sistema fotovoltaico conectado a rede

8/4/2019 Sistema Fotovoltaico Conectado a Rede

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARCENTRO DE TECNOLOGIA

PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

Carlos Elmano de Alencar e Silva

ESTUDO E DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL DE UM SISTEMAELICO INTERLIGADO REDE ELTRICA

(QUALIFICAO)

Fortaleza, maio de 2009.


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ii

Silva, C. E. A. ESTUDO E DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL DE UM SISTEMA

ELICO INTERLIGADO REDE ELTRICA, Universidade Federal do Cear UFC,

2009, 109p.

Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um sistema eletrnico de

aproveitamento de energia elica a partir de um gerador sncrono de m permanente

conectado a uma turbina de vento. O sistema opera com velocidade varivel, permitindo o

mximo aproveitamento da energia cintica incidente na turbina de vento. Essa energia

cintica convertida em energia eltrica pelo gerador sncrono de m permanente e, depois

de totalmente condicionada, injetada na rede eltrica convencional. Esse condicionamento

feito por um sistema eletrnico objeto de estudo e desenvolvimento deste trabalho, o qual

consiste em um retificador trifsico interligado a um inversor monofsico em ponte completa

com sada em corrente. So apresentadas a reviso bibliogrfica de sistemas de

aproveitamento de energia elica para gerao de energia eltrica pertinentes ao escopo do

trabalho, a anlise do retificador trifsico (potncia e contole), a anlise do inversor

monofsico com sada em corrente (potncia e controle) e os resultado de um prottipo de

validao de 6KW do sistema proposto.

Palavras-chave: converso elio-eltrica, correo de fator de potncia, controle

indireto da corrente, inversor monofsico com sada em corrente, retificador trifsico PWM.


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SUMRIO

LISTA DE FIGURAS ..............................................................................................................VI

LISTA DE TABELAS .............................................................................................................XI

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ............................................................................ XII

LISTA DE SMBOLOS ........................................................................................................XIV

INTRODUO..........................................................................................................................1

CAPTULO 1 O APROVEITAMENTO DA ENERGIA ELICA........................................6

1.1 Introduo...................................................................................................................6

1.2 Converso de energia elica em energia eltrica........................................................61.2.1 Turbinas elicas..................................................................................................7

1.2.2 Geradores eltricos em sistemas elicos ..........................................................101.2.3 Escopo do trabalho ...........................................................................................12

1.3 Processamento da energia eltrica gerada ................................................................141.3.1 WECS com conversor cc-cc intermedirio ......................................................151.3.2 WECS com retificador PWM...........................................................................16

1.4 Sistema proposto ......................................................................................................181.4.1 Controle do fluxo de potncia ..........................................................................191.4.2 Otimizao da extrao de potncia.................................................................20

1.5 Consideraes finais.................................................................................................20

CAPTULO 2 RETIFICADOR TRIFSICOBRIDGELESS...............................................21

2.1 Introduo.................................................................................................................212.2 Princpio de operao ...............................................................................................22

2.2.1 Etapa de operao 1..........................................................................................23

2.2.2 Etapa de operao 2..........................................................................................232.2.3 Etapa de operao 3..........................................................................................232.2.4 Etapa de operao 4..........................................................................................24

2.3 Comando dos interruptores.......................................................................................242.3.1 Comando simtrico...........................................................................................242.3.2 Comando assimtrico .......................................................................................24


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iv

2.3.3 Comando utilizado............................................................................................252.4 Formas de onda de tenso e corrente........................................................................252.5 Equacionamento do bridgeless .................................................................................30

2.6 Rudo de modo comum ............................................................................................332.7 Consideraes finais.................................................................................................34

CAPTULO 3 CONTROLE DO RETIFICADORBRIDGELESS........................................35

3.1 Introduo.................................................................................................................35

3.2 Operao com elevado fator de potncia..................................................................353.3 Controle direto da corrente de entrada .....................................................................38

3.3.1 Controle por corrente mdia.............................................................................39

3.3.2 Controle por corrente de pico ...........................................................................39

3.3.3 Desvantagens do controle direto da corrente de entrada..................................403.4 Controle Indireto da corrente de entrada..................................................................40

3.4.1 Controle indireto da corrente do retificadorbridgeless ....................................41

3.4.2 Controle indireto com portadora fixa ...............................................................443.4.3 Controle indireto com portadora varivel.........................................................453.4.4 Anlise do comportamento dinmico...............................................................48

3.4.5 Portadora fixa vs. portadora varivel................................................................503.5 Consideraes finais.................................................................................................51

CAPTULO 4 INVERSOR MONOFSICO EM PONTE COMPLETA ............................52

4.1 Introduo.................................................................................................................52

4.2 Princpio de operao ...............................................................................................534.2.1 Modulao bipolar............................................................................................534.2.2 Modulao unipolar..........................................................................................54

4.2.3 Modulao utilizada .........................................................................................564.3 Equacionamento do inversor ....................................................................................584.4 Controle do inversor .................................................................................................63

4.4.1 Modelagem do inversor....................................................................................654.4.2 Ganho de amostragem......................................................................................654.4.3 Diagrama de blocos do controle .......................................................................66


CAPTULO 5 RETIFICADOR 3 BRIDGELESS VS. RETIFICADOR 3 2 NVEIS ....69

5.1 Introduo.................................................................................................................695.2 Estgio de potncia do retificador ............................................................................69

5.2.1 Consideraes de projeto..................................................................................69

5.2.2 Esforos de tenso e corrente nos semicondutores...........................................695.2.3 Especificao dos semicondutores ...................................................................70


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v

5.2.4 Indutores boostde entrada................................................................................715.2.5 Dimensionamento das perdas ...........................................................................72

5.3 Estgio de potncia do inversor................................................................................78

5.3.1 Consideraes de projeto..................................................................................785.3.2 Esforos de tenso e corrente nos semicondutores...........................................785.3.3 Especificao dos interruptores........................................................................79

5.3.4 Indutor de interface com a rede eltrica ...........................................................795.3.5 Dimensionamento das perdas ...........................................................................80

5.4 Retificador trifsico dois nveis................................................................................835.5 Projeto do linkcc......................................................................................................89


CAPTULO 6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS.............................................................926.1 Introduo.................................................................................................................926.2 Resultados em regime permanente...........................................................................93

6.2.1 Potncia de entrada de 500W ...........................................................................936.2.2 Potncia de entrada de 5KW ............................................................................95

6.3 Curvas de rendimento...............................................................................................97


CONCLUSO..........................................................................................................................99

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ...................................................................................101


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vi

LISTA DE FIGURAS

Fig. 1.1 principais turbinas elicas utilizadas no mundo: (a) trs ps, (b) duas ps, (c)

holandesa de quatro ps, (d) multi-ps americana, (e) Darrieus e (f) Savonius......... 7

Fig. 1.2 Cp vs. para as principais turbinas elicas [6]. ..........................................................8

Fig. 1.3 influncia do nmero de ps no Cp de uma HAWT [7]. ............................................9

Fig. 1.4 ilustrao do aerogerador utilizado (Enersud). ........................................................12Fig. 1.5 diagrama de blocos geral de um WECS de velocidade varivel conectado rede

eltrica. .....................................................................................................................14

Fig. 1.6 diagrama de blocos de um WECS com conversor cc-cc intermedirio. ..................15

Fig. 1.7 diagrama de blocos de um WECS com retificador PWM........................................15

Fig. 1.8 WECS empregando o conversorboostno estgio de converso cc-cc intermedirio.

..................................................................................................................................15

Fig. 1.9 WECS com retificador PWM empregando o conversor back-to-back tradicional. .16

Fig. 1.10 WECS ca-cc-ca empregando o conversor back-to-back de 8 interruptores...........17

Fig. 1.11 WECS ca-cc-ca empregando um retificador semicontrolado. ...............................17

Fig. 1.12 diagrama funcional do WECS proposto.................................................................18

Fig. 1.13 modelo eltrico simplificado de um WECS...........................................................19

Fig. 2.1 retificadorbridgeless trifsico..................................................................................21

Fig. 2.2 bridgeless monofsico associado fase 'a'...............................................................21

Fig. 2.3 etapas de operao do conversos bridgeless monofsico.........................................22

Fig. 2.4 conversorboosttradicional. .....................................................................................25

Fig. 2.5 retificadorboostmonofsico tradicional..................................................................26

Fig. 2.6 retificadorbridgeless monofsico simplificado. ......................................................26

Fig. 2.7 representao grfica da Eq. 2.11.............................................................................27

Fig. 2.8 esboo das principais formas de onda de corrente associadas operao do

retificadorBridgeless monofsico............................................................................28

Fig. 2.9 esboo das principais formas de onda de tenso associadas operao do retificador

Bridgeless monofsico..............................................................................................29

Fig. 2.10 diagrama de blocos da dinmica de carga do linkcc. ............................................32


7/122

vii

Fig. 3.1 organograma das tcnicas para obteno de elevado fator de potncia em

retificadores. .............................................................................................................36

Fig. 3.2 diagrama funcional do controle aplicado ao retificadorboostmonofsico tradicional

operando no modo de conduo descontnua...........................................................37

Fig. 3.3 diagrama funcional do controle aplicado ao retificadorboostmonofsico tradicional

operando no modo de conduo crtica....................................................................37

Fig. 3.4 diagrama funcional do controle por histerese aplicado ao retificadorboost

monofsico tradicional. ............................................................................................37

Fig. 3.5 diagrama funcional do controle por corrente mdia aplicado ao retificadorboost

monofsico tradicional. ............................................................................................39

Fig. 3.6 diagrama funcional do controle por corrente de pico aplicado ao retificadorboostmonofsico tradicional. ............................................................................................39

Fig. 3.7 representao esquemtica do retificadorbridgeless emulando uma resistncia Re.

