequência. Esta técnica

consiste em alterar a onda da tensão de saída através da comparação do sinal de referência

( ) com uma onda triangular de elevada frequência ( ). A tensão de saída

resultante da comparação dessas duas ondas é formada por sucessivas ondas retangulares.

Na figura 3-31 pode-se verificar um exemplo das formas de onda ( , e )

simulado no software Psim.



Figura 3-31 – Funcionamento do controlo PWM

A onda triangular utilizada neste tipo de controlo tem normalmente frequências

superiores às da onda de referência, como se pode verificar pela figura 3-31 está na ordem

dos kHz. A frequência na onda sinusoidal da tensão de referência tem uma tensão de

referência que corresponde à frequência que se pretende para a onda da tensão de saída do

inversor.

O sinal de referência é responsável por controlar a amplitude e a frequência dessa

onda. Como se pode verificar na figura 3-31, na parte a tracejado, a onda retangular

resulta da diferença entre a tensão de referência (moduladora) e a tensão triangular

(portadora), assim quando a moduladora é superior à portadora resulta um pulso positivo

na onda de controlo a enviar para os semicondutores ( ). Pode ainda concluir-se,

analisando esse mesmo momento, que a largura de pulso da onda gerada para este

controlo depende do tempo em que a moduladora é superior à portadora, quanto maior

essa diferença maior é a largura do pulso, e vice-versa.

A tensão de saída do inversor terá uma forma de onda quadrangular com vários

impulsos de duração variável e com a mesma amplitude da tensão CC à sua entrada. Para

tornar essa tensão sinusoidal é necessário colocar um filtro LC à saída do inversor. A

onda de tensão de saída é modulada pela razão entre a frequência da onda moduladora e a

frequência da portadora, como demonstra a equação 3.20:

Esta é também modulada da mesma forma em amplitude, através da seguinte

relação:

No caso dos inversores trifásicos o processo de modulação do PWM é semelhante

ao dos inversores monofásicos, até aqui descrito. A diferença está em que são necessárias

três ondas de referência desfasadas entre si 120º, em vez de se ter apenas uma onda de

referência. As três ondas de referência são no entanto todas comparadas com a mesma

onda triangular.



3.3.1.1 Controlo PWM Unipolar

Este tipo de controlo PWM consiste na comutação dos semicondutores em

separado, ao contrário do controlo bipolar em que a comutação acontece em simultâneo.

Para que cada braço do inversor seja controlado individualmente, neste tipo de

controlo, existem duas ondas de referência ( e ) a serem comparadas

com a onda triangular (ver figura 3-32). Em que é a onda simétrica de .

Figura 3-32 - Moduladoras e portadora do controlo PWM unipolar

O sinal de controlo que entra no braço A do inversor obtido através da

comparação de com está representado na figura 3-33 a). Como já foi

explicado anteriormente em cada braço só um dos interruptores pode estar ligado de cada

vez (ver figura 3-21), assim para o braço A tem-se:

No braço B segue-se o mesmo principio, mas neste caso os sinais lógicos gerados

são diferentes (figura 3-33 b) ). A onda de referência neste braço é .



Figura 3-33 - Tensão de controlo no a) braço A e b) braço B

A tensão à saída do inversor varia entre 0 e Vd ou entre 0 e -Vd devido à

comutação dos interruptores, como se pode ver no exemplo representado na figura 3-34

em que Vinv corresponde à tensão de saída do inversor e Vo à tensão de saída depois de

filtrada. A tensão de saída corresponde à diferença entre as tensões dos dois braços e

( ).

Figura 3-34 - Tensões de saída do inversor com controlo unipolar



Após esta análise ao funcionamento deste controlo em cada braço do inversor e na

saída, pode-se concluir que existem 4 estados diferentes de comutação, que podem ser

resumidos na seguinte tabela:

Tabela 3-8 - Estados de comutação e níveis de tensão na saída

Estado

1 Ligado Desligado Desligado Ligado 0

2 Desligado Ligado Ligado Desligado 0

3 Ligado Desligado Ligado Desligado 0

4 Desligado Ligado Desligado Ligado 0 0 0

3.3.1.2 Controlo PWM Bipolar

Num inversor com controlo PWM e comutação bipolar de tensão os

semicondutores comutam aos pares na diagonal. Sendo os pares possíveis [ ] e

[ ]. As formas de onda da moduladora ( ), e da portadora ) são as já

representadas anteriormente na figura 3-31.

A tensão de saída do inversor varia entre e , desta forma a tensão de saída

depois de filtrada atingirá a forma de onda sinusoidal, tal como ilustrado na figura 3-35.

Figura 3-35 - Tensão de saída do inversor com controlo bipolar

Quando o par [ ] está ligado a tensão de saída no braço A é positiva e a do

braço B é negativa. Para esse caso tem-se as seguintes expressões:



Por consequência obtém-se as seguintes expressões:

Pela mesma lógica, fazendo as mesmas deduções para o par [ ] chega-se à

conclusão de que a tensão de saída é ( ). Os estados de comutação são os mesmos

apresentados na tabela 3-3.

