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Licenciatura Engenharia Electrónica e
Telecomunicações
HHHH2222OPowerOPowerOPowerOPower Sistema
de Microprodução de Electricidade nas Levadas da Ilha da Madeira
Relatório da Cadeira de Projecto
Alunos:
Alice Alice Alice Alice Sofia Xavier de Sofia Xavier de Sofia Xavier de Sofia Xavier de Andrade Andrade Andrade Andrade PedroPedroPedroPedro Miguel Pestana Miguel Pestana Miguel Pestana Miguel Pestana Camacho Camacho Camacho Camacho
Orientador:
Prof. João Dionísio Simões Barros
Outubro 2009
ii
iii
RESUMO
Neste projecto final de curso, denominado por H2OPower, pretende-se
implementar um sistema de microprodução de electricidade nas levadas de rega da Ilha
da Madeira.
Este trabalho dividiu-se em 3 fases:
a) Revisão bibliográfica sobre a energia hidráulica e microprodução de
electricidade;
b) Implementação de um sistema de conversão de energia hidráulica em
eléctrica;
c) Projectar um sistema de conversão e controlo da energia a injectar na rede
eléctrica de energia.
Para atingir os objectivos destas fases, foram abordados vários temas,
nomeadamente hidráulica, rede eléctrica de energia, legislação sobre a microprodução
de electricidade, turbomáquinas, motores e electrónica de energia.
Para a realização deste trabalho, foi calculada a potência de uma levada de modo
a escolher a turbina e o motor mais adequados ao projecto, para que assim fosse
possível injectar a energia produzida pelo sistema H2OPower na rede de energia.
iv
ABSTRACT
The aim of this final project concerned by H20Power, is to implement a system
of microproduction of electricity in the watering “Levadas” of Madeira Island.
This project is divided into 3 phases:
a) Bibliographic revision of hydraulic power and microproduction of
electricity;
b) Implementation of a system that transforms hydraulic power into electrical;
c) Project a system that transforms and controls the energy that is injected in
the electric network of energy.
To reach the goals of these phases, different themes have been cited, namely
hydraulics, electric network of energy, legislation of microproduction of electricity,
turbomachinery, motors and electronics of energy.
For this work, it has been calculated the power of a “Levada” in the segment of
selecting a turbine and the most appropriate motor for this project, so it could be
possible to inject the energy produced by the system H20Power in the network of
energy.
v
AGRADECIMENTOS
• Ao Prof. Doutor Dionísio Barros, pela orientação e pela motivação dada a este
trabalho
• Ao Prof. Doutor Herlander Mata-Lima, por ter ajudado na análise hidráulica.
• À Eng. Maria da Luz Jardim, pela disponibilidade em ajudar a nível burocrático.
• Ao Eng. Filipe Santos, por toda a ajuda dada.
• Ao Henrique Nunes, por facultar o micro controlador contido numa placa de
circuito impresso.
• Ao Guido Silva, pela indicação de uma levada com as especificações
necessárias.
• Ao João Santos por ter realizado o trabalho metalúrgico.
• A todos os colegas, pelo apoio moral.
• À família.
vii
ÍNDICE
Capítulo 1 Capítulo 1 Capítulo 1 Capítulo 1 – Introdução ................................................................................................................... 1
1.1. Motivação .......................................................................................................................... 1
1.2. Objectivos .......................................................................................................................... 2
1.3. Organização ...................................................................................................................... 3
Capitulo 2Capitulo 2Capitulo 2Capitulo 2 – Revisão literária.......................................................................................................... 5
2.1. Energia Hidráulica................................................................................................................. 5
2.1.1 Análise hidráulica...................................................................................................... 6
2.2. Legislação portuguesa sobre a microprodução de electricidade (Decreto-Lei n.º 363/2007)..................................................................................................................................... 8
2.2.1. Objecto....................................................................................................................... 8
2.2.2. Âmbito........................................................................................................................ 8
2.2.3. Acesso à actividade de produção .......................................................................... 8
2.2.4. Direitos do produtor................................................................................................. 9
2.2.5. Deveres do produtor ................................................................................................ 9
2.2.6. Actividade de instalação ......................................................................................... 9
2.2.7. Regimes remuneratórios ........................................................................................ 9
2.2.8. Inspecção ................................................................................................................10
2.2.9. Contagem de electricidade...................................................................................10
2.2.10. Regiões Autónomas ............................................................................................10
2.3. Redes eléctricas..................................................................................................................11
2.3.1. Tensão nominal ......................................................................................................11
2.3.2. Função .....................................................................................................................11
2.3.3. Estrutura topológica...............................................................................................12
2.4. Máquinas eléctricas ...........................................................................................................15
2.4.1. Máquinas de corrente alternada (CA) .................................................................15
2.4.2. Máquinas síncronas...............................................................................................15
2.4.3. Tensão gerada ........................................................................................................16
2.5. Conversores electrónicos em ponte.................................................................................18
2.5.1. Rectificação: Conversão CA-CC............................................................................18
2.5.2. Inversão: Conversão CC-CA...................................................................................19
2.6. Controlo por modo de deslizamento ...............................................................................21
Capítulo 3Capítulo 3Capítulo 3Capítulo 3 – Sistema de conversão de Energia Hidráulica nas levadas da Madeira...........25
3.1. Sistema global de conversão............................................................................................25
3.1.1. Levada......................................................................................................................25
3.1.2. Turbina .....................................................................................................................28
3.1.3. Gerador ....................................................................................................................30
3.1.4. Rectificador .............................................................................................................31
viii
3.1.5. Inversor ....................................................................................................................31
3.1.6. Filtro .........................................................................................................................31
3.1.7. Microcontrolador ....................................................................................................32
3.1.8. Rede eléctrica.........................................................................................................33
3.2. Controlo por modo de deslizamento ...............................................................................33
3.3. Modelos ................................................................................................................................34
3.3.1. Conversores.............................................................................................................34
3.4. Protótipo...............................................................................................................................35
Capítulo 4Capítulo 4Capítulo 4Capítulo 4 – Simulação e Resultados experimentais...............................................................37
4.1. Simulação de todo o sistema ...........................................................................................37
4.1.1. Rectificação ............................................................................................................37
4.1.2. Inversão, controlo e filtragem ..............................................................................38
4.2. Circuitos electrónicos .........................................................................................................42
4.2.1. Rectificador .............................................................................................................42
4.2.2. Inversor / Driver......................................................................................................43
4.2.3. Sensores ..................................................................................................................44
4.2.4. Filtro .........................................................................................................................46
4.3. Resultados experimentais.................................................................................................47
4.3.1. Teste ao gerador.....................................................................................................47
4.3.2. Teste ao rectificador ..............................................................................................48
4.4. Comparação dos resultados .............................................................................................49
4.4.1. Rectificação ............................................................................................................49
4.4.2. Inversão ...................................................................................................................51
Capitulo 5Capitulo 5Capitulo 5Capitulo 5 – Conclusões ................................................................................................................53
5.1. Conclusões gerais ...............................................................................................................53
5.2. Trabalhos futuros ................................................................................................................54
Referências ......................................................................................................................................55
Anexos ..............................................................................................................................................57
Anexo A – Algoritmo do método de controlo por modo de deslizamento ........................59
Anexo B – Código em linguagem C utilizado no microcontrolador AVR 90USB1287 para implementar o controlador do sistema H2O Power ..............................................................60
Anexo C – Esquema utilizado na simulação do sistema H2O Power .................................64
Anexo D – Circuito impresso do rectificador ..........................................................................65
Anexo E – Circuito inversor H2O Power ...................................................................................67
Anexo F – Sensor de corrente...................................................................................................69
Anexo G – Sensor de tensão.....................................................................................................72
1
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
1.1. MOTIVAÇÃO
O crescimento económico verificado nos últimos anos fez aumentar a produção
industrial e o consumo de energia proveniente de combustíveis fosseis. A utilização
destes combustíveis fez aumentar a poluição no planeta, pois eles libertam CO2 para a
atmosfera. A grande quantidade de CO2, provocou uma diminuição na camada de
Ozono que envolve o planeta, desenvolveu assim um ‘buraco’ com cerca de 25 milhões
de km2, por onde é propícia a entrada de raios ultra-violeta que são prejudiciais ao
Homem [1].
É dever do Homem proteger o seu planeta, para isso ele deve aproveitar as
energias provenientes de fontes naturais. De notar que, a quantidade de energia que o
Homem utiliza, na Europa, provenientes de fontes naturais, é apenas de 4,9%, da
utilizada, sendo que os restantes 95,1% provêm de energias fósseis. Por isso, agora, o
plano da União Europeia é alterar estas percentagens para cuidar do planeta Terra, pois
até 2020 é pretendido reduzir o consumo de energias fósseis em 20% [2].
A ilha da Madeira é uma região que possui muitos percursos de água de rega,
cerca de 2000 km de água em pouca área, e além disso tem um desnível topográfico
favorável ao aproveitamento de energia proveniente do movimento da água que
percorrem as levadas [3].
Como alunos de Licenciatura em Engenharia Electrónica e Telecomunicações
e como jovens temos o dever de aplicar os conhecimentos adquiridos para o cálculo de
sistemas alternativos de produção de energia eléctrica, a partir de fontes de energia
renováveis.
2
1.2. OBJECTIVOS
Neste projecto de final de licenciatura pretendeu-se:
Realizar a revisão literária sobre energia hidráulica, rede eléctrica de energia,
legislação portuguesa sobre a microprodução de electricidade, geradores
eléctricos de energia hidráulica, fundamentos de electrónica de energia;
Estudar o potencial energético das levadas da Ilha da Madeira de modo a realizar
o estudo teórico, de simulação e de verificação experimental da potência da
energia hidráulica;
Escolher e construir uma turbina que optimize a transferência da energia
hidráulica em energia mecânica;
Estudar o modelo do gerador eléctrico e realizar a simulação no SIMULINK do
gerador em regime estacionário e em regime dinâmico e, também, estudar o
princípio de funcionamento de um inversor com controlo por modo de
deslizamento da tensão AC;
Realizar testes experimentais em laboratório para medir a potência, correntes e
tensões do alternador de conversão de energia hidráulica em energia eléctrica;
Analisar modelos do inversor de tensão AC e projectar e realizar a simulação de
controladores da tensão AC do inversor;
Simular o sistema de microprodução de electricidade a partir de energia
hidráulica;
Construção de um protótipo laboratorial do sistema de microprodução de
electricidade.
3
1.3. ORGANIZAÇÃO
Este relatório está organizado em cinco capítulos de modo a agrupar todos os
objectivos deste trabalho. Sendo assim a divisão em capítulos segue a seguinte ordem:
Capítulo 1 - Introdução
o Neste capítulo é realizada a introdução ao projecto, onde é
apresentada a motivação para a realização do trabalho e são
enumerados os objectivos para o mesmo, sendo assim neste capítulo
é apresentada uma noção geral do relatório e do trabalho.
