Ministrio da Educao Centro Federal de Educao Tecnolgica do Paran Departamento Acadmico de Eletrotcnica Projeto Final de Graduao

Conversor Eltrico para o Gerador Elico de Baixo CustoProjeto Final de Graduao

FLVIO LUIZ MOSKO HUGO REIS DE OLIVEIRA RIBAS LCIO FABIANO RAMOS

CURITIBA 2004

FLVIO LUIZ MOSKO HUGO REIS DE OLIVEIRA RIBAS LCIO FABIANO RAMOS

Conversor Eltrico para o Gerador Elico de Baixo CustoProjeto Final de Graduao

Projeto Final de Graduao do Curso de Engenharia Industrial Eltrica nfase Eletrotcnica do Centro Federal de Educao Tecnolgica do Paran, apresentado como requisito parcial para obteno do ttulo de Engenheiro Eletricista, orientado pelo Prof. Dr. Antonio Carlos Pinho

CURITIBA 2004

Dedicamos s nossas famlias, pelo apoio e compreenso durante o projeto e todo o decorrer da Faculdade. Mrcia, Kaiana e Nicolas. Joel e Cida. Gizele, Gabriel e Guilherme.

Agradecemos Aos senhores Hans e Alencar, pela estrutura dos testes. A Evilsia e Leandro, pela grande ajuda e incentivo nos testes. A Funcefet, pelos recursos financeiros fornecidos. s empresas COPEL e KRAFT, pelo emprstimo dos equipamentos de testes. Aos Ao departamentos professor de Eletrotcnica, Pinho, Eletrnica apoio e e Mecnica, pelo apoio e infra-estrutura disponibilizados. orientador pelo acompanhamento do projeto. Aos amigos Elton, Ronaldo, Bruno, Vanessa e todos os outros, pela grande ajuda.

SUMRIONDICE DE FIGURAS ................................................................................................ 7 NDICE DE TABELAS E QUADROS ....................................................................... 10 RESUMO.................................................................................................................. 11 1 INTRODUO ...................................................................................................... 12 1.1 JUSTIFICATIVA .......................................................................................................12 1.2 OBJETIVOS ..............................................................................................................13 1.2.1 Objetivo Geral .....................................................................................................13 1.2.2 Objetivos Especficos ........................................................................................... 13 1.3 METODOLOGIA.......................................................................................................14 2 REFERENCIAL TERICO.................................................................................... 16 2.1 POTENCIAL ELIO - ELTRICO ESTIMADO ...................................................... 16 2.2 GERADOR ELICO DE BAIXO CUSTO................................................................. 21 2.2.1. Detalhes Construtivos .........................................................................................21 2.2.2 Ensaios Realizados ..............................................................................................25 2.3 TPICOS DE ELETRNICA DE POTNCIA.......................................................... 31 2.3.1 Dispositivos Semicondutores de Potncia ............................................................35 2.3.2 Retificador........................................................................................................... 43 2.3.3 Inversor ............................................................................................................... 46 2.4 BATERIAS ................................................................................................................50 2.4.1 Funo Bsica da Bateria ou Acumulador de Energia.........................................51 2.4.2 Breve Resumo Histrico.......................................................................................51 2.4.3 Estrutura de uma Clula Acumuladora ................................................................51 2.4.4 Princpio de Operao.........................................................................................53 2.4.5 Tecnologias .........................................................................................................54 2.4.6 Capacidade Nominal da Bateria ..........................................................................55 2.4.7 Carga da Bateria ................................................................................................. 55 2.4.8 Ciclo de Operao e Vida til ............................................................................. 56 2.4.9 Implicaes Ambientais .......................................................................................57 2.5 CONTROLADOR DE CARGA ................................................................................. 57 2.5.1 Caractersticas Gerais .........................................................................................58 3 METODOLOGIA.................................................................................................... 60 4 PROJETO DOS CIRCUITOS ................................................................................ 61

4.1 RETIFICADOR..........................................................................................................61 4.2 CONTROLADOR DE CARGA ................................................................................. 63 4.3 INVERSOR................................................................................................................64 4.4 CONVERSOR ELICO ELTRICO .........................................................................69 5 TESTES E RESULTADOS.................................................................................... 73 5.1 TESTES DE LABORATRIO...................................................................................75 5.2 TESTES DE CAMPO.................................................................................................80 5.2.1 Montagem do gerador.......................................................................................... 80 5.2.2 Resultados do Teste de Campo............................................................................. 85 6 CONCLUSES ..................................................................................................... 90 REFERNCIAS ........................................................................................................ 92 ANEXO 1.................................................................................................................. 94

NDICE DE FIGURAS

Figura 01 Atlas Elico do Brasil (dados preliminares de 1998) .......................... 17 Figura 02 Potencial elico estimado para vento mdio anual igual ou superior a 7,0 m/s ............................................................................................. 20 Figura 03 Vista explodida do Prottipo 2 ............................................................. 21 Figura 04 Materiais utilizados .............................................................................. 22 Figura 05 Disco metlico para acoplamento entres os discos de freios .............. 22 Figura 06 Colagem dos ims ............................................................................... 23 Figura 07 Bobina ..................................................................................................24 Figura 08 Posio dos ims e das bobinas ......................................................... 24 Figura 09 Ensaio no Prottipo 2 .......................................................................... 26 Figura 10 Esquema de montagem ...................................................................... 26 Figura 11 Grfico da Potncia x Corrente ........................................................... 28 Figura 12 Grfico da Potncia x Tenso ............................................................. 28 Figura 13 Grfico da Potncia x Rotao ........................................................... 29 Figura 14 Valores de tenso, corrente e velocidade em plena carga ................. 30 Figura 15 Controle da carga atravs de uma chave ........................................... 31 Figura 16 Conversor elico eltrico proposto ..................................................... 34 Figura 17 Estrutura, smbolo e curva caracterstica de tenso x corrente do diodo................................................................................................... 35 Figura 18 Estrutura, smbolo e curva caracterstica tenso x corrente do transistor............................................................................................. 36 Figura 19 Conexo Darlington entre dois transistores ....................................... 37 Figura 20 Smbolo e curva caracterstica de um MOSFET ................................ 37 Figura 21 Smbolo e curva caracterstica do IGBT ............................................ 38 Figura 22 Smbolo e curva caracterstica do SCR ............................................. 39 Figura 23 Smbolo e curva caracterstica do triac .............................................. 40 Figura 24 Smbolo e curva caracterstica do GTO ............................................. 41 Figura 25 Smbolo e curva caracterstica do MCT ............................................. 42 Figura 26 Grfico comparativo entre as chaves semicondutoras ...................... 42 Figura 27 Retificador de meia onda ................................................................... 43 Figura 28 Retificador de onda completa ............................................................. 44

Figura 29 Retificador de onda completa em ponte ............................................. 45 Figura 30 Circuito bsico de um inversor ........................................................... 46 Figura 31 Tenso de sada do inversor .............................................................. 47 Figura 32 Inversor monofsico de fonte de tenso em ponte completa.............. 48 Figura 33 Exemplos de modulao PWM .......................................................... 49 Figura 34 Padro de modulao PWM senoidal ................................................ 50 Figura 35 Estrutura Bsica de uma Clula ......................................................... 52 Figura 36 Fluxo de eltrons e ons para descarga e carregamento.................... 53 Figura 37 Regime Tenso Constante ................................................................. 56 Figura 38 Circuito em blocos .............................................................................. 58 Figura 39 Circuito do retificador .......................................................................... 61 Figura 40 Funcionamento do circuito retificador ................................................ 62 Figura 41 Circuito do controlador de carga ........................................................ 63 Figura 42 Circuito do inversor ............................................................................ 65 Figura 43 Funo dos transistores ..................................................................... 66 Figura 44 Semiciclo positivo de sada ................................................................ 66 Figura 45 Semiciclo negativo de sada ............................................................... 67 Figura 46 Teste com o circuito do inversor ......................................................... 68 Figura 47 Forma de onda na sada do inversor .................................................. 69 Figura 48 Acoplamento dos estgios com chaves .............................................. 69 Figura 49 Circuitos de sistemas ininterruptos de fornecimento de energia ........ 70 Figura 50 Fotos do circuito do conversor elico-eltrico sob testes.................... 71 Figura 51 Circuito completo do conversor elico-eltrico ................................... 72 Figura 52 Acoplamento do gerador com o motor de induo para as simulaes........................................................................................... 73 Figura 53 Montagem do circuito no laboratrio ................................................... 73 Figura 54 Gerador em campo ............................................................................. 74 Figura 55 Equipamentos de medio, conversor eltrico e bateria sob carga.... 75 Figura 56 Ligao original das bobinas 3 ramos paralelos .............................. 76 Figura 57 Ligao modificada das bobinas 2 ramos paralelos......................... 76 Figura 58 Grfico de tenses Vrms e Vmx em funo da rotao no eixo do Gerador .............................................................................................. 78 Figura 59 Grfico potncia carga bateria x rotao.......................................... 79 Figura 60 Local de montagem ............................................................................ 80

Figura 61 Estrutura de montagem do gerador .................................................... 81 Figura 62 Gerador montado com ps de madeira .............................................. 82 Figura 63 Gerador parado com corda para incio de giro ................................... 83 Figura 64 Detalhe do logger. .............................................................................. 84 Figura 65 Prottipo 1 montado ........................................................................... 85 Figura 66 Grfico das Tenses Vrms e Vmx com a variao da rotao........ 86 Figura 67 Variao da rotao em funo do vento ........................................... 87 Figura 68 Potncia entregue bateria durante o carregamento em campo....... 88 Figura 69 Grfico de potncias ........................................................................... 89

NDICE DE TABELAS E QUADROS

Tabela 01 Valores de corrente, tenso e potncia ............................................. 27 Tabela 02 Valores de rotao e potncia ........................................................... 29 Tabela 03 Algumas aplicaes de eletrnica de potncia................................... 33 Tabela 04 Quatro estados de sada do inversor ................................................. 46 Tabela 05 Variao da vida til com acrscimo da temperatura......................... 57 Tabela 06 Valores de simulao sem carga ...................................................... 77 Tabela 07 Simulao carga bateria .................................................................... 79 Tabela 08 Valores de tenso em funo da rotao, sem carga ....................... 86 Tabela 09 Carga da bateria com variao do vento ........................................... 87 Tabela 10 Carga bateria e alimentao de carga pelo inversor.......................... 88

Quadro 01 Potencial elico-eltrico estimado do Brasil, calculado por integrao de reas nos mapas temticos a partir das premissas apresentadas .................................................................................... 19

RESUMO

Este trabalho tem como objetivo demonstrar as atividades desenvolvidas pela equipe de projeto final de graduao de Engenharia Industrial Eltrica durante o projeto e construo de um conversor eltrico para o gerador elico de baixo custo. O conversor desenvolvido tem a funo de alimentar cargas em corrente alternada (CA) e carregar baterias. Como a fonte um gerador elico, a energia fornecida no pode ser diretamente utilizada, pois depende do regime dos ventos, portanto a utilizao do conversor de vital importncia. Aps montado, o conjunto conversor-gerador foi submetido a testes de laboratrio e campo, onde foi verificado seu funcionamento e coletados todos os dados comportamentais necessrios para o estudo. A anlise dos resultados obtidos durante os testes, mostra que este projeto obteve sucesso em situao real e pode ser utilizado para alimentar cargas domsticas.