3.4 Filtro LC

Ao longo do subcapítulo anterior pôde-se constatar que à saída do inversor é

necessário algo que transforme a onda de tensão que está sob a forma de pulsos

retangulares e com valor de pico da tensão de entrada numa tensão alternada sinusoidal,

tal como se verifica na figura 3-35. Para que isso aconteça é necessário colocar um filtro

LC passa-baixo à saída do inversor. Este tem também a finalidade de minimizar os efeitos

dos componentes harmónicos.

Figura 3-36 - Filtro LC

A função de transferência ( do filtro LC é dada pela razão

,

Esta equação é obtida pelo desenvolvimento das equações da lei dos nós e da lei

das malhas, que relacionam a tensão e a corrente em função do tempo ( e ,

respetivamente) na bobine, no condensador e na resistência de carga.



Onde:

Em que é a frequência de corte, o coeficiente de amortecimento, L o valor da

indutância, C a capacidade do condensador e R a resistência de carga.

O coeficiente de amortecimento deve compreender valores entre 0,707 e 1, uma

vez que não deve ser demasiado alto para que o desfasamento da fundamental seja

pequeno, mas deve ser alto o suficiente para evitar oscilações elevadas na frequência de

corte. A frequência de corte do filtro deve estar a uma década abaixo da frequência dos

impulsos de entrada, assim como deve ser, pelo menos, trinta vezes superior à frequência

da sinusoide na carga [34].

O ganho do filtro é unitário para baixas frequências, por isso é designado

passa-baixo, e a partir da frequência de corte ele começa a atenuar a 40 dB por década.

Quando está em frequências próximas da frequência de corte, o valor do ganho vai

depender do coeficiente de amortecimento. Na figura 3-37 apresenta-se a resposta do

filtro para vários valores do coeficiente de amortecimento.

Figura 3-37 – Ganho de um filtro LC [34]



3.5 Topologia desenvolvida

O conversor eletrónico para um gerador eólico a desenvolver na presente

dissertação consiste na implementação e interligação de vários dos sistemas e circuitos

descritos ao longo do atual capítulo.

Assim, na figura 3-38 está representado um diagrama de blocos que sintetiza o

projeto a desenvolver.

Figura 3-38 - Diagrama de blocos do projeto a desenvolver

Nos capítulos seguintes é apresentado o trabalho realizado através de simulações

computacionais e a respetiva implementação prática de todo esse sistema.



Capítulo 4

Simulações Computacionais

4.1 Ferramentas de simulação computacional

A utilização de ferramentas de simulação é extremamente útil no desenvolvimento

dos mais variados sistemas, dentro de diferentes áreas da ciência e da engenharia, e a

eletrónica de potência não foge à regra.

Estas ferramentas permitem fazer uma análise prévia do comportamento dos

circuitos eletrónicos, possibilitando o ajuste das variáveis e parâmetros do circuito e o

teste da resposta do circuito perante as mais variadas situações, de forma a que quando o

circuito seja implementado e testado em situações reais sejam evitados alguns erros que

poderiam causar danos nos equipamentos ou mesmo ao projetista. Além disso, o facto de

se simular o circuito antecipadamente proporciona uma redução de gastos com

componentes, assim como do tempo que se demora a fazer a implementação prática.

Numa simulação computacional tem-se ainda a vantagem de se poder testar o sistema em

condições extremas de funcionamento.

Existem diversos tipos de ferramentas de simulação na área da eletrónica de

potência, umas mais gerais que permitem a simulação e até o desenvolvimento de

programas informáticos, de várias aplicações fora da área de eletrónica de potência.

Existem outras mais específicas para esta área de estudo que em princípio possibilitam

maior variedade de soluções e desempenhos mais aproximados da realidade.

PSIM

A ferramenta escolhida para a simulação do presente projeto foi o PSIM, da

Powersim Inc. Este software está essencialmente direcionado para simulações de análise e

controlo de circuitos de eletrónica de potência.

Os motivos da escolha desta ferramenta prendem-se com o facto de ser um

software muito capacitado para o desenvolvimento de circuitos de eletrónica de potência,

apresentando resultados de forma gráfica como se de um osciloscópio se tratasse. Na

figura 4-1 pode-se visualizar um exemplo de simulação em PSIM, neste caso simula-se

um inversor multinível, podendo verificar-se parte do aspeto do ambiente de trabalho



desta ferramenta, com alguns dos elementos que esta disponibiliza para construção dos

sistemas a simular.

Figura 4-1 - Ambiente de simulação em PSIM

Para os resultados da simulação, é aberta uma nova janela de uma aplicação deste

programa designada Simview. Na figura 4-2 tem-se um exemplo dos resultados de uma

simples simulação.

Figura 4-2 - Exemplo de resultados de uma simulação



4.2 Simulação de todo o sistema

Na figura 4-3, apresenta-se todo o sistema simulado em PSIM, salientando os

vários blocos de circuitos que estão integrados neste.