Capítulo 2 – Revisão Literária
o Neste capítulo são apresentadas as noções teóricas necessárias à
realização do trabalho, nomeadamente sobre a energia hidráulica, a
legislação portuguesa sobre a microprodução de electricidade, redes
eléctricas, máquinas eléctricas, conversores electrónicos em ponte e
controlo por modo de deslizamento.
Capítulo 3 – Sistema de conversão de energia hidráulica nas levadas da
Ilha Madeira
o É apresentado sistema a desenvolver, assim como a descrição e
caracterização detalhada de todos os blocos envolvidos no sistema.
São realizadas as deduções das leis de controlo por modo de
deslizamento, apresentado o modelo da corrente e o protótipo do
sistema H2OPower.
Capítulo 4 – Simulação e Resultados Experimentais
o É realizada a simulação dos vários blocos do sistema H2OPower,
assim como do sistema completo no MatLab Simulink. São
enumerados os componentes utilizados para a construção dos vários
circuitos necessários para o sistema H2OPower. No final do
capítulo, estão mostrados os resultados experimentais realizados ao
longo de todo o trabalho.
Capítulo 5 – Conclusões
o No último capítulo deste relatório, estão descritas as conclusões de
todo o trabalho, assim como trabalhos que poderão dar continuação
ao trabalho apresentado neste relatório.
5
CAPITULO 2 – REVISÃO LITERÁRIA
2.1. ENERGIA HIDRÁULICA
A energia hidráulica é aquela que é produzida através do movimento da água,
usa a energia cinética e potencial da água para produzir electricidade. Este tipo de
energia manifesta-se na natureza nos rios, lagos, entre outros fluxos de água e pode ser
aproveitada pelo desnível do terreno ou pelo escoamento de grandes quantidades de
água. Utilizando turbinas, a energia hidráulica pode ser convertida em energia mecânica
e consequentemente esta última é convertida em energia eléctrica [4].
Como todas as energias, a energia hidráulica apresenta vantagens e desvantagens
que são apresentadas na tabela I [5]:
TABELA I – VANTAGENS E DESVANTAGENS DA ENERGIA HIDRÁULICA.
VANTAGENS DESVANTAGENS A energia é produzida a
partir de uma fonte contínua, neste caso, o movimento da água.
Não polui o meio ambiente.
O movimento das turbinas utilizadas nos cursos de água pode provocar ruído;
Tem de ser efectuada uma vigilância e manutenção do equipamento periodicamente;
Muitas vezes, o curso de água fica em lugares de difícil acesso.
6
2.1.1 ANÁLISE HIDRÁULICA
As forças que determinam o escoamento de fluidos com superfície livre são a
força da gravidade (peso do fluido) e a força de resistência viscosa (atrito do fluido com
as paredes do canal que orienta o seu movimento).
Para calcular a potência do fluxo de água utilizou-se a seguinte expressão:
. (2.1)
Onde P é a potência em watts, ρ é densidade volúmica [ρH2O=1000kg/m3], g é a
aceleração da gravidade [g=9,8 m/s2], Q é o caudal [m3/s] e H é a queda [m].
O caudal, Q, é dado por:
, (2.2)
onde v é a velocidade do fluido [m/s] e A é a área ocupada pelo fluido [m2].
Pela figura 1 tem-se que a área é dada por:
. (2.3)
Figura 1 - Secção recta do canal.
A inclinação do leito em relação à horizontal é quantificada pelo seu declive, e
denota-se por J.
Pela análise da figura 2 pode-se verificar que o declive é dado por:
. (2.4)
7
Figura 2 - Esquema de um curso de água com declive.
A distribuição de velocidade em cada secção recta do canal não é uniforme, a
velocidade (nula nas paredes) é máxima num ponto afastado das margens e situado
ligeiramente abaixo da superfície livre, registando um valor que se pode considerar
médio (próximo de 85% da velocidade à superfície) a uma profundidade de cerca de
60% da altura hH2O.
A velocidade utilizada para o cálculo do caudal é dada por:
. (2.5)
Onde K é uma constante que depende do material do canal, J é o declive do
canal em estudo e Rh é obtido por
, (2.6)
onde A é a área que a água ocupa e P é o perímetro da água em contacto com as
paredes da levada.
Ainda na expressão do cálculo da potência, expressão 2.1, tem-se a queda, que é
dada por:
, (2.7)
onde p é a pressão, γ é peso volúmico, z é a altura da levada, v é a velocidade e g
é a aceleração gravítica.
No caso de não existir nenhum depósito no início do curso de água não se
considera o primeiro e o segundo termos da expressão 2.7, sendo assim a queda é dada
por:
. (2.8)
Finalmente, após a análise efectuada até aqui, pode-se mostrar que a potência de
um fluxo de água em céu aberto é dada por:
. (2.9)
8
Pela análise da expressão 2.9, concluiu-se que a levada deve possuir uma grande inclinação de modo que a velocidade da água seja elevada, pois este é o termo da
expressão 2.9 que faz com que a potência aumente significativamente [4] [6] [7] [8].
2.2. LEGISLAÇÃO PORTUGUESA SOBRE A MICROPRODUÇÃO DE ELECTRICIDADE (DECRETO-LEI N.º 363/2007)
Para implementar/estudar um projecto desta natureza foi necessário conhecer a
legislação sobre a microprodução de electricidade. O decreto-lei n.º 363/2007 define os
requisitos legais necessários para a construção do sistema microprodutor. Sendo assim,
serão apenas focados os aspectos essenciais da legislação em vigor, com particular
interesse para a fonte de energia renovável que utiliza a energia hidráulica.
2.2.1. OBJECTO
O Decreto-Lei n.º 363/2007 de 2 de Novembro de 2007 veio regulamentar a
produção de electricidade em instalações de muito pequena potência, designadas por
unidades de microprodução [9] [10].
2.2.2. ÂMBITO
Este decreto-lei aplica-se a todas as instalações de produção de electricidade
monofásica em baixa tensão com potência de ligação até 5,75kW, que utilizem como
energia primária recursos renováveis, ou que produzam em conjunto electricidade e
calor [9] [10].
2.2.3. ACESSO À ACTIVIDADE DE PRODUÇÃO
Podem ser produtores de electricidade, qualquer pessoa/empresa que disponha
de um contrato actual de compra de electricidade em baixa tensão, num determinado
local. Deverá ser nesse mesmo local, o lugar da implementação da unidade de
microprodução.
A potência de ligação, isto é, a potência máxima que o produtor pode injectar na
Rede Eléctrica de Serviço Público (RESP) é limitada a 50% da potência contratada, e
tem como valor máximo 5,75kW no regime geral e 3,68kW no regime bonificado1.
1 O regime geral diz respeito à generalidade dos produtores com acesso à actividade, enquanto o regime bonificado é aplicado aos produtores que utilizem as energias renováveis previstas na lei, como é o caso da hídrica.
9
O acesso à actividade de microprodução está sujeita a registo no Sistema de
Registo de Microprodução (SRM) [9] [10].
2.2.4. DIREITOS DO PRODUTOR
Após a emissão do certificado de exploração emitido pela Direcção-Geral de
Energia e Geologia (DGEG), o produtor pode ligar a unidade de microprodução à RESP
e vender toda a electricidade produzida pela potência permitida à RESP. O produtor
pode ainda estabelecer uma unidade de microprodução por cada instalação eléctrica de
utilização [9] [10].
2.2.5. DEVERES DO PRODUTOR
Entregar a electricidade conforme as normas técnicas de modo a não perturbar o
normal funcionamento da RESP.
O produtor é obrigado a celebrar um contrato de compra e venda de
electricidade, contrato que deve seguir os procedimentos legais e respectivos prazos.
Possuir um seguro de responsabilidade civil no caso das unidades de
microprodução situadas em locais de livre acesso ao público.
O produtor também é responsável por facultar todas as informações e facilitar o
acesso à unidade de microprodução do pessoal técnico da DGEG, à Direcção Regional
de Economia competente (DRE), ao comercializador e ao distribuidor [9] [10].
2.2.6. ACTIVIDADE DE INSTALAÇÃO
Qualquer empresário em nome individual ou sociedade comercial, desde que
possua alvará passado pelo Instituto da Construção e do Imobiliário para a execução de
instalações de produção de electricidade, pode exercer a actividade de instalação da
unidade de microprodução [9] [10].
2.2.7. REGIMES REMUNERATÓRIOS
No regime geral a tarifa de venda de electricidade é igual ao custo da energia
do tarifário aplicável pelo comercializador de último recurso do fornecimento à
instalação de consumo.
10
Para aderir ao regime bonificado, para a produção de electricidade através da
energia solar, é necessário pedir uma solicitação conforme está no n.º 2 do Artigo 9.º.
Também é preciso possuir de pelo menos 2m2 de área de colectores solares térmicos
para aquecimento de água na instalação de consumo, ou no caso dos condomínios de
uma auditoria energética ao edifício.
No ano da instalação dos painéis solares e nos 5 anos seguintes, a tarifa de
referência tem o valor de 650€/MWh aos primeiros 10MW de potência de ligação,
sendo a tarifa sucessivamente reduzida em 5% por cada 10 MW de potência de ligação
adicionais. No período adicional de 10 anos aplica-se a tarifa correspondente às novas
instalações, findo o qual aplica-se a tarifa do regime geral.
O valor da tarifa de venda de electricidade no caso da energia hídrica é de 30%
do valor da tarifa de referência, ou seja, 195€/MWh. Ainda existe um limite de venda de
electricidade de 4MWh/ano, por cada quilowatt instalado [9] [10].
2.2.8. INSPECÇÃO
A marcação da inspecção é comunicada ao produtor e ao técnico responsável da
entidade instaladora, devendo o último estar presente aquando da inspecção.
Na inspecção são efectuados testes e verificada a conformidade da instalação
com a legislação e regulamentação em vigor. No caso de ser detectada alguma
irregularidade o produtor possui 30 dias para proceder à respectiva correcção, antes de
nova inspecção [9] [10].
2.2.9. CONTAGEM DE ELECTRICIDADE
A contagem da electricidade produzida deverá ser feita através de um sistema de
telecontagem mediante contador bidireccional, autónomo do contador da instalação de
consumo. Este equipamento deve ser instalado num local de livre acesso ao
comercializador, distribuidor e às várias entidades competentes [9] [10].
2.2.10. REGIÕES AUTÓNOMAS
Este diploma aplica-se à totalidade do território nacional, ou seja, Continente e
Regiões Autónomas. Na Região Autónoma da Madeira o organismo com competências
similares à DGEG é a Direcção Regional do Comércio, Indústria e Energia [9] [10].
