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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
ESCOLA DE MINAS
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE
CONTROLE E AUTOMAÇÃO – CECAU
JOÃO OTÁVIO BELIZÁRIO TONHÃO
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA HÍBRIDO
FOTOVOLTAICO/HIDRELÉTRICO PARA GERAÇÃO AUTÔNOMA
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO
Ouro Preto, 05 de Junho de 2014
JOÃO OTÁVIO BELIZÁRIO TONHÃO
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA HÍBRIDO
FOTOVOLTAICO/HIDRELÉTRICO PARA GERAÇÃO AUTÔNOMA
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia de Controle e Automação
da Universidade Federal de Ouro
Preto como parte dos requisitos para
a obtenção do Grau de Engenheiro de
Controle e Automação.
Orientador: João Carlos Villela de Castro
Co-orientador: Ronilson Rocha
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP
Junho/2014
“A sua capacidade é do tamanho do desafio á ser superado.”
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por sempre me dar condições físicas e psicológicas para
correr atrás dos meus sonhos. Aos meus pais e irmão, raízes de uma árvore que á sustentam
mesmo nas tempestades ou quando ela insisti em crescer rápido demais em busca do Sol.
Agradeço também a minha namorada Paula que muitas vezes abre mão de si mesma para que
eu possa me sentir o homem mais capaz do mundo de realizar os meus sonhos.
Aos meus amigos, por mostrar o quão importante é ter alguém para compartilhar os
momentos bons e ruins.
A gloriosa Escola de Minas e todos os seus professores, principalmente os que eu tive o
prazer de conviver e compartilhar experiências. Vocês foram consagrados com o dom de
multiplicar a coisa mais importante que uma pessoa pode ter, o conhecimento.
Por último e não menos importante, a República Federal Ninho do Amor e todos que fazem
parte desta família. A maior experiência de vida que um estudante pode ter durante a
faculdade e seu porto seguro para o resto de sua vida.
RESUMO
Os potenciais fotovoltaico e hidrelétrico são fontes de energia que vêm ocupando um papel
cada vez mais importante em estratégias sustentáveis de produção de energia elétrica,
principalmente em localidades onde a extensão das formas de suprimento de energia
convencional é praticamente inviável. A proposta deste trabalho é o desenvolvimento de um
microsistema híbrido fotovoltaico/hidrelétrico para geração elétrica autônoma sem conexão
com a rede elétrica convencional. É considerado o caso de uma bomba d’água funcionando
como turbina (BFT) acoplada a um gerador assíncrono o qual é utilizado na conversão da
energia hidráulica para elétrica. A potência ativa gerada pelo sistema fotovoltaico é inserida
na linha CA utilizando um conversor estático CC-CA, o qual também pode ser utilizado na
regulagem da tensão e da frequência no gerador de indução a partir do controle de energia
ativa e reativa na linha CA.
PALAVRAS CHAVE : Fotovoltaico, hidrelétrico, turbina, geração autônoma, controle,
gerenciamento de energia.
ABSTRACT
Potential photovoltaic and hydropower are energy sources is occupying an increasingly
important role in sustainable strategies for energy production, specially in localities where the
extension of the forms of conventional energy supply is practically impossible. The purpose
of this work is the development of a PV/hydro hybrid microsystem for autonomous power
generation without connecting to the conventional electric network. A water pump
functioning as Turbine (PFT) coupled to an asynchronous generator is used in the conversion
of electrical energy to hydraulic. The active power generated by the PV system is inserted into
the AC line using a static DC-AC converter, which also regulates the voltage and frequency
of the induction generator from the control of active and reactive power at the AC line. With
appropriate modifications, this system can also be adapted to perform the pumping of water
from the engine of PFT .
Keywords: Photovoltaic, hydroelectric turbine, autonomous generation, control, power
management.