Figura 4-3 - Sistema simulado

A simulação do gerador eólico consiste na integração de dois módulos que o

software PSIM disponibiliza: o “Wind Turbine”, que serve de simulação para uma turbina

eólica, utilizando vários parâmetros como a velocidade inicial e velocidade base da

turbina, momento de inércia, potência e binário; e o “Permanent Magnet Synchronous

Machine”, que, como o próprio nome indica, se trata da máquina síncrona de ímanes

permanentes e é o gerador usado nestas simulações. Este módulo tem como parâmetros a

resistência no estator, as indutâncias no estator, a relação entre a tensão de pico e a

velocidade nominal do gerador, o número de polos e o momento de inércia.

O retificador é do tipo trifásico de onda completa não controlado, recebe as

tensões das 3 fases do gerador em sinal alternado e transforma-o num sinal contínuo. A

tensão de saída do retificador é contínua e será a tensão de entrada do inversor.

O inversor escolhido para o trabalho é do tipo monofásico de onda completa de 2

níveis porque é uma solução mais económica e cujo controlo possui menor complexidade.

No entanto, é uma solução que permite concretizar da mesma forma os objetivos a que

esta dissertação se propõe. Associado ao inversor, está um filtro LC, de forma a converter

a tensão de saída numa tensão sinusoidal com as características que se pretendem. Para

controlo dos interruptores do inversor é desenvolvido um circuito de controlo que liga às

gates dos semicondutores.



4.3 Simulação do sistema de geração eólica

Esta parte de simulação consiste na integração dos módulos que o software PSIM

disponibiliza para simular o gerador síncrono de ímanes permanentes e a turbina eólica,

consoante está representado na figura 4-4.

Figura 4-4 - Simulação do gerador eólico

Nesta simulação é necessário ter em conta os parâmetros que a ferramenta PSIM

exige para a configuração destes dois módulos. Para a potência da turbina decidiu-se

atribuir um valor próximo dos 160W, uma vez que é um valor aproximado da potência

nominal do motor que na implementação prática é usado em substituição da turbina. Para

a velocidade do vento que faz girar a turbina, optou-se por um valor de 15 m/s. No

gerador tentou-se aproximar alguns dos valores da simulação aos valores que realmente

são usados na implementação prática, como a velocidade de sincronismo de 3000 rpm e a

tensão de fase de 120 V. Desta forma, as tensões compostas (Vab, Vbc e Vca) obtidas à

saída do gerador estão ilustradas no gráfico da figura 4-5.

Figura 4-5 - Tensões Compostas Vab, Vbc e Vca à saída do gerador



4.4 Simulação do Retificador

Associado ao sistema do gerador eólico já implementado, colocou-se o retificador

trifásico de onda completa não controlado.

Figura 4-6 - Circuito do retificador ligado ao módulo do gerador eólico

Os valores dos parâmetros dos módulos turbina e gerador mantêm-se. À saída do

retificador, foi colocado um condensador de 1 mF, para que se reduza o riplle da onda

retificada. A carga usada à saída do retificador tem um valor de 80 Ω. As formas de onda

de tensão e corrente na carga estão representadas na figura 4-7.

Figura 4-7 - Formas de onda de tensão e corrente na carga à saída do retificador



Caso não tivesse sido colocado o condensador à saída da ponte retificadora, a

tensão na carga apresentaria uma variação entre 154 V e 191 V a uma frequência de

474 Hz, como representado na figura 4-8.

Figura 4-8 - Riplle na tensão de saída, sem condensador

Colocando o condensador em paralelo com a ponte retificadora, é possível

atenuar o ripple para um valor muito reduzido. Na figura 4-9 pode-se visualizar o ripple

da tensão na carga, de uma forma mais pormenorizada que na figura 4-7.

Figura 4-9 - Ripple da tensão na carga

Existe uma pequena variação na forma de onda de tensão de 0,14 V entre o valor

de pico e o valor mínimo da onda, valor quase insignificante comparado com os 37 V de

tensão de ripple iniciais.



4.5 Simulação do Inversor com controlo PWM unipolar

Após as simulações do gerador e do retificador, parte-se para o desenvolvimento

do inversor. Esta simulação pode-se considerar a mais importante de todo o sistema, uma

vez que é nesta que é determinada a frequência e amplitude das ondas de tensão e

corrente na carga ou que se ligam à rede elétrica.

Para a simulação do inversor, é necessário desenvolver também o sistema de

controlo aplicado aos seus semicondutores, uma vez sem este é impossível o inversor

funcionar, mas mais importante ainda é que é o sistema de controlo que vai ditar as

formas de onda da tensão e corrente à saída do inversor. A figura 4-10 representa o

desenho do inversor com controlo unipolar interligado com os sistemas de retificador,

gerador e turbina.

Figura 4-10 - Sistema implementado com inversor controlado por PWM unipolar

O sistema de controlo unipolar consiste em duas comparações diferentes de uma

onda sinusoidal com uma onda triangular, em que uma liga ao braço A do inversor e a

outra ao braço B. Na que liga ao braço A a tensão sinusoidal tem uma amplitude de 325 V

e frequência de 50 Hz e a tensão triangular com um duty-cycle de 0,5 uma amplitude de

325 V e uma frequência de 10 kHz. Na outra comparação, a onda triangular é a mesma e

a onda sinusoidal tem a mesma amplitude e frequência da onda sinusoidal usada na

comparação anterior, mas está desfasada 180º em relação a esta. Na figura 4-11 pode-se



verificar a forma de onda destas três tensões em que Vcontrol_positiva (com a cor verde)

corresponde à onda sinusoidal do comparador que liga ao braço A; Vcontrol_negativa (a

vermelho) à onda sinusoidal do comparador que liga ao braço B, com um desfasamento

de 180º de Vcontrol_positiva e Vtri à onda triangular.