11
2.3. REDES ELÉCTRICAS
A maior parte das centrais eléctricas, por razões técnicas e económicas, ficam
situadas longe do local de consumo da energia eléctrica. As redes de energia eléctrica
são infra-estruturas que asseguram a transmissão de energia desde o local de produção
até ao consumidor final [11].
As redes eléctricas podem ser classificadas, segundo os três próximos critérios:
tensão nominal2, função e topologia.
2.3.1. TENSÃO NOMINAL
Dependendo da tensão nominal numa rede eléctrica, podemos separar nas
classes da tabela II.
TABELA II – DISTINÇÃO DE CLASSES SEGUNDO A TENSÃO NOMINAL DA REDE ELÉCTRICA [11].
Classe Tensão Nominal (kV) Baixa Tensão (BT) menor que 1
Média Tensão (MT) entre 1 e 45 Alta Tensão (AT) entre 45 e 110
Muito Alta Tensão (MAT) acima de 110
2.3.2. FUNÇÃO
Pode-se agrupar as redes eléctricas através da função desempenhada:
-Redes de distribuição
Estas redes utilizam três níveis de tensão (BT, MT e AT) para levar a energia até
aos consumidores. É nas redes de baixa tensão que é injectada a energia produzida pelos
produtores independentes, que utilizam energias renováveis.
-Redes de transporte
2 Grandeza que determina a capacidade de transporte e fixa as dimensões das linhas e da aparelhagem das subestações.
12
A função destas redes é a de transportar a energia produzida pelos grandes
centros produtores, até às redes de distribuição.
-Redes de interligação
Estas redes fazem a ligação entre as várias redes de transporte existentes.
2.3.3. ESTRUTURA TOPOLÓGICA
A estrutura topológica de uma rede vai variar muito consoante a relação de
fiabilidade/custo pretendida para a mesma. Por um lado os elementos da rede estão
sujeitos a avarias e são necessárias alternativas fiáveis, por outro lado é desejável uma
contenção nos custos.
As estruturas topológicas mais usadas são: rede radial, rede malhada e rede
malhada (anel) com exploração radial.
-Rede radial
Corresponde à rede com um menor custo associado, mas também à menos
fiável. Normalmente é utilizada nas redes de distribuição e consiste em linhas que se
vão ramificando a partir de um ponto de alimentação, sem jamais se encontrarem num
ponto comum, figura 3a).
-Rede malhada
Esta rede apresenta uma maior fiabilidade e um custo mais elevado. É utilizada
nas redes de transporte e é constituída por várias linhas ligadas de tal maneira, a que
formem malhas fechadas, figura 3b). Desta forma, em caso de avaria de uma linha
existe um percurso alternativo de transporte da energia até ao consumidor.
-Rede malhada (anel) com exploração radial Esta topologia é utilizada nos casos de redes de distribuição em áreas urbanas
com elevada densidade de carga. É constituída por interruptores normalmente abertos,
que são fechados em caso de avaria de determinada linha, figura 3c).
13
Figura 3 – Estrutura topológica da rede a) Rede radial b) Rede malhada c) Rede malhada (anel) com
exploração radial [11].
14
Um Sistema de Energia Eléctrica (SEE) para funcionar correctamente deve
satisfazer alguns requisitos, por exemplo:
Assegurar a cada instante a produção de energia de modo a satisfazer a
necessidade dos consumidores, uma vez que a carga3 de um SEE não é
constante ao longo do dia e varia conforme a actividade humana;
Certificar que a energia eléctrica cumpre os parâmetros de qualidade
estabelecidos: frequência constante, tensão dentro de limites estreitos, forma
de onda sinusoidal, fiabilidade elevada.
Em seguida são apresentados alguns conceitos básicos inerentes aos sistemas
eléctricos.
-Sistema trifásico: é a forma mais usual de proceder à produção, transporte e
distribuição da energia eléctrica. Este sistema é composto por três tensões sinusoidais
desfasadas de 120º entre si, o que o torna muito mais eficiente em comparação com três
sistemas monofásicos isolados, transferindo a mesma potência.
-Potência activa: corresponde à potência que é efectivamente transferida. Pode
ser calculada através:
, (2.10)
onde V é o valor eficaz da tensão, I o valor eficaz da corrente e o ângulo de
desfasagem entre a tensão e a corrente.
-Potência reactiva: corresponde a uma potência com valor médio nulo, que
resulta na variação da energia magnética ou eléctrica armazenada nos elementos
indutivos ou capacitivos da impedância de carga. A potência reactiva (Q) pode ser
expressa como:
, (2.11)
onde V é o valor eficaz da tensão, I o valor eficaz da corrente e o ângulo de
desfasagem entre a tensão e a corrente [11] [12].
3 Conjunto de equipamentos ligados à rede que absorvem energia eléctrica.
15
2.4. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
As máquinas eléctricas rotativas assumem diferentes formas e consequentemente
adquirem diferentes nomes, nomeadamente, máquinas de corrente contínua (CC),
síncronas, de ímanes permanentes, de indução. Apesar das aparentes diferenças, estas
têm princípios físicos muito idênticos, sendo por isso útil pensar que o funcionamento
destas é o mesmo [13].
2.4.1. MÁQUINAS DE CORRENTE ALTERNADA (CA)
Existem duas categorias de máquinas CA:
a) As máquinas síncronas;
b) As máquinas de indução.
Nas máquinas síncronas, as correntes do enrolamento do rotor são fornecidas
através de contactos rotativos fixos na parte estacionária do motor (utilizam escovas).
Nas máquinas de indução, as correntes são induzidas nos enrolamentos do rotor por
meio de combinação da variação de correntes no estator e do movimento do rotor em
relação ao estator. Na figura 4 é apresentado um esquema de uma máquina síncrona de
corrente alternada (CA) [13].
Figura 4 - Esquema de uma máquina síncrona [14].
2.4.2. MÁQUINAS SÍNCRONAS
O desempenho de uma máquina síncrona pode ser obtido analisando a tensão
induzida na armadura do gerador síncrono CA de pólos salientes. O enrolamento de
16
campo desta máquina produz apenas um par de pólos magnéticos e por esta razão esta
máquina é referida como máquina de dois pólos. No entanto, se o enrolamento de
campo da máquina produzir 2 ou mais pares de pólos magnéticos, a máquina é referida
como máquina de 4 ou mais pólos.
O enrolamento de armadura consiste numa bobina de N espiras. O rotor roda a
velocidade constante a partir de uma fonte de potência mecânica ligada ao seu eixo.
Supondo que o enrolamento de armadura está em circuito aberto, o fluxo desta máquina
será produzido apenas pelo enrolamento de campo.
Na análise ideal de uma máquina síncrona, assume-se que a distribuição do fluxo
magnético no entreferro é sinusoidal. Conforme o rotor gira, o fluxo concatenado do
enrolamento da armadura varia no tempo. Tendo em vista as suposições de distribuição
sinusoidal da densidade de fluxo e de velocidade constante do rotor, a tensão resultante
na bobina será sinusoidal no tempo. A tensão da bobina passa por um ciclo completo a
cada revolução da máquina de dois pólos. A frequência em Hertz (ciclos por segundo) é
a mesma que a velocidade do rotor em rotações por segundo: a frequência eléctrica da
tensão gerada está sincronizada com a velocidade mecânica, por isto é que esta máquina
se denomina por máquina síncrona. Uma máquina síncrona de dois pólos deve girar a
3000 rpm para produzir uma tensão de 50Hz. Se o número de pólos aumentar para
quatro a frequência em hertz será o dobro da velocidade em rpm4 [13].
2.4.3. TENSÃO GERADA
Na figura 5 mostra-se o corte transversal de uma máquina CA, onde as bobinas
do rotor e também as do estator estão ilustradas como sendo concentradas. Uma
máquina com enrolamentos distribuídos pode ser representada deste modo
multiplicando o número de espiras em série no enrolamento por um factor de
enrolamento. Se o entreferro é pequeno, assume-se que o enrolamento de campo produz
um fluxo radial fundamental com uma densidade de fluxo de pico Bpico no entreferro,
sendo este
(2.12)
4 In Fitzgerald, A. E., Kingdley Jr. C., UMANS, Stephen D.; Máquinas Síncronas - 6ªedição; Artmed editora. Cap. 4.
17
Onde é a permeabilidade magnética no vazio, g é o comprimento de
entreferro, Nf é o total de espiras em série no enrolamento do campo, kf é o factor de
enrolamento do campo e If é a corrente de campo.
A tensão induzida na fase a é obtida pela Lei de Faraday:
(2.13)
Onde Nfase é o número de espiras desta fase, é o factor de enrolamento,
é a velocidade mecânica, é o fluxo de entreferro e é a velocidade angular.
Figura 5 - Corte transversal de uma máquina CA [13].
A polaridade desta tensão induzida é tal que, se a bobina do estator for colocada
em curto-circuito, a tensão induzida dará origem a uma corrente que fluirá num sentido
em oposição a quaisquer alterações no fluxo concatenado de bobina do estator.
Na equação 2.13 tem-se que o primeiro termo do segundo membro é a tensão de
transformação e está presente apenas quando a amplitude da onda de fluxo de entreferro
varia no tempo. O segundo termo deste mesmo membro é a tensão de velocidade que é
gerada pelo movimento relativo de onda de fluxo de entreferro em relação à bobina do
estator.
Se a amplitude de onda de fluxo de entreferro for constante, o primeiro termo da
equação 2.13 é nulo, o que acontece na maioria das máquinas rotativas, sendo assim a
equação 2.13 transforma-se em
(2.14)
18
A partir da equação 2.14 é possível obter todos as características de um gerador
síncrono [13].
2.5. CONVERSORES ELECTRÓNICOS EM PONTE
A tensão gerada pelo gerador embora sinusoidal, não apresenta as características
necessárias para a injecção directa de energia na rede eléctrica. É fundamental que a
corrente injectada, tenha limites aceitáveis de ruído e sincronismo com a rede de energia
eléctrica. Na figura 6 mostra-se o sistema utilizado. O rectificador transforma a tensão
sinusoidal gerada pelo gerador numa tensão contínua. Em seguida, esta tensão volta a
ser convertida em alternada no inversor, para que possa ser injectada na rede eléctrica.
Figura 6 – Diagrama simplificado do sistema.
2.5.1. RECTIFICAÇÃO: CONVERSÃO CA-CC
De modo a controlar a tensão gerada pelo gerador, foi necessário realizar uma
rectificação, ou seja, realizar uma conversão de tensão alternada para tensão continua.
Para tal pretendia-se realizar uma rectificação de onda completa, por isso optou-se por
utilizar uma ponte de díodos.