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1 INTRODUOAtualmente no Brasil, existe a necessidade de srio planejamento para aumentar a capacidade de oferta de energia eltrica, para que se possa buscar crescimento econmico, sem deixar de lado as questes ambientais, no que se refere a grandes impactos, como no caso de construo de hidreltricas e termoeltricas. Algumas alternativas em estudo so a concepo de plantas de gerao de energia eltrica a partir de fontes renovveis com baixos impactos ambientais, dentre elas a gerao elica, ou seja, a utilizao da energia dos ventos, assunto a ser tratado neste trabalho acadmico. Como forma de iniciar estudos neste segmento, no 2 semestre de 2002 uma equipe de projeto final de graduao em engenharia eltrica apresentou estudos e um prottipo montado de um gerador elico de baixo custo, no qual foram bem sucedidos. Neste momento assume-se a seqncia dos estudos sobre o mesmo prottipo, cientes de que o conjunto eletromagntico j est finalizado. Cabe ao grupo, portanto, pesquisar outro assunto de grande relevncia tcnica concepo final de um gerador elico utilizvel. Buscar soluo para questes importantes, como tornar sua energia utilizvel, atravs de carregamento de baterias, deixar a tenso e a freqncia fixas para alimentar cargas domsticas, pois como o prottipo se encontra, estes parmetros oscilam. Solucionadas estas questes, o gerador se tornar de uso prtico, o que no ocorre hoje.

1.1 JUSTIFICATIVAConforme pesquisas elicas j realizadas, o potencial de gerao elica no Brasil pode ser explorado at um nvel de 143,5 GW (AMARANTE, 2001). Dar-se- incio a um estudo de novas tecnologias para que se possa comear a explorar cada vez mais esse gigantesco potencial energtico, pois hoje a capacidade instalada nacional de 83 GW, predominantemente hidrulica.

13 O fato de a gerao elica ser ainda nova, como fonte de energia eltrica, faz com que em nosso pas o conhecimento ou sistemas desenvolvidos sejam ainda escassos. Isto se torna para ns um fator motivador para o desenvolvimento deste trabalho acadmico, que poder contribuir para desenvolvimento de tecnologia nacional. Havendo a possibilidade de implantao de unidades ou parques de gerao de energia eltrica a partir dos ventos, em locais remotos de proteo ambiental e comunidades carentes, possvel prever que o domnio e difuso desta tecnologia podem oferecer contribuies sociais relevantes, ajudando no processo da universalizao da energia eltrica. Observando acontecimentos e noticirios atuais, pode-se constatar que h interesses polticos, econmicos e ambientais para que se abra espao na atual matriz energtica nacional para outras formas de gerao de energia eltrica, mais limpas e renovveis, o que torna o desenvolvimento da gerao elica bastante atraente do ponto de vista ambiental e potencial gerador de empregos e renda, pois h possibilidade de vir a ser um ramo bastante explorado industrialmente no futuro, conforme texto do Proinfa, Programa de Incentivo a Fontes Alternativas de Energia, lei federal 10.438/2002 (ANEEL,2003).

1.2 OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo GeralProjetar e construir um prottipo de conversor eltrico para o gerador elico de baixo custo, que converte a energia elica em eltrica, utilizvel para consumo e carregamento de bateria, e em seguida submeter o conjunto a ensaios de laboratrio e testes de campo.

1.2.2 Objetivos EspecficosEstudar o material sobre o gerador j construdo, analisando como foi seu desempenho em aspectos que sejam importantes para o estudo, como comportamentos de tenso e freqncia relacionados com variao de rotao.

14 Buscar material bibliogrfico para a pesquisa que deve ser feita, com as fontes mais adequadas, preferencialmente as indicadas por especialistas consultados pela equipe. Projetar as estruturas internas do conversor, de forma a discutir arranjos de circuitos, caractersticas de componentes, e o que esperar de tal soluo. Consultar fabricantes e obter informaes com pessoas ligadas rea. Utilizar durante o desenvolvimento do projeto programas que simulem circuitos eltricos em computadores, pois podem adiantar possveis resultados. O conversor um sistema eletro-eletrnico ligado ao gerador e permite que na sua sada sejam utilizadas cargas reais, que operam com parmetros de tenso e freqncia normalizados, 127 Vca - 60 Hz, respectivamente. Desenvolver estruturas responsveis pela retificao do sinal coletado do gerador, controle de carga/descarga de baterias e inverso CC/CA. Acoplar o conversor ao gerador, alimentar cargas eltricas a partir do conjunto e carregar baterias. Montar os circuitos escolhidos, previamente definidos como mais adequados visando uma boa relao de custo-benefcio e desempenho, prezando tambm pela qualidade na confeco das placas de circuito impresso. Ensaiar os circuitos em bancadas de laboratrio do CEFET-PR, e fazer coleta de dados para analisar seus resultados. Montar o conjunto gerador elico e conversor eltrico para possibilitar simulaes tambm em laboratrio. Escolher um local para testes de campo do conjunto e montar em torre para os testes de campo. Coletar dados e fazer nova anlise de resultados.

1.3 METODOLOGIACompreendendo o projeto final da equipe que montou o prottipo do gerador, sempre com foco nos dados mais relevantes para o conversor eltrico, como comportamento de curvas de desempenho de tenso e freqncia variando a rotao. Estudando o material bibliogrfico terico que permitam idias de arranjos de circuitos, buscando informaes de fabricantes de componentes eltrico-eletrnicos,

15 para o desenvolvimento de um projeto com boa confiabilidade, robustez e custos reduzidos. Projetando um circuito eletrnico de retificao, de controle de carga de baterias e inverso, para isso utilizando como recurso programas de simulao. Com isto evitando possveis gastos com recursos desnecessrios. Decidindo o projeto a ser escolhido, com auxlio sempre constante do orientador e possveis co-orientadores. Estampando placas de circuito impresso, e adquirindo componentes no mercado varejista local de componentes eletrnicos, e assim montando as placas em laboratrios do CEFET-PR. Ensaiando os circuitos, utilizando aparelhos especficos e adequados para coletar dados e analisando formas de onda resultantes. Estudando locais para testes de campo, em funo de ventos, altitude, custos de montagem de transporte. Montando uma estrutura com tubo metlico, para submeter o conjunto gerador elico mais conversor eltrico a testes de campo. Fazendo a coleta de dados do comportamento do conversor e comparando os resultados com os esperados da fase de projeto. Realizando reunies semanais entre componentes da equipe e orientador, e outras pessoas que possam ser teis e se disponham a contribuir com o projeto.

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2 REFERENCIAL TERICO 2.1 POTENCIAL ELIO - ELTRICO ESTIMADOEmbora ainda haja divergncias entre especialistas e instituies na estimativa do potencial elico brasileiro, vrios estudos indicam valores considerveis. At poucos anos, as estimativas eram da ordem de 20.000MW. Hoje a maioria dos estudos indica valores maiores que 60.000MW. A razo dessas divergncias decorre principalmente da falta de informao (dados de superfcie) e s diferentes metodologias empregadas. Segundo os dados do Atlas Elico Brasileiro, o potencial elico brasileiro da ordem de 140.000MW. Os diversos levantamentos e estudos realizados e em andamento (locais, regionais e nacionais) tm dado suporte e motivado a explorao comercial da energia elica no pas. Os primeiros estudos foram feitos na Regio Nordeste, principalmente no Cear e em Pernambuco. Com o apoio da ANEEL e do Ministrio de Cincia e Tecnologia MCT, o Centro Brasileiro de Energia Elica CBEE, da Universidade Federal de Pernambuco UFPE, publicou em 1998 a primeira verso do Atlas Elico da Regio Nordeste. Com o auxlio de modelos atmosfricos e simulaes computacionais, foram feitas estimativas para todo o pas, dando origem a uma verso preliminar do Atlas Elico Brasileiro como pode ser visto na figura 01 (AMARANTE, 2001).

17 Figura 01 Atlas Elico do Brasil (dados preliminares de 1998)

Fonte: AMARANTE, 2001. O Atlas apresenta as condies mdias anuais de vento para todo o territrio brasileiro na resoluo de 1km x 1km. Por meio da integrao dos mapas digitais, utilizando-se recursos de geoprocessamento e clculos de desempenho e produo de energia eltrica a

18 partir de curvas de potncia de turbinas elicas existentes no mercado, chegou-se aos valores listados no quadro 01. Esse processo indicativo foi realizado considerando-se as seguintes premissas: Foram integradas todas as reas que apresentaram velocidades mdias anuais iguais ou superiores a 6 m/s. Foram consideradas curvas mdias de desempenho de turbinas elicas no estado-da-arte mundial, instaladas em torres de 50m de altura. Para essa estimativa, foi utilizada uma densidade mdia de ocupao de terreno de apenas 2 MW/km2 . Esse valor considerado conservativo, uma vez que representa cerca de 20% do realizvel por usinas elicas em terrenos planos. Foram adotados intervalos com incrementos de 0,5 m/s para as velocidades mdias anuais de vento. O desempenho de turbinas elicas foi calculado para os limites inferiores de cada intervalo. Foi adotado um fator de disponibilidade de 0,98, considerado tpico para usinas elicas comerciais. Foram descartadas da integrao as reas cobertas por gua (lagos e lagoas, audes, rios e mar).

Os resultados da integrao, por faixas de velocidade, so apresentados no quadro 01 e na figura 02, por regies. A partir desses resultados, estimou-se um potencial disponvel (segundo as premissas anteriores) da ordem de 143 GW, conforme se mostra na coluna Integrao Cumulativa do quadro 01.

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Quadro 01 Potencial elico-eltrico estimado do Brasil, calculado por integrao de reas nos mapas temticos, a partir das premissas apresentadas ao lado.

Fonte: AMARANTE, 2001.

20 Figura 02 Potencial elico estimado para vento mdio anual igual ou superior a 7,0 m/s.

Fonte: AMARANTE, 2001.

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2.2 GERADOR ELICO DE BAIXO CUSTOAps tomar conhecimento do trabalho intitulado Gerador Elico de Baixo Custo desenvolvido como projeto final nesta instituio no perodo anterior, surgiu o interesse pela continuao deste projeto. Primeiramente, fez-se um estudo detalhado do trabalho citado, onde foram analisadas duas opes de prottipos. O prottipo 1, de at 60 W de potncia e campo magntico radial e o prottipo 2, de at 100 W e campo magntico axial, chegou-se a deciso de escolher o prottipo 2, j que este obteve valores mais significativos para este trabalho. Nesta introduo estar sendo mostrada a parte construtiva, bem como alguns ensaios realizados pela equipe anterior, que foi o ponto de partida inicial deste trabalho. De posse desses valores, comeou-se a escolha de circuitos para realizar a confeco do projeto. A fim de dar um melhor embasamento, algumas informaes e ilustraes oriundas do trabalho citado so apresentados nos itens que seguem.