Figura 4-11 - Formas de onda utilizadas para o controlo unipolar

Os sinais de controlo que resultam da comparação das ondas anteriores consistem

em impulsos elétricos com períodos muito diferentes uns dos outros. Assim, o sinal

elétrico obtido à saída dos comparadores é o representado na figura 4-12 (é de realçar que

este corresponde apenas a meio ciclo da onda, tempo de 0,01s).

Figura 4-12 - Formas de onda dos sinais comparados



Após comparado, o sinal de controlo que entra em cada um dos braços é negado

para os interruptores da parte inferior de cada braço, o que permite que estes comutem aos

pares na diagonal, como é esperado neste tipo de inversores. Dessa forma, o sinal obtido

está presente na figura 4-13, onde se pode visualizar as ondas de tensão e corrente à saída

do inversor.

Figura 4-13 - Tensão e Corrente à saída do inversor

Pode-se verificar na figura que o sinal de corrente e tensão demora alguns

milissegundos a atingir o valor de pico e estabilizar nesse valor, isso deve-se ao facto de o

sistema estar ligado aos módulos anteriores, que já apresentavam esse crescimento no

instante inicial para os valores esperados nas suas formas de onda. A razão desse declive

deve-se ao facto da turbina e o gerador não começarem imediatamente a funcionar dentro

dos valores nominais.

As formas de onda de saída ainda não são as pretendidas, uma vez que apesar de

terem um valor alternado a uma frequência de 50 Hz, estas não apresentam um sinal

sinusoidal. No entanto, o sinal é constituído por vários impulsos (que na figura não são

percetíveis devido ao tempo de amostragem ser muito maior do que o tempo de duração

desses pulsos). Na figura 4-14 pode-se ver esses impulsos mais ao pormenor, na parte

correspondente à área assinalada na figura 4-13 pela letra ‘A’.

A



Figura 4-14 - Vista mais pormenorizada da tensão de saída

4.6 Simulação do Inversor com Filtro LC

Para que o sinal à saída de todo o sistema seja semelhante ao sinal da rede elétrica,

é necessário que ao sistema até aqui implementado seja ainda associado um filtro LC, de

forma a que a tensão à saída do inversor seja sinusoidal.

Figura 4-15 – Sistema simulado com filtro LC à saída do inversor

Para dimensionar o filtro LC, parte-se da equação 3.29 do subcapítulo 3.4. No

entanto, primeiramente é necessário determinar a frequência de corte .

Sabendo que a frequência de corte do filtro deve estar a uma década abaixo da

frequência dos impulsos de entrada, e sendo a frequência de comutação de 10 kHz, então:



Esse valor satisfaz a exigência de a frequência de corte ser pelo menos 30 vezes

superior à frequência da sinusoide na carga (50 Hz).

Então pela equação 3.29, se atribuir ao condensador uma capacidade de 25 µF, a

indutância da bobine é dada por:

Após a simulação com os valores dimensionados de condensador e da bobine,

obtém-se os sinais de tensão e corrente na carga representados na figura 4-16. Os valores

de pico da tensão e corrente são de 210,6 V e 2.63 A, respetivamente. O período da onda

é de 0,02 s, o que corresponde a uma frequência de 50Hz.

Figura 4-16 - Tensão e Corrente à saída do inversor com filtro LC



4.7 Simulação completa do sistema

Como a tensão obtida na carga tem um valor de pico de aproximadamente 210 V,

se se pretende que na saída de todo o sistema o valor da tensão seja o da rede elétrica, ou

seja 230 V eficazes, é necessário utilizar um transformador entre o filtro e a carga. A

figura 4-3, analisada anteriormente, ilustra todo o sistema simulado de forma a obter à

saída uma tensão de pico de 325 V e frequência de 50 Hz. Assim, na figura 4-17 estão

representadas formas de onda de tensão e corrente na carga.

Figura 4-17 - Tensão e corrente na carga com o sistema completo simulado

Um aspeto a ter em conta antes de realizar a implementação prática do sistema, é

conhecer a corrente na drain ( ) dos semicondutores do inversor e a tensão aos seus

terminais ( ), de forma a que se escolham semicondutores capazes de suportar os

valores previstos. Nas figuras 4-18 e 4-19 estão representadas as formas de onda da

tensão (para um curto intervalo de tempo, de forma a que se possa analisar a

modulação da onda) e da corrente na drain , respetivamente.



Figura 4-18- Tensão aos terminais dos semicondutores do braço A

Figura 4-19 - Corrente na drain dos semicondutores no braço A

Pela análise ao valor de pico das correntes ( ) e da tensões ( ) em cada um dos

semicondutores do inversor chega-se à conclusão que os mosfets ou IGBTs a adquirir

para a montagem do inversor têm de ter como características uma tensão entre a drain e

source superior a 210 V e corrente na drain superior a 4 A. Preferencialmente, devem ter

tensões e correntes com valores consideravelmente superiores a estes, de modo a que haja

uma margem de segurança dos componentes.