2.5.1.1 PONTE MONOFÁSICA DE ONDA COMPLETA COM DÍODOS
Considerando o rectificador de onda completa apresentado na figura 7a),
assumindo díodos ideais, tem-se que os estados permitidos dos díodos são:
Díodo D1 e D3 conduzindo e os díodos D2 e D4 bloqueados, para vs(t)>0
Díodo D2 e D4 conduzindo e os díodos D1 e D3 bloqueados, para vs(t)<0.
Sendo assim, a tensão na resistência é positiva para ambas as polaridades de
tensão da fonte, figura 7b).
19
Figura 7 – a) Ponte rectificadora de onda completa [13]. b) Onda rectificada [13].
No entanto, a forma de onda apresentada ainda não se aproxima de um sinal
contínuo, pois apresenta muitas variações, para eliminar estas variações é utilizado um
condensador, tal como se pode verificar na figura 8a), e com a introdução deste
rectificador a forma de onda passa a ser a apresentada na figura 8b).
As variações apresentadas na imagem 8b) são efeito da tensão de ripple, este é
definido como a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo, no entanto estas
variações podem ser diminuídas se for utilizado um condensador com maior capacidade,
no isto provoca um aumento de corrente no lado do gerador.
Figura 8 – a) Ponte rectificadora com o condensador [13]. b) Onda rectificada com ripple [13].
2.5.2. INVERSÃO: CONVERSÃO CC-CA
2.5.2.1. INVERSORES DE FONTE DE TENSÃO COM MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO
Na figura 9 apresenta-se um inversor monofásico com configuração em ponte H,
onde uma carga RL é alimentada a partir de uma fonte de tensão, assumindo que o
tempo de comutação dos semicondutores do inversor é menor que a constante de tempo
(L/R).
20
Figura 9 – Configuração de inversor monofásico em ponte H [13].
Considerando a forma de onda típica da tensão e corrente na carga apresentada
na figura 10, nota-se que os semicondutores de comutação, neste caso são os IGBT’s5,
funcionam durante um período T e um ciclo activo D (0 ≤ D ≤ 1). Pode-se verificar que
os semicondutores de comutação C1 e C3 estão fechados conduzindo, e a tensão de
carga é V0. Isto é seguido por um tempo (1-D)T, durante o qual os semicondutores de
comutação C1 e C3 estão abertos e a corrente é transferida aos díodos D2 e D4, fazendo
com que a tensão de carga seja igual a –V0. O ciclo activo D é uma fracção do período
total, fracção do período durante a qual a tensão de carga é V0.
É de salientar, que embora os semicondutores de comutação C2 e C4 sejam
fechados depois dos semicondutores de comutação C1 e C3 serem abertos, eles não
conduzirão a corrente a não ser que a corrente de carga se torne negativa. Assim a
corrente irá circular pelos díodos de protecção, isto acontece porque os semicondutores
de comutação são dispositivos semicondutores. Se a corrente de carga tornar-se
negativa, esta será controlada activando C2 e C4 em conjunto com D1 e D3, assim C1 e
C3 não conduzem corrente [13].
Figura 10 – Formas de onda típicas na carga da a) tensão e da b)corrente [13].
5 O IGBT é um transístor de potência, que normalmente é utilizado como interruptor controlado. Usualmente, os IGBT’s são protegidos por díodos inversamente polarizados, ligados entre o colector e o emissor. Estes dispositivos de protecção são incluídos frequentemente como partes integrais do dispositivo
21
O controlo efectuado pelos semicondutores de comutação C1, C2, C3 e C4
denomina-se por PWM, Modulação por largura de impulso.
2.5.2.1.1. PWM – PULSE-WIDTH MODULATION
O PWM (Pulse Width Modulation) é um método de controlo por largura de
impulso, ou seja, é um circuito que gera um sinal quadrado de largura variável. Sendo
esta largura dependente do sinal de controlo.
Este é um método utilizado para variar o valor da transferência de potência
entregue a uma carga sem perdas ocorridas normalmente devido à queda de tensão por
recursos resistivos. Num sistema PWM são utilizados IGBT’s, que controlam o fluxo de
corrente, fazendo com que conduzam corrente de forma alternada, o que provoca uma
queda de tensão mínima. Sendo assim, praticamente nenhuma potência é dissipada, caso
os IGBT’s sejam ideais.
A utilização do PWM permite controlar a tensão ou a corrente à saída, isto
acontece porque os IGBT’s vão sendo ligados e desligados alternadamente. Assim,
quando a tensão/corrente de saída é maior que a desejada, o IGBT é desligado, e quando
a tensão/corrente de saída é menor que a desejada, o IGBT é ligado.
À saída do PWM, normalmente é utilizado uma bobina e um condensador, de
forma a filtrar o ripple provocado pela alternância entre o funcionamento dos IGBT’s.
[15].
2.6. CONTROLO POR MODO DE DESLIZAMENTO
Os conversores são sistemas de estrutura variável, isto porque os semicondutores
de potência para converterem eficientemente a energia eléctrica funcionam como
interruptores. O controlo de sistemas de estrutura variável não é realizado por acções de
comando contínuas. Em vez disso, as acções de comando são dadas quando são
atingidas certas superfícies de descontinuidade entre estruturas. A comutação entre as
estruturas a uma frequência infinita origina uma trajectória, que desliza ao longo da
superfície de descontinuidade. Esta forma de realizar o controlo do conversor é
designada por modo de deslizamento. Os controladores por modo de deslizamento
assumem o conversor como um sistema não linear variante no tempo, o que permite um
22
controlo mais robusto e menos complexo do que os moduladores PWM convencionais e
controladores lineares [16].
Na lei de controlo em sistemas realimentados, é mais fácil lidar com os erros
das variáveis de estado na forma canónica de controlabilidade em relação às suas
referências , como novas variáveis de estado.
(2.15)
Considerando uma frequência de comutação finita, a superfície de comutação
S(ei,t) é:
(2.16)
Teoricamente num sistema de estrutura variável em modo de deslizamento, a
comutação entre as estruturas a uma frequência infinita origina uma trajectória, que
desliza ao longo da superfície de comutação (o erro ∆ seria nulo). Considerando apenas
duas estruturas, a entrada de comando equivalente é:
(2.17)
Num sistema prático é normal haver uma banda de histerese (2∆) centrada na
referência, uma vez que os semicondutores de potência não conseguem mudar de estado
a uma frequência infinita. Assim, a estratégia de comutação passa por alterar o estado
do conversor apenas quando a variável a controlar atinge a barreira definida pela banda
de histerese. U(t) passa a ser definida por:
(2.18)
O fluxograma que descreve o funcionamento do algoritmo por modo de
deslizamento utilizado no controlo do conversor é o seguinte:
23
24
25
CAPÍTULO 3 – SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA HIDRÁULICA NAS LEVADAS DA MADEIRA
3.1. SISTEMA GLOBAL DE CONVERSÃO
Para converter a energia cinética da levada em energia eléctrica, teve-se em conta o seguinte esquema:
Figura 11 – Sistema Global de Conversão.
3.1.1. LEVADA
Para o gerador produzir a máxima tensão, escolheu-se uma levada com um
grande declive (39º graus), de modo que a água se deslocasse a velocidades elevadas
(aproximadamente 6 m/s). Sendo assim, optou-se por uma levada localizada na
Boaventura, São Vicente.
Com os dados da levada em estudo, calculou-se a potência do fluxo de água
pela análise feita na secção 2.1. O corte longitudinal desenhado no programa “Google
Sketchup” [17] da levada, é apresentado figura 12.
26
Figura 12 – a) Corte vertical da levada para o estudo. b) Secção recta do canal de água.
Pela expressão 2.4, calculou-se o declive da levada quando o ângulo entre a levada e a horizontal é de 39,3º.
Para calcular a área e o perímetro utilizou-se o programa de desenho geométrico
“The Geometer’s Sketchpad”6. Aplicando a equação 2.6, obtém-se:
.
Substituindo os valores de Rh e J na equação 2.5, calculou-se a velocidade do
fluxo de água:
.
Considerou-se K=80, pois trata-se de uma levada de cimento.
Pode-se agora calcular o valor da potência pela expressão 2.9, no entanto é de
salientar que, ao valor da potência é necessário acrescentar o rendimento da turbina,
, o rendimento do motor, , e o rendimento do alternador,
, de modo a verificar que potência se pode aproveitar. Sendo assim, o valor
da potência considerando as perdas do equipamento utilizado é:
Para confirmar estes valores fez-se medições práticas, e registou-se os resultados
na tabela III. Para obter os valores apresentados, realizou-se o seguinte procedimento:
6 http://www.dynamicgeometry.com/JavaSketchpad/Download_Center.html
Dados: α≈39,3º K=80
a) b)
27
Velocidade:
• Mediu-se o comprimento da levada;
• Colocou-se um objecto dentro da água no topo da levada;
• Verificou-se quanto tempo é que o objecto demorou a chegar à base;
• Registou-se o tempo;
• Repetiu-se o procedimento anterior dez vezes e calculou-se o valor
médio da velocidade, registando-o na tabela III.
Caudal
• Utilizou-se um balde de 10 litros;
• Colocou-se o balde na base da levada;
• Verificou-se quanto tempo é que o balde demorou a encher;
• Registou-se o tempo;
• Repetiu-se o procedimento anterior dez vezes e calculou-se o valor
médio do caudal, registando-o na tabela III.
Área
• Utilizou-se o valor apresentado nos cálculos teóricos, pois esse valor é
real.
TABELA III – VALORES PRÁTICOS DAS CARACTERÍSTICAS DA LEVADA.
Velocidade, v Caudal, Q Área, A
5,7m/s 0,0042m3/s 0,0076m2
O valor prático da potência da levada é, aplicando directamente a equação 2.9:
Ao comparar o valor da potência teórico com o valor prático, verifica-se que
estes são muito diferentes. Esta diferença deve-se ao facto que no cálculo teórico foram
consideradas as perdas da turbina, do motor e do alternador, e no cálculo prático tal não
aconteceu; também deve-se ao facto que para o cálculo teórico utilizou-se o valor de
uma velocidade calculada teoricamente, sendo que esta foi calculada livre de atritos,
enquanto a velocidade utilizada para o cálculo prático foi uma velocidade medida na
levada, como explicado anteriormente.
28
3.1.2. TURBINA
Para aproveitar a potência da levada, estudou-se algumas turbinas (Pelton,
Francis e Kaplan) e decidiu-se construir uma turbina simples e de baixo custo.
Fez-se alguns estudos, nomeadamente a variação da frequência, f, em função do
tamanho das pás da turbina, r, ou seja, do raio da turbina. Os resultados estão resumidos
na figura 13. Para os cálculos, considerou-se a equação 3.1. e que a velocidade era
5,7m/s.
(3.1)
Figura 13 – gráfico da variação da frequência em função do raio da turbina.