LISTA DE ABREVIATURAS
UFOP – Universidade Federal de Ouro Preto
LCD – Lighting Emiting Diode
PLL – Phase Locker Loop
FP – Fator de Potência
PWM – Pulse Width Modulation
CC – Corrente Contínua
CA – Corrente alternada
BFT – Bomba de Fluxo como Turbina
KW – Kilo Watt
GI – Gerador de Indução
KVA – kilo Volt Ampér
F – Frequência
DSP – Digital Signal Processor
SRSC – Sistema de Regulagem, Supervisão e Controle
RPM – Rotação Por Minuto
LISTA DE SÍMBOLOS
- Resistência do estator
– Resistência do estator com o motor ligado em estrela
- Resistência do estator com o motor ligado em triângulo
Uc – Tensão no capacitor
– Frequência
– Capacitância
I – Corrente
VA – Tensão na fase A
VB – Tensão na fase B
VC – Tensão na fase C
IA – Corrente na fase A
IB – Corrente na fase B
IC – Corrente na fase C
- Vetores de Clark
- Fator de potência
Pativ – Potência Ativa
Paparente - Potência Aparente
Z – Impedância
Im – Corrente de Magnetismo
L – Indutância
X – Reatância
Pelm - Potência elétrica do motor
Pelg - Potência elétrica do gerador
η – Coeficiente de rendimento
– Capacitância ligada em estrela
μF – Micro faraday
Var – Potência Reativa
Hz – Hertz
Pn – Potência nominal
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Esquema proposto para o sistema hibrido fotovoltaico/hidrelétrico para geração
autônoma de energia elétrica .................................................................................................... 13
Figura 2 - Esquema da turbina de uma BFT ............................................................................. 15
Figura 3 - Gerador de indução gaiola de esquilo ...................................................................... 16
Figura 4 – Auto-excitação de um motor de indução com capacitor em paralelo sem carga .... 19
Figura 5 - Esboço do sistema de Clark com relação ao sistema trifásico ................................. 22
Figura 6 - Sinais de voltagem após a transformação de Clarke................................................ 24
Figura 7 – Esboço dos vetores girantes com relação ao sistema trifásico ................................ 25
Figura 8–Estrutura simplificada de um célula foto voltaica e o efeito fotovoltaico................. 27
Figura 9 – Circuito referente as resistências de fase do motor ................................................. 30
Figura 10 - Curva de magnetização do motor de indução ........................................................ 36
Figura 11 – Simulação da malha de controle (Simulink) ......................................................... 38
Figura 12 - Correntes de fase antes das transformações de Clark e Park ................................. 39
Figura 13 - Sinais de corrente após as transformadas de Clarck e Park ................................... 39
Figura 14 - Sinal emitido pelo gerador de PWM ..................................................................... 40
Figura 15 - Esboço do comportamento da dos sinais de corrente nos terminais da bateria. ... 41
Figura 16 - Diagrama prático - Pelm x Pn ................................................................................. 42
Figura 17 - Ensaio do gerador de indução operando á vazio e motor simulando a queda
d'água. ....................................................................................................................................... 44
Figura 18 - Gerador operando a vazio ...................................................................................... 46
Figura 19 - Ensaio do GI alimentando uma carga resistiva ...................................................... 48
Figura 20 - Protótipo do dispositivo utilizado para o controle de acionamento do sistema de
geração ...................................................................................................................................... 49
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Valores obtidos no ensaio a vazio: ......................................................................... 32
Tabela 2 - Dados obtidos para o levantamento da curva de magnetização: ............................. 36
Tabela 3 - Dados obtidos em ensaio do gerador operando em vazio ...................................... 45
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 11
1.1. Objetivo ............................................................................................................................. 13
1.2. Metodologia ....................................................................................................................... 14
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ....................................................................................... 15
2.1. Bomba operando como turbina (BFT) .............................................................................. 15
2.2. O gerador de indução (GI) ................................................................................................. 16
2.2.1. Determinação da carga capacitiva para a auto-excitação ............................................. 18
2.3. Técnicas para controle de tensão ....................................................................................... 20
2.4. Controle vetorial ................................................................................................................ 21
2.4.1. Transformada entre eixos de referência ........................................................................ 21
2.4.2. Transformada de Clark ................................................................................................. 22
2.4.3. Transformada de Park ................................................................................................... 24
2.5. Controlador LQR ............................................................................................................... 25
2.6. Sistema fotovoltaico .......................................................................................................... 26