..................................................................................................................................41

Fig. 3.8 diagramas funcionais do retificadorbridgeless sob controle indireto da corrente de

entrada por razo cclica complementar (a) e por razo cclica (b)..........................43

Fig. 3.9 diagramas funcionais do retificadorbridgeless sob controle indireto da corrente

com portadora fixa atravs da razo cclica complementar (a) e da razo cclica (b)...................................................................................................................................45

Fig. 3.10 integrador com reset para gerao de uma onda triangular com inclinao varivel.

..................................................................................................................................46

Fig. 3.11 diagramas funcionais do retificadorbridgeless sob controle indireto da corrente

com portadora varivel atravs da razo cclica complementar (a) e da razo cclica

(b). ............................................................................................................................46

Fig. 3.12 diagrama funcional da forma proposta de implementar o controle indireto comportadora varivel atravs da razo cclica complementar (a) e da razo cclica (b).

..................................................................................................................................47

Fig. 3.13 representao no domnio da freqncia do retificadorbridgeless operando com

elevado fator de potncia..........................................................................................48

Fig. 3.14 diagrama de Bode da funo de transferncia que relaciona a corrente e a tenso

de entrada do retificadorbridgeless sob controle indireto da corrente. ...................49

Fig. 3.15 filtro passa-baixa de primeira ordem......................................................................50

Fig. 4.1 diagrama esquemtico do estgio inversor do WECS objeto de estudo deste

trabalho.....................................................................................................................52


8/122

viii

Fig. 4.2 principais formas de onda da modulao bipolar.....................................................53

Fig. 4.3 etapas de operao do inversor monofsico em ponte completa operando com

modulao bipolar. ...................................................................................................54

Fig. 4.4 principais formas de onda da modulao unipolar...................................................55

Fig. 4.5 etapas de operao do inversor monofsico em ponte completa operando com

modulao unipolar. .................................................................................................56

Fig. 4.6 modulao unipolar senoidal utilizada neste trabalho..............................................57

Fig. 4.7 circuito equivalente do inversor. ..............................................................................59

Fig. 4.8 circuito equivalente simplificado do inversor. .........................................................59

Fig. 4.9 representao grfica da Eq. 4.11............................................................................61

Fig. 4.10 tenso resultante sobre o indutor de interface pra diferentes valores de . ...........61Fig. 4.11 diagrama funcional do controle utilizado no estgio inversor. ..............................64

Fig. 4.12 diagrama de blocos completo do controle do estgio inversor. .............................66

Fig. 4.13 diagrama de blocos da malha de corrente do controle do estgio inversor............67

Fig. 4.14 diagrama de blocos da malha de tenso do controle do estgio inversor...............67

Fig. 5.1 curva de tenso de entrada vs. potncia de entrada do estgio retificador...............72

Fig. 5.2 curva do valor de pico da corrente de entrada do retificador vs. potncia de entrada

do retificador. ...........................................................................................................73Fig. 5.3 curva da potncia dissipada nos indutores de entrada do retificador. ......................73

Fig. 5.4 variao da carga de recuperao reversa do diodo HFA25PB60. ..........................74

Fig. 5.5 perdas nos diodos boost do retificador.....................................................................75

Fig. 5.6 variao da queda de tenso coletor-emissor com o valor mdio da corrente de

coletor para o IGBT IRGP50B60PD1......................................................................75

Fig. 5.7 relao entre o valor mdio da corrente direta e a queda de tenso sobre o diodo em

antiparalelo do IRGP50B60PD1. .............................................................................76Fig. 5.8 perdas nos interruptores do retificador.....................................................................77

Fig. 5.9 curva de perdas totais estimadas do retificador........................................................77

Fig. 5.10 curva de rendimento estimado para o estgio retificador.......................................77

Fig. 5.11 ilustrao e dimenses das chapas utilizadas na confeco do indutor de interface

..................................................................................................................................79

Fig. 5.12 curva da potncia dissipada no enrolamento do indutor de interface do inversor. 80

Fig. 5.13 perdas por conduo direta e reversa dos interruptores do inversor. .....................81

Fig. 5.14 variao da carga de recuperao reversa do IGBT IRGP50B60PD1...................81

Fig. 5.15 perdas por comutao direta e reversa nos interruptores do inversor. ...................82


9/122

ix

Fig. 5.16 curva de perdas totais estimadas do inversor. ........................................................82

Fig. 5.17 curva de rendimento estimado para o estgio inversor. .........................................83

Fig. 5.18 diagrama esquemtico do retificador trifsico dois nveis. ....................................83

Fig. 5.19 comportamento da razo cclica para a fase a do retificador trifsico dois nveis

(ma=0,3)....................................................................................................................84

Fig. 5.20 relao entre a tenso e a potncia de entrada para o retificador trifsico dois

nveis tradicional. .....................................................................................................86

Fig. 5.21 variao do ndice de modulao do retificador trifsico dois nveis com a potncia

de entrada..................................................................................................................86

Fig. 5.22 perdas por conduo direta e reversa nos interruptores do retificador trifsico dois

nveis.........................................................................................................................87Fig. 5.23 perdas por comutao direta e reversa nos interruptores do retificador trifsico

dois nveis.................................................................................................................87

Fig. 5.24 curva de perdas nos indutores boost do retificador trifsico dois nveis................88

Fig. 5.25 perdas totais para o retificador bridgeless (PTR) e para o retificador trifsico dois

nveis (PTR2N)............................................................................................................88

Fig. 5.26 rendimento terico do retificador bridgeless (TR) e do retificador trifsico dois

nveis.........................................................................................................................88Fig. 5.27 detalhe das curvas de rendimento do retificador trifsico dois nveis e do

retificador bridgeless. ...............................................................................................89

Fig. 6.1 viso geral do prottipo de validao do WECS proposto neste trabalho. ..............92

Fig. 6.2 detalhe das placas de controle, gerenciamento e fonte auxiliar do prottipo...........92

Fig. 6.3 formas de onda de tenso (1 100V/div 4ms) e corrente (2 5A/div 4ms) em

uma das fase do retificador Bridgeless para uma potncia total de entrada de 500W.

..................................................................................................................................93Fig. 6.4 formas de onda da tenso da rede eltrica (1 100V/div 4ms) e corrente (2

5A/div 4ms) injetada na rede eltrica para uma potncia total de entrada do

retificador de 500W..................................................................................................93

Fig. 6.5 espectro harmnico, distoro harmnica e fator de potncia das correntes de

entrada do retificador bridgeless trifsico para potncia de entrada de 500W......... 94

Fig. 6.6 espectro harmnico, distoro harmnica e fator de potncia da corrente injeta na

rede eltrica pelo estgio inversor do prottipo para potncia de entrada do

retificador de 500W..................................................................................................94


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x

Fig. 6.7 formas de onda de tenso (1 100V/div 4ms) e corrente (2 10A/div 4ms) em

uma das fase do retificador Bridgeless para uma potncia total de entrada de 5KW.

..................................................................................................................................95

Fig. 6.8 formas de onda da tenso da rede eltrica (1 100V/div 4ms) e corrente (2

25A/div 4ms) injetada na rede eltrica para uma potncia total de entrada do

retificador de 5000W................................................................................................95

Fig. 6.9 espectro harmnico, distoro harmnica e fator de potncia das correntes de

entrada do retificador bridgeless trifsico para potncia de entrada de 5KW..........96

Fig. 6.10 espectro harmnico, distoro harmnica e fator de potncia da corrente injeta na

rede eltrica pelo estgio inversor do prottipo para potncia de entrada do

retificador de 5KW...................................................................................................96Fig. 6.11 curvas de rendimento dos estgios retificador e inversor separadamente e do

sistema completo. .....................................................................................................97


11/122

xi

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1 comparativo entre o DFIG e o PMSG. ................................................................11

Tabela 1.2 ficha tcnica do aerogerador utilizado.................................................................12

Tabela 1.3 valores tpicos dos coeficientes C1 a C6...............................................................13

Tabela 5.1 consideraes de projeto para o estgio retificador.............................................69

Tabela 5.2 relao dos esforos de tenso e corrente sobre os semicondutores do retificador...................................................................................................................................70

Tabela 5.3 principais caractersticas do IGBT IRGP50B60PD1...........................................70

Tabela 5.4 principais caractersticas do diodo de potncia HFA25PB60..............................71

Tabela 5.5 parmetros fsicos de construo de cada indutor boost de entrada do retificador.