Capítulo 5

Implementação e Resultados Experimentais

Neste capítulo apresentam-se as montagens implementadas em laboratório para a

realização do sistema proposto nesta dissertação, assim como os resultados dos testes

experimentais feitos ao sistema.

5.1 Sistema de geração de energia

Uma vez que não foi possível utilizar uma turbina eólica para a realização deste

trabalho, utilizou-se um sistema de geração composto por duas máquinas, um motor e um

gerador, existentes nos laboratórios de máquinas elétricas do Departamento de Eletrónica

Industrial.

O motor série universal utilizado tem a referência “Feedback ETL174A”, as suas

características nominais são as seguintes:

Alimentação CA (Monofásico) ou CC.

P = 1/4 HP (CA) ou 1/3 HP (CC).

V = 120 V (CA) ou 120 (CC).

I = 4 A.

N = 2000 rpm.

Nos testes feitos com este motor, este é alimentado em corrente alternada por um

autotransformador monofásico variável (VARIAC), que tem como objetivo variar a

tensão de entrada no motor, e consequentemente variar a velocidade de rotação do motor,

a velocidade de rotação do gerador e a tensão em cada fase do gerador.

O gerador utilizado, “Feedback ETL174G”, é do tipo síncrono de rotor bobinado,

é trifásico e tem as seguintes características:

P = 1/3 HP.

= 120 V (CA).

= 1,2 A (CA).

= 3000 rpm.

O eixo do gerador está acoplado mecanicamente ao motor de forma a receber a

energia mecânica de rotação do motor e transformá-la em energia elétrica. Para excitação



do enrolamento de campo foi necessário utilizar uma fonte de tensão CC. Na figura 5-1

pode-se visualizar o sistema de geração, motor e gerador acoplados, o VARIAC ligado ao

motor e a fonte de tensão em modo CC conectada ao enrolamento de campo do gerador.

Pode também visualizar-se na imagem, por trás do conjunto motor e gerador, alguns dos

aparelhos de medida utilizados.

Figura 5-1 - Sistema de geração de energia e aparelhos auxiliares

A velocidade do motor série universal é extremamente dependente da carga que

lhe está acoplada, fator que implica que se tenha o cuidado de não permitir que a sua

velocidade alcance valores muito elevados, uma vez que isto pode levar à destruição do

motor [41]. O aparelho utilizado para medição da velocidade de rotação do gerador foi

um tacómetro (PROVA Instrumentals), que se pode visualizar na figura 5-2.

Figura 5-2 – Tacómetro utilizado para medição de velocidade



Os testes realizados com o gerador a operar em vazio a uma velocidade de

3000 rpm, ou seja a velocidade nominal do gerador, e com uma corrente de excitação de

1,5 A, para uma das fases à saída do gerador, revelam a forma de onda da figura 5-3. Em

que a tensão de pico assume um valor máximo aproximado de 185 V e a frequência é de

50,97 Hz. Foi também realizado o mesmo teste para as restantes fases e a forma de onda é

igual, o que difere é o desfasamento de 120º entre elas.

Figura 5-3 - Tensão numa das fases do gerador síncrono a operar em vazio

5.2 Circuito do retificador

Este circuito do conversor CA-CC foi desenvolvido com o objetivo de retificar a

tensão alternada gerada para um valor contínuo. Uma vez que as tensões geradas pelo

gerador síncrono são trifásicas, e que o controlo da tensão de saída se pretende fazer no

circuito do inversor, o retificador utilizado foi do tipo retificador trifásico de ponte

completa não controlado.

A ponte retificadora adquirida para esta implementação foi a 26MT80 da Vishay,

que tem como características técnicas mais relevantes o facto de admitir uma tensão

máxima de operação de 800 V e uma corrente máxima de 25 A [42], valores bastante

superiores em relação aos valores de tensão e corrente que se previu utilizar, mas que

garantem maior fiabilidade do circuito, assim como a possibilidade de ser utilizada em

outros projetos que exijam valores superiores. A figura 5-4 mostra de forma esquemática

o circuito do retificador implementado.



Figura 5-4 - Esquema do circuito retificador implementado

O condensador que se previu utilizar nas simulações para a redução do ripple tem um

valor de 1 mF, no entanto como não foi possível adquirir condensadores com essa

capacidade e com valores de tensão suficientes para os previstos no circuito, optou-se por

colocar quatro condensadores de 4,7 mF e tensão de 63 V em série. Ao colocá-los em

série a tensão do conjunto de condensadores aumenta para 4 vezes mais o seu valor, ou

seja 252V, valor que satisfaz uma vez que conforme analisado na figura 5-3 a tensão de

pico numa das fases do gerador é de 185 V, sendo essa a ordem de valores pretendida no

retificador. A capacidade total dos condensadores em serie passa a ser aproximadamente

1,18 mF, valor que fica próximo do pretendido. O cálculo da capacidade total é dado por:

Figura 5-5 - Circuito retificador implementado



Este retificador foi testado alimentado pelas tensões trifásicas do gerador síncrono

a uma velocidade próxima da sua velocidade nominal (3000 rpm) e com uma carga

resistiva à sua saída de aproximadamente 80 Ω. A tensão obtida na carga é contínua com

um valor de 150 V, como se pode verificar pela figura 5-6.