2.6.1. Estrutura de uma célula fotovoltaica ............................................................................ 27
2.7. Armazenamento e conversão da energia gerada ............................................................... 28
2.7.1. Inversor ......................................................................................................................... 28
2.7.2. Bateria ........................................................................................................................... 28
2.7.3. Regulador de carga ....................................................................................................... 28
3. RESULTADOS .................................................. ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
3.1. Obtendo os parâmetros de GI ............................................................................................ 30
3.1.1. Dados de placa do motor .............................................................................................. 30
3.1.2. Medição da resistência do estator ................................................................................. 30
3.1.3. Ensaio a vazio ............................................................................................................... 31
3.1.4. Ensaio com o rotor bloqueado ...................................................................................... 33
3.1.5. Obtendo a curva de magnetização do gerador .............................................................. 34
3.2. Simulação do controle de reativos em um sistema trifásico.............................................. 37
3.3. Dimensionamento do banco de capacitores ...................................................................... 41
3.3.1. Cálculo do banco de capacitores ................................................................................... 42
3.4. Ensaio do GI a vazio ......................................................................................................... 44
3.5. Ensaio do GI com carga .................................................................................................... 46
4. INTERFACE DO SISTEMA DE CONTROLE E O USUÁRIO ................................ 48
5. CONCLUSÃO ................................................................................................................. 51
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 52
11
1. INTRODUÇÃO
O aproveitamento do potencial fotovoltaico e hidrelétrico são fonte de energia menos
poluentes e sustentáveis que vem ocupando um papel cada vez mais importante em estratégias
de produção de energia elétrica, principalmente em localidades onde a extensão das formas de
suprimentode energia convencional é praticamente inviável. Uma substancial parcela da
população mundial sobrevive sem a energia necessária ao atendimento de suas demandas
sociais básicas, tais como água potável, produção e conservação de alimentos, educação,
saúde, saneamento, telefonia de emergência e informação. Este fato ocorre principalmente em
localidades onde a extensão das formas de suprimento de energia convencional é praticamente
inviável, o que compromete drasticamente o desenvolvimento social e econômico destas
regiões. O uso de recursos naturais não renováveis para a produção energética tem sido
inviabilizado, principalmente pela dificuldade em sobrepor os efeitos negativos associados a
sua progressiva utilização, tais como o inevitável esgotamento e o aumento das preocupações
com problemas ambientais. Neste contexto, tecnologias menos poluentes e sustentáveis têm
ocupado um papel cada vez mais importante em estratégias de produção de energia elétrica,
despertando um grande interesse mundial no desenvolvimento de sistemas de geração
baseados em fontes renováveis de energia.
Seguindo esta linha, os sistemas fotovoltaicos ocupam uma posição privilegiada como uma
alternativa economicamente atrativa em oposição às fontes energéticas convencionais para a
geração de eletricidade. Características como modularidade, exiguidade e facilidade de
manutenção, impactos ambientais relativamente reduzidos e longa vida útil fazem dos
sistemas fotovoltaicos um meio adequado para geração isolada de energia elétrica. Nestes
sistemas, a energia elétrica na forma de corrente contínua é gerada a partir da conversão direta
da energia luminosa utilizando células fotovoltaicas, interligadas em arranjos série-paralelo
conhecidos como módulos solares para ampliar a capacidade de geração de energia. A
instalação de um sistema fotovoltaico é, em geral, estática sem partes móveis, altamente
modular e portátil. Entretanto, a energia gerada por estes sistemas está sujeita aos
condicionantes inerentes à natureza da energia solar, ou seja, as alterações de luz ao longo do
dia e a possível presença de condições climáticas desfavoráveis (chuva, nuvens, etc).
O aproveitamento de potenciais hidráulicos residuais através de microcentrais hidrelétricas
também constitui uma importante oportunidade para geração isolada, uma vez que apresentam
12
um potencial energético não desprezível, disponível a baixo custo e com baixo impacto
ambiental. Estes tipos de centrais hidrelétricas são utilizados principalmente em cursos d’água
de pequeno e médio porte que possuam desníveis durante seu percurso, operando
normalmente a fio d’água sem um reservatório que permita a regulação do fluxo. O fluxo de
água movimenta uma turbina, produzindo energia mecânica rotacional que aciona uma
máquina elétrica girante para a geração de eletricidade. Uma alternativa robusta e de baixo
custo à turbina hidráulica, principalmente para instalações de baixa potência, é a utilização de
uma bomba de água convencional, a qual pode operar como turbina (BFT) a partir da inversão
do fluxo de água e do sentido de rotação do rotor.