Pela análise do gráfico da figura 13, verifica-se que quanto mais pequeno é o
raio da turbina maior é a frequência. Para maximizar a frequência e a tensão do sistema,
o ideal seria utilizar uma turbina com um raio de 0,10m, pois as características da
levada não permitem pás com dimensões menores que esta. No entanto, para facilitar a
construção da turbina e para diminuir o torque, construiu-se uma turbina com um raio
de 0,30m. O desenho e a fotografia da turbina estão representados nas figuras 14a) e
14b), respectivamente.
29
A intensidade do fluxo de água e a dimensão das pás da turbina, permitem gerar
uma frequência de 3,02Hz. Fui utilizada uma caixa de velocidades para maximizar a
geração de tensão à frequência de 50Hz, valor máximo que o gerador suporta.
No entanto, teve-se que manter uma relação de compromisso entre a velocidade
da água, o tamanho das pás da turbina e a caixa de velocidades, pois mesmo depois de
construída a turbina apresentada anteriormente, esta poderá sofrer alterações na sua
dimensão.
Para a escolha da caixa de velocidades, fez-se um estudo analítico para ver qual
é a relação entre a velocidade do fluxo de água e a frequência. Ou seja, fixou-se o valor
do raio da turbina e verificou-se o comportamento da frequência com a variação da
velocidade. Os resultados obtidos foram registados no gráfico da figura 15. Analisando
a figura 15, verifica-se que a frequência cresce de forma proporcional com a velocidade
da água. Pela equação da recta escolheu-se a caixa de velocidades, que está representada
na fotografia da figura 16, com uma relação de 1:6, de modo que fosse possível obter
50Hz à saída do gerador.
Figura 15 – Variação da frequência em função da velocidade.
Figura 14 – a) Desenho da turbina. b) Fotografia da turbina.
30
Figura 16 – Caixa de velocidades.
A caixa de velocidades apresentada é da Hidro-Mec, com a referência P311A-
RO68SNCB3, com um ratio de i=6,3.
3.1.3. GERADOR
O gerador utilizado para este trabalho é um motor ac síncrono com o rotor em curto-circuito com rectificação e tem as seguintes características:
TABELA IV – CARACTERÍSTICAS DO GERADOR ELÉCTRICO.
Tipo 2 pólos, monofásico
Regulador de voltagem Condensador Saída máxima em Corrente Alternada 0,78kW Saída nominal em corrente alternada 0,65kW Frequência máxima 50Hz Tensão em corrente alternada (Vpp) 230V
Na figura 17 a) e b), mostra-se o gerador. Nesta figura é possível observar o
entreferro e o rotor. No rotor encontram-se os ímanes e as bobinas que criam um campo
constante, onde é gerada a tensão a injectar na rede.
Figura 17 – Gerador utilizado para o trabalho.
No entanto, a tensão à saída do gerador não está em condições de ser injectada
na rede, por isso é necessário a utilização de um rectificador.
a)a)a)a) bbbb))))
31
3.1.4. RECTIFICADOR
A tensão à saída do gerador, que tem amplitude e frequência variável,
dependente da velocidade e quantidade de água, é rectificada e essa tensão é acumulada
num condensador de 2200µF.
O rectificador é em ponte completa, em que são utilizadas duas meias pontes
díodos SKKD 46/08, figura 18. O esquema de montagem é o mesmo que fora
apresentado na secção 2.5.1.1.
Na figura 18 mostra-se uma fotografia da placa de circuito impresso com a
ponta de rectificação.
Figura 18 – Fotografia do rectificador utilizado para o sistema H2OPower.
3.1.5. INVERSOR
O inversor converte a tensão DC, armazenada no condensador e produzida pelo
gerador, para injectar na rede de energia eléctrica. O inversor a ser construído e
utilizado neste trabalho é constituído por uma ponte de IGBT´s (SK10GH123)7, drivers
(IR2114SSPBF )8 e opto acopladores (HCPL2631V )9.
3.1.6. FILTRO
De modo a obter um sinal com a qualidade e com as características adequadas à
injecção de corrente na rede, projectou-se um filtro de segunda ordem, constituído por
uma bobina e por um condensador, figura 20.
7 Ver folha de características em: http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=SK10GH123 8 O driver é um dispositivo que faz a comunicação entre o microcontrolador e os IGBT’s. Este tem a função de receber os sinais de baixa potência e transformar num valor de potência adequado para ligar e desligar os IGBT’s. Ver folha de características em: http://www.farnell.com/datasheets/46218.pdf 9 Os optoacopladores possuem um LED e um foto-transístor no mesmo encapsulamento. A utilidade do optoacoplador é manter duas partes do circuito isoladas, electricamente, entre si. Ver folha de características em: http://www.farnell.com/datasheets/87254.pdf
32
Para determinar a frequência de corte do filtro, deduziu-se a função de
transferência do filtro passa baixo apresentado na figura 19.
VoutVin
L
C
Figura 19 - Filtro passa baixo.
Aplicando a regra do divisor de tensão e considerando que e ,
obtém-se a função de transferência do filtro:
(3.2) Analisando a função de transferência observa-se que a frequência de corte é
(3.3)
3.1.7. MICROCONTROLADOR
O microcontrolador vai implementar o controlo por modo de deslizamento para
controlar a amplitude, frequência e fase da corrente a injectar na rede.
Utilizou-se o AVR 90USB128710 com as seguintes características:
• Microcontrolador de 8-bit;
• Memória flash com 128K Bytes;
• Interface USB 2.0;
• Conversores A/D;
• Frequência de funcionamento de 8 MHz;
Os conversores A/D foram utilizados na obtenção do valor digital da tensão e
da corrente medida pelos sensores.
No anexo B encontra-se o código associado ao microcontrolador.
10 Ver folha de características em: http://www.farnell.com/datasheets/82582.pdf
33
O seguinte diagrama de blocos caracteriza esta parte de controlo, que envolve o microcontrolador:
Figura 20 – Caracterização do controlo.
Realizando alguns testes, foi possível verificar que os ADC’s do
microcontrolador estavam a realizar leituras de tensões correctas. A frequência de
amostragem destas leituras situava-se em 1kHz.
3.1.8. REDE ELÉCTRICA
A electricidade produzida pela fonte de energia renovável está disponível para
todos através da rede pública.
3.2. CONTROLO POR MODO DE DESLIZAMENTO
A tensão à saída do inversor, vac (figura 25) depende da tensão de entrada, vdc
(figura 25), e dos estados dos IGBT’s. A tensão no braço 1 é (ver secção 2.5.2).
(3.4)
Onde pode tomar o valor de 1 ou 0.
(3.5)
Onde pode tomar o valor de 1 ou 0, tal com .
Assim pelas equações 3.4 e 3.5, tem-se que a tensão à saída é dada pela
diferença entre elas:
(3.6)
Como tomam o valor de 0 ou 1, e a expressão à saída é dada pela
diferença entre estes valores, tem-se em conta a seguinte tabela
Sensor Tensão
Microcontrolador
ADC
Execução algoritmo IGBT´s
Sensor Corrente
34
TABELA V – VALORES DE GAMA.
0 0 0
0 1 -1
1 0 1
1 1 0
Assim tem-se que a saída é dada por:
em que (3.7)
Através desta equação, pode-se definir então a activação dos IGBT’s, colocando
assim o controlo por modo de deslizamento a funcionar.
O microcontrolador vai implementar o algoritmo descrito na secção 2.6 para
garantir que a corrente segue a sua referência em cada instante de tempo. Na entrada são
aplicadas a corrente e a sua referência e na saída os sinais de controlo dos IGBT’s.
3.3. MODELOS
3.3.1. CONVERSORES
De modo a controlar a corrente à saída do inversor, começou-se a deduzir o
modelo do sistema. Pela análise efectuada na secção 3.1., tem-se que o sinal à saída do
conversor é regido pela equação 3.8. Aplicando-se as leis de Kirchoff ao circuito obtém-
se:
35
Figura 21- Aplicação da lei de Kirchoff ao circuito.
(3.8)
Onde é o sinal de controlo do sistema, L é a bobina, é a variação da
corrente na bobina, R é a resistência, i é a corrente e é o sinal de tensão (
).
A equação da dinâmica da corrente é:
Substituindo por 3.7 obtém-se a equação da dinâmica da corrente em função da variável que contém os estados dos IGBT’s ( ).
(3.9)
Aplicando a propriedade da derivada da transformada de Laplace obtém-se a
expressão do modelo da corrente.
(3.10)
3.4. PROTÓTIPO
Depois de adquirido o gerador e a caixa de velocidades, fez-se a adaptação do
gerador à caixa, assim como a adaptação desta à turbina construída, obtendo o protótipo
que está apresentado na figura 22.
Figura 22 – Protótipo do sistema H2O Power.
37
CAPÍTULO 4 – SIMULAÇÃO E RESULTADOS EXPERIMENTAIS
4.1. SIMULAÇÃO DE TODO O SISTEMA
4.1.1. RECTIFICAÇÃO
Para realizar a rectificação em simulação, utilizou-se o Simulink MatLab, onde
se considerou uma fonte de tensão alternada, substituindo o gerador, seguida de um
transformador e de uma ponte de díodos, obtendo assim uma tensão rectificada na saída,
figura 23.
Figura 23 – Esquema utilizado na simulação da ponte rectificadora.
Ao realizar a simulação do circuito da figura 23, obteve-se a tensão rectificada,
apresentada na figura 24, quando a fonte de tensão alternada tem uma tensão eficaz de
230V, ou seja, uma tensão de pico de 325,3V e frequência de 50Hz. O transformador
38
tem uma relação de 2:0,65, de modo a obter uma tensão DC de 100V à saída do
rectificador. O condensador tem uma capacidade de 2200µF e a resistência de carga é
de 1kΩ.
Figura 24 – Tensão da ponte rectificadora.
Após, ter sido obtida a tensão desejada na saída, variou-se o valor da resistência
e do condensador para analisar o ripple existente. Ao variar a resistência entre 1Ω e
1kΩ, aferiu-se que quanto maior era o valor da resistência, menor era o ripple.
Fixou-se o valor da resistência em 1kΩ e variou-se o valor do condensador de
modo a verificar o ripple. Variou-se o valor da capacidade do condensador entre 4,7µF
e 1000µF. Aferiu-se que quanto mais pequeno o valor do condensador, mais pequeno
seria o ripple.
4.1.2. INVERSÃO, CONTROLO E FILTRAGEM
O inversor foi construído com IGBT’s controlados pelo método de controlo por
modo de deslizamento, a função foi definida através de programação em MatLab. A
listagem de código está no anexo A.
Na figura 25, mostra-se o sistema do inversor. A entrada do conversor está
ligada a fonte DC. O conversor e o controlador por modo de deslizamento convertem
esta tensão DC numa corrente AC. Os resultados de simulação da figura 26 mostram a
corrente (azul) e a sua referência (verde), com amplitude de 1A. Nesta simulação a
tensão DC é de 400V e a tensão AC é de 230V. Os resultados mostram que a corrente
segue a sua referência com uma certa distorção harmónica, 3,5%.