Figura 5-6 - Tensão à saída do retificador

5.3 Circuito de comando

O circuito de comando implementado consiste em dois circuitos interligados, o

circuito do microcontrolador, responsável pela geração dos sinais PWM a enviar para a

gate dos Mosfets do inversor, e o circuito de drive.

5.3.1 Microcontrolador

O microcontrolador escolhido para efetuar as operações de controlo foi o

PIC18F4431 da Microship Technology. A opção por este microcontrolador deveu-se ao

facto de este satisfazer as condições necessárias para aquilo que se pretende neste projeto

e por ser uma aquisição de baixo custo.

Figura 5-7 - PIC18F4431



Este microcontrolador é usado com frequência em muitos projetos de eletrónica de

potência, visto que contém módulos específicos para a sua utilização neste tipo de

projetos. A tensão de alimentação do microcontrolador é de 5 V e a sua programação é

feita através de memória flash e EEPROM. As principais características que este

microcontrolador apresenta são: um módulo Conversor Analógico Digital (CAD); 16384

Bytes de memória de programa; 8 saídas PWM; 768 bytes de RAM; 256 bytes de

EEPROM; 1 Timer de 8 bits e 3 Timers de 16 bits. Na figura 5-8 pode-se verificar o

diagrama de pinos do PIC, com alguns dos módulos referidos.

Figura 5-8 - Diagrama de pinos do PIC18F4431 [43]

De entre as suas características destaca-se o módulo PWM, 14-Bit Power Control

PWM Module, utilizado neste trabalho, pois simplifica a programação da geração do

sinal de controlo PWM a enviar para os semicondutores de potência do circuito inversor.

Este módulo possui 8 saídas para o controlo PWM, que podem funcionar em modo

independente, ou então divididas em 2 grupos de quatro, em que para cada uma das

quatro saídas existem outras quatro invertidas [43]. Outra característica interessante é o

facto de permitir a programação do dead-time, para que se impeçam curto-circuitos

durante a comutação dos braços do inversor.

Na figura 5-9 pode-se verificar o esquema de ligações realizadas com o

PIC18F4431. Destas pode-se destacar um cristal de 20 MHz ligado entre o pino 13 e 14,

de forma a que o tempo por cada instrução seja de 0,2 µs; os pinos 39 e 40 são os que

estabelecem a comunicação com o programador para a realizar a respetiva programação

do PIC [44]; os pinos entre 33 e 36 são os pinos definidos para realizar o contro PWM e



estão ligados ao circuito de drive; no pino 37 foi programado um código para que se

coloque o LED a piscar a um intervalo de tempo de 0,5 s, para que se tenha a perceção de

quando o circuito está ligado.

Figura 5-9 - Esquema de ligação do microcontrolador

A programação do código de controlo foi realizada e compilada no software CCS

C Compiler, onde estão disponíveis bibliotecas e outros módulos úteis para a

programação deste microcontrolador. A linguagem de programação utilizada foi a

linguagem C, uma vez que se trata de uma linguagem de alto nível e com a qual já existe

uma familiarização por parte do realizador desta dissertação.

Depois de compilado, o código foi importado para o software MPLAB, também

uma ferramenta de programação de microcontroladores deste género. Foi através desta

ferramenta que se estabeleceu a comunicação e enviou o código compilado para o

dispositivo de interface entre o computador pessoal e o microcontrolador. O dispositivo

de programação utilizado foi o ICD2 In Circuit Debugger da Microship, figura 5-10. Que

transfere o código para o microcontrolador através dos pinos PGC e PGD.



Figura 5-10 - Programador MPLAB ICD2 In Circuit Debugger

Os sinais de controlo PWM gerados pelo microcontrolador podem ser

visualizados na figura 5-11. Estes têm uma amplitude de 5 V e uma frequência de

10,14 kHz. Nesta figura estão presentes as formas de onda de PWM2 e PWM3 que são

complementares. Os sinais de PWM0 e PWM1 são iguais a estes.

Figura 5-11 - Formas de onda dos sinais de controlo gerados pelo microcontrolador

5.3.2 Circuito de drive

O circuito drive foi implementado com o objetivo de fazer um interface entre o

circuito de controlo do microcontrolador e o circuito inversor. A necessidade deste

circuito prende-se com o facto de os sinais de controlo gerados pelo microcontrolador não

terem um valor de tensão suficiente para fazer comutar os semicondutores do inversor,



uma vez que o nível de tensão produzido pelo microcontrolador é 5 V. Além disso, este

proporciona isolamento elétrico entre o circuito de potência e o microcontrolador.

Um acoplador ótico tem a finalidade de garantir o isolamento elétrico entre o seu

estágio de entrada e o de saída. O isolamento é conseguido uma vez que quando é

aplicado um sinal elétrico de 5 V, este é transmitido por um feixe de luz produzido por

um fotodíodo e recebido por fototransístor, mas quando à entrada do circuito o sinal

elétrico for de 0 V o fototransístor fica ao corte, o que impede que haja condução.