2.2.1. Detalhes ConstrutivosDe acordo com Projeto do Gerador Elico de Baixo Custo, o prottipo 2 possui uma construo mecnica com campo magntico na direo axial, podendo ser observada na figura 03 a posio dos ms e bobinas, a qual possibilita maior versatilidade nos ajustes de entreferro e dimenses das bobinas. Figura 03 - Vista explodida do Prottipo 2Disco de freios 1 Suporte Chapas laminadas ms Eixo Disco de freios 2

Bobinas

Disco de metal

Rolamento s

Fonte: COSTA, 2003.

22 A idia principal da equipe anterior era fazer um gerador de baixo custo, por isso foram escolhidos materiais encontrados em depsitos de sucata. Ento se optou por um disco de freios de um veculo modelo Opala (disco de freios 1) associado a um disco de freios de um veculo modelo Braslia (disco de freios 2), como observado na figura 04. Figura 04 Materiais utilizados

Eixo

Disco de Freios 1

Disco de Freios 2

Fonte: COSTA, 2003. Para fazer o acoplamento entre os dois discos de freios de veculos diferentes, foi necessria a confeco de um disco metlico interno ao disco de freios 2, onde foi fixado o eixo, possibilitando ajuste da distncia entre eles, vide figura 05. Figura 05 - Disco metlico para acoplamento entres os discos de freios.

Fonte: COSTA, 2003.

23 Para a produo do campo magntico foram utilizados 12 ms de ferrite anisotrpico de brio, com campo magntico de 1,4 T, de dimenses - 20 x 35 x 35 mm - (P x A x L). Para a fixao dos ms foi necessria a limpeza da superfcie inferior do disco de freios 2 atravs de lixamento. A fixao foi realizada atravs de colagem, utilizando adesivo base de epxi. Os ims foram distribudos de maneira uniforme ao longo da superfcie do disco de freios 2, conforme figura 06. Figura 06 Colagem dos ms.

Fonte: COSTA, 2003. Em seguida foram confeccionadas as bobinas, e para o fechamento eficiente do caminho magntico foram feitos ncleos de ao-silcio para as bobinas. As bobinas foram confeccionadas sobre um suporte de madeira de 20 x 18 x 18 mm (P x A x L), depois de retiradas do suporte foram amarradas por fio de polister para modelagem. Cada bobina foi composta por 150 espiras de fio de cobre esmaltado 19 AWG. No interior da bobina foi colocado filme de polister para proteger o enrolamento de eventual atrito com o ncleo e possvel passagem de corrente eltrica para o mesmo, como pode ser visto na figura 07.

24 Figura 07 Bobina

Fonte: COSTA, 2003. As bobinas foram fixadas utilizando adesivo base de epxi, distribudas uniformemente de maneira que cada m do disco de freios 2 correspondesse a uma bobina, conforme observado na figura 08. Para proteo mecnica das bobinas e aumento da conduo do fluxo magntico foi colocado em torno de cada bobina uma lmina de ao-silcio de 18 mm de largura. Figura 08 Posio dos ms e das bobinas

Fonte: COSTA, 2003.

25 As bobinas foram agrupadas quatro a quatro e conectadas em srie entre si, respeitando o sentido de enrolamento, utilizando solda com estanho. Obtendo-se desta forma trs grupos que foram associados em paralelo. Em seguida foi ajustado o entreferro atravs dos parafusos do disco metlico interno de maneira a deix-lo o mais reduzido possvel para maior aproveitamento do campo magntico dos ms. Construtivamente foi constatado que: No h necessidade da procura de um tambor de freio que se adapte ao ncleo laminado do ventilador de teto; No possui ranhuras para fixao das bobinas. No que tange parte eltrica, pode-se destacar: possvel regular o entreferro; Existe a possibilidade de se utilizar ms de tamanhos maiores e maior capacidade de fluxo como os de terras raras; So reduzidas as possibilidades de existir fuga de corrente para a carcaa, pois no existe ncleo laminado com ranhuras.

2.2.2 Ensaios RealizadosA seguir esto relacionados os ensaios realizados pela equipe anterior, que por motivos construtivos, foram feitos utilizando um motor de induo, simulando a ao do vento, conforme a figura 09. Como mostrado na proposta, sero realizados estes ensaios em campo, para identificar os verdadeiros valores que podero ser obtidos, utilizando as ps em locais que possuem um potencial elico satisfatrio.

26 Figura 09 - Ensaio no Prottipo 2

Fonte: COSTA, 2003.

a) Ensaio Os materiais utilizados foram: 01 ampermetro digital CA; 01 voltmetro digital CA; 01 reostato de 0-100; 01 tacmetro ptico digital; cabos com pino banana para conexes.

O objetivo do ensaio foi o levantamento da curva de potncia x rotao no eixo fornecida pelas bobinas do gerador. A metodologia utilizada para o levantamento da curva de potncia gerada no Prottipo 2, foi fixado o valor da rotao em 450 rpm variando o valor da carga atravs do reostato. O esquema de montagem pode ser visto na figura 10.

27 Figura 10 Esquema de montagem

1 R AAC

VAC

AC 2

Fonte: COSTA, 2003. Os resultados apresentados na tabela 01 mostram os valores de corrente e tenso obtidos, a partir desses calculou-se a potncia gerada. A carga utilizada foi resistiva pura, e as especificaes da instrumentao no foram apresentadas no trabalho original, no permitindo afirmar se tratar de valores eficazes verdadeiros. Tabela 01 - Valores de corrente, tenso e potncia. Corrente (A) Tenso (V) Potncia (W) 0,01 0,25 0,50 0,75 0,98 1,25 1,47 1,75 1,95 2,20 2,50 3,38 4,13 5,26 7,12 Fonte: COSTA, 2003. 16,26 16,00 15,87 15,67 15,54 15,35 15,20 15,03 14,92 14,73 14,50 13,93 13,40 12,58 11,12 0,16 4,00 7,93 11,75 15,22 19,18 22,34 26,30 29,09 32,40 36,25 47,08 55,34 66,17 79,17

28 Figura 11 - Grfico da Potncia x Corrente.

100 80 Potncia (W) 60 40 20 0 0 1 2 3 4 Corrente (A) 5 6 7 8

Fonte: COSTA, 2003.

Figura 12 - Grfico da Potncia x Tenso.

100 80 Potncia (W) 60 40 20 0 10 12 14 16 18 20 Tenso (V)

Fonte: COSTA, 2003.

b) Levantamento da curva Potncia x Rotao Com o levantamento dos dados neste ensaio, foi obtido o ponto de melhor aproveitamento em funo da rotao, e assim foi fixado o valor da carga. Variando o valor da rotao, conforme tabela 02, foi obtida a curva da potncia x rotao, como pode ser visto na figura 13.

29 Tabela 02 - Valores de rotao e potncia. Rotao (rpm) Corrente (A) Tenso (V) Potncia (W) 500 475 450 425 400 375 350 325 300 275 250 225 200 175 150 125 Fonte: COSTA, 2003. Figura 13 - Grfico da Potncia x Rotao. 8,25 7,91 7,43 6,95 6,62 6,33 6,00 5,67 5,30 4,92 4,53 4,10 3,63 3,14 2,61 2,05 12,20 11,52 11,00 10,50 9,45 8,80 8,20 7,50 6,85 6,20 5,60 4,91 4,28 3,65 3,00 2,40 100,65 91,12 81,73 72,97 62,55 55,70 49,20 42,52 36,30 30,50 25,36 20,13 15,53 11,46 7,83 4,92

120 100 Potncia (W) 80 60 40 20 0 0 100 200 300 Rotao (rpm) 400 500 600

Fonte: COSTA, 2003.

30 Analisando os resultados da Curva de Potncia x Rotao, foi detectado o melhor ponto de operao do gerador na potncia de 100,65 W, 12,2 V e 8,25 A, na velocidade de 500 rpm. A figura 14 apresenta os valores de tenso, corrente e velocidade em plena carga. Nota-se que o gerador proposto capaz de fornecer a uma rotao de 456,8 rpm a tenso necessria para o carregamento de um banco de baterias (12V) e uma corrente de carga de 7,61 A, totalizando uma potncia de 91,70 W. Figura 14 - Valores de tenso, corrente e velocidade em plena carga.

Fonte: COSTA, 2003.

31

2.3 TPICOS DE ELETRNICA DE POTNCIAO objetivo da eletrnica de potncia processar e controlar um fluxo de energia eltrica fornecendo tenses e correntes na forma mais adequada carga (ROCHA, 2001). A eletrnica de potncia trata da aplicao de dispositivos semicondutores de potncia, como tiristores e transistores para este fim. Esta converso pode ser CA para CC ou vice-versa, e os parmetros controlados so tenso, corrente e freqncia (AHMED, 2000). Pode-se afirmar que o controle feito atravs destes dispositivos semicondutores. Para entender melhor o funcionamento dos circuitos, estes dispositivos sero aproximados a uma chave, que ser usada para o controle da carga na figura 15. Figura 15 Controle da carga atravs de uma chave

Quando a chave est fechada, toda a potncia transferida para a carga; quando ela est aberta, no existe corrente circulando na carga, ento a potncia entregue nula. Abrindo e fechando a chave periodicamente, controla-se a potncia mdia na carga. Os dispositivos semicondutores, transistores e SCRs, usados como chaves podem abrir e fechar de maneira automtica centenas de vezes por segundo. Para maior potncia, a chave deve ficar fechada por perodos maiores e aberta a menor parte do tempo; para diminuir a potncia, basta manter a chave desligada por mais tempo. Segundo Ahmed (2000), as chaves semicondutoras de potncia so os elementos mais importantes em circuitos de eletrnica de potncia. Os principais tipos de dispositivos semicondutores usados como chaves so:

32

Diodo; Transistor bipolar de juno (BJT); Transistor de efeito de campo metal-xido-semicondutor (MOSFET); Transistor bipolar de porta isolada (IGBT); Retificador controlado de silcio (SCR); Triac; Tiristor de desligamento por porta (GTO); Tiristor controlado MOS (MCT). Esses dispositivos so operados no modo de chaveamento, e podem atingir

altas freqncias, a fim de converter e controlar a energia eltrica com alta eficincia e alta resoluo. A perda de potncia na chave muito pequena, j que a diferena de potencial entre os terminais quase igual a zero quando est fechada e a corrente quase nula quando est aberta. Porm existem perdas na conduo, provocadas pela corrente de fuga do semicondutor quando aberta a chave e perdas por chaveamento, porque o dispositivo no passa de um estado para outro, aberto para fechado (e vice-versa), de modo instantneo, leva um certo tempo que provoca perda de potncia. Em qualquer processo de converso de potncia importante que haja uma baixa perda de potncia, ou um alto rendimento, devido ao custo da energia perdida e a dificuldade de dissipar o calor gerado. A eletrnica de potncia encontra aplicaes em qualquer campo que requeira converso e controle de potncia eltrica. Os sistemas de eletrnica de potncia so encontrados em uma grande quantidade de equipamentos, motores pequenos usados em eletrodomsticos, acionamentos industriais de grande potncia, fontes de alimentao reguladas, transmisso CC de alta tenso, reguladores de iluminao, compensadores estticos de potncia reativa, so alguns exemplos de aplicaes em que se encontram circuitos de converso de energia. Os circuitos que fazem parte da eletrnica de potncia podem ser divididos em sete grupos, conforme suas aplicaes especficas, descritas na tabela 03, que d uma boa idia da sua amplitude e importncia.