Em diversas aplicações, a máquina de indução tem sido preferida para a geração de energia
em relação ao tradicional gerador síncrono devido à sua construção mais simples e barata,
robustez e fácil sincronização com a rede quando a mesma trabalha interligada com a à rede
de distribuição. Quando acionado mecanicamente á uma velocidade de rotação apropriada,
um motor de indução opera como gerador desde que seja fornecida a energia reativa
necessária para sua excitação, podendo produzir e injetar energia ativa no sistema de potência
ao qual está conectado. A tensão e a frequência produzidas por um gerador de indução são
altamente dependentes da potência reativa e da carga elétrica, as quais devem ser reguladas
com o propósito de assegurar a estabilidade e melhoramentos no desempenho dinâmico do
sistema de geração, principalmente quando não há controle da velocidade de rotação
mecânica da máquina elétrica.
A interconexão entre um sistema de geração fotovoltaica, que produz energia elétrica na
forma de corrente contínua, e um sistema de geração assíncrona, que produz energia elétrica
na forma corrente alternada, pode ser realizada utilizando um conversor CC-CA chaveado de
forma a operar nos quatro quadrantes de potência. O fluxo de energia ativa neste conversor
estático é bidirecional, permitindo tanto a inserção da potencia gerada pelo sistema
fotovoltaico ou armazenada em banco de baterias na linha CA, como também a transferência
da energia ativa produzida pelo gerador assíncrono para armazenamento em banco de
baterias. Este conversor estático também pode operar como compensador estático de reativos
para a linha CA, permitindo o controle da componente reativa da energia na linha CA. Assim,
as componentes de energia ativa e reativa podem ser controladas de forma a regular a tensão e
da freqüência produzidas pelo gerador de indução, estabelecendo um fluxo de energia ativa
entre as linhas CC e CA de forma a otimizar a geração das fontes primárias de energia.
13
Figura 1 - Esquema proposto para o sistema hibrido fotovoltaico/hidrelétrico para geração autônoma
de energia elétrica
1.1. Objetivo
A objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema híbrido fotovoltaico/hidrelétrico
de pequeno porte para geração elétrica autônoma sem conexão com a rede elétrica
convencional. O sistema fotovoltaico é integradocom uma bomba d’água funcionando como
Turbina (BFT) acoplada a um gerador assíncrono, utilizando um conversor estático operando
nos quatro quadrantes, o qual permite realizar o controle do fluxo de energia reativa e ativa
entre os sistemas e a carga elétrica de forma a regular a tensão e frequência na linha CA. Com
14
as devidas modificações, este sistema também pode ser adaptado para efetuar o bombeamento
de água a partir da motorização da BFT
Durante a execução deste projeto, outros objetivos foram atingidos os quais estão sumarizados
a seguir:
Estudo e desenvolvimento de um sistema de geração fotovoltaica
Estudo e desenvolvimento de um micro-sistema de geração hidrelétrica
Estudo e análise da operação de Bombas Funcionando como Turbinas hidráulicas
(BFT)
Estudo de máquinas elétricas assíncronas e do gerador de indução
Estudo dos conversores de potencia chaveados
Estudo e análise de técnicas de controle para sistemas de geração de energia
1.2. Metodologia
Uma pesquisa bibliográfica éfeita com o objetivo de estudar sistemas de geração de energia
fotovoltaicos e hidrelétricos, BFT’s, gerador assíncrono, e conversores de potência VSI e CSI,
visando a elaboração modelos e estratégias de controle para o sistema de geração proposto.
As análises iniciais são feitas utilizando resultados de simulações computacionais atravésdos
softwares MATLAB, sua ferramenta SIMULINK e seu toolboxSIMPOWERSYSTEM que
visa a simulação de sistemas de controle e sistemas de potência de forma que se possa analisar
resultados preliminares com mais facilidade. É feito o cálculo do banco de capacitores de
modo a suprir a demanda de energias reativas e capacitivas para a auto-excitação do gerador.
São realizados ensaios com o motor operando como gerador em vazio e posteriormente
colocadas cargas puramente resistivas e indutivas no sistema de moto a observar a resposta do
mesmo. Posteriormente é implementado um dispositivo para o gerenciamento deste sistema,
fazendo a interface com o usuário e possibilitando-o de manobrar o sistema de acordo com a
sua necessidade energética.