..................................................................................................................................71

Tabela 5.6 consideraes de projeto para os estgio inversor...............................................78

Tabela 5.7 relao dos esforos de tenso e corrente sobre os semicondutores do inversor.78

Tabela 5.8 parmetros fsicos de construo do indutor de interface do inversor..................80

Tabela 5.9 consideraes de projeto para o retificador trifsico dois nveis.........................86

Tabela 5.10 esforos de tenso e corrente sobre os interruptores do retificador trifsico dois

nveis.........................................................................................................................87

Tabela 5.11 principais caractersticas dos capacitores utilizados no link cc. ........................90


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xii

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

avg Average (indica valor mdio)

BCM Boundary Conduction Mode

ca Corrente Alternada

cc Corrente Contnua

CCM Continuous Conduction Mode

DCM Discontinuous Conduction Mode

DFIG Doubly Fed Induction Generator

EIA Energy Information Administration

EMI Eletromagnetic Interference

F.T. Funo de transferncia

HAWT Horizontal Axis Wind Turbine

HPF High Power Factor

IEO International Energy Outlook

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect

MPPT Maximum Power Point Tracker

PMSG Permanent Magnetic Synchronous Generator

PWM Pulse Width Modulation

rms Root Mean Square (indica valor eficaz)

THD Total Harmonic Distortion


13/122

xiii

U.S. United States

WECS Wind Energy Conversion Systems


14/122

xiv

LISTA DE SMBOLOS

ngulo de ataque do vento com relao ao plano da p de uma turbina elica

ngulo de rotao da p de uma turbina elica em torno de seu prprio eixo

ngulo de defasagem entre a corrente e a tenso da fonte de entrada do

retificadorbridgeless

ei Ondulao da corrente nos indutores boostdo retificadorbridgeless trifsico

it Tempo de interrupo do fornecimento de potncia ao linkcc

dcv Mximo afundamento da tenso do linkcc durante perodos de interrupo da

sua potncia de entrada, mediante extrao de potncia nominal

i Rendimento do estgio inversor

r Rendimento do estgio retificador

Argumento da impedncia vista pela fonte de entrada do retificadorbridgeless

Relao de velocidade de ponta

a Densidade do ar

Freqncia angular de uma fonte de tenso

r Velocidade angular de rotao de uma turbina elica

Btu Britsh Thermal Unit

Cdc Capacitncia do linkcc

Cint Capacitncia do integrador com reset

Cp Coeficiente de potncia de uma turbina elica

Cpmax Coeficiente de potncia mximo

D Razo cclica de operao de um interruptor

D Razo cclica complementar de operao de um interruptor


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xv

D1,...,6 Diodos boostdo retificadorbridgeless trifsico

Dmin Razo cclica mnima de operao do retificadorbridgeless

Ea,b,c Fora eletromotriz induzida nas fases do PMSG

Fm Ganho de um modulador

ffe Freqncia fundamental da fonte de entrada do retificadorbridgeless

fpeFreqncia do plo da funo de transferncia que relaciona a tenso e a corrente

de entrada do retificadorbridgeless

fSR Freqncia de comutao dos interruptores do retificadorbridgeless

Ge(s) Funo de transferncia que relaciona a corrente e a tenso de entrada doretificadorbridgeless

GW Gigawatt

Ia,b,c Correntes nos enrolamentos do PMSG

IC Corrente que circula no linkcc

Id Corrente de entrada do estgio inversor

ID Corrente direta atravs dos diodos boostdo retificador bridgelessIe Corrente de entrada de um conversor

Iepk Valor de pico da corrente de entrada de um conversor

Ii Corrente de sada do estgio retificador

IS Corrente direta atravs dos interruptores do retificador bridgeless

ISR Corrente reversa atravs dos interruptores do retificador bridgeless

KHz Quilohertz

Km Quilmetro

KRe Ganho de lao aberto da malha de corrente do controle indireto

KWh Quilowatt-Hora

L1,2,3 Indutores boostdo retificadorbridgeless trifsico

La,b,c Indutncias dos enrolamentos do PMSG


16/122

xvi

Le Indutncia dos indutores boostdo retificadorbridgeless trifsico

m metro

MW Megawatt

Pe Potncia de entrada do retificadorbridgeless

Pi Potncia do linkcc

Pm Potncia mecnica fornecida por uma turbina elica

Pv Potncia cintica contida no vento que incide em uma turbina elica

r Raio de uma turbina elica

Re Resistncia emulada pelo retificadorbridgeless

Ree Resistncia emulada efetiva

Rint Resistncia do integrador com reset

Rsh Ganho do sensoriamento de corrente do estgio retificador

S1,...,6 Interruptores do retificadorbridgeless trifsicoton Tempo de conduo de um interruptor

Ts Perodo de comutao de um interruptor

u Velocidade do vento que incide em uma turbina elica

V Volts

VD Tenso sobre os diodos boostdo retificadorbridgeless

Vdc Tenso do linkcc

VDmax Mxima tenso sobre os diodos do retificadorbridgeless

Ve Tenso de entrada de um conversor

Vepk Valor de pico da tenso de entrada de um conversor

vfe Tenso de entrada de um filtro

vfs Tenso de sada de um filtro


17/122

xvii

VGS Tenso de comando de um interruptor

VLa,b,c Queda de tenso nos enrolamentos do PMSG

vm Sinal que controla o valor de pico da corrente de entrada do retificadorbridgeless

Vp Valor de pico de uma portadora

VS Tenso sobre os interruptores do retificadorbridgeless

VSmax Mxima tenso sobre um interruptor

Ze Impedncia vista pela fonte de entrada do retificadorbridgeless


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INTRODUO

A equivalncia massa-energia (E=m.c2), proposta por Albert Einstein em 1905,

formaliza matematicamente a relao intrnseca entre o universo material e a energia. Como

agente ativo e consciente desse universo material, ao longo de sua existncia, o homem tem se

dedicado compreenso e domnio dos processos de transformao da energia.

Biologicamente, todos os seres vivos so essencialmente mquinas de conversoenergtica, os quais atravs de um processo contnuo e equilibrado de converso de energia

mantm a vida. Na base deste processo esto os seres autotrficos os quais, atravs da

fotossntese, garantem a produo de toda a matria orgnica que mantm o ecossistema do

planeta Terra.

A fotossntese consiste, de forma simplificada, na reao entre gs carbnico (CO 2)

e gua (H2O) dando origem a glicose (C6H12O6) e oxignio (O2). Como se trata de uma reao

endotrmica, a energia necessria para que a reao ocorra provm do sol. Pode-se, portanto,

afirmar que um processo de converso de energia solar que sustenta todo o ecossistema do

planeta Terra.

O homem, enquanto ser vivo, tambm biologicamente uma mquina de converso

de energia. por meio de um processo analogamente inverso ao da fotossntese, denominado

de respirao aerbica, que o homem obtm a energia necessria a todos os processos

celulares vitais, atravs da quebra das molculas de alimento e conseqente liberao de

energia.

Alm dos processos biolgicos, desde os primrdios, o homem instintivamente

tambm se beneficiou da converso de energia quando, por exemplo, obteve a partir do fogo o

calor necessrio a sua sobrevivncia. Em seguida, percebeu que a converso energtica

poderia garantir-lhe, alm da sobrevivncia, uma vida mais cmoda atravs, por exemplo, da

utilizao do calor no cozimento dos alimentos. Ou ainda, atravs da agricultura e criao de

animais, cuja transformao e armazenamento da energia solar em forma de alimento lhe

permitiram fixar residncia e no mais depender exclusivamente da natureza para garantir seu

sustento.


19/122

2

Desde ento, a busca por condies melhores de vida tem sido uma das principais

razes de existir dos homens. Foi assim que o fogo, alm de aquecer e cozinhar, passou a ser

utilizado na confeco de utenslios, ferramentas e armas. O vento foi aproveitado para

impulsionar embarcaes e mover moinhos. A trao animal passou a ser utilizada no

transporte, locomoo e agricultura.

Essa forma primitiva de relao do homem com a converso de energia perdurou por

sculos, sofrendo uma mudana significativa apenas no sculo XVIII depois de Cristo, com o

incio da Revoluo Industrial na Inglaterra. Tecnologicamente, a primeira fase da Revoluo

Industrial foi baseada em mquinas a vapor, utilizadas na fabricao industrial de bens e na

realizao de tarefas tais como bombeamento de gua e propulso de trens e navios.

O vapor necessrio movimentao das mquinas era obtido atravs doaquecimento da gua a partir da queima de carvo mineral. Pode-se afirmar, portanto, que o

estopim da primeira fase da Revoluo Industrial foi a quebra de paradigma na relao entre o

homem e a converso de energia, quando aquele percebe que pode transformar a energia

trmica produzida pela queima de carvo mineral em energia mecnica utilizvel em diversas

atividades produtivas.

Com os adventos do ao, do motor a combusto interna e o domnio da tecnologia

de converso de energia eltrica em energia mecnica e vice-versa, dar-se incio a segundafase da Revoluo Industrial, na segunda metade do sculo XIX. O ao resulta da adio de

carbono ao ferro, dando origem a uma liga com a propriedade de ductibilidade, permitindo

assim a utilizao de processos de moldagem mais elaborados que a fundio, tais como a

forja, a laminao e a extruso. J os primeiros motores de combusto interna comerciais nada

mais eram do que uma evoluo da mquina a vapor, cujas principais vantagens eram o

menor tamanho e a partida mais rpida.

Portanto, o grande salto tecnolgico da segunda fase da Revoluo Industrial foi,mais uma vez, uma evoluo na capacidade humana de converter energia, atravs do domnio

das converses mecnico-eltrica e eltrico-mecnica. Esse salto tecnolgico foi to

importante que hoje no se imagina o mundo sem a energia eltrica. Para quantificar essa

importncia, segundo o U.S. Department of Energy, atravs do relatrio International Energy

Outlook(IEO) 2007 [1] da Energy Information Administration (EIA), o consumo global de

energia eltrica no ano de 2004 foi de 16.424 bilhes de KWh (56 quadrilhes de Btu),

representando aproximadamente 12,5% da energia total (447 quadrilhes de Btu) consumida

no mundo naquele ano.