Os acopladores óticos utilizados foram os VO3120 da Vishay Semiconductors.

Estes, além do isolamento elétrico, permitem o aumento da tensão do sinal gerado pelo

microcontrolador para os valores necessários para fazer os mosfets do inversor comutar.

Figura 5-12 - Acoplador ótico VO3120 e o seu esquema interno[45]

Para que os sinais do circuito de controlo possam ser utilizados no inversor é

necessário que os acopladores óticos tenham massas diferentes para que não provoquem

curto-circuitos nos braços do inversor. Desta forma foi necessário colocar três fontes de

alimentação CC de 17 V à saída dos acopladores óticos, uma para cada um dos

acopladores/mosfets, exceto nos do braço inferior (A- e B-) porque que têm a source em

comum e portanto puderam partilhar a mesma fonte. Na figura 5-13, pode-se visualizar o

esquema de ligação de um dos acopladores óticos entre o sinal de controlo recebido do

microcontrolador e a gate e source do mosfet.

Figura 5-13 – Esquema de ligação do acoplador ótico.



Na figura 5-14 pode-se verificar todo o circuito de controlo implementado na

prática.

Figura 5-14 - Circuito de controlo implementado

As formas de onda da tensão que sai do circuito de controlo e irá alimentar os

mosfets estão representadas na figura 3-15. Estas têm uma forma de onda igual à da

tensão na saída do microcontrolador (figura 5-11), mas com uma amplitude de 17 V,

devido ao efeito das fontes CC ligadas à saída dos acopladores óticos.

Figura 5-15 - Sinais de controlo a enviar para os mosfets



5.4 Circuito do Inversor

O conversor CC-CA implementado é do tipo VSI monofásico de ponte completa,

tal como já foi utilizado nas simulações computacionais. Este circuito contém cinco

ligadores diferentes para ligações externas ao circuito: um para receber a tensão contínua

proveniente do retificador, outro para receber a tensão proveniente do circuito de

controlo, outro para fornecer a tensão de saída à carga, e ainda mais dois para a bobine e

condensador do filtro LC.

O esquema de ligação do circuito inversor implementado está representado na

figura 5-16, em que A+,A-,B+,B- representam os semicondutores do inversor, C e L os

ligadores para o condensador e a bobine do filtro LC, o ligador para as tensões

provenientes do circuito de controlo e que ligam à gate e source de cada um dos

semicondutores, Vi os pontos de ligação para a tensão de entrada do circuito e Vo o

ligador para a tensão de saída que liga o circuito a uma carga.

Figura 5-16 - Esquema de ligação do circuito inversor

Os semicondutores utilizados nesta implementação foram quatro mosfets da marca

Siemens, modelo BUZ90, que tem como características: tensão máxima entre drain e

source ( ) de 600 V, possui uma resistência interna entre a drain e source ( ) de

1,6 Ω e corrente máxima admitida na drain (Id) igual a 4,5 A. Estes semicondutores

foram adquiridos gratuitamente nas oficinas do Departamento de Eletrónica Industrial.

A figura 5-17 mostra o circuito inversor com o filtro LC e ligado ao circuito de

controlo.



Figura 5-17 - Circuito inversor com filtro LC, ligado ao circuito de controlo

Este circuito foi testado inicialmente aparte do restante sistema, com uma fonte de

tensão contínua, que estava disponível no laboratório. A carga utilizada é do tipo resistiva

de 80 Ω.

A forma de onda da tensão na carga à saída do inversor, sem filtro LC está

representada na figura 5-18. A tensão de pico tem um valor aproximado de 60 V, tal

como a tensão contínua à entrada do inversor. O período da onda é de 20 ms, o que

implica que esta tenha uma frequência de 50 Hz.

Figura 5-18 - Forma de onda da tensão à saída do inversor

O filtro LC utilizado consiste numa bobine de 1 mH e condensadores em série

com uma capacidade total de 17 µF. A tensão depois de filtrada tem a forma de onda da

figura 5-19.



Figura 5-19 - Forma de onda da tensão á saída do inversor com filtro LC

5.5 Sistema Completo

O sistema implementado consiste na interligação dos vários circuitos até aqui

descritos neste capítulo. Assim, à saída do conjunto motor-gerador, está ligado retificador

trifásico implementado, que alimenta o inversor. Este está também ligado ao circuito de

controlo, que contém o microcontrolador ligado ao programador e o circuito de drive

alimentado por três fontes CC de 17 V. À saída do inversor está ligada a carga resistiva de

80 Ω.

Figura 5-20 - Sistema implementado

Não foi possível obter à saída o valor da tensão previsto com o gerador à

velocidade nominal, devido aos vários picos de tensão que o circuito apresentava. Assim



sendo, o valor da tensão na carga registado, com todo o sistema ligado, foi com uma

tensão contínua de entrada no inversor de 69 V.

Figura 5-21 - Tensão à saída do retificador com todo o sistema ligado

A tensão na carga, à saída do inversor com filtro LC, com todo o sistema ligado é

a representada na figura 5-22. Com aproximadamente 60 V de pico e com uma frequência

próxima dos 50Hz.