15
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Bomba operando como turbina (BFT)
Para que uma bomba opere como turbina é necessário que se faça a inversão do fluxo de
água, que tem como conseqüência a inversão do sentido de rotação do rotor. A Figura 2
ilustra, respectivamente,os sentidos do fluxo de água quando do bombeamento de água e
quando da geração de energia mecânica.
Figura 2 - Esquema da turbina de uma BFT
FONTE: MARRA,2000
No entanto, para que a bomba operecomo turbina não basta a inversão do fluxo, mas também
o aumento da altura e da vazão com relação aos dados nominais fornecidos pelo fabricante
para que seja gerada a potência nominal do motor, considerando as perdas. Estudos
realizadono Brasil por Viana (1987) no LHPCH-UNIFEI, tornaram possível o
levantamento de coeficientes experimentais, baseados em ensaios de bombas bombeando
água e operando como turbina, que permitem a determinação da altura e da vazão nominal
para uma determinada bomba operar como turbina. Tal técnica é conhecida como Método
de Viana para seleção de BFT’s. A elevação destes parâmetros torna-se necessário a fim
de que o rendimento da BFT mantenha-se igual ao da bomba. No trabalho desenvolvidopor
Medeiros (2004) no LHPCH-IRN-UNIFEI são realizados ensaios onde se conseguiu um
rendimento superior para a BFT se com- parado com a bomba. Um estudomuito interessante
também foi realizado por Chapallaz et al. (1992) na Europa onde foram levantados
16
coeficientes experimentais para a determinação da altura e da vazão da bomba que irá operar
como turbina.
2.2. O gerador de indução (GI)
Estudos sobreo gerador de indução iniciaram-se na década de 30 como pode ser visto nos
trabalhos de Basset et. Al (1935) e Wagner (1939). O geradorde indução não é
propriamente um gerador, mas um motor de indução utilizado para gerar energia. Existem
dois tipos motores de indução que podem ser utilizados como gerador. O primeiropossui
um rotor bobinado e anéis coletores que interligam o circuito do rotor a um circuito
qualquer localizado no exterior da máquina. Já o segundo, o mais indicado para operar
comogerador, principalmente devido à sua simplicidade e baixo custo, possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo
FONTE: MARRA , 2000
Com relação ao gerador síncrono, utilizado em centrais hidrelétricas,o gerador de indução
possui várias vantagens, tais como:
Figura 3 - Gerador de indução gaiola de esquilo
17
· custo – de acordo com o trabalhode Chapallaz et al (1990) o GI pode ser uma opção
viável técnico e economicamente para potência até 100kVA. Como será mostradono estudo
de caso adiante, pode-se conseguir uma economia de 40% na aquisição de um GI de30kW,
se comparado ao gerador síncrono de mesmo porte;
· robustez – possui uma estrutura mais simples e ausência de pólos salientes. Isto significa
que a velocidade de disparo do gerador de indução não é um grandeinconveniente, tal como
acontece nos geradores síncronos. Para máquinas de quatro pólos, os fabricantesgarantem
que a velocidade de disparo atinja o dobro da velocidade síncrona da máquina Chapallaz
et al. (1990);
simplicidade – a ausência de bobinas, anéis coletores no rotor e escovas, torna o gerador de
indução uma máquina praticamente isenta de manutenção se comparada ao gerador
síncrono. Isto éuma grande vantagem quando se trata de microcentrais hidrelétricas
operando em áreas isoladas de difícil acesso para equipes de manutenção;
sincronismo – o gerador de indução dispensa a utilização de colunas de sincronismo, o que
repercuti num menor custo de aquisição, quando comparado ao gerador síncrono.
Outravantagem que pode ser citada é com relação ao disjuntor, pois, para microcentrais é
mais viável utilizar disjuntores termomagnéticos. No entanto, quando há duas ou mais
máquinas emparalelo, é interessante a utilização de disjuntores termomagnéticos
motorizados para facilitar a operação de sincronismo entre as máquinas. Como o geradorde
indução não necessita de sincronização, o custo pode ser ainda mais reduzido, visto que o
sistema de motorização do disjuntor é caro;
Sistemade excitação – geradores assíncronos utilizam um banco de capacitores para
excitação. Possui a vantagemde ser um sistema estático, ou seja, não possui componentes
rotativos, se comparado ao gerador síncrono, que normalmente utiliza sistemas rotativos
para excitação, sendo uma excitatrizde corrente alternada e um retificador rotativo montado
no mesmo eixo do gerador (tipo “brushless”). Estes tambémpodem operar com excitatrizes
estáticas, mas o número de máquinas síncronas que utilizam este sistema é reduzido
devido ao seu alto custo.