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3

Ainda segundo [1], o consumo mundial total de energia crescer a uma mdia de 2%

ao ano entre 2004 e 2030. Em se tratando especificamente de energia eltrica, o crescimento

se dar a uma taxa mdia de 2,4% ao ano, passando de 16.424 bilhes de KWh em 2004 para

30.364 bilhes de KWh em 2030.

H ainda a importncia incomensurvel da energia eltrica quando se leva em conta

a quantidade de atividades e processos que dependem dela e sem os quais o mundo no

funcionaria como o conhecemos. Exemplo disso so os equipamentos eltricos e eletrnicos,

indispensveis nas mais diversas atividades residenciais, comerciais e industriais, cujo

princpio de funcionamento depende da energia eltrica.

Apesar de no ser disponibilizada diretamente pela natureza em condies de ser

utilizada, a energia eltrica pode ser obtida atravs da converso de diversas outras formas deenergia. Pode-se produzir energia eltrica atravs da queima de combustveis fsseis (turbinas

a vapor e geradores acionados por motores de combusto interna), atravs de energia nuclear

(turbinas a vapor), atravs de energia qumica (clula a combustvel), atravs da energia solar

(painis fotovoltaicos), atravs de biomassa (turbinas a vapor), atravs da energia cintica dos

ventos (aerogeradores) e etc.

A fonte de energia primria mais utilizada no mundo para produo de energia

eltrica o carvo, respondendo por 42,4% da energia eltrica gerada no mundo. Em seguidaficam empatadas as fontes renovveis de energia hidrulica, elica, solar e biomassa, em

ordem de importncia e o gs natural, respondendo cada uma por 18,2% da energia eltrica

produzida no mundo. Em penltimo lugar est a energia nuclear, utilizada na produo de

15,2% da energia eltrica mundial. Em ltimo lugar figura o petrleo, sendo responsvel por

apenas 6% da energia eltrica gerada no mundo. Esses dados foram obtidos em [1], onde so

contabilizados apenas os recursos enrgicos interligados rede eltrica convencional, ficando

de fora, portanto, boa parte da energia eltrica produzida a partir de biomassa em sistemasdistribudos (desconectados da rede eltrica convencional).

A utilizao de carvo ou petrleo na produo de energia eltrica tem um incmodo

subproduto: o dixido de carbono, apontado por alguns cientistas como o inimigo nmero um

do meio ambiente. O lixo atmico produzido e as conseqncias catastrficas observadas em

acidentes em usinas nucleares so barreiras significativas a novos investimentos para

produo de energia eltrica a partir da energia nuclear. O impacto ambiental dos lagos e as

restries geogrficas limitam enormemente a produo hidrulica de energia eltrica, sem

falar na inconveniente dependncia de chuvas, fator climtico no-controlvel. Assim, mesmo


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4

os pases que possuem potencial hidrulico para produo de energia eltrica tm buscado,

por questes estratgicas, a diversificao de sua matriz energtica.

Seja por questes ambientais, estratgicas e/ou geogrficas, a produo de energia

eltrica a partir de energia elica tem crescido de forma vertiginosa, passando de uma

potncia instalada global de 4,8 GW em 1995 para 58 GW em 2005, um crescimento mdio

anual de 24% [2]. Diante das projees do aumento na demanda por energia eltrica nos

prximos anos, o crescimento da produo de energia eltrica a partir de energia elica deve

continuar.

O Brasil ainda possui uma matriz energtica pouco diversificada, tendo como

principal fonte energtica a hidrulica, que responde pela produo de cerca de 90% da

energia eltrica consumida no pas [3]. Com uma faixa litornea de mais de 7.000 Km,estima-se o potencial elico brasileiro em, no mnimo, 20.000 MW [3]. Mas praticamente

todo esse potencial desperdiado, haja vista que a potncia instalada das usinas elicas

brasileiras em dezembro de 2006 era de apenas 236,85 MW, representando inexpressivos

0,25% da potncia instalada nacional [4].

Diante da importncia da energia eltrica para todas as atividades produtivas do pas,

da necessidade estratgica de diversificao da matriz energtica brasileira e do imenso

potencial elico ocioso do Brasil, de suma importncia os investimentos na formao de profissionais capazes de dar suporte ao adequado aproveitamento da energia elica, bem

como o desenvolvimento de tecnologia nacional que viabilize economicamente os

investimentos em produo de energia eltrica a partir dos ventos.

Este trabalho se insere nesse contexto e relata o estudo, projeto e resultados

experimentais de um sistema de processamento da energia fornecida por um gerador sncrono

de m permanente (PMSG -Permanent Magnetic Synchronous Generator) acoplado a uma

turbina elica. A opo por um gerador sncrono est em consonncia com a necessidade deoperao com velocidade varivel, j que o ponto timo da extrao da energia elica ocorre

para um valor constante da relao entre a velocidade de rotao da turbina e a velocidade do

vento ().

A turbina utilizada, por sua vez, de eixo horizontal de trs ps com perfil

aerodinmico de alta eficincia, permitindo a elevao do valor de para o qual ocorre o

aproveitamento timo da energia elica incidente. O alto associado ao elevado nmero de

plos do PMSG utilizado, permite dispensar o uso de caixa de engrenagens entre a turbina e o

gerador, implicando menores peso, volume e manuteno, bem como maiores eficincia e

confiabilidade.


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5

O sistema eletrnico de processamento de energia elica (WECS Wind Energy

Conversion Systems) objeto deste trabalho, atravs do ajuste do carregamento do PMSG,

responsvel pela extrao otimizada da energia do vento, garantindo que o aerogerador opere

o mais prximo possvel do ponto de mxima transferncia de potncia, ou seja, com um

valor de timo. Esse WECS consiste de um novo retificador trifsico PWM (Pulse Width

Modulation) unidirecional e de um inversor monofsico em ponte completa controlado por

corrente.

O retificador extrai a energia disponvel no vento por meio do aerogerador,

formando um barramento de tenso contnua (linkcc) a partir do qual o inversor de tenso,

conectado a rede eltrica atravs de indutores de interface, injeta a energia produzida na rede

eltrica convencional.

Estrutura do trabalho

O trabalho composto por seis captulos. No Captulo 1 feita a contextualizao

do trabalho e a apresentao do seu objetivo. No Captulo 2, o estgio retificador da estrutura

proposta detalhadamente apresentado. No Captulo 3 so apresentadas de forma superficial

as tcnicas de controle que permitem operar os retificadores ativos com elevado fator de

potncia e no modo de conduo contnua. De forma mais detalhada apresentado o controleindireto da corrente de entrada, que ser aplicado ao retificador proposto. No Captulo 4

apresentada uma anlise detalhada do estgio inversor, tanto da sua estrutura de potncia

quanto da sua estrutura de controle. No Captulo 5 feita a estimativa de perdas dos estgios

inversor e retificador, e ainda do retificador trifsico dois nveis, este ltimo a fim de permitir

situar o retificador trifsico bridgeless proposto entre as estruturas retificadoras aplicadas

mundialmente em WECS. Finalmente, no Captulo 6 so apresentados os resultados

experimentais do prottipo de validao do WECS proposto.

Equation Chapter 1 Section 1


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Captulo 1 O Aproveitamento da Energia Elica

1.1 Introduo

A utilizao da energia cintica contida nos ventos, ou simplesmente energia elica,

j feita h muitos sculos pelos homens. Inicialmente ela foi utilizada de forma direta, ou

seja, sem nenhum tipo de converso, em barcos vela cuja origem data de 3.000 anos antes

de Cristo, no Egito. Por volta do sculo XI da era crist, o engenho humano se encarregou de,atravs de mtodos de converso rsticos, converter essa energia da forma cintica para a

forma mecnica, utilizando-a em moinhos e sistemas de bombeamento [5].

Com o domnio tecnolgico da converso mecnico-eltrica e eltrico-mecnica

obtido na segunda metade do sculo XIX, abriu-se a possibilidade de gerar energia eltrica a

partir da energia cintica dos ventos. As primeiras experincias nesse sentido foram realizadas

pela Dinamarca em 1890, utilizando turbinas de 23m de dimetro. J em 1910 havia centenas

de aerogeradores (conjunto turbina-gerador) em operao naquele pas [6].Mas o elevado custo do KWh gerado a partir do vento fez com que esse tipo de

gerao fosse pouco desenvolvido e aplicado no restante do mundo. Essa realidade perdurou

at a dcada de 70 do sculo XX, quando a crise do petrleo abalou os alicerces da produo

energtica mundial. Diante desse revs, pases como Estados Unidos, Alemanha, Inglaterra e

Sucia implantaram programas de incentivo pesquisa e ao desenvolvimento de sistemas de

gerao de energia eltrica a partir de fontes alternativas de energia [7].

Desde ento a energia elica vem se mostrando ao longo das dcadas uma das mais

viveis fontes alternativas de energia, experimentando um substancial crescimento desde a

dcada de 1990, passando de uma potncia instalada global de 4,8 GW em 1995 para 58 GW

em 2005, um crescimento mdio anual de 24% [2].