Figura 5-22 - Tensão na carga com todo o sistema ligado

A corrente na carga tem a mesma forma de onda da tensão, uma vez que a carga é

resistiva.



Capitulo 6

Conclusões e Trabalho Futuro

6.1 Conclusões

O objetivo principal desta dissertação consistiu no desenvolvimento de um

conversor que permitisse que um gerador elétrico alimente uma carga com uma tensão

com as mesmas características da rede elétrica nacional. Desta forma, foram

implementados e testados os circuitos previstos para a realização do projeto.

A componente teórica descrita no segundo capítulo desta dissertação proporcionou

uma melhor compreensão do estado da arte, desde o estado atual da energia eólica na

Europa e em Portugal até ao modo de funcionamento das turbinas eólicas, sua

constituição e vários tipos de turbinas.

No terceiro capítulo foi feita uma análise e descrição dos vários tipos de

tecnologias possíveis de utilizar na realização de um projeto com a temática desta

dissertação. Deste modo, conseguiu-se perceber o modo de funcionamento dos geradores

elétricos mais usados em geradores eólicos, assim como das várias topologias de interface

entre os geradores e a rede elétrica que são conhecidas. Estas topologias revelaram os

tipos de conversores eletrónicos utilizados neste tipo de interface. Deste modo, foi feita

uma descrição do modo de funcionamento dos diversos tipos de conversores possíveis de

serem utilizados neste projeto, para que antes de construir esses circuitos em situações

práticas se faça o dimensionamento e escolha correta dos componentes e se tenha a

perceção do seu comportamento.

Antes de realizar a implementação prática dos circuitos foi essencial simulá-los

em software computacional, uma vez que só assim se pôde prever o funcionamento do

circuito em termos práticos. Esta fase foi determinante para realizar o dimensionamento

dos componentes a utilizar, assim como para ter noção dos valores de tensão e corrente a

que estes viriam a estar sujeitos.

Os resultados obtidos nas simulações foram ao encontro do que era esperado, o

sistema de geração foi capaz de gerar tensões trifásicas semelhantes às do gerador

utilizado na prática, o retificador converteu as tensões alternadas à sua entrada em tensão

contínua com um ripple reduzido na saída. O inversor foi capaz de converter a tensão



contínua à sua entrada numa tensão sinusoidal com uma frequência de 50 Hz, através do

método de controlo PWM unipolar e de um filtro LC na sua saída.

A implementação prática foi realizada nas mesmas condições da simulação

computacional. O controlo foi programado em linguagem C, o seu circuito constituído

por um microcontrolador 18F4431 e quatro acopladores óticos alimentados por

fontes CC, geraram os sinais de controlo para a comutação dos mosfets de acordo com o

previsto. O retificador e o sistema de geração também tiveram o comportamento

esperado. O circuito inversor foi capaz de converter a tensão contínua à sua entrada numa

tensão alternada sinusoidal à saída com uma forma de onda semelhante à da rede elétrica

e com a mesma frequência (50 Hz), no entanto com uma amplitude substancialmente

mais baixa. A razão para que esse objetivo não tenha sido concretizado prende-se com o

facto de existir algum ruído no circuito, que impediu o normal funcionamento do circuito

com valores mais altos de tensão e corrente.

De forma a reduzir o ruido eletromagnético que causa interferências no circuito

inversor foi reduzido o comprimento dos fios condutores do circuito de controlo, no

entanto as melhorias foram pouco significativas. Algumas possíveis soluções para esse

problema seriam a implementação dos circuitos em placas de circuito impresso de forma

a melhorar o desempenho de todos os circuitos e torna-los mais imunes a interferências

externas aos circuitos e a utilização de circuitos snubbers em paralelo com os

semicondutores do circuito inversor.

Em suma, pode-se concluir que os objetivos desta dissertação foram concretizados

com sucesso, com a exceção de apenas se ter conseguido obter na saída de todo o sistema

uma tensão com amplitude de 60 V.

6.2 Propostas de Trabalho Futuro

Em trabalhos que no futuro se baseiem na mesma temática da presente dissertação

podem ser perspetivados novos desafios que nesta não foram contemplados.

De forma a tornar o projeto mais próximo da realidade seria interessante que o

sistema implementado fosse interligado com uma turbina eólica em substituição do

conjunto motor e gerador utilizado.

Um dos motivos que levou a que não se concretizasse o objetivo de garantir 325 V

de tensão na carga prende-se com a existência de picos de tensão, como já explicado

anteriormente, uma vez que no caso de aumentar a tensão de entrada no inversor, e



consequentemente a corrente que por ele passa, poderia causar danos ao circuito,

nomeadamente nos semicondutores. Uma forma de reduzir estes picos de tensão seria a

implementação de circuitos snubbers em paralelo com os semicondutores do inversor.

Como previsto nas simulações seria também necessário utilizar um transformador

elevador para obter a tensão de 230 V eficazes, uma vez que o gerador a operar à

velocidade nominal de 3000 rpm apenas consegue uma tensão máxima de cerca de 120 V

eficazes.



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