18
2.2.1. Determinação da carga capacitiva para a auto-excitação
Wang et al. (2002) descrevem uma técnica baseada em autovalorespara análise e predição dos
valores mínimo e máximo de capacitânciarequeridos para a auto-excitação de um GI. Análises
referentesà sensibilidade do valor mínimo da capacitância com relação à tensãonos terminais
do gerador, ao valor da reatância de magnetização, ao tipode carga e à velocidade imposta ao
rotor do gerador são efetuadas. Resultadosexperimentais são obtidos em uma máquina de
indução trifásica,conectada em estrela, operando como um gerador com velocidadeconstante.
Por fim, estes resultados são comparados com os resultadosanalíticos, validando a técnica
proposta.
Chapallaz et. al (1990) descreve que a carga e descarga de capacitores não é um processo
instantâneo, leva algum tempo até que as cargas (elétrons) se mudam para o capacitor ou a
partir do mesmo. No início do processo de carregamento, o fluxo de corrente, a mesma irá
parar logo que a tensão através do capacitoratingir o mesmo valor que a tensão da
fonte.Aplicando uma tensão DC a um circuito com uma resistência R e uma capacitância C,
que pode ser mostrado (usando a lei de Ohm) sendo a corrente i= U0 / R, em que U é uma
fonte de tensão constante. Uma vez que este fluxo de corrente inicial criou uma tensão (carga)
através do condensador, a queda de tensão (pressão para iniciar o fluxo) através da resistência
é agora menor do que U0 , portanto, uma corrente I no circuito irá ter um valor mais baixo.
Assim, tanto I quanto U não terão valores constantes durante o processo de carregamento e
podemos escrever :
Uc =
19
Figura 4 – Auto-excitação de um motor de indução com capacitor em paralelo sem carga
FONTE: CHAPALLAZ ,1990
Acionando o gerador através de um inversor de freqüência e colocando-o em uma
determinada velocidade,surgirá uma tensão reduzida devido ao magnetismo residual na
máquina. Esta tensão, aplicada ao capacitor provoca a circulação de uma corrente adiantada
90oda mesma. Portanto, tem-se a corrente de magnetização e a corrente no capacitor em fase
com o fluxo magnético. A corrente de magnetização contribui para o aumento da tensão no
gerador, elevando a corrente de magnetismo, que por conseqüência elevará a corrente que
circula no conjunto. Esta corrente também contribui para a excitação do gerador, elevando
ainda mais a corrente de magnetismo. Esse processo se repete sucessivamente até que o
gerador atinja o equilíbrio ,que corresponde a interseção das curvas de magnetização do
gerador e de carga do capacitor (Figura 4). Este sistema se estabiliza em um determinado
valor de corrente de magnetismo e para uma tensão induzida devido a sua saturação.
20
2.3. Técnicas para controle de tensão
Como será observado na próxima seção,tal como acontece com o gerador síncrono, a tensão
gerada pelo GI sofre um decréscimo conforme a carga aumenta caso não haja algum
sistema para o controle da tensão, caso a máquina esteja operando num sistema isolado. Esta
quedapode ser explicada pelo fato do aumento da corrente da carga causar um aumento na
queda de tensão dos circuitos internos da máquina e diminuição da corrente de
magnetização.
Várias técnicas para controle da tensão foram estudados e desenvolvidos ao longo dos anos
que podem ser vistas nos trabalhos de Basset et. Al (1935), Brennen et. Al (1977), Caldas
(1980) e Chapallaz et al (1990).
Resumindotem-se:
· método do capacitorsérie;
· método dos capacitores chaveados;
· método do controladorde carga;
· método do reator saturado;
· método do indutor controladopor tiristores.
A utilização de cada técnicadepende da natureza da carga a ser alimentada, ou seja, se é ativa
ou reativa, e também da precisão que se necessita no controle da tensão.