1.2 Converso de energia elica em energia eltrica

A converso de energia elica em energia eltrica feita atravs da associao de

uma turbina elica a um gerador eltrico. A turbina elica converte a energia cintica do

vento em energia mecnica rotacional que aciona o gerador eltrico, o qual converte a energia

mecnica em energia eltrica. A seguir so apresentados, de forma resumida, os principais


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7

tipos de turbinas elicas, a comparao entre elas, a contextualizao dos geradores eltricos

em sistemas de converso de energia elica em eltrica e o aerogerador para o qual este

trabalho se destina.

1.2.1 Turbinas elicas

As turbinas elicas podem ser subdivididas em dois tipos: turbinas de eixo

horizontal e turbinas de eixo vertical. H vrios modelos de turbinas elicas, tanto de eixo

horizontal como de eixo vertical. As principais turbinas elicas de eixo horizontal utilizadas

no mundo so: a de trs ps (Fig. 1.1.a), a de duas ps (Fig. 1.1.b), a holandesa de quatro ps

(Fig. 1.1.c) e a multi-ps americana (Fig. 1.1.d). As principais turbinas elicas de eixo vertical

utilizadas no mundo so: a Darrieus (Fig. 1.1.e) e a Savonius (Fig. 1.1.f).

Fig. 1.1 principais turbinas elicas utilizadas no mundo: (a) trs ps, (b) duas ps, (c) holandesa dequatro ps, (d) multi-ps americana, (e) Darrieus e (f) Savonius.


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Os vrios modelos de turbina distinguem-se entre si pela capacidade de converso

da potncia elica que nela incide em potncia mecnica rotacional, mensurada atravs do seu

coeficiente de potncia (Cp). Assim, sendo Pv a potncia elica que incide em uma turbina de

vento, a potncia mecnica (Pm) gerada por ela dada pela Eq. 1.1[6].

( ),m p P C P .v= 1.1

Pode-se observar na Eq. 1.1 que o coeficiente de potncia (Cp) funo de duas

variveis: a relao de velocidade de ponta () e o ngulo de pitch (). O ngulo de pitch o

ngulo de rotao da p em torno de seu prprio eixo. Assim, variando-sevaria-se o ngulo

de ataque do vento () com relao ao plano da p. O ngulo de ataque mximo quando

mnimo, portanto, quanto maior o ngulo de pitch menor a potncia elica coletada pelaturbina [6]. A varivel , por sua vez, relaciona a velocidade de ponta das ps com a

velocidade do vento, como mostra a Eq. 1.2[6].

.mr

u

= 1.2

Na qual r o raio da turbina, m a velocidade angular do eixo da turbina e u a

velocidade do vento que incide na turbina. A Fig. 1.2 apresenta as curvas tpicas de Cp vs.

para os principais modelos de turbinas elicas. Esta figura foi obtida em [6] e se baseia emestudos realizados na dcada de 1970 pela agncia aero-espacial dos Estados Unidos.

Fig. 1.2 Cp vs. para as principais turbinas elicas [6].


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9

Em um sistema de gerao de energia eltrica a partir de energia elica importante

que se aproveite ao mximo, em cada aerogerador instalado, a potncia elica incidente.

Analisando a Fig. 1.2 pode-se observar que a turbina elica que permite o maior

aproveitamento da potncia elica disponvel a turbina elica de eixo horizontal (HAWT

Horizontal Axis Wind Turbine) de duas ps, por isso largamente estudada e utilizada na

dcada de 1970, principalmente nos Estados Unidos [6].

Ao longo dos anos houve um grande desenvolvimento das ps para HAWTs, tanto

aerodinmico quanto nos materiais e processos de fabricao, levando a uma nova gerao de

ps. O principal impacto da evoluo tecnolgica das ps foi a elevao do valor de para o

qual ocorre o Cp mximo, permitindo a reduo do nmero de plos do gerador eltrico

acoplado turbina elica ou a reduo da relao da caixa de engrenagens em sistemas que autilizam.

Com essa nova gerao de ps, foram desenvolvidos estudos em tneis de vento a

fim de avaliar o impacto do nmero de ps no Cp das HAWTs, como mostra a Fig. 1.3[7].

Fig. 1.3 influncia do nmero de ps no Cp de uma HAWT [7].

Pode-se observar nessa figura que o maior Cp mximo obtido em uma HAWT de

trs ps. Para um nmero maior ou menor de ps o Cp mximo decresce. Isso se deve ao fato

de que o aumento do nmero de ps, apesar de aumentar a coleta de ar pela turbina elica,

tambm aumenta a fora de arrasto total da turbina e um nmero menor de ps reduz a coleta

de vento, ou seja, reduz o coeficiente de solidez da turbina.

Outra questo importante associada ao nmero de ps de uma HAWT o impacto

da interrupo do fluxo de ar nas ps cada vez que elas cruzam a torre de sustentao do

aerogerador (efeito sombra). Quanto maior o nmero de ps de uma HAWT menos suscetvel

ela ao efeito sombra, j que h uma menor perda de fora de sustentao, uniformemente


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distribuda entre as ps. Portanto, nesse quesito as HAWTs de trs ps tambm superam as

de duas ps. Esses so os principais motivos que fazem das HAWT`s de trs ps modernas a

principal escolha em sistemas de gerao de energia eltrica a partir de energia elica.

1.2.2 Geradores eltricos em sistemas elicos

Nessa seo feita a contextualizao dos geradores eltricos na converso de

energia elica em eltrica. Antes, se faz necessria a apresentao de dois importantes

conceitos acerca dos sistemas de converso elico-eltrica: sistemas de velocidade varivel e

sistemas de velocidade fixa.

Um WECS de velocidade fixa aquele no qual se mantm constante a velocidade de

rotao da turbina, no importando a velocidade do vento. Naturalmente, como mostra acurva de Cp- (Fig. 1.2), a eficincia da turbina nesse tipo de sistema fica prejudicada j que a

extrao da potncia do vento ser tima (Cpmax) para apenas uma velocidade do vento, o que

deve ocorrer esporadicamente.

J em WECS de velocidade varivel a velocidade de rotao da turbina pode variar

livremente com a velocidade do vento, dependendo apenas do torque resistente imposto pelo

gerador eltrico a ela conectado. Assim, atravs da variao do carregamento do gerador,

possvel ajustar a velocidade de rotao da turbina, tornando possvel sua operao com

eficincia mxima, ou seja, com uma relao entre a sua velocidade de rotao e a velocidade

do vento constante ( timo) e igual aquela que resulta no Cpmax.

Existem basicamente trs tipos de mquinas eltricas: mquina de corrente contnua

(mquina cc), mquina de corrente alternada sncrona (mquina sncrona) e mquina de

corrente alternada assncrona (mquina de induo), todos reversveis, ou seja, podem operar

tanto na converso eltrico-mecnica (motor) como na converso mecnico-eltrica (gerador).

Assim, a priori, um aerogerador poderia ser constitudo por um gerador de qualquer desses

tipos.

No obstante a facilidade de controle de velocidade e a ausncia da necessidade de

excitao externa, a utilizao de um gerador de corrente contnua convencional em WECS

pouco difundida devido, principalmente, a baixa confiabilidade e elevada manuteno do

comutador. Uma alternativa so os geradores cc de m permanente, os quais no utilizam

comutador, porm so mquinas que apresentam baixa densidade de potncia quando

comparadas as de corrente alternada.

Os geradores assncronos, ou geradores de induo, so assim denominados por

apresentarem, dentro de uma determinada faixa, independncia entre a freqncia da tenso


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11

gerada e a sua velocidade de rotao. Essa uma importante caracterstica em WECS de

velocidade varivel, pois permite a gerao em freqncia fixa mesmo com variao da

velocidade de rotao, e foi determinante para a grande utilizao do gerador de induo

duplamente excitado (DFIG Double Fed Induction Generator) nos WECS de grande porte

(acima de 1MW) conectados diretamente rede eltrica. Nesses sistemas a freqncia da

tenso gerada controlada eletronicamente atravs da excitao do DFIG, que retirada da

prpria rede eltrica. necessria tambm a utilizao de uma caixa de engrenagens para

multiplicar a velocidade de rotao da turbina, j que tecnologicamente invivel construir

DFIGs com elevado nmero de plos [9]-[10].

Os geradores sncronos, por sua vez, apresentam uma relao de dependncia da

freqncia e da amplitude da tenso gerada com a velocidade de rotao, da seremdenominados de sncronos. Essa dependncia impede, em WECS de velocidade varivel, a

utilizao direta da energia proveniente desses geradores, tornando necessria a realizao de

um processamento eletrnico prvio a fim de adequ-la s cargas convencionais ou

interligao com a rede eltrica. Essa a principal restrio utilizao dos geradores

sncronos em WECS, j que esse processamento eletrnico se torna to mais complexo quanto

maior a potncia a ser processada e a operao com velocidade fixa pouco eficiente.

No obstante tudo isso, em aplicaes elicas de pequeno porte vem se destacando ogerador sncrono de m permanente (PMSG). Esse gerador no utiliza escovas e pode ser

construdo com elevado nmero de plos, dispensando o uso da caixa de engrenagens,

implicando menores peso, volume e manuteno, bem como maiores eficincia e

confiabilidade [11]-[12]. As principais desvantagens do PMSG so o elevado preo do

material magntico e a variao da tenso gerada com a carga. A Tabela 1.1 mostra um

resumo da comparao entre o DFIG e o PMSG.

Tabela 1.1 comparativo entre o DFIG e o PMSG.