39
Figura 25 - Sistema do inversor.
Figura 26 – Forma de onda obtida à saída do inversor.
Para estudar a robustez do sistema variou-se alguns parâmetros do sistema.
Sendo assim, começou-se por variar o valor da fonte DC para valores próximos de
230V e verificou-se que a onda obtida pelo inversor apresenta uma distorção
considerável no máximo e no mínimo. No entanto, ao elevar o valor da fonte DC para
valores na ordem dos 400V, essa distorção praticamente não existia a partir de,
aproximadamente, 380V. Sendo assim, para que se obtenha um sinal sem distorção na
saída aferiu-se que a fonte DC deve ter valores próximos de 400V.
Na figura 27 mostra-se a comutação e a sua referência numa imagem
amplificada. Observa-se que a corrente acompanha a sua referência, com a histerese
40
pretendida. Na figura 27a) o histerese é de 0, na figura 27b) é de 0,05 e na figura 27c) é
de 0,5.
Figura 27 – Histerese de corrente iac e pormenor do controlo do sinal. Deflexão vertical de 0.1 e
deflexão horizontal de 0.002. a) Histerese de 0. b)Histerese de 0.05. c)Histerese de 0.5.
Após, realizada a simulação do inversor com uma fonte DC (figura 25),
realizou-se a simulação com a substituição da fonte DC pelo sistema rectificador
apresentado na figura 23, obtendo assim o sistema apresentado na figura 28 (ver com
mais detalhe na figura 44 do anexo C).
Figura 28 – Sistema de simulação.
Para injectar potência na rede a corrente ac tem de estar em oposição de fase
com a tensão. Para maximizar a transferência de potência activa, o , ou seja
, o que implica que a potência reactiva é nula, pois .
Analisando a figura 29, verifica-se que a corrente está em oposição de fase e a
potência activa é de 230W.
a)a)a)a) b)b)b)b) c)c)c)c)
41
Figura 29 – Tensão ac, vac(t) – verde. Corrente ac, iac(t) – azul.
Para analisar a distorção harmónica11 de corrente ac de saída, com a cor azul na
figura 29, utilizou-se o bloco do Simulink DISCRET TOTAL HARMONIC
DISTORSION. Sendo que a expressão da THD é:
(4.1)
Onde IH é o valor RMS de todas as harmónicas do sinal e IF é o valor RMS do
sinal fundamental [18].
O valor obtido à saída deste bloco encontra-se entre 0 e 1. Para a simulação em
curso, obteve-se valores próximos de 3,4%, quando a histerese é de 0,03. Com o valor
de THD próximo de 3,4% pode-se injectar o sinal na rede eléctrica pois a percentagem
permitida é de aproximadamente de 3,5%.
Para testar o comportamento do sistema com a variação da frequência de corte,
alterou-se o coeficiente de auto-indução e a capacidade do condensador que formam o
filtro à saída do inversor. Verificou-se que o coeficiente de auto-indução da bobina mais
adequado é de 22mH e a capacidade do condensador é de 0,1µF, pois com estes valores
era mantida a inversão de fase na corrente de modo a injectar na rede. No entanto pode
ser utilizada uma outra combinação de valores de bobina e condensador, desde que se
mantenha a inversão de fase no sinal.
11 Para calcular a distorção harmónica ver pp 4/5 de http://calypso.inesc-id.pt/FCUL/EAD/docs/GuiaLab-12b-EAD-0809.pdf
42
4.2. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
4.2.1. RECTIFICADOR
Construiu-se o rectificador de acordo com o descrito na secção 2.5.1.1. O fusível
de 1A, foi introduzido no circuito experimental da figura 30, de modo a proteger as
componentes do circuito contra sobre cargas e curto-circuitos na carga. Nas figuras 45 e
46 do anexo D está representado o desenho deste mesmo circuito, que foi
desenhado/impresso numa placa de circuito impresso, assim como a foto do rectificador
construído, de notar que o circuito foi desenhado para as duas faces da placa.
Na construção do rectificador utilizou-se:
2 Conectores banana;
2 Meias pontes de díodos SKKD 46/0812;
1 Fusível de 1A;
1 Condensador de 2200µF e 450VDC;
1 Resistência de 33kΩ 10W;
2 Conectores de parafuso.
Depois de impresso e construído o rectificador, obteve-se o circuito da figura
30. De notar, que a resistência de 33kΩ foi utilizada de forma a descarregar o
condensador.
+
-
2200µF 33KΩ
1A
Figura 30 – Circuito do rectificador.
A tensão rectificada é convertida numa tensão alternada pelo inversor, de forma que seja possível injectar energia na rede eléctrica.
12 Ver folha de características em: http://www.semikron.com/internet/ds.jsp?file=794.html
43
4.2.2. INVERSOR / DRIVER
Para desenhar o circuito do inversor, estudou-se as folhas de características dos
drivers IR2114SSPBF13, dos opto acopladores HCPL2631V14 e da ponte de IGBT’s
SK10GH12315, de modo a perceber o seu funcionamento e entender como interligar
estes dispositivos.
Na construção do driver utilizou-se:
2 Driver IR2114SSPBF
2 Opto acopladores HCPL2631V
2 IGBT’s SK10GH123
Resistências
Condensadores
Díodos 1N400516
Condensadores
1 regulador LM780517
Headers
Pontas de crocodilo
Conectores de parafuso
É utilizado um driver para fornecer os sinais de controlo do microcontrolador
aos IGBT’s, pois o microcontrolador não era capaz de fornecer a corrente necessária a
estes, assim o driver IR2114SSPBF controla um braço do conversor. As resistências
utilizadas são as recomendadas na folha de características. Os díodos utilizados têm
VF=0,7V, como indicado no dimensionamento do circuito nas folhas de características.
O acoplador óptico HCPL2631V tem uma tensão de alimentação de 5V.
Utilizou-se um regulador de tensão LM7805 para alimentar a partir de uma fonte de
15V que alimenta o driver. Na folha de características do opto acoplador utilizado é
dada a sugestão de conectar a alimentação com a massa através de um condensador, e
também se colocou uma resistência de 3,9kΩ entre a alimentação e cada uma das
entradas e uma resistência de 820Ω em cada uma das saídas.
13 Ver folha de características: http://www.farnell.com/datasheets/46218.pdf 14 Ver folha de características: http://www.farnell.com/datasheets/87254.pdf 15 Ver folha de características: http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=SK10GH123 16 Ver folha de características: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/philips/1N4005.pdf 17 Ver folha de características: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/LM7805.pdf
44
Utilizou-se o módulo de IGBT SK10GH123. Este módulo inclui quatro
IGBT’s (ponte completa). Este módulo inverte a tensão DC que vem do rectificador
numa AC.
Na figura 31 está representado o circuito para o comando de um braço do
conversor, de dois IGBT´s. No anexo E encontra-se representado as ligações físicas e as
fotos do circuito construído na placa de circuito impresso.
3,9kΩ
3,9kΩ
Microcontrolador
0,1µF
IR2114SSPBF
HCPL2631V
Figura 31 – Circuito de comando de um braço do inversor.
4.2.3. SENSORES
Para aplicar o controlo por modo de deslizamento, o microcontrolador tem que
conhecer a cada instante o valor da tensão da rede (para gerar a corrente de referência),
e o valor da corrente ac. Para tal, foram utilizados dois sensores, um de tensão (LV25-P)
e um de corrente (LA25-NP), respectivamente.
4.2.3.1. SENSOR DE CORRENTE
Para construir o sensor de corrente utilizou-se os seguintes componentes:
Sensor de corrente LA25-NP18
1 AmPop 74119
Resistências
Conectores de parafuso
Headers
18 Ver folha de características em: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/lem/LA25-NP.pdf 19 Ver folha de características em: http://www.national.com/ds/LM/LM741.pdf
45
No anexo F, encontra-se o desenho do circuito, a representação do sensor de
corrente, assim como o dimensionamento dos componentes associados ao sensor de
corrente. Na figura 32, está representado o circuito que foi implementado para o sensor
de corrente.
Figura 32 - Esquema das ligações do sensor de corrente.
A configuração escolhida para o sensor de corrente – o LA25-NP, permite uma
passagem de corrente entre os pinos IN e OUT de até 5A.
Na saída do sensor, é obtida uma corrente que tem uma relação de 5/1000 com
a corrente de entrada no sensor, ou seja, . O resto da
análise do circuito para o sensor de corrente é semelhante ao que foi feito para o sensor
de tensão.
4.2.3.2. SENSOR DE TENSÃO
O circuito com o sensor de tensão, figura 33, tem os seguintes componentes:
Sensor de tensão LV25-P20
1 AmPop 74121
Resistências
Conectores de parafuso
Headers
No anexo G, encontra-se o desenho do circuito a imprimir na placa de circuito
impresso, a representação do sensor de tensão e o dimensionamento dos componentes
associados ao sensor de tensão.
20 Ver folha de características em: http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/70/206929_DS.pdf. 21 Consultar folha de características em: http://www.national.com/ds/LM/LM741.pdf.
46
Figura 33 – Esquema das ligações do sensor de tensão.
Entre os pinos +HT e –HT do sensor de tensão, LV25-P, é lida a tensão com
isolamento de massa. A corrente que percorre a resistência R+HT foi dimensionada para
um valor máximo de 10 mA (r.m.s.).
Nesta configuração é obtida à saída uma corrente de 25 mA (r.m.s.). Com a
colocação de uma resistência (R) de 27Ω na saída é obtida uma queda de tensão
.
De modo a que na entrada do microcontrolador seja obtido o valor apropriado
de tensão, é utilizado um amplificador operacional configurado na montagem não-
inversora, para fazer o ajuste de ganho para a entrada do conversor AD do
microcontrolador, que recebe valores na gama de -2,56 a 2,56 volts.
O ganho de tensão nesta montagem é dado por:
(4.2)
4.2.4. FILTRO
O filtro passa baixo foi dimensionado com uma frequência superior de corte de
3,4kHz (ver secção 3.1.6) para atenuar as componentes harmónicas de ordem superior à
frequência fundamental, 50 Hz.
O filtro (figura 34) é constituído pelas seguintes componentes:
Bobina de 22mH;
Condensador de 0,1µF;
Fios conectores;
2 conectores banana;
47
Sensor de
tensão
Inversor
REDE
Figura 34 – Filtro LC do impresso.
4.3. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
4.3.1. TESTE AO GERADOR
Para analisar o comportamento do gerador adquirido, fez-se alguns testes
experimentais. Acoplou-se mecanicamente um motor de velocidade variável ao veio do
gerador.