33 Tabela 03 - Algumas aplicaes de eletrnica de potncia

Conversor de potncia Retificador no controlado CA para CC Retificador controlado CA para CC

Aplicaes Fonte CC para circuitos eletrnicos Controle de velocidade de motor CC a partir de uma fonte CA Controle de velocidade para ferramentas eltricas portteis Transmisso CC em alta tenso

Chopper CC CC para CC Controlador de tenso CA CA para CA

Controle de velocidade de motor CC a partir de fonte CC Fonte de alimentao chaveada Chave de regulagem para iluminao Controle de aquecedores Controle de velocidade de aparelhos eletrodomsticos Controle de potncia reativa Partida suave para motores de induo

Inversor CC para CA

Fonte de alimentao de funcionamento contnuo (UPS) Controle de velocidade de motores CA trifsicos Aquecimento por induo

Conversor cclico CA para CA Chave esttica CA ou CC

Controle de velocidade de motores CA Fonte de freqncia constante para aeronaves Substituio de chaves mecnicas e eletromagnticas

Fonte: AHMED, 2000.

Neste projeto ser estudado e construdo um prottipo de um conversor capaz de transformar a energia produzida pelo gerador elico em tenso e freqncia compatveis com os nveis oferecidos pelas concessionrias, portanto sero utilizados alguns circuitos anteriormente mencionados conforme ilustra a figura 16.

34 Para chegar a esta disposio, foram pesquisados geradores elicos de pequeno porte tal como Turbina Air Wind 403 - Modelo Rural 400 W a 12,5 m/s da marca Southwest (ENERGIA ALTERNATIVA, 2003), concluindo que esta topologia a adequada ao gerador utilizado, com correo eltrica, sendo que apenas geradores elicos de grande porte utilizam correo mecnica com caixa de engrenagem para manter a velocidade constante (WIND POWER MONTHLY, 2003). Figura 16 Conversor elico eltrico proposto

Retificador CA/CC

Controlador de Carga Acumulador (Bateria)

Inversor CC/CA Carga

Entrada de Energia

Entre a entrada de energia e a carga, h o diagrama em blocos do conversor elico eltrico, objetivo deste estudo. O conversor composto de quatro estgios. O primeiro estgio um retificador de tenso, utilizado porque a freqncia de sada do gerador no fixa, ou seja, um gerador assncrono, depende dos ventos. No segundo estgio, ser feito o controle da tenso retificada para armazenar em um acumulador e alimentar o conversor CC/CA, ou inversor. O acumulador, ou bateria, ser utilizado em caso de falta da gerao primria para alimentar o conversor CC/CA. A funo de um inversor de freqncia consiste em converter uma tenso de entrada CC em uma sada CA simtrica de amplitude e freqncia desejadas, para que a energia seja utilizvel, ou seja, o consumidor poder ligar lmpadas ou eletrodomsticos, com potncia de at 100W, como descrito no projeto anterior. Uma outra aplicao para este conversor elico eltrico o carregamento de baterias, muito utilizado em comunidades isoladas e em locais de preservao, tal

35 como em Superagi no Paran (COPEL, 2003). Nesta localidade a populao utiliza clulas solares para carregar suas baterias automotivas que so utilizadas como nica fonte de energia eltrica em suas residncias. Neste caso, apenas os trs primeiros estgios do conversor so utilizados. Cada um dos estgios que compem o conversor completo ser abordado a seguir com mais detalhes nos tpicos seguintes.

2.3.1 Dispositivos Semicondutores de PotnciaComo j foi dito, as chaves semicondutoras de potncia so os elementos mais importantes dos circuitos de eletrnica de potncia. Neste tpico sero vistas algumas caractersticas dos principais dispositivos. a) Diodo Os diodos de potncia desempenham um papel importante nos circuitos de eletrnica de potncia. So utilizados principalmente como retificadores no controlados, convertendo tenses CA em CC e como diodos de retorno, a fim de fornecer passagem para o fluxo de corrente de cargas indutivas. Na figura 17 so apresentados a estrutura de dopagem, o smbolo e uma curva tpica de tenso pela corrente de um diodo comum. Figura 17 Estrutura, smbolo e curva caracterstica de tenso x corrente do diodo

Fonte: AHMED, 2000.

36

Os materiais utilizados na fabricao de diodos podem ser de silcio ou germnio. Os diodos de potncia so normalmente feitos de silcio, pois este material pode operar com correntes maiores e temperaturas de juno mais altas, alm de ter uma resistncia reversa maior. b) Transistor bipolar de juno (BJT) Um transistor tem trs terminais: a base (B), o coletor (C) e o emissor (E). Quando um transistor usado como chave, para controle de potncia fornecida pela fonte para uma carga, os terminais C e E so ligados em srie com o circuito principal da fonte. J os terminais B e E so interligados ao circuito acionador, que controla a ao de ligar e desligar. Uma baixa corrente circula atravs da juno base-emissor e induz o fluxo da alta corrente entre coletor e emissor. Na figura 18 so apresentados a estrutura de dopagem, o smbolo e uma curva tpica de tenso pela corrente de um transistor bipolar de juno. Figura 18 Estrutura, smbolo e curva caracterstica tenso x corrente do transistor

Fonte: AHMED, 2000. O ganho de corrente de 5 a 10 vezes em transistores bipolares de potncia e, por isso, esses componentes algumas vezes so conectados em configurao Darlington para alcanarem um maior ganho de corrente, como o esquema de conexo visto a seguir na figura 19.

37

Figura 19 Conexo Darlington entre dois transistores

Fonte: AHMED, 2000. c) Transistor de efeito de campo metal-xido-semicondutor (MOSFET) Um MOSFET de potncia similar ao MOSFET utilizado para pequenos sinais, porm com maior capacidade no que se refere aos valores nominais de tenso e corrente. um transistor de chaveamento rpido, com alta impedncia de entrada, apropriado para potncias baixas e para aplicaes de alta freqncia. Ele tem trs terminais: o gatilho ou porta G, a fonte S e o dreno D. Na figura 20 so apresentados o smbolo e curva caracterstica, onde aparecem as tenses VGS tenso entre gatilho e fonte, VDS tenso entre dreno e fonte e as correntes IG corrente do gatilho, ID corrente do dreno e IS corrente da fonte. Figura 20 Smbolo e curva caracterstica de um MOSFET

Fonte: AHMED, 2000.

38 A resistncia de conduo do MOSFET aumenta rapidamente com a tenso nominal do componente. Por causa disso, somente componentes com baixa tenso nominal esto disponveis. Considerando as perdas totais nas chaves, pode-se fazer a seguinte comparao entre MOSFETs e bipolares: em um nvel de tenso de 300 a 400V os MOSFETs competem com os bipolares somente se a freqncia de chaveamento ultrapassar os 30kHz d) Transistor bipolar de porta isolada (IGBT) O IGBT tem algumas das vantagens do MOSFET, do BJT e do GTO (item g) combinados. Similarmente ao MOSFET, o IGBT tem alta impedncia de entrada, o qual necessita de uma pequena quantidade de energia para chavear o componente. Como o transistor bipolar, o IGBT tem uma pequena queda de tenso de conduo mesmo em componentes com elevada tenso de bloqueio nominal. Do GTO, o IGBT pode ser projetado para bloquear tenses negativas. Na figura 21 so apresentados o smbolo e uma curva tpica de tenso pela corrente de um IGBT, sendo semelhante a de um transistor comum.

Figura 21 Smbolo e curva caracterstica do IGBT

Fonte: AHMED, 2000.

39 e) Retificador controlado de silcio (SCR) O SCR o controlador eltrico de potncia com o uso mais difundido. Isso se deve sua ao de chaveamento rpido, ao pequeno porte e aos seus altos valores nominais de corrente e de tenso. O SCR tem trs terminais: o anodo (A), o catodo (K) e o gatilho (G). Os terminais A e K so os de potncia, enquanto G o de controle. O SCR atua como uma chave, quando a tenso aplicada alcanar o ponto de disparo, ou se um sinal positivo for aplicado em G, ele passar para o estado ligado e permanecer assim at que a tenso de alimentao for retirada ou a corrente de anodo for reduzida a um nvel abaixo da corrente de sustentao. Na figura 22 so apresentados o smbolo e uma curva tpica de tenso pela corrente de um SCR descrevendo seu funcionamento. Figura 22 Smbolo e curva caracterstica do SCR

Fonte: AHMED, 2000. f) Triac O triac opera como dois SCRs ligados em anti-paralelo. Ele capaz de conduzir corrente em ambas as direes, direta e inversa, e pode ser controlado por um sinal de gatilho positivo ou negativo. Isso o torna til para o controle de potncia CA. Um triac tambm denominado SCR bidirecional.

40 Na figura 23 so apresentados o smbolo onde aparecem os terminais de conduo MT1, MT2 e o terminal de disparo G, e a curva caracterstica do triac com VBR tenso mnima de conduo e IH corrente mnima de conduo direta. Figura 23 Smbolo e curva caracterstica do triac

Fonte: AHMED, 2000.

O triac mais econmico e fcil de controlar. Caso a potncia a ser regulada seja maior do que os valores nominais do dispositivo, possvel um par de SCRs. Uma das limitaes a baixa velocidade, que restringe a freqncia operacional a algumas centenas de hertz. Os triacs so utilizados apenas para regular a tenso CA de 60 Hz em aplicaes como iluminao, controles de velocidade de motores e de aquecimento e em rels CA de estado slido. g) Tiristor de desligamento de porta (GTO) Como o SCR, o GTO pode ser levado conduo por um pequeno pulso de corrente no gatilho e, uma vez conduzindo, pode permanecer nesse estado sem necessidade de corrente de gatilho. No entanto, ao contrrio do SCR, o GTO pode ser bloqueado pela aplicao de uma tenso negativa entre o gatilho e o catodo. Essa fonte de tenso negativa deve ser tal que permita a circulao de um grande

41 fluxo de corrente negativa. Esta corrente negativa precisa circular por uns poucos microssegundos, mas deve ter a magnitude da ordem de um tero da corrente de anodo que est sendo bloqueado. Na figura 24 so apresentados o smbolo e uma curva tpica de tenso pela corrente do GTO. Figura 24 Smbolo e curva caracterstica do GTO

Fonte: AHMED, 2000. h) Tiristor controlado MOS (MCT) O MCT um dispositivo novo que combina as caractersticas do MOSFET e do SCR. A funcionalidade similar ao GTO, mas exige uma corrente de gatilho menor para o desligamento. Sua principal desvantagem a baixa capacidade de bloqueio de tenso inversa. O MCT um componente controlado por tenso como IGBT e o MOSFET. Ele tem duas vantagens que superam o GTO: circuito de comando mais simples e maior velocidade de chaveamento. Tambm tem menor queda de tenso na conduo comparado com o IGBT de valor nominal semelhante. Na figura 25 so apresentados o smbolo com A - anodo, C catodo e G porta e uma curva tpica de tenso pela corrente do MCT.