DFIG PMSG

Vantagens

Gerao em freqncia fixa com velocidadeangular varivel;

Apenas a potncia de excitao processadaeletronicamente.

Dispensa o uso de caixa de engrenagens;

Menores peso, volume e manuteno;

Maiores confiabilidade e eficincia;

Sem excitao externa.

DesvantagensExcitao externa;

Caixa de engrenagens.

Material magntico caro;

Variao da tenso com a carga;

Toda a potncia processada

eletronicamente.


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12

1.2.3 Escopo do trabalho

Este trabalho relata o projeto e o desenvolvimento de um sistema eletrnico para

interligao de um aerogerador de pequeno porte rede eltrica convencional. O aerogerador

no qual se baseia este trabalho consiste de uma turbina de eixo horizontal de trs ps

diretamente acoplada a um gerador sncrono de m permanente de fluxo axial, conhecido na

literatura como gerador TORUS [13]-[15]. Esse aerogerador fabricado pela empresa

ENERSUD (www.enersud.com), est comercialmente disponvel e de fabricao 100%

nacional. A ficha tcnica do aerogerador apresentada na Tabela 1.2.

Tabela 1.2 ficha tcnica do aerogerador utilizado.

Dimetro da turbina 5,55 m

Potncia de sada a 12m/s 6000 W Nmero de ps 3Material das Ps Fibra de Vidro

Nmero de plos 30Velocidade de partida (vento) 2,2 m/s

Incio da gerao (velocidade do vento) 3,0 m/sVelocidade rotao a 12m/s 240 rpm

Torque de partida 0,3 NmFaixa de amplitude da tenso gerada por fase 60 320 V

Resistncia do enrolamentoIndutncia prpria do enrolamento

Indutncia mtua do enrolamentoControle de Velocidade Active Stall

Proteo para altas velocidades de vento Controle de PassoMaterial magntico Neodmio

Gerador Eltrico PMSG de Fluxo axial (Torus)Peso total 160 kg

Esse aerogerador utiliza um sistema de posicionamento horizontal atravs de leme,

uma tcnica simples e eficaz de manter a turbina alinhada em oposio com o fluxo do vento.

A Fig. 1.4 ilustra a composio do aerogerador utilizado.

Fig. 1.4 ilustrao do aerogerador utilizado (Enersud).


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As ps so conectadas ao eixo da turbina por intermdio de um sistema de molas que

permite a variao do ngulo de pitch. Assim, com o aumento da fora de arrasto a qual as ps

esto submetidas, as molas cedem aumentando o ngulo de pitch e, conseqentemente,

reduzindo a coleta de potncia elica (Pv), a qual varia cubicamente com a velocidade do

vento, como mostra a Eq. 1.3, na qual a a densidade do vento.

2 31 .2v a

P r u= 1.3

Outra conseqncia importante do aumento do ngulo de pitch o aumento da

turbulncia do vento na parte posterior das ps, aumentando o arrasto ao qual elas esto

submetidas. Essa tcnica de ajuste do ngulo de pitch conhecida como active stall e se

destina a evitar que o aerogerador seja submetido, durante condies anormais de velocidade

do vento, a uma potncia elica mais elevada do que aquela que ele capaz de processar,

garantindo a integridade fsica da turbina e do gerador eltrico.

O coeficiente de potncia da turbina do aerogerador utilizado pode ser bem

aproximado pela Eq. 1.4[8].

( )5

21 3 4 6,

i

C

p

i

CC C C C e C .

= +

1.4

A varivel i depende do ngulo de pitch () e da relao de velocidade de ponta (),

como mostra a Eq. 1.5[8].

3

1 1 0.035.

0.08 1i =

+ +1.5

Os valores dos coeficientes C1 a C6 da Eq. 1.4 dependem da construo

aerodinmica da turbina, mas valores tpicos so dados na Tabela 1.3[8].

Tabela 1.3 valores tpicos dos coeficientes C1 a C6.

Coeficiente ValorC1 0,5176

C2 116

C3 0,4

C4 5

C5 21

C6 0,0068

Na seo seguinte feita uma reviso bibliogrfica das topologias de sistemas

eletrnicos j propostas que se enquadram no escopo deste trabalho.


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1.3 Processamento da energia eltrica gerada

O aerogerador a ser utilizado j est definido, assim como o aproveitamento da

energia eltrica gerada atravs da sua injeo na rede eltrica. Para que se possa obter a

mxima eficincia na converso elico-eltrica, o aerogerador deve operar com velocidade

varivel. Como o aerogerador constitudo por um gerador sncrono, a amplitude e a

freqncia da tenso gerada tambm so variveis.

Portanto, toda a energia fornecida pelo aerogerador deve ser condicionada atravs de

processamento eletrnico antes de ser injetada na rede. Esse processamento consiste em

retificar a tenso gerada, formando um barramento fixo de tenso contnua ( linkcc) a partir do

qual um inversor de tenso, conectado a rede eltrica atravs de indutores de interface, injeta a

energia produzida na rede [17], como ilustra o diagrama de blocos da Fig. 1.5.

Fig. 1.5 diagrama de blocos geral de um WECS de velocidade varivel conectado rede eltrica.

Do bloco retificador so exigidos dois importantes requisitos. O primeiro acapacidade de adaptar o nvel de tenso gerado ao nvel de tenso do linkcc, de tal forma que

se possa manter esse valor fixo ou dentro de uma faixa de interesse. O segundo que seja

capaz de operar com um elevado fator de potncia e com uma baixa distoro harmnica total

(THD Total Harmonic Distortion), emulando uma carga resistiva para o aerogerador, j que

as correntes e tenses harmnicas causam uma srie de transtornos aos geradores eltricos

[16], tais como:

Aumento do aquecimento, devido s perdas no ao e no cobre nas freqnciasharmnicas;

Reduo da eficincia;

Prejuzo produo de torque;

Aumento da emisso de rudo audvel;

As compoentes harmnicas tentem a causar oscilao;

H duas formas de obter ambos os requisitos no estgio retificador [17]-[18]. A

primeira atravs da utilizao de um retificador a diodo convencional com a incluso de umestgio cc-cc entre ele e o linkcc. Atravs de uma modulao adequada, o conversor cc-cc


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15

intermedirio pode garantir o elevado fator de potncia e a adaptao do nvel de tenso

gerado ao nvel de tenso do linkcc. O diagrama de blocos desse tipo de WECS mostrado

na Fig. 1.6.

Fig. 1.6 diagrama de blocos de um WECS com conversor cc-cc intermedirio.

A segunda forma de obter um estgio retificador com os requisitos supra-

mencionados utilizar um retificador ativo, ou seja, um retificador a base de semicondutorescontrolados que permita a modulao da corrente drenada do aerogerador, o qual ilustrado

pela Fig. 1.7.

Fig. 1.7 diagrama de blocos de um WECS com retificador PWM.

Quanto ao estgio inversor qualquer estrutura inversora pode ser utilizada, seja

monofsica ou trifsica. Os critrios de escolha so o nvel de tenso do link cc e o valor

eficaz da tenso da rede. A seguir, as principais topologias de processamento de potncia para

WECS presentes na literatura, pertinentes ao escopo deste trabalho, so apresentadas [18].

1.3.1 WECS com conversor cc-cc intermedirio

O WECS com conversor cc-cc intermedirio mais usual aquele que emprega um

conversorboostentre o retificador e o linkcc [19]-[23], como mostra a Fig. 1.8.

Fig. 1.8 WECS empregando o conversor boostno estgio de converso cc-cc intermedirio.


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16

Nesse tipo de WECS o estgio retificador composto por dois blocos: um

retificador convencional e um pr-regulador do fator de potncia. Embora qualquer conversor

cc-cc com caracterstica de fonte de corrente na entrada possa ser utilizado no bloco pr-

regulador, a simplicidade de controle, o reduzido nmero de componentes e a predominante

necessidade de elevao da tenso gerada fazem do conversor boosta principal escolha em

sistemas voltados interligao com a rede eltrica.

Nesse WECS a tenso do link cc deve ser superior ao mximo valor de pico da

tenso gerada e o fluxo de potncia unidirecional. A principal limitao dessa estrutura a

capacidade de processamento de potncia do estgio retificador, j que toda a potncia

processada circula pelo pr-regulador. Alm disso, h trs semicondutores de potncia no

caminho da corrente de cada fase e, para operao PWM, todos esses semicondutores operamem alta freqncia, o que compromete a eficincia do WECS.

1.3.2 WECS com retificador PWM

A Fig. 1.9 mostra a topologia mais tradicional em WECS compostos por geradores

sncronos [18], a qual constituda por um retificador e por um inversor totalmente

controlados, freqentemente denominada na literatura de conversorback-to-back[24]-[25].

Fig. 1.9 WECS com retificador PWM empregando o conversor back-to-back tradicional.

Essa uma estrutura que permite o fluxo bidirecional de potncia e o seu estgio

retificador, assim como no WECS da Fig. 1.8, possui uma caracterstica de elevador de

tenso, exigindo tambm a utilizao de um linkcc com nvel de tenso superior ao mximo

valor de pico da tenso gerada.