O controleda freqüência pode ser feito mantendo-se a velocidade do GI constante, tal como
ocorre no gerador síncrono, porém é necessário ressaltar que para que uma máquina de
indução de quatro polos, por exemplo, gere energia com freqüência de 60Hz a plena
carga, é necessário que ela opere a uma velocidade igual ou próxima a 1800 rpm.
Estas vantagens podemser maiores se for considerada a operação do GI em paralelo com
uma rede, visto que, neste caso é não é necessária a utilização de sistemas de controle de
tensão e freqüência que são definidos pela rede interligada.
21
2.4. Controle vetorial
ComoempregodemicrocontroladoreseDSP’scomalto poderdeprocessamento,o
acionamentodasmáquinasassíncronas,especialmente omotordeinduçãocomrotorem
gaiola,temsetornadocadavezmaissimplesepreciso,permitindo oempregodetécnicas avançadas
decontrole.Estecapítulodescrevedeformasimplesocontrolevetorialde
máquinaselétricas,oucontroleporcampoorientado,easetapasnecessáriasparaasua
implementaçãonumsistemamicrocontrolado.
Oprincípiodocontrolevetorialnoacionamentodemáquinas elétricasestábaseado no
controledamagnitudee fasedas tensõese correntesimpostaspor umconversor estático.
Essatécnicapermitequeotorque e o fluxodeumamáquinaelétricaCAsejam
controladosdeformaindependente,damesmaformaqueé feitonocontroledamáquinade
correntecontínua(máquinaCC),o qualébastantevantajoso.
Segundo Weingartner (2007) ocontrolevetorialpermitequeaspotências
ativaereativasejamcontroladasde
formaindependente.Estatécnicaébaseadanoconceitodadecomposiçãodevariáveis
comotensão,correnteefluxos,emumsistemadeeixosfictíciosortogonais dq,osquais,
geralmente, têmcomopontofixodereferênciaofluxoproduzidonoestator,oua velocidadedo
rotor,ou aindao fluxono entreferroda máquina.
2.4.1. Transformada entre eixos de referência
Autilização dastransformadas entreeixosdereferêncianosestudosdemáquinas elétricas tem se
mostrado não apenas importante na análise, mas também na implementação
desofisticadossistemasdecontrole.AstransformadasdeClarkeede
Parkconstituemetapasfundamentaisdocontrolevetorial.Atravésdelassetornapossívela
22
representaçãodevariáveistrifásicasdefasadasde120º
poroutrasbifásicascomdefasagem de90º
emeixosdereferênciaestacionáriosegirantes.
A transformada α-β-0 é uma conversão algébrica de tensões ou correntes trifásicas em uma
referência bifásica, também denominada transformação de Clarke. Para sistemas a quatro fios,
a transformada “desacopla” as componentes de seqüência zero das componentes α e β. Tem-
se a transformada de Clarke na equação (SILVA, 2008).
2.4.1.1. Transformada de Clark
AtransformadadeClarketornaumsistematrifásicoemumbifásicoortogonalcom
eixosestacionários. Nafigura 4 émostradaaequivalênciaentreosistema(a,b,c)eo
(α,β).Avariáveldenotadaporfpoderepresentarcorrente,tensão,enlacesdefluxo,ou carga
elétrica.
FONTE:LIMA, v.6
Figura 5 - Esboço do sistema de Clark com relação ao sistema
trifásico
23
Decomposição dos vetores espaciais da tensão representando o sistema trifásico da Figura 5.
Sistema bifásico equivalente dados em corrente i .
[
]
⌊
√
√
⌋ [
]
Os vetores de Vα e Vβ com relação aos vetores Va , Vb e Vc trifásicos ficam dispostos de
acordo com a figura 5.
24
Figura 6 - Sinais de voltagem após a transformação de Clarke
FONTE: LIMA, v.6
2.4.1.2. Transformada de Park
A transformada de Park consiste em transformar os vetores resultantes da transformadas de
Clarke em vetores girantes e fazê-los girar em uma velocidade arbitrária qualquer, resultando
assim em um sistema de dois vetores (Vd e Vq) em uma velocidade angular formando dois
vetores correspondentes ao sistema.