42 Figura 25 Smbolo e curva caracterstica do MCT

Fonte: AHMED, 2000. A figura 26 apresenta um grfico comparativo entre as chaves

semicondutoras apresentadas at agora. Mostra a melhor escolha levando-se em considerao os fatores tenso, corrente e freqncia de chaveamento. Figura 26 Grfico comparativo entre as chaves semicondutoras

Fonte: MOHAN, 1995

43

Todos os dispositivos mostrados, exceto o MCT, tem uma relativa maturidade tecnolgica. Entretanto a tecnologia do MCT est em rpida expanso, o que significa melhorias na capacidade deste dispositivo so possveis, como est indicado na figura 26.

2.3.2 RetificadorRetificador um circuito que faz a conexo entre uma fonte CA e uma carga CC, isto , converte tenso e corrente alternadas em tenso e corrente contnuas. A amplitude da tenso de sada CC determinada pela amplitude da tenso de alimentao CA, porm a sada CC no pura como a de uma bateria. Ela contm uma componente CA chamada ripple superposta ao nvel mdio CC (LANDER,1988). Para elimin-la necessrio inserir um filtro aps o retificador. Os retificadores so divididos em meia-onda, onda completa e onda completa em ponte. Podem ser controlados ou no controlados, conforme apresentado na tabela 03. As diferenas entre os diversos tipos de retificador variam do ripple de sada a aplicao qual se destinam. Os retificadores de meia-onda so aqueles que possuem um diodo por fase da tenso CA de alimentao de entrada, mostrado na figura 27. Figura 27 Retificador de meia-onda

44 A tenso de sada pode ser calculada pela seguinte equao:

Vo ( md )

V 1 = Vm sen d = m 2 0

Onde: Vo (md ) o valor da tenso mdia na carga

Vm o valor mximo da tenso de alimentaoUm retificador de meia onda no muito prtico por causa da baixa tenso mdia de sada, da pouca eficincia e do alto ripple. Essas limitaes podem ser eliminadas pela retificao em onda completa. Os retificadores de onda completa correspondem associao de dois retificadores de meia-onda ligados em srie. Um deles leva a corrente at a carga e o outro faz o retorno para a entrada CA. Para este tipo de retificador necessrio um transformador com terminao central, como pode ser observado na figura 28 que tambm mostra a curva de sada. Figura 28 Retificador de onda completa

45 O valor da tenso de sada o dobro do valor fornecido pelo retificador de meia onda, como mostra a expresso abaixo: 2V 1 = Vm sen d = m 2 0

Vo ( md )

A retificao de onda completa pode ser tambm obtida com um retificador em ponte. Esse retificador utiliza quatro diodos. Durante o semiciclo positivo da fonte de tenso, D2 e D3 estaro diretamente polarizados ento o fluxo de corrente na carga d-se atravs de D2 e retorna fonte por D3, o que resulta em uma queda de tenso positiva na carga. No semiciclo negativo, D1 e D4 estaro diretamente polarizados, agora a corrente passa por D4 e retorna por D1, gerando novamente uma tenso positiva na carga, conforme figura 29. Figura 29 Retificador de onda completa em ponte

Os valores mdios da tenso e da corrente na carga so similares aos do retificador onda completa com terminao central, porm cada diodo deve suportar apenas a metade da corrente mdia na carga. Outra vantagem deste tipo de retificador a no necessidade de terminao central na fonte de alimentao. Todos os circuitos apresentados at aqui so chamados de retificadores no controlados. Um retificador pode tornar-se controlado substituindo-se o diodo por um

46 tiristor, cujo acionamento feito por um circuito de disparo. Este tipo de retificador no ser abordado neste trabalho porque no faz parte do escopo do projeto a ser desenvolvido.

2.3.3 InversorOs inversores so circuitos estticos que convertem potncia CC em potncia CA com a freqncia e tenso ou corrente de sada desejada. A tenso de sada tem uma forma de onda peridica que, embora no senoidal, pode chegar a ser considerada como tal (AHMED, 2000). O circuito bsico para gerar uma tenso alternada monofsica, a partir de uma alimentao de tenso CC. Esse circuito tambm conhecido como inversor em meia ponte, porque utiliza duas chaves semicondutoras, que so simuladas pelas chaves S1 e S2 conforme figura 30. Figura 30 Circuito bsico de um inversor

As chaves S1 e S2 ligam e desligam a fonte carga de modo alternado, o que produz uma forma de onda retangular de tenso CA. A combinao das chaves fornece quatro estados mostrados na tabela 04. Tabela 04 Quatro estados de sada do inversor Estado 1 2 3 4 Fonte: AHMED, 2000. S1 + + S2 + + Tenso de Sada +V 0 -V 0

47 Quando os estados 1 e 3 so repetidos de maneira alternada, uma tenso de onda quadrada gerada na carga, se os estados 2 e 4 so utilizados, obtm-se uma onda em degrau como mostra a figura 31. Figura 31 Tenso de sada do inversor

Fonte: AHMED, 2000. Um outro tipo de inversor mais empregado, chamado de inversor de fonte de tenso (VSI). Nele, a tenso da fonte de entrada CC constante e independe da corrente drenada pela carga. Existe o VSI em meia ponte e ponte completa. O mais utilizado na prtica o circuito bsico para um inversor monofsico de fonte de tenso em ponte completa que ser apresentado. So necessrias quatro chaves e quatro diodos de retorno. As chaves assumem os estados ligado e desligado aos pares em diagonal, ou seja, as chaves S1 e S4 operam alternadamente com as chaves S2 e S3. A fonte CC fica ligada de maneira alternada carga, em direes opostas. A freqncia de sada controlada pela taxa de velocidade com que as chaves abrem e fecham, conforme ilustra a figura 32.

48 Figura 32 Inversor monofsico de fonte de tenso em ponte completa

Fonte: AHMED, 2000. A tenso de sada deste inversor pode ser calculada atravs das frmulas:

2 Vo ( md ) = E 1 T , valor mdio da tenso. Vo ( ef ) = E 1 2 T, valor eficaz da tenso.

Onde: E o valor da tenso CC da fonte.

o tempo que a tenso de sada igual a zero.

T o perodo da forma de onda.A freqncia da tenso que se alterna determinada pela taxa de variao do chaveamento. A tenso de sada CA retangular do inversor serve para algumas aplicaes. Entretanto, a tenso de sada senoidal a forma de onda ideal para muitas aplicaes. Para conseguir isso, pode ser empregado um filtro no lado da sada do inversor ou utilizar a modulao por largura de pulso (PWM), que usa um esquema de chaveamento no inversor para modificar a forma de onda da tenso de sada.

49 O sistema de controle do inversor pode ser constitudo de circuitos integrados lineares ou de processadores de sinais digitais. Os avanos da tecnologia de fabricao das chaves semicondutores aumentam os nveis de tenso e corrente suportveis, a velocidade de chaveamento, melhorando o desempenho dos conversores. Para controlar a freqncia e/ou a tenso de sada do inversor, necessrio um circuito de controle. De acordo com o caso, poder apenas gerar pulsos quadrados para comutao da etapa de potncia, somente dando liberdade de controlar a freqncia do inversor. Ou gerar um sinal PWM que comutar a etapa de freqncia de acordo com uma referncia, controlando tanto a freqncia do inversor como a tenso aplicada na carga. Pela modulao PWM pode-se comutar a etapa de potncia de tal forma que os harmnicos gerados sejam minimizados j que o somatrio das tenses mdias de cada poro da forma de onda PWM gerada na sada se assemelha muito a uma senide. Nos casos em que necessrio controlar o torque de um motor utilizado este tipo de modulao, visto que a armadura do motor atua como filtro e elimina as harmnicas restantes na tenso, fazendo com que a corrente seja quase senoidal. Na figura 33 podem ser observadas duas modulaes PWM com larguras de pulso diferentes, j na figura 34 a modulao do tipo senoidal.

Figura 33 Exemplos de modulao PWM

Fonte: AHMED, 2000.

50 Figura 34 Padro de modulao PWM senoidal

Fonte: AHMED, 2000. Como foi dito o circuito deste projeto se destina e ser a ltima etapa do conversor eltrico elico, um inversor de freqncia com parmetros de amplitude de tenso e freqncia fixos. Portanto no ser utilizado um circuito de controle mais complexo, com microprocessadores ou modulao PWM. O objetivo na sada fornecer uma tenso alternada, pronta para ser utilizada como gerador isolado. Ser utilizado um circuito de controle simples, capaz de gerar uma onda quadrada de amplitude constante que ser conectada a um transformador que far o papel do filtro e de elevador de tenso para 127 V.

2.4 BATERIASPara o projeto do conversor eltrico do gerador elico de baixo custo, um equipamento, ou melhor, um componente de muita importncia ser o acumulador eltrico, ou mais usualmente chamado de bateria. Utilizando-se a energia elica, fica-se suscetvel ao regime de ventos do local em que for instalado o gerador elico. Para compensar os momentos em que no houver vento, ou seja, corte de fornecimento de eletricidade, buscar-se- suprir a energia eltrica a partir de um acumulador que carregado previamente quando existe vento suficiente para fornecer movimento ao sistema de ps do gerador. Outra aplicao da bateria pode ocorrer, por exemplo, em comunidades carentes e isoladas, onde um centro de gerao de energia eltrica faz a carga de acumuladores e os moradores das imediaes trocam sua bateria j sem carga por uma carregada, podendo ter pontos de luz, rdio, ou um pequeno televisor ligado. Essa poderia ser uma forma de disseminar o uso de eletricidade em locais ainda no atendidos por uma rede convencional.

51 Para melhor adequar os projetos dos circuitos do conversor, necessrio estudar alguns detalhes tcnicos referentes tecnologia das baterias, principalmente no que diz respeito a ciclo de operao, influncias sobre a vida til, curvas de carga e outros que sero abordados logo abaixo.

2.4.1 Funo Bsica da Bateria ou Acumulador de EnergiaOs acumuladores so dispositivos destinados converso de energia qumica em energia eltrica e vice-versa, que so utilizados em sistemas que no possuem nenhuma outra fonte de energia ou para sistemas de emergncia (ROCHA, 2002). A impossibilidade do armazenamento de energia em corrente alternada faz dos acumuladores a grande soluo para este caso, utilizando-se de um sistema em corrente contnua.