No estgio retificador desse WECS, embora todos os interruptores operem em alta

freqncia, s h dois semicondutores no caminho da corrente de cada fase, elevando a

eficincia do sistema. Como a potncia processada uniformemente distribuda entre os

interruptores, essa topologia permite o processamento de nveis de potncia maiores que os

dos WECS com conversor cc-cc intermedirio. Alm do custo decorrente do elevado nmero

de semicondutores, o principal inconveniente do conversor back-to-back a utilizao de

interruptores em srie no estgio retificador, o que complica e encarece o seu circuito de


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acionamento, j que os interruptores superiores exigem um sinal de comando isolado da

referncia dos interruptores inferiores e curtos de brao devem ser prevenidos.

Uma adaptao do circuito do conversor back-to-back proposta em [26], na qual

apenas oito interruptores so utilizados, tambm empregada em WECS [27], como mostra a

Fig. 1.10.

Fig. 1.10 WECS ca-cc-ca empregando o conversor back-to-back de 8 interruptores.

Assim como o back-to-back tradicional, essa estrutura tambm capaz de operar

com fluxo bidirecional de potncia, com elevado fator de potncia em ambos os lados

(gerador e rede eltrica) e permite a elevao do nvel de tenso gerado ao nvel de tenso do

linkcc, de tal forma que todos os semicondutores operam em alta freqncia.

Comparando com o conversor back-to-back de 12 interruptores, a vantagem desse

circuito , to somente, a reduo do nmero de semicondutores utilizados. Em contrapartida,

devido a tenso do linkcc ser o dobro, os semicondutores utilizados devem possuir o dobro dacapacidade de tenso. Alm disso, h apenas dois graus de liberdade na modulao, tanto do

inversor como do retificador, o que impede a utilizao de tcnicas de reduo dos esforos

de comutao do interruptores atravs de sobremodulao (injeo de terceira harmnica).

H ainda outra desvantagem no conversor da Fig. 1.10, a manuteno do equilbrio

das tenses dos capacitores do linkcc no uma tarefa trivial, agravada ainda mais pelo baixo

nmero de graus de liberdade da modulao, exigindo maior complexidade do sistema de

controle. Diante de tudo isso, uma anlise minuciosa deve ser feita a fim de avaliar o ganhoreal da reduo de quatro interruptores tendo em vista os transtornos colaterais.

Outra opo a utilizao de um retificador semicontrolado no estgio retificador,

como mostra a Fig. 1.11[28].

Fig. 1.11 WECS ca-cc-ca empregando um retificador semicontrolado.


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Ao contrrio das demais estruturas apresentadas, o sistema da Fig. 1.11 no permite

o fluxo bidirecional de potncia, o que no no problemtico em sistemas de

processamento de energia elica, j que o fluxo de potncia sempre ocorre do aerogerador

para a rede eltrica. Apesar de apresentar o mesmo nmero de semicondutores do conversor

back-to-back clssico, a substituio dos interruptores superiores do estgio retificador por

diodos simplifica os circuitos de controle e acionamento, assim como descarta a possibilidade

de curtos de brao nesse estgio.

Por outro lado, esse circuito s permite a modulao do semiciclo positivo das

correntes drenadas do PMSG. Como conseqncia, h um considervel aumento do THD

dessas correntes e, conseqentemente, das tenses geradas, implicando os transtornos j

citados ao PMSG.

1.4 Sistema proposto

Neste trabalho proposta uma topologia indita de processamento da energia

fornecida por um aerogerador. O diagrama funcional da topologia proposta mostrado na

Fig. 1.12.

Fig. 1.12 diagrama funcional do WECS proposto.

A inovao desse sistema est na utilizao de retificadores bridgeless[29]-[34] no

estgio retificador do WECS. O processamento da potncia oriunda do gerador feito de

forma individual em cada fase, de tal forma que trs retificadores bridgeless monofsicoscompem um retificador trifsico PWM totalmente controlado que utiliza os seis fios do

PMSG.

Esse retificador possui uma caracterstica de elevador de tenso, permite a

modulao das correntes drenadas do gerador em ambos os semi-ciclos e apresenta fluxo de

potncia unidirecional. O circuito de comando desse retificador simples e barato, j que

todos os interruptores esto conectados ao mesmo referencial e no h interruptores em srie.

Pode-se ainda utilizar um nico sinal de comando para ambas as chaves, como ser visto emdetalhes no captulo 2, simplificando o circuito de controle. Alm disso, s h dois


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semicondutores de potncia no caminho da corrente de cada fase, o que eleva o rendimento da

estrutura.

A grande desvantagem do estgio retificador proposto o elevado nmero de

semicondutores utilizados, o dobro do back-to-back convencional (Fig. 1.9) e o triplo do

back-to-back com nmero reduzido de componentes (Fig. 1.10). Esse elevado nmero de

semicondutores se justifica em aplicaes nas quais a densidade de potncia exigiria ou a

utilizao de semicondutores com elevada capacidade de processamento de potncia ou a

utilizao de semicondutores em paralelo, pois a topologia proposta promove distribuio

homogenia da potncia total processada entre todos os semicondutores, permitindo a

utilizao de semicondutores mais baratos e adiando a necessidade de paralelismo dos

mesmos.Como a amplitude da tenso gerada no ultrapassa os 350V e a energia deve ser

injetada em uma rede de 220Vrms de fase, optou-se pela utilizao de um ponte completa

monofsico no estgio inversor, pois assim possvel utilizar um linkcc em torno de 400V e,

conseqentemente, taxas de elevao moderadas. J um inversor trifsico necessitaria de um

linkcc em torno de 800V, exigindo taxas de elevao exorbitantes, bem como a utilizao de

semicondutores com maior capacidade de tenso, com maior custo e menor desempenho.

1.4.1 Controle do fluxo de potncia

Como em todas as topologias de WECS apresentadas o estgio retificador apresenta

caracterstica de fonte de corrente na entrada e o estgio inversor apresenta caracterstica de

fonte de corrente na sada, pode-se model-los pelo circuito da Fig. 1.13.

Fig. 1.13 modelo eltrico simplificado de um WECS.

Portanto, a tenso do linkcc depende do balano das suas correntes de entrada (I i) e

de sada (Id). Se mais corrente injetada do que drenada do link cc, sua tenso sobe. Caso

contrrio, se mais corrente drenada do que injetada no linkcc, sua tenso cai. Para que o

equilbrio da tenso do linkcc seja alcanado, os valores mdios das correntes injetada (Ii) e

drenada (Id) do linkcc devem ser equivalentes.

Atravs desse modelo e de sua dinmica, pode-se perceber a importncia da presena do link cc entre os estgios retificador e inversor, pois ele que proporciona o


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desacoplamento entre esses dois estgios, permitindo que sejam controlados de forma

independente, o que essencial para que se possa maximizar a extrao de energia do vento,

como explanado na seo seguinte.

1.4.2 Otimizao da extrao de potncia

A otimizao da extrao da potncia elica disponvel em um WECS de velocidade

varivel feita atravs da utilizao de um rastreador do ponto de mxima potncia (MPPT),

atuando livremente a fim de determinar o valor de pico da corrente que deve ser drenada do

gerador eltrico, ajustando seu carregamento e conseqentemente a velocidade de rotao da

turbina de vento, procurando manter a relao entre a velocidade de rotao da turbina de

vento e a velocidade do vento o mais prxima possvel do timo.Assim, com a variao da velocidade do vento a corrente injetada no linkcc tambm

varia, implicando na variao da sua tenso. Cabe ao estgio inversor, por sua vez, transferir a

energia extrada do vento, atravs do aerogerador e do retificador, para a rede eltrica. Isso

feito atravs da injeo de uma corrente, senoidal e defasada de 180 graus eltrico da tenso,

na rede eltrica. Essa injeo feita atravs do controle da corrente nos indutores que fazem a

interface entre o inversor de tenso e a rede eltrica. A amplitude da corrente injetada na rede

eltrica determinada por uma malha de tenso responsvel pelo controle da tenso do link

cc, garantindo que ela permanea dentro de uma faixa segura pr-estabelecida.

1.5 Consideraes finais

Com a apresentao feita neste captulo acerca de conceitos importantes

concernentes converso de energia elica em energia eltrica e seu aproveitamento

eficiente, bem como do estado da arte desses sistemas, foi posto o ambiente propcio

exposio do sistema de aproveitamento de energia elica proposto neste trabalho, dando

ensejo ao seu estudo e desenvolvimento nos captulos seguintes.

Equation Section 2


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Captulo 2 Retificador trifsico bridgeless

2.1 Introduo

A estrutura eletrnica de processamento de potncia proposta para composio do

WECS objeto de estudo e desenvolvimento deste trabalho, foi apresentada na Fig. 1.12. O

diferencial dessa estrutura est no estgio retificador, constitudo por um retificador

bridgeless trifsico, apresentado de forma mais detalhada na Fig. 2.1.

Fig. 2.1 retificador bridgeless trifsico.

Esse retificador constitudo por trs retificadores bridgeless monofsicos [29]-[34],

cada um associado a uma fase do gerador eltrico do WECS, permitindo o processamento

independente da potncia de cada uma das fases. O retificador bridgeless monofsico

associado fase a do aerogerador mostrado separadamente na Fig. 2.2, na qual Ea, La e L1

so, respectivamente, a fora eletromotriz, a indutncia do enrolamento e o indutorboostda

fase a do retificadorbridgeless e Vdc sua tenso de sada, considerada constante.

Fig. 2.2 bridgeless monofsico associado fase 'a'.