Figura 35 – Acoplamento do gerador a um motor de velocidade variável.
Ao variar a velocidade do motor, das 0 rpm às 2400 rpm, obtêm-se a tensão AC
na saída do gerador, figura 36. Pela análise desta mesma figura pode-se verificar que
quanto maior for a velocidade do motor, maior é a tensão que o gerador consegue
produzir. Essa relação está quantificada na Tabela VI.
Figura 36 – Variação da tensão à saída do gerador em função da velocidade do motor. A deflexão
horizontal é de 1 segundo por divisão e a deflexão vertical é de 10 volt por divisão.
TABELA VI - VARIAÇÃO DA TENSÃO EM FUNÇÃO DA FREQUÊNCIA.
Frequência (Hz) 4 16 22 33,3 40 50
Tensão, Vpp (V) 3 11 18 35 60 218
48
O sistema descrito anteriormente é capaz de acender uma lâmpada de 25W, no
entanto, este seria capaz de ligar outras nove lâmpadas em paralelo com a anterior.
4.3.2. TESTE AO RECTIFICADOR
Para realizar os testes da ponte rectificadora, de modo a se obter uma tensão contínua,
fez-se a montagem apresentada no esquema da figura 37. Rede
Saída DC
SKKD 46/08
SKKD 46/08
Figura 37 – Esquema de montagem do gerador com a ponte rectificadora.
Para realizar esta montagem, seguiu-se o circuito apresentado na figura 19. A rede
fornece uma tensão AC de 230Vrms. Por questões de segurança utilizou-se um transformador
para diminuir esta tensão para cerca de 24Vrms, ou seja, de modo a obter uma saída de tensão
contínua de aproximadamente 24Vrms, ou seja, aproximadamente 34V de pico.
Na figura 38, mostra-se a tensão em dois pontos importantes do circuito de
rectificação. a)
49
Figura 38 – Tensão do circuito de rectificação. a)Tensão à saída do transformador. Deflexão horizontal
de 10 ms/Div e deflexão vertical de 10 V/Div. b) Tensão à saída do circuito rectificador. Deflexão horizontal de 1 ms/Div e deflexão vertical de 10 V/Div.
4.4. COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS
4.4.1. RECTIFICAÇÃO
4.4.1.1. RESULTADOS TEÓRICOS
De acordo com o apresentado na secção 2.5.1, tem-se que o sinal à saída da
ponte de rectificação é a apresentada na figura 39.
Figura 39 – Sinal Rectificado [19].
t 0
V
35
b)
50
4.4.1.2. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO
Como apresentado da secção 4.1.1, o resultado para a rectificação deste sistema
é o sinal apresentado na figura 40, quando se utiliza um transformador de 230:24.
Figura 40 – Sinal Rectificado obtido na simulação. Deflexão horizontal de 50 ms/Div e deflexão vertical de 5 V/Div.
4.4.1.3. RESULTADOS PRÁTICOS
O resultado obtido da rectificação, obtido na prática, é apresentado na figura
41. Pode-se aferir que o sinal obtido está de acordo com o esperado teoricamente e com
o obtido em simulação.
Figura 41 – Sinal obtido na rectificação experimental. Deflexão horizontal de 1 ms/Div e deflexão vertical de 10 V/Div.
51
4.4.2. INVERSÃO
4.4.2.1. RESULTADOS TEÓRICOS
Como apresentado na secção 2.5.2, tem-se que o sinal à saída do inversor é uma
onda sinusoidal, tal como está apresentada na figura 42.
Figura 42 – Sinal (corrente) à saída do inversor [19].
4.4.2.2. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO
Ao realizar a simulação da inversão, obteve-se o sinal desejado, ou seja, o sinal
de corrente tem uma amplitude de 1A, como pode ser observado na figura 43. Verifica-
se que está de acordo com o esperado teoricamente, tendo em conta que o sinal
simulado possui uma certa distorção.
I(A)
t(s)
52
Figura 43 – Simulação da corrente à saída do inversor.
4.4.2.3. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Não foi possível testar experimentalmente o inversor, pois o circuito não
realizava as ordens de controlo como desejado. Tentou-se averiguar a razão pela qual tal
acontecia, e não se encontrou uma justificação válida, pois construiu-se o inversor de
acordo com o que estava descrito nas folhas de caracteristicas dos drivers e dos IGBT’s.
I(A)
t(s)
53
CAPITULO 5 – CONCLUSÕES
5.1. CONCLUSÕES GERAIS
O objectivo deste trabalho da disciplina de projecto foi a construção de um
protótipo de um sistema que aproveitasse a energia potencial das levadas da Ilha da
Madeira, para injectar uma potência constante, com factor de potência unitário.
Começou-se por fazer um estudo teórico da potência energética que uma
levada é capaz de gerar, em função das suas características físicas (declive, caudal).
Estudou-se a legislação portuguesa sobre a microprodução de energia, de
forma a conhecer o regime de remuneração e todos os demais âmbitos legais.
Fez-se uma revisão bibliográfica sobre os vários tipos de turbinas e geradores
eléctricos de forma a compreender as diferenças no funcionamento de cada tipo de
turbina e alternador. Após a aquisição do gerador foram realizados alguns testes no
laboratório e observou-se que tinha um bom desempenho quando este rodou a 3000rpm.
Estudou-se os fundamentos da electrónica de energia, em especial a inversão
em ponte e o método de controlo por modo de deslizamento.
O modelo do sistema de microprodução de electricidade foi implementado no
Simulink. Os resultados de simulação estão de acordo com os resultados teóricos. Os
resultados de simulação mostram que a corrente está em sincronismo com a tensão da
rede eléctrica e a potência injectada tem um factor de potência unitário, como é
desejado.
Para além dos resultados de simulação, que permitiram avaliar o
comportamento do sistema, iniciou-se a implementação do sistema físico: construiu-se a
54
turbina, ligou-se o gerador e implementou-se o rectificador e programou-se o
microcontrolador.
Com a realização deste trabalho. Adquiriu-se conhecimentos em várias áreas,
nomeadamente em estudos hidráulicos, legislação, máquinas eléctricas e energia de
potência.
5.2. TRABALHOS FUTUROS
• Escolher (se possível) uma levada com maior inclinação e maior caudal;
• Optimizar a estrutura das pás da turbina;
• Optimizar a captação de potência;
• Utilizar um gerador trifásico, ao invés de um monofásico;
• Optimizar o sistema de controlo de produção eléctrica, ou seja, utilizar
um microcontrolador que possua maior capacidade de processamento;
• Controlar a injecção de corrente na rede de acordo com o caudal da água
da levada;
• Criar uma rede e monitorização para vários sistemas deste tipo, de modo
a modo a aproveitar ainda mais o potencial da levada;
• Realizar testes experimentais.
55
REFERÊNCIAS
[1] Fisher, Arthur. “That hole in ozone layer”. Popular Science. Janeiro 1992. PP 65. [2] Combater as alterações climáticas - A UE assume a liderança. Acedido a 22-10-2009. URL: ec.europa.eu/publications/booklets/move/75/pt.doc. [3] Direcção regional de recursos naturais. [4] Wikipédia. Energia hídrica. Acedido a 08-02-2009. URL: http://pt.wikipedia.org/wiki/energia_h%c3%addrica. [5] E-atlantico. Hidráulica. Acedido a 07-02-2009. URL: http://e-atlantico.org/seccaoa/hidraulica.html. [6] Quintela, António de Carvalho. Hidráulica, cap. 7, 9ª edição. Serviço de educação e bolsas, Fundação Calouste Gulbekian, Lisboa 2005 [7] Oliveira, Luís Adriano; Lopes, António Gameiro, Mecânica dos fluidos, 2ª edição, Cáp.11, Etep, 2007. [8] Gorlov, A.M. (2001). Tidal energy. Encyclopedia of ocean sciences, PP 2955-2960. Doi:10.1006/rwas, 2001. [9] Diário da República, 1.ª série n.º 211, 2 de Novembro de 2007. Acedido em 06-02-2009, em: http://dre.pt/pdf1sdip/2007/11/21100/0797807984.pdf. [10] Romano, Renato. Renováveis na hora - Energia em áreas urbanas. Seminário no dia 31 de Outubro de 2009 no Funchal. [11] Paiva, José, Redes de Energia Eléctrica uma Análise Sistémica, Cáp.1 e 2, IST press, segunda edição, 2007. [12] Wikipédia. Sistema trifásico. Acedido em 16-02-2009. Url: http://pt.wikipedia.org/wiki/sistema_trifásico. [13] A. E., Kingdley jr. C., Umans, Stephen D.; Máquinas Síncronas, 6ªedição, Artmed editora. [14]http://4.bp.blogspot.com/_f9tmtabr9hq/rr5imp07mwi/aaaaaaaaaqg/9gf0j1fdqfs/s400/polos_salientes.gif. [15] Guimarães, G. P.; Monteiro, S.H.; Chevitarese, C. H.; Modulador por largura de
pulso. Acedido a 20-04-2009. URL: http://www.cpdee.ufmg.br/~elt/docs/trabalhos/pwm.htm. [16] Silva, J.; Electrónica Industrial, Fundação Calouste Gulbenkian, 1ª Edição, Dezembro 1998. [17] Google Sketchup. URL: http://sketchup.google.com/. [18] Documentação MatLaB. URL: http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/toolbox/physmod/powersys/ref/totalharmonicdistortion.html. [19] Campilho, Aurélio; Instrumentação electrónica. Métodos e Técnicas de Medição; FEUP Edições.
56
57
ANEXOS
59
ANEXO A – ALGORITMO DO MÉTODO DE CONTROLO POR MODO DE DESLIZAMENTO
Utilizando no MATLAB/SIMULINK.
% a função recebe o valor actual da corrente que é produzida e da
corrente de referência
function [s11,s12,s21,s22, trincoout] = fcn(i,iref, trincoin)
histerese = 0.05; %banda de histerese
alto = (iref + histerese); %barreira mais alta da banda de histerese baixo = (iref - histerese); %barreira mais baixa da banda de histerese
% garante que a barreira é a correcta
if trincoin == 1 ireffinal=alto; else ireffinal=baixo; end
% se a corrente produzida ultrapassa a barreira é enviado um sinal
para alterar o estado do IGBT if (i>ireffinal) s11=0; s12=1; s21=1; s22=0; trincoout=0; else if (i<ireffinal) s11=1; s12=0; s21=0; s22=1; trincoout=1; else s11=1; s12=1; s21=0; s22=0; trincoout=1 end end end
60
ANEXO B – CÓDIGO EM LINGUAGEM C UTILIZADO NO MICROCONTROLADOR AVR 90USB1287 PARA IMPLEMENTAR O
CONTROLADOR DO SISTEMA H2O POWER
A memória de instruções do microcontrolador AVR 90USB1287 foi programada através de porta USB.