2.4.2 Breve Resumo HistricoSegundo ROCHA (2002), o primeiro registro de desenvolvimento de uma clula acumuladora de energia data de 1800 quando Alessandro Conte di Volta obteve uma diferena de potencial entre dois eletrodos de zinco-prata tendo como eletrlito uma soluo de sal. Em 1854, Josef Sinsteden utilizou lminas de chumbo como eletrodos e cido sulfrico diludo como eletrlito. Acabara de ser inventada uma rudimentar clula chumbo-cida recarregvel. Desde ento, melhoramentos tcnicos tm sido aplicados e, como conseqncia, houve incrementos enormes quanto capacidade em armazenar energia, aumento da vida til dos acumuladores e melhor relao volume / energia armazenada nas baterias.

2.4.3 Estrutura de uma Clula AcumuladoraEm termos tcnicos, bateria ou mais adequadamente, bateria de

acumuladores, usada para definir uma associao em srie de vrios acumuladores eltricos, tambm chamados de clulas (ROCHA,2002). Uma clula chumbo-cida que ser o foco deste estudo possui componentes responsveis pela converso da energia eltrica em qumica, como pode ser visto na figura 35:

52

Material ativo da placa negativa (eletrodo de chumbo); Material ativo da placa positiva (eletrodo de xido de chumbo); Eletrlito (cido sulfrico). Figura 35 - Estrutura Bsica de uma Clula

+

-

Nvel do Eletrlito

Eletrodo PbO

Soluo H2SO4

Para aumentar a capacidade de corrente, os eletrodos so constitudos de vrias placas. Um grupo de placas positivo e negativo entrelaado e forma um pacote de placas. As placas positivas so interligadas e conectadas ao plo positivo, o mesmo ocorre com o sistema de placas negativas. Entre as placas positivas e negativas so usados separadores com o objetivo de evitar a ocorrncia de curtos-curcuitos. Esses separadores devem ter porosidade suficiente para permitir a passagem do eletrlito. Se no for assim, o movimento das cargas eltricas (ons) no poderia ocorrer e, portanto, o fluxo de corrente entre as placas negativas e positivas no seria possvel.

Eletrodo Pb

Vaso Recipiente

53

2.4.4 Princpio de OperaoA funo da bateria : Na descarga converter a energia qumica em energia eltrica; Na carga, por meio de uma fonte, converter energia eltrica em energia Durante a descarga da bateria, analisando o circuito externo, possvel ver o fluxo de corrente (sentido convencional) fluindo do terminal positivo para o negativo. Durante a carga, o fluxo de corrente do negativo para o positivo. Estas duas descries correspondem ao sentido oposto ao fluxo de eltrons. A figura 36 mostra os deslocamentos dos ons e dos eltrons na bateria para os processos de carga e descarga. Figura 36 Fluxo de eltrons e ons para descarga e carregamentoCarga eltrons I (A) Fonte CC I (A) eltrons

qumica.

nions

+

nions

+

Eletrlito

Eletrlito

A seguinte equao qumica descreve as reaes de descarga e carga.

Pb + PbO2 + 2H2SO4

2PbSO4 + 2H2O

Durante a descarga, chumbo do eletrodo negativo, bem como o dixido de chumbo do eletrodo positivo, so convertidos em sulfato de chumbo. O cido sulfrico envolve-se no processo na forma de ons sulfato. A gua que resulta do

54 processo indica que o cido diludo e, portanto durante a descarga a densidade do cido diminui. Durante a carga, o processo ocorre de maneira inversa. No processo qumico descrito anteriormente no existe a formao dos gases O2 e H2. Ento, resta a equao da formao desses gases quando a bateria mantida em situao de recarga quando j est plenamente carregada. O fluxo de corrente deve entregar uma certa quantidade de energia em sua passagem do eletrodo slido para o eletrlito. Para que isso ocorra normalmente necessrio que haja suficiente sulfato de chumbo disponvel durante a carga. Porm, se o contedo de sulfato de chumbo nos eletrodos muito baixo (isto ocorre quando a bateria est descarregada), alguns eltrons no encontraro o sulfato de chumbo necessrio converso. Estes eltrons ento devem realizar algum outro trabalho (entregar energia ao sistema) que consistir na quebra de molculas de gua (H2O) que existem no eletrlito. Assim, so produzidos os gases hidrognio (H2) e oxignio (O2) durante o carregamento excessivo da bateria. O hidrognio e o oxignio so gases combustveis ou mesmo explosivos dependendo do seu grau de concentrao.

2.4.5 TecnologiasAs baterias podem ser ventiladas ou seladas. As seladas, que so o foco deste projeto, so algumas vezes chamadas de maintenance-free (livre de manuteno). Estas baterias chumbo-cidas so do tipo VRLA, ou seja, reguladas por vlvula, (ROCHA, 2002). Nas baterias ventiladas atuais existe um sistema que minimiza a quantidade de gases que escapam da clula. Grande parte dos vapores do eletrlito so condensados ainda dentro da clula e retornam ao sistema. Por essa razo, mesmo as ventiladas necessitam de pouca reposio de eletrlito, ou seja, pouca manuteno. As baterias seladas so livres de manuteno porque utilizam eletrlito na forma de gel e, assim a formao de gases reduzida a um mnimo. Somente na eventualidade de um aumento de presso interna, a vlvula de segurana se abre e, imediatamente aps restituir o equilbrio de presso, fecha-se. Portanto, as baterias

55 seladas permitem que eventuais gases sejam liberados para o exterior, mas no permitem que o ambiente externo contamine a clula.

2.4.6 Capacidade Nominal da BateriaA capacidade nominal das baterias chumbo-cidas reguladas por vlvula refere-se a um regime de 10 horas, com corrente constante nominal, respeitando-se uma tenso de descarga final e uma temperatura de 25C. Para compreender melhor pode-se usar o seguinte exemplo: se houver uma bateria de especificao 50 Ah significa que fornece 5 ampres num perodo de 10 horas. Se for exigido um fluxo de corrente maior que o nominal ou se a bateria for submetida a trabalho em temperatura maior que 25C esta relao ser prejudicada, diminuindo sua capacidade. Para saber qual seria o novo regime de descarga devese consultar o manual do fabricante.

2.4.7 Carga da BateriaA carga da bateria considerada completa quando a tenso da clula e o valor da densidade do cido no se alteram aps um perodo de 2 horas. O processo de recarga consiste em limitar a corrente de carga a um valor definido pelo fabricante da bateria no incio do processo de carga. Durante esse perodo a tenso inferior tenso de flutuao e vai aumentando gradativamente para manter a corrente constante nesse perodo. Chegar o momento em que a tenso atingir a tenso de flutuao e a fonte de corrente contnua a manter constante. A partir desse momento a corrente de carga comea a cair de forma exponencial at atingir o valor da corrente normal de flutuao. Na figura 37 mostrada a curva de carga em regime de tenso constante, que apresenta uma tenso mnima (Vmn), que deve ser a mnima tenso da bateria e a linha pontilhada representa E, ou seja, tenso de flutuao de carga que no deve exceder a tenso mxima (Vmx) da bateria. Pode-se observar tambm o comportamento da corrente de carga.

56 Figura 37 - Regime Tenso Constante

Corrente

Vmx Vmn

E (V) - flutuao

I (mA) - flutuao

T (h)

Fonte: ROCHA, 2002. A recarga das baterias normalmente realizada em regime de tenso constante com limitao inicial da corrente. Quando a tenso de flutuao atingida, o sistema de carga mantm constante a tenso e a corrente se ajusta conforme a necessidade da bateria, ou seja, ao seu estado de carga, da a importncia de um adequado carregador que respeite suas curvas de tenso e corrente.

2.4.8 Ciclo de Operao e Vida tilO ciclo de operao a seqncia repetida de cargas e descargas de uma bateria. As baterias utilizadas em sistemas de energias renovveis, como solar e elica, trabalham no regime de carga e descarga planejada cyclic operation (operao cclica). Se uma bateria chumbo-cida usada em operao cclica, sua vida til deve ser expressa preferencialmente em nmero de ciclos e no de anos de uso. Isso porque durante a carga e a descarga o processo de corroso bastante acelerado devido ao maior aquecimento e, tambm, h maior produo de oxignio nas placas positivas. Para melhor entender a respeito da capacidade em funo do ciclo adotado, utiliza-se o exemplo: Um nmero possvel de ciclos considerando descargas de 80%

57 da capacidade de 700 vezes (ROCHA, 2002). Com descargas de apenas 40% da capacidade, o nmero de ciclos pode atingir o dobro, ou seja, 1400 vezes. A justificativa para o aumento do nmero de ciclos a de que os fatores que degradam a bateria so reduzidos pela menor descarga por ciclo. A cada 10C de aumento na temperatura mdia anual em relao de referncia, dobra a taxa de corroso e, conseqentemente, a vida til diminui pela metade. Na tabela 05 mostrado o exemplo de uma determinada bateria para uma temperatura de referncia de 25C e sua variao de vida til. Tabela 05 Variao da vida til com acrscimo da temperaturaTemperatura mdia anual 20C 25C 30C 35C 40C Vida til aproximada 16 anos 12 anos 8 anos 6 anos 4 anos

Fonte: ROCHA, 2002.

2.4.9 Implicaes AmbientaisComo forma de criar conscincia ambiental no descarte de baterias, foi adicionado ao trabalho no Anexo 1 o texto da resoluo 257 de 30 de junho de 1999 expedido pelo Conama Conselho Nacional do Meio Ambiente. Esta resoluo considera os impactos negativos causados ao meio ambiente pelo descarte inadequado de pilhas e baterias. Dita regras quanto a uma adequada reutilizao, reciclagem ou disposio final e as responsabilidades que seus distribuidores importadores e fabricantes tm sobre estes dispositivos.

2.5 CONTROLADOR DE CARGAUm controlador de carga de baterias deve ser concebido de tal modo que a bateria receba uma certa carga compatvel com seu sistema eletroltico sob regime

58 de tenso constante e estabilizada. Importante, tambm, o controle de limite de corrente, a qual, quando em valores elevados, causa excessivo aquecimento da soluo de eletrlitos, com conseqente intemperismo das placas e sensvel reduo de sua vida til. Uma bateria de chumbo-cido com tenso nominal de 12 V formada normalmente por seis conjuntos de placas, ou seis clulas voltaicas. Cada clula voltaica apresenta uma tenso de 2,1 V e uma resistncia interna muito baixa, da ordem de 0,01 ohms, j que se trata de uma soluo condutora onde os ons se movem com grande facilidade.