A principal vantagem do retificadorbridgeless trifsico a presena de apenas dois

semicondutores no caminho da corrente, em qualquer instante da operao, garantindo perdas

menores que as do retificador trifsico tradicional com pr-regulador de fator de potncia

(Fig. 1.8), no qual h trs semicondutores no caminho da corrente. Alm disso, no h


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interruptores em srie, descartando-se a possibilidade de curto de brao, e todos os

interruptores esto na mesma referncia, simplificado seu circuito de comando.

Em contrapartida, na sua verso trifsica, o retificador bridgeless apresenta um

nmero de semicondutores bem maior do que as demais topologias de retificadores trifsicos

presentes na literatura. Ao todo so doze semicondutores, uma quantidade duas vezes maior

que a dos retificadores totalmente controlado (Fig. 1.9) e semicontrolado (Fig. 1.11), e trs

vezes maior que a do retificador totalmente controlado com nmero reduzido de componentes

(Fig. 1.10).

Esse elevado nmero de semicondutores do retificador bridgeless trifsico se

justifica em aplicaes com elevada densidade de potncia, pois a potncia total processada

distribuda de forma homogenia entre todos os semicondutores, permitindo a utilizao desemicondutores mais baratos e postergando a necessidade de paralelismo dos mesmos.

2.2 Princpio de operao

A nica diferena entre os trs retificadores bridgeless monofsicos que compem o

retificadorbridgeless trifsico a defasagem entre as tenses e correntes processadas por cada

um deles, as quais so deslocadas de 120 graus eltricos entre si. Portanto, a compreenso do

princpio de operao do retificadorbridgeless trifsico perpassa pelo princpio de operaodo retificador bridgeless monofsico. A operao do retificador bridgeless monofsico

composta por apenas quatro etapas, mostradas na Fig. 2.3.

Fig. 2.3 etapas de operao do conversos bridgeless monofsico.


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De acordo com a Fig. 2.3, o estado topolgico do retificadorbridgeless monofsico

depende do estado dos interruptores (S1 e S2) e da polaridade da sua tenso de entrada (Ea -

VLa). Durante o semiciclo positivo da sua tenso de entrada o retificador se encontra

invariavelmente ou na Etapa 1 ou na Etapa 2 de operao, dependendo do estado do

interruptor S1. Analogamente, durante o semiciclo negativo da sua tenso de entrada, o

retificador opera sempre nas Etapas 3 ou 4, dependendo do estado do interruptor S2. A seguir

feita a descrio detalhada de cada uma das etapas de operao apresentadas na Fig. 2.3.

2.2.1 Etapa de operao 1

Durante esta etapa de operao, a tenso de entrada do retificador bridgeless

encontra-se no semiciclo positivo e ambos os interruptores (S1 e S2) encontram-seconduzindo, aplicando a tenso de entrada (Ea - VLa) sobre o indutor L1 e a tenso de sada

(Vdc) sobre os diodos D1 e D2, polarizando-os reversamente. Durante esta etapa, o indutor L1

armazena energia e, conseqentemente, uma corrente com derivada positiva estabelecida

atravs dele, do interruptor S1 e do diodo em antiparalelo do interruptor S2. Esta etapa perdura

at que o interruptor S1 seja comandado a bloquear, quando ento o retificador bridgeless

monofsico passa ao estgio topolgico da Etapa 2.


Com o bloqueio do interruptor S1, a tenso de sada Vdc deixa de ser aplicada ao

diodo D1, permitindo que a corrente, a qual no pode mais fluir por S1, passe a circular por

D1. Assim, a tenso aplicada ao indutor boost L1 passa a ser a diferena entre a tenso de

entrada do retificador (Ea - VLa) e a tenso de sada Vdc. Como em qualquer retificadorboost,

a tenso de sada maior que o valor de pico mximo da tenso de entrada, garantindo que

durante esta etapa o indutor boost transfira energia para a sada, levando a corrente que

atravessa L1 a assumir uma derivada negativa.


Como pode ser observado na Fig. 2.3, esta etapa anloga Etapa 1, mas com

circulao da corrente em sentido contrrio. A tenso de entrada do retificador est no

semiciclo negativo e ambos os interruptores (S1 e S2) encontram-se conduzindo, aplicando a

tenso de entrada (Ea - VLa) sobre indutor L1 e a tenso de sada (Vdc) sobre os diodos D1 e D2,

polarizando-os reversamente. Portanto, o indutor L1 armazena energia e, conseqentemente,uma corrente com derivada positiva estabelecida atravs dele, do interruptor S2 e do diodo


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em antiparalelo do interruptor S1, ou seja, em sentido contrrio ao da Etapa 1. O bloqueio do

interruptor S2 leva transio desta etapa para a Etapa 4.


Essa etapa, por sua vez, anloga Etapa 2. Assim, com o bloqueio do interruptor

S2, a tenso de sada Vdc deixa de ser aplicada sobre o diodo D2, permitindo que a corrente

que circulava por S2 passe a circular atravs de D2. Como a tenso de sada Vdc superior ao

mximo valor de pico da tenso de entrada do retificador, ocorre a transferncia de energia do

indutor L1 para a sada, levando sua corrente a assumir uma derivada negativa.

2.3 Comando dos interruptores

H duas maneiras de modular os interruptores do retificadorbridgeless monofsico

[30] a fim de alternar sua operao entre as etapas 1 e 2 (Fig. 2.3.a e Fig. 2.3.b,

respectivamente), durante o semiciclo positivo da tenso de entrada, ou entre as etapas 3 e 4

(Fig. 2.3.c e Fig. 2.3.d, respectivamente), durante o semiciclo negativo da tenso de entrada,

as quais so apresentadas a seguir.

2.3.1 Comando simtrico

No comando simtrico, os interruptores do retificadorbridgeless monofsico

recebem, ambos, o mesmo sinal de comando. Isso possvel porque durante o semiciclo

positivo toda a corrente do indutorboostL1 circula pelo diodo em antiparalelo do interruptor

S2, de tal forma que, durante o semiciclo positivo da tenso de entrada, o estado do interruptor

S2 no interfere na operao do retificador.

O mesmo ocorre durante o semiciclo negativo da tenso de entrada do retificador, ou

seja, como durante esse semiciclo toda a corrente do indutorboostL1 circula pelo diodo em

antiparalelo do interruptor S1, durante o semiciclo negativo o estado de S1 no interfere naoperao do retificador.

2.3.2 Comando assimtrico

J no comando assimtrico, os interruptores S1 e S2 recebem sinais de comando

diferentes. Durante o semiciclo positivo da tenso de entrada do retificador, o interruptor S2

mantido conduzindo enquanto o interruptor S1 comutado a fim de modular a corrente no

indutor boost L1. J durante o semiciclo negativo da tenso de entrada do retificador, ointerruptor S1 mantido conduzindo enquanto o interruptor S2 comutado a fim de modular a

corrente no indutorboostL1.


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A vantagem do comando assimtrico a possibilidade da reduo das perdas por

conduo quando se utiliza MOSFETs. Isso porque essa tecnologia permite que a corrente

circule reversamente pelo prprio corpo do interruptor e no pelo seu diodo em antiparalelo

[30]. A desvantagem o aumento da complexidade dos circuitos de controle e comando do

retificador.

2.3.3 Comando utilizado

Como a reduo das perdas por conduo proporcionada pelo comando assimtrico

muito pequena e a tecnologia dos IGBTs apresenta melhor desempenho em aplicaes de

elevada tenso e alta freqncia (at 150KHz) do que a tecnologia dos MOSFETs, bem como

diodos em antiparalelo de melhor qualidade, optou-se por utilizar neste trabalho o comandosimtrico dos interruptores do retificado bridgeless.

2.4 Formas de onda de tenso e corrente

Seja D a razo cclica de operao de um interruptor, definida como a relao entre

o seu tempo de conduo (ton) e o seu perodo de comutao (Ts), dada pela Eq. 2.1.

.on

s

tD

T= 2.1

O ganho de tenso do conversor cc-cc boost tradicional, mostrado na Fig. 2.4,

dado pela Eq. 2.2[35].

Fig. 2.4 conversor boosttradicional.

1.

1dc eV V

D=

2.2

Em regime permanente, a potncia fornecida pela fonte de tenso de entrada (Pe)

deve ser equivalente potncia consumida na sada do conversorboost(Pdc), portanto:

.e e dc iV I V I = 2.3

Pode-se reescrever a Eq. 2.3 na forma da Eq. 2.4.

.e edc

i

V IV

I

= 2.4


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Substituindo a Eq. 2.4 na Eq. 2.2, chega-se ao ganho de corrente do conversorboost

tradicional, dado pela Eq. 2.5.

( )1

i e. I I D= 2.5

A Fig. 2.5 mostra o retificadorboostmonofsico com correo do fator de potncia

tradicional, na qual a tenso de entrada dada pela Eq.(eV )t 2.6, cujo valor de pico Vepk.

Fig. 2.5 retificador boostmonofsico tradicional.

( ) ( ).e epk V t V sen t = 2.6

Comparando o retificador da Fig. 2.5, com o conversorboostda Fig. 2.4, pode-se

observar que a nica diferena entre eles que a tenso de entrada deixa de ser contnua

constante (valor mdio igual ao seu valor eficaz) e passa a ser uma tenso contnua senoidal

retificada (valor mdio diferente do valor eficaz). Portanto, por analogia, o ganho de tenso doretificadorboostcom correo do fator de potncia tra

sistema fotovoltaico conectado a rede

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