O software de desenvolvimento foi: win avr, avr studio 4 e flip.
#include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <avr/interrupt.h> #include <avr/io.h> #include <avr/sfr_defs.h> #define F_CPU 8000000UL // 8 MHz #include <util/delay.h> #include <avr/power.h> #include "hd44780_hw.h" #include "hd44780.h" #include "avr_compat.h" #define led PE0 //led está no pino PE0 #define s12 PD2 //sinal de controlo s12 associado ao pino PD2 do microcontrolador #define s11 PD3 //sinal de controlo s11 associado ao pino PD3 do microcontrolador #define s22 PD4 //sinal de controlo s22 associado ao pino PD4 do microcontrolador #define s21 PD5 //sinal de controlo s21 associado ao pino PD5 do microcontrolador #define histerese 300 //valor em mv int tensao, corrente, low, high, total_adc_0, total_adc_1, alto, baixo, referencia, trinco; void adc (void); static FILE lcd_stream = FDEV_SETUP_STREAM(lcd_putc_stream, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE); void configTimer2(void); volatile int segundos = 0,amostras=0; // função principal int main() clock_prescale_set(0); lcd_init(LCD_DISP_ON_CURSOR_BLINK); //coloca cursor do lcd a piscar stdout = &lcd_stream; printf(" Module Status\nNot Initialized"); //se o lcd não for correctamente inicializado aparece uma mensagem configTimer2(); _delay_ms(5000); // estabiliza o cristal externo sei(); // primitiva para permitir as interrupcoes for(;;) adc();
61
amostras++; ISR(TIMER2_OVF_vect) segundos++; if(bit_is_set(PORTE,PE0)) PORTE&=~(_BV(led));//apaga led else PORTE|=(_BV(led)); // acende led lcd_clrscr(); printf("A:%iAD0:%i\nAD1:%i",amostras,referencia,corrente); amostras=0; void configTimer2(void) //configuração do timer 2// ASSR =0x20; //activa modo assincrono// TIMSK2=0x00; // desactiva todas a interrupções para alteração correcta dos registos// OCR2A =0x00; TCCR2A=0x00; //configura modo normal// TIMSK2=0x01; //activa interrupção de overflow// TCCR2B=0x05; void adc (void) ADCSRA = (1<<ADEN) | (1<<ADIF) | (0<<ADIE) | (0<<ADPS2) | (0<<ADPS1) | (1<<ADPS0); //ADEN-ADC Enable; ADIF-ADC Interrupt Flag; ADIE-ADC Interrupt Enable; ADPS2:0- ADC Prescaler Select Bits ->(001)<=>8MHz/2=4 MHz ADC Clock //adc analisador da tensao ADMUX = 0xE0; //E0->11100000 ->11-Ref 2,56V ->1-Left Adjust Result ->00000-Single Ended Input (ADC0) ADCSRA |= (1<<ADSC); //ADSC-ADC Start Conversion loop_until_bit_is_set(ADCSRA, ADIF); //espera até que termine a conversao low=ADCL; high=ADCH;
62
total_adc_0=(high<<2)+(low>>6); //guarda na variavel a leitura do adc //adc analisador da corrente ADMUX = 0xE1; //E1->11100001 ->11-Ref 2,56V ->1-Left Adjust Result ->00001-Single Ended Input (ADC1) ADCSRA |= (1<<ADSC); //ADSC-ADC Start Conversion loop_until_bit_is_set(ADCSRA, ADIF); //espera até que termine a conversao low=ADCL; high=ADCH; total_adc_1=(high<<2)+(low>>6); total_adc_0=total_adc_0*(2560/1023); total_adc_1=total_adc_1*(2560/1023); //Como ADC=Vin*1023/Vref, multiplica-se por Vref/1023 para obter Vin tensao=total_adc_0*(40000.0/2560.0); corrente=total_adc_1*(1200.0/2560.0); //como a entrada do adc varia entre +/-2.56V (sensor), transforma-se este valor no valor real (aqui mostrado em mv) tensao=tensao/33.941;//33.94=24*sqrt(2) //divide-se o valor da tensao real obtida por 24V rms (transformador) de modo a obter a referencia com factor unitario //execucao do algoritmo alto = (tensao + histerese); baixo = (tensao - histerese); if (trinco == 1) referencia=alto; else referencia=baixo; if (corrente>referencia && trinco==1) trinco=0; else
if (corrente<referencia && trinco==0)
63
trinco=1; DDRD|=(1<<s11)|(1<<s12)|(1<<s21)|(1<<s22);//coloca como output if (corrente>referencia) PORTD|=(_BV(s11));//s11=1 PORTD|=(_BV(s12));//s12=1 proteccao PORTD&=~(_BV(s12));//s12=0 PORTD|=(_BV(s21));//s21=1 proteccao PORTD&=~(_BV(s21));//s21=0 PORTD|=(_BV(s22));//s22=1 trinco=0; else if (corrente<referencia) PORTD|=(_BV(s11));//s11=1 proteccao PORTD&=~(_BV(s11));//s11=0 PORTD|=(_BV(s12));//s12=1 PORTD|=(_BV(s21));//s21=1 PORTD|=(_BV(s22));//s22=1 proteccao PORTD&=~(_BV(s22));//s22=0 trinco=1; else PORTD|=(_BV(s11));//s11=1 proteccao PORTD&=~(_BV(s11));//s11=0 PORTD|=(_BV(s12));//s12=1 PORTD|=(_BV(s21));//s21=1 proteccao PORTD&=~(_BV(s21));//s21=0 PORTD|=(_BV(s22));//s22=1 trinco=1; Existem dois comentários a realizar sobre os sinais de controlo s11, s12, s21 e s22:
1. Os sinais de controlo definidos no programa estão negados, uma vez que os optoacopladores utilizados usam lógica negada.
2. Antes da definição do sinal sij=0, é enviado um bit a 1 para prevenir a situação
de estar um dos pares de IGBT’s ligados ao mesmo tempo, o que poderia danificar os mesmos.
64
ANEXO C – ESQUEMA UTIL
IZADO NA SIM
ULAÇÃO DO SISTEMA H
2 O
POWER
Voltage Measurement 3
v+-
Voltage Measurement 2
v+-
Voltage Measurement 1
v+-
Voltage Measurement
v+-
Scope 3
Scope 2
Scope 1
Scope
S22
gm
CE
S21
gm
CE
S12
gm
CE
S11
gm
CE
R L
Memória
Mean
Linear Transformer
1 2
Gain 1
-K-
Gain
-K-
Embedded
MATLAB Function
i
iref
trincoin
s11s12s21s22trincoout
fcn
Display 5
Display 4
Display 3
Display 2
Display 1
Display
Discrete
Total Harmonic
Distorsion
signal THD
D4
D3 D2
D1Current Measurement 1
i+ -
Current Measurement
i+ -
C
AC Voltage Source 1
AC Voltage SourceR
C
Figura 4
4 – S
istema de sim
ulação H2 O
Pow
er.
65
ANEXO D – CIRCUITO IMPRESSO DO RECTIFICADOR
Figura 45 – Circuito impresso do rectificador (face inferior).
Figura 46 - Circuito impresso do rectificador (face superior).
66
Figura 47 – Placa de circuito impresso do rectificador (face superior).
Figura 48 – Placa de circuito impresso do rectificador (face inferior).
67
ANEXO E – CIRCUITO INVERSOR H2O POWER
Figura 49 – Circuito impresso do inversor (face superior).
Figura 50 – Circuito impresso do inversor (face inferior).
68
Figura 51 – Placa de circuito impresso do inversor (face superior).
Figura 52 – Placa de circuito impresso do inversor (face inferior).
69
ANEXO F – SENSOR DE CORRENTE
O sensor de corrente LA25-NP (Figura 32) foi configurado para um valor de
corrente de entrada no sensor de 1,2 A, correspondendo a uma corrente de 6mA na
saída.
.
Colocando uma resistência R de 120Ω na saída do sensor obtêm-se:
De modo a conseguir uma tensão de 2,56 V à entrada do microcontrolador,
calcula-se a seguinte relação de ganho no amplificador operacional:
Escolhendo R1=1kΩ, obtêm-se R2=2,556kΩ.
Desta forma, o valor máximo de tensão à entrada do conversor A/D é de
±2,56V.
Neste trabalho foi utilizado o microcontrolador AVR 90USB1287. Para além
da utilização deste microcontrolador, foi construída uma placa de circuito impressa com
o microcontrolador TMS470. Este microcontrolador possui conversores A/D que
funcionam entre 0 e 3,3 volt. Caso seja necessário utilizar nalgum projecto futuro a
placa de circuito impressa com o microcontrolador TMS470, o sensor de corrente
(Figuras 54, 55, 56) e o sensor de tensão (Figuras 57, 58, 59) possuem:
• Um amplificador somador não inversor22 (Figura 53);
• Um regulador de tensão (LM317T23);
• Dois díodos (1N581824 e C3V925) e uma resistência.
22 In: http://ltodi.est.ips.pt/lveriss/Elect_II/Acetatos/Acet_AmpOps.PDF 23 Ver folha de características em: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet2/1/03cgthpfat4t4ly5kfp5lpwladfy.pdf 24 Ver folha de características em: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/GeneralSemiconductor/mXvrzvw.pdf 25 Ver folha de características em: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/GeneralSemiconductor/mXyzsvst.pdf
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Figura 53- Somador não inversor.
No caso de Ra=Rb=R1=R2, Vo=Va+Vb
Figura 54 – Circuito impresso do sensor de corrente.
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Figura 55 – Placa de circuito impresso do sensor de corrente (face superior).
Figura 56 – Placa de circuito impresso do sensor de corrente (face inferior).
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ANEXO G – SENSOR DE TENSÃO
Assumindo uma tensão AC de 40 V r.m.s. à entrada (Figura 33), o cálculo da
resistência no pino +HT do sensor é:
.
A potência dissipada na resistência R+HT é:
Na saída do sensor, coloca-se uma resistência R de 27Ω, segundo as
especificações do fabricante26, a corrente é de 25 mA.
De maneira a que a tensão à entrada do microcontrolador seja no máximo de
2,56V, chegamos à seguinte relação entre R2 e R1.
Fixando o valor de R1 nos 1kΩ, obtêm-se R2=3,79kΩ.
Como R2 é um potenciómetro, a tensão na saída do amplificador operacional
pode, caso seja necessário, ser facilmente calibrada para outros valores de entrada.
Na Figura 57 mostra-se o desenho das ligações físicas da placa de circuito
impresso.
26 Ver folha de características em: http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/70/206929_DS.pdf.
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Figura 57 – Circuito impresso do sensor de tensão.
Figura 58 – Placa de circuito impresso do sensor de tensão (face inferior).
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Figura 59 – Placa de circuito impresso do sensor de tensão (face superior).