2.5.1 Caractersticas GeraisO carregador desenvolvido apresenta uma srie de vantagens do ponto de vista tcnico e operacional, que visam aumentar a vida til da bateria que necessita constantemente de recarga. Figura 38 - Circuito em blocos

SENSOR DE CORENTE FONTE DC RETIFICAO BUFFER FILTROS ZENER OPERACIONAL REG. DE TENSO SIMTRICA CONTROLE DE LIMITE DE CORENTE

REGULADOR DE TENSO

MONITOR DE CARGA

DRIVER

MONITOR DE TENSO

PORTA OU

CONTROLE DE LIMITE DE TENSO

Fonte: MARTINI FILHO, 1989. Dentre algumas vantagens, como se pode observar no esquema anterior, destaca-se a possibilidade do controle de corrente, o qual alm de fixar um valor

BATERIA

59 limite tal que no ocorra aquecimento durante o processo de carga, ainda possibilita controlar a velocidade do mesmo, assim como protege o aparelho contra curtocircuito. O controle do limite de tenso evita que o processo eletroltico seja forado quando os valores de cada clula forem atingidos. Do ponto de vista tcnico observam-se ainda algumas configuraes interessantes como fonte fixa estabilizada para a bateria, por configurao Darlington, o booster de corrente, o zener operacional, o amplificador operacional como buffer em configurao de seguidor de tenso, a porta lgica OU com componentes discretos, os comparadores de tenso e os circuitos de monitorao de carga e tenso, construdos de idias simples que utilizaro apenas alguns parmetros de transistores de uso geral.

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3 METODOLOGIA

O tipo da pesquisa desenvolvida neste trabalho foi emprica, utilizando ferramentas de anlise de resultados de ensaios realizados em laboratrio e em campo, e pesquisa terica de tecnologias de circuitos e componentes eletrnicos, para o projeto do conversor. A seguir apresentada uma seqncia de atividades desenvolvidas no decorrer deste projeto, s quais se pode relacionar como os procedimentos metodolgicos utilizados. Compreenso do projeto final da equipe que montou o prottipo 2 do gerador de baixo custo e estudo de material bibliogrfico terico, buscando informaes de fabricantes de componentes eletroeletrnicos, para desenvolvimento de um projeto com alta confiabilidade, robustez e custos reduzidos. Projeto do circuito eletrnico do conversor, estgios de retificao, controle de carga de bateria e inverso. Confeco da placa de circuito impresso, e aquisio de componentes no mercado varejista local de componentes eletrnicos, bem como a montagem. Ensaios dos circuitos, utilizando aparelhos especficos e adequados para coletar dados e anlise de formas de onda resultantes. Estudo do local para realizao dos testes de campo, em funo de ventos, altitude, custos de montagem e transporte. Coleta de dados do comportamento do conversor e comparao dos resultados com os esperados da fase de projeto.

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4 PROJETO DOS CIRCUITOSConforme a figura 16 do item 2.3 do captulo 2, nota-se que existem trs blocos principais do circuito a ser projetado, o retificador (CA/CC), o controlador de carga e o inversor (CC/CA). Alm disso, a forma como estes blocos interagem algo que deve ser analisado durante o projeto. A seguir cada bloco com suas funes ser detalhado.

4.1 RETIFICADORComo o gerador monofsico e no possui terminador central no enrolamento de suas bobinas, foi escolhido o retificador de onda completa em ponte, o mais adequado ao projeto por ser mais eficiente que o retificador de meia onda. Este tipo de retificador possui quatro diodos em ponte como visto no item 2.3.2 e pode ser encontrado encapsulado em um nico componente, com quatro terminais. Como o gerador tem capacidade de 100 W, a corrente pode chegar a 8 A, ento este componente foi projetado para 10 A. necessrio adicionar um filtro na sada do retificador para eliminar o ripple. Como o gerador possui freqncia varivel, ento foi utilizado como filtro dois capacitores de 4700F. O circuito do retificador est representado na figura 39. Figura 39 Circuito do retificador

62 O circuito do retificador foi testado e o resultado pode ser visto nas fotos da figura 40: Figura 40 Funcionamento do circuito retificador: (a) sada do gerador sem retificao - Vg (b) retificador onda completa sem filtro capacitivo (c) sada do retificador - Vsada

(a)

(b)

(c)

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4.2 CONTROLADOR DE CARGAO controlador de carga apresentado no item 2.5.1 o mais adequado do ponto de vista da bateria, porm, encontrou-se uma srie de dificuldades tcnicas que impossibilitaram a sua implementao. A principal limitao que impediu de prosseguir com o projeto foi a falta de uma fonte simtrica utilizada no controle e limite de corrente e tenso. Na sada do retificador tem-se apenas o nvel de tenso positivo, varivel de acordo com o vento, no sendo apropriado para controles microprocessados. Como ser utilizada uma bateria automotiva, pesquisou-se circuitos carregadores mais simples. No alternador de um carro, o regulador permite a passagem de tenses de 14 a 28 volts (BOSCH, 2004), com a bateria sofrendo todo tipo de intempries e ciclos de carga e descarga no regulares. Ento, no necessrio se preocupar muito com o controle de tenso, apenas com a corrente mxima para a bateria. O circuito carregador utilizado est especificado conforme a figura 41: Figura 41 Circuito do controlador de carga

Fonte: BERTINI, 2003.

64 Este circuito utiliza o regulador de tenso varivel LM317, que tem a funo de polarizar os transistores de potncia 2N3055 na sua regio ativa. A tenso de sada do componente para esta configurao dada atravs da seguinte equao:

R2 Vout = 1,25.1 + + R1.I adj R1 Sendo R2 a associao dos resistores 1,5 k e 2 k, R1 o resistor de 270 , Iadj a corrente que circula do pino 1 para a massa, passando por R2 e Vout a tenso de sada do componente, ligado na base dos transistores. Atravs do potencimetro de 2 k regulada a tenso de sada que se converte em corrente de base dos transistores, permitindo a passagem de uma corrente controlada entre coletor e emissor para a carga da bateria. So utilizados dois transistores em paralelo para diminuir as perdas por impedncias internas e aumentar a capacidade de dissipao de calor dos componentes. Cada transistor tem a capacidade de conduzir at 15 A com dissipador de calor. O diodo, na sada do circuito, tem a funo de bloquear a corrente da bateria no sentido do gerador, caso este reduza a tenso pela reduo da velocidade do vento. O ampermetro serve para monitorar a corrente de carga da bateria, sendo possvel o ajuste pelo potencimetro caso necessrio.

4.3 INVERSORO inversor a ltima etapa do conversor elico eltrico. Nele a tenso contnua gerada pelos circuitos anteriores se transformar em tenso alternada, de nvel constante em 127 V e freqncia fixa em 60 Hz. Este circuito composto de um oscilador, regulado para 60 Hz, que ser utilizado para controlar chaves semicondutoras de potncia em nvel de tenso baixo que ser aplicado a um transformador para elevar a tenso. O circuito do inversor est representado na figura 42.

65 Figura 42 Circuito do inversor

Fonte: MINAMIZAWA, 2002

O oscilador foi montado com o CI 4069 de portas lgicas inversoras. Os resistores de 100 k, 2,2 k, o potencimento de 2 k e o capacitor de 2,2 F foram calculados para que seja possvel ajustar atravs do potencimetro a freqncia em 60Hz.

Freqncia Mnima:

f = f =

1 1 = = 49,2 Hz 2,2.C.R 2,2.2,2.10 6.4,2.10 3 1 1 = = 93,9 Hz 2,2.C.R 2,2.2,2.10 6.2,2.10 3

Freqncia Mxima:

O oscilador de portas lgicas ir gerar um sinal varivel com 5V em nvel alto e 0V em nvel baixo que aplicado diretamente na base de TR1 e invertido em TR2, como pode ser visualizado na figura 43.

66 Figura 43 Funo dos transistores

Quando o sinal est em alto, TR1 fecha aplicado-se 0V nos gatilhos dos MOSFETS TR3 e TR4, ao mesmo tempo em que TR2 recebe 0V em sua base e fica aberto, aplicando 12V nos gatilhos de TR5 e TR6. Nessa condio TR3 conduzir, pois um PMOSFET, conduz com 0V no gatilho e TR6 conduzir, pois um NMOSFET, conduz com +V no gatilho. A corrente ir sair da fonte de tenso contnua +12V, passar por TR3, percorrer a bobina do transformador e finalmente passar por TR6 para chegar terra, assim o semiciclo positivo da tenso de sada gerado, conforme mostrado na figura 44. Figura 44 Semiciclo positivo de sada

Quando o sinal do oscilador est em baixo, TR1 fica aberto e so aplicados +12V nos gatilhos dos MOSFETS TR3 e TR4, ao mesmo tempo em que TR2 recebe

67 +5V em sua base e fecha, aplicando 0V nos gatilhos de TR5 e TR6. Nessa condio TR4 conduzir, pois um NMOSFET, conduz com +V no gatilho e TR5 conduzir, pois um PMOSFET, conduz com 0V no gatilho. A corrente, ento, ir sair da fonte de tenso contnua de +12V, passar por TR5, percorrer a bobina do transformador e finalmente passar por TR4 para chegar terra, assim o semiciclo negativo da tenso de sada ser gerado, como mostrado na figura 45. Figura 45 Semiciclo negativo de sada

Esta tenso quadrada e alternada, passando por um transformador eliminar alguns harmnicos, visto que o mesmo uma carga indutiva e opera como filtro, e finalmente elevar a tenso para 127V, porm a forma de onda permanecer quadrada. O regulador de tenso 7805 serve para alimentar o CI 4069 com 5Vcc contnuos. Como a tenso do secundrio do transformador dez vezes maior que no primrio, de se prever que a corrente no primrio ser praticamente dez vezes maior que no secundrio, por isso deve-se ter especial ateno bitola dos fios utilizados no primrio para lig-lo aos MOSFETS e estes fonte de 12Vcc. O inversor foi montado e testado utilizando apenas a bateria como fonte de energia, gerando uma tenso com valor eficaz de 119,5 V, sendo medida por um

68 multiteste comum, alimentando com sucesso uma lmpada fluorescente compacta com reator embutido, conforme a fotografia mostrada na figura 46. Figura 46 Teste com o circuito do inversor.

A forma de onda na sada do transformador pode ser vista na figura 47, como previsto uma onda no senoidal, praticamente quadrada. Como foi utilizada uma ponta de prova 10x, a indicao de tenso eficaz deve ser multiplicada por 10, gerando uma indicao de 130,1 V em 60,61 Hz no osciloscpio, considerado satisfatrio pelo grupo.

69 Figura 47 Forma de onda na sada do inversor

4.4 CONVERSOR ELICO ELTRICOFinalmente necessrio montar todos estes circuitos em um nico conversor, ou seja, acoplar os estgios. Foram estudadas vrias configuraes levando em conta o funcionamento dos circuitos. Uma das alternativas estudadas est apresentada na figura 48 com chaves de acoplamento. Figura 48 Acoplamento dos estgios com chaves: R retificador C controlador de carga I inversor B - bateria

70 As chaves seriam acionadas ora para carregar a bateria, ora para alimentar uma carga ligada na sada do inversor, ou diretamente da bateria para o inversor, no caso de falta de vento. Para acionar estas chaves seria necessria a implementao de um microprocessador ou CLP, sensores de corrente, tenso e fluxo de potncia do gerador, o que tornaria o circuito mais caro e complexo, alm das dificuldades tcnicas j mencionadas. Analisando circuitos de sistemas ininterruptos de fornecimento de energia (WEBER), verificou-se que existem vrios tipos de configuraes, e que a bateria deve estar sempre conectada ao circuito, e so eles: 1 Sistema contnuo; 2 Comutao para inversor energizado permanentemente; 3 Comutao para inversor normalmente inativo; 4 Sistema contnuo com chaveamento esttico para fonte C.A. Figura 49 Circuitos de sistemas ininterruptos de fornecimento de energia

Fonte: WEBER, 1993.

71 Como a energia do gerador no pode ser aproveitada diretamente, o circuito mais adequado o sistema contnuo, no qual toda a energia que entra passa pelo circuito de converso, tornando-a til carga. No possvel utilizar a sincronizao, pois se trata de um gerador assncrono, ou seja, a freqncia varivel. A figura 50 mostra os circuitos j montados sob testes em bancada e no local do teste em campo. Na primeira foto o ventilador est sendo alimentado pelo circuito, na segunda o circuito est sem carga, sendo medido pelo osciloscpio. Figura 50 Fotos do circuito do conversor elico-eltrico sob testes

O circuito completo est representado na figura 51.

72 Figura 51 Circuito completo do conversor elico-eltrico

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5 TESTES E RESULTADOSAo submeter o conjunto completo, gerador, retificador, carregador de baterias e inversor a testes, optou-se por faz-lo em duas etapas, sendo a primeira em laboratrio, ou seja, simulando, com auxlio de um motor de induo alimentado por um inversor de freqncia que possibilitou variar a rotao no eixo do gerador, como pode ser visto na figura 52. Figura 52 - Acoplamento do gerador com o motor de induo para as simulaes.

Na figura 53 observa-se a ligao do gerador ao circuito de carregamento da bateria e alimentao do inversor. Figura 53 Montagem do circuito no laboratrio.

74 A segunda etapa de testes foi realizada na cidade de Florianpolis, em Santa Catarina, para verificar o comportamento do conjunto gerador-conversor eltrico, onde se analisou a relao potncia fornecida e rotao no eixo, em funo da velocidade do vento. Antes de fazer esta montagem, de forma a obter os melhores resultados possveis, foram feitas melhorias na parte mecnica do gerador. Os rolamentos foram lavados com querosene e lubrificados com graxa. As chapas de ao silcio, que fazem o fechamento do circuito magntico do estator foram furadas e fixadas com parafusos, pois alguns conjuntos destes pacotes de chapas estavam se descolando. E na ltima fase o conjunto do eixo foi desmontado para novas regulagens do entreferro e limpeza dentro do gerador. O conjunto foi montado com ps de madeira sobre um disco de madeira, em uma altura de 6,50m em um suporte metlico com 4 estais de cabo de ao. Foram tambm utilizados um anemmetro e biruta a 4,40m do solo, conforme figura 54. Figura 54 - Gerador em campo

75 Na figura 55 observam-se os equipamentos utilizados durante os testes, multitestes, osciloscpio, ampermetros, logger de leitura do anemmetro, os circuitos e a bateria. Figura 55 - Equipamentos de medio, conversor eltrico e bateria sob carga

5.1 TESTES DE LABORATRIONesta etapa de testes, foram feitas diversas leituras individuais por bobinas e em conjunto, para conhecer melhor o gerador, quanto a tenses, freqncia, forma de onda e potncia de sada. Observando o ensaio realizado com o gerador pela equipe do trabalho Gerador Elico de Baixo Custo, constata-se que utilizaram um arranjo de 3 ramos paralelos com 4 bobinas em srie, no qual obtiveram no mximo 12,2 V, conforme figura 56. Como o objetivo de carregar uma bateria de 12 V automotiva e haver queda de tenso sobre a ponte retificadora e outros dispositivos do carregador, foi

76 mudada a ligao das bobinas para elevar a tenso de sada, de forma a adequar o sistema ao circuito, observado na figura 57. Figura 56 - Ligao original das bobinas 3 ramos paralelos.

Figura 57 - Ligao modificada das bobinas 2 ramos paralelos.

O gerador foi fixado numa bancada, com seu acoplamento mecnico sendo feito por meio de uma correia a um motor eltrico trifsico de 3 HP, alimentado por um inversor de freqncia, para variar a velocidade, simulando o vento. Variando a velocidade desde 200 rpm at 400 rpm, foram feitas leituras de tenso com as 12 bobinas individualmente. Em seguida foram interligadas em srie, como mostrado na tabela 06, por exemplo, 1-2 bobinas 1 e 2 em srie, 1-3 bobinas 1, 2 e 3 em srie, at 1-6 bobinas, ou seja, um circuito srie de 6 bobinas. Para as ltimas leituras foram interligados os dois circuitos em paralelo, como 1-6 // 7-12. Cada freqncia escolhida no inversor corresponde a uma rotao do motor eltrico, que transmitia, atravs da correia, movimento ao eixo do gerador. Tais velocidades foram lidas pelo tacmetro ptico no eixo do gerador.

77 Com o aumento da rotao as tenses mxima e eficaz, Vmx e Vef, respectivamente, e a freqncia de sada das bobinas medidas pelo osciloscpio tambm aumentaram. Observou-se que a freqncia de sada do gerador era sempre dez vezes menor que a velocidade no seu eixo, devido a sua forma construtiva, com doze plos. Estes valores de tenso e freqncia podem ser analisados na tabela 06. O grfico da figura 58 representa a resposta de tenses Vef e Vmx obtidos variando a rotao no eixo. Tabela 06 Valores de simulao sem cargaMedies 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Bobinas do Gerador 1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 7 7-8 7-9 7-10 7-11 7-12 1-6 1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1 Freqncia de Sada do Inversor (Hz) 13,8 13,8 13,8 13,8 13,8 13,8 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 27,4 Rotao no Eixo do Gerador (rpm) 200 200 200 200 200 200 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 300 300 300 300 300 300 300 350 350 350 350 350 350 400,6 Tenso Mxima (Vmx) 2,80 5,80 8,20 10,80 14,20 17,60 3,40 6,80 9,80 13,80 17,40 21,60 3,80 7,00 10,20 14,00 17,60 21,20 25,00 4,00 7,80 11,80 15,80 20,00 25,20 4,60 9,00 13,80 18,40 23,60 29,00 5,80 Tenso Eficaz (Vef) 1,81 3,65 5,44 7,20 9,12 11,22 2,25 4,54 6,73 8,98 11,35 13,90 2,38 4,70 7,03 9,38 11,60 14,02 16,70 2,67 5,40 8,07 10,77 13,55 16,70 3,12 6,38 9,47 12,55 15,88 19,50 3,55 Freqncia da Tenso de Sada (Hz) 20 20 20 20 20 20 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 30 30 30 30 30 30 30 35 35 35 35 35 35 40

7833 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 7-8 7-9 7-10 7-11 7-12 1-6 // 7-12 1-6 // 7-12 1-6 // 7-12 1-6 // 7-12 1-6 // 7-12 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 13,8 17,2 20,5 24,0 27,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 400,6 200 250 300 350 400 6,00 5,20 5,80 6,00 6,50 6,10 5,80 5,80 5,60 6,80 6,20 11,00 16,60 22,00 27,00 32,00 10,24 15,60 21,20 25,60 32,40 18,00 20,80 24,40 28,40 32,60 3,70 3,50 3,54 3,81 4,14 3,79 3,71 3,68 3,68 3,73 3,73 7,21 10,70 14,10 17,80 21,90 7,15 10,50 13,20 16,80 22,00 11,20 13,95 16,62 19,50 22,30 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 20 25 30 35 40

Figura 58 - Grfico de tenses Vef e Vmx em funo da rotao no eixo do Gerador.Testes de Laboratrio / Tenso de sada sem carga x Rotao no eixo Vef 35 30 25 Vef e Vmx (V) 20 15 10 5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Rotao (rpm) Vmx

79 Os testes seguintes foram de carga da bateria, com o uso dos circuitos de retificao e carregador de bateria. Os valores de rotao no eixo, nvel de tenso contnua aplicada e corrente de carga fornecida bateria podem ser vistos na tabela 07. Para o aumento da rotao pode-se ver que a potncia entregue bateria sob carga tambm aumentou. Tabela 07 Simulao carga bateria.Rotao no Eixo do Gerador (rpm) 200 250 300 350 400 Tenso Aplicada na Bateria (Vcc) 12,0 12,7 12,9 13,1 13,3 Corrente de Carga da Bateria (A) 0,00 0,28 1,00 1,90 2,92 Potncia de Carga da Bateria (W) 0,00 3,56 12,90 24,89 38,92

Para melhor visualizar o desempenho de carga da bateria pode ser visto o grfico da figura 59, que mostra a potncia que o gerador fornecia bateria em regime de carga variando a rotao no eixo. Figura 59 Grfico potncia carga bateria x rotao.

Simulao Lab. / Carregamento de Bateria x Rotao (rpm) 45,00 40,00 Potncia entregue Bateria (W) 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Rotao (rpm)

80 Concluda a fase de simulao em laboratrio do conjunto gerador e conversor, o sistema foi preparado para testes de campo visto que seu desempenho correspondeu ao previsto pelo grupo.

5.2 TESTES DE CAMPO. 5.2.1 Montagem do geradorO grupo decidiu realizar os testes numa regio que possusse uma boa incidncia de ventos e fcil acesso. O local foi a cidade de Florianpolis, em Ingleses, aproximadamente a 50m do nvel do mar e 1 km de distncia da praia, pois l o vento tem pouca variao, que ideal para este tipo de gerador, bem como uma velocidade de vento apropriada para os testes, conforme orientao do Eng Dario Schultz, do Departamento de Energia Alternativa da COPEL, que forneceu o conjunto de equipamentos para a medio do vento. Em contato com Engenheiro Hans Jrg Heblin, foi marcado para o feriado de Carnaval a realizao da montagem do conjunto e testes. Os testes foram realizados no Morro dos Ingleses, numa residncia de propriedade do senhor Alencar Furtado, que atendeu o grupo com todo auxlio necessrio, mostrada na figura 60. Figura 60 Local de montagem

81 Boa parte do sucesso do teste em campo foi devido ao empenho do Eng Hans, que possua a estrutura de fixao do gerador de tubos e estais, que j estavam previamente montados na posio ideal, conforme pode ser visto na foto da figura 61. Figura 61 Estrutura de montagem do gerador

Como o prottipo 2 no possui ps, trs foram emprestadas do Eng Hans, confeccionadas em madeira, em formato prprio para gerao elica, com 1,0 metro de comprimento, fixadas mecanicamen