25
FONTE: LIMA, v.6
2.5. Controlador LQR
O problema do regulador linear quadrático tem sido assunto de volumes de pesquisa desde
sua concepção na década de 60. Este problema consiste em manter a saída de um sistema o
mais próximo possível de um valor dereferência (normalmente zero). Para isso o LQR utiliza
o problema da otimização dos mínimos quadrados o que garante um sistema de malha fechada
estável, alcançando um nível elevado de estabilidade e robustez (CASTRO, 2009).
Tendo como base a forma típica funcional quadrática:
∫
Como R é uma matriz real simétrica positivo definida, pode-se concluir que:
Figura 7 – Esboço dos vetores girantes com relação ao sistema trifásico
26
Substituindo na Eq. Algébrica de Riccati (ARE):
Minimizando-se J em relação a K tem-se:
A expressão acima é quadrática, portanto não pode ser negativa, com isso, a mesma será nula
quando:
Como :
Onde P deve satisfazer a ARE , ou sua forma reduzida :
2.6. Sistema fotovoltaico
Um sistema fotovoltaico consiste em um sistema de conversão da energia luminosa em
energia elétrica, podendo emitir eletricidade em corrente contínua ou corrente alternada.
A composição de um sistema fotovoltaico consiste em alguns equipamentos como: o painel
solar, bateria de acumuladores, um sistema de regulagem, supervisão e controle, além dos
condicionadores de energia que são os inversores e conversores.
Os painéis solares absorvem a energia solar e a converte em energia elétrica através do efeito
fotovoltaico. Este efeito ocorre quando os elétrons absorvem a energia solar necessária para
27
romper a sua banda de valência e entrar na banda de condução, onde ele terá liberdade de
interagir eletronicamente com a sua vizinhança. O campo elétrico gerado na junção acelera os
elétrons e favorece o deslocamento de cargas, gerando, dessa forma, a corrente elétrica.
Segundo o postulado de Bohr os elétrons se encontram em níveis estacionários de energia de
um átomo e para que o elétron passe para outro nível de energia ele deve absorver ou emitir
energia. A transição eletrônica de níveis se dá com a energia recebida ou cedida pelo elétron.
Dependendo da tensão e da corrente desejada faz-se associações de módulos em série e/ou
paralelo. A energia elétrica gerada é direcionada para as baterias de armazenamento de
energia. Para evitar uma corrente de retorno para os painéis utiliza-se um diodo em série.
Para o gerenciamento da carga gerada em um sistema fotovoltaico faz-se necessário um
sistema de regulagem, supervisão e controle, denominado SRSC. Como os painéis fornecem
corrente de forma contínua, torna-se necessário o uso de um inversor para utilização de cargas
que demandam corrente alternada.
2.6.1. Estrutura de uma célula fotovoltaica
A grande maioria das células fotovoltaicas são formadas de junção P-N, nessa junção cria-se
uma zona de depleção, lugar onde existe um campo elétrico gerado pela recombinação, ou
seja, associação de um elétron do material tipo N com uma lacuna do material tipo P.
Figura 8–Estrutura simplificada de um célula foto voltaica e o efeito fotovoltaico
FONTE: CERESBE, 2004
28
2.7. Armazenamento e conversão da energia gerada
2.7.1. Inversor
Inversor é o dispositivo necessário para alimentação de cargas em corrente alternada através
de fontes de energia contínua. A geração do sistema fotovoltaico, assim como a energia
fornecida pelas baterias, é em corrente contínua, mas alguns tipos de cargas necessitam de
corrente alternada para operarem. Nestes casos, o inversor converte a energia contínua em
alternada. (FRAGA, 2009).
Este aparelho pode tanto converter CC em CA quanto o contrário, fazendo um chaveamento
de dispositivos semicondutores, de acordo com a freqüência se saída desejada. No caso da
conversão CC-CA por exemplo, este dispositivo recebe a corrente contínua e faz o
chaveamento de forma a produzir uma tensão com “alternâncias de sinal” , mais comumente
chamadas de corrente alternada (CA).
2.7.2. Bateria
Para uma melhor eficiência de um sistema de geração, pode-se ser utilizado bancos de bateria
para o estoque da energia gerada, afim de gerenciá-la conforme a demanda de consumo. São
capazes de transformar diretamente energia elétrica em energia potencial química e
posteriormente converter, diretamente, a energia potencial química em elétrica. Cada bateria é
composta por um conjunto de células eletroquímicas ligadas em série obtendo-se a tensão
elétrica desejada.
Para sistemas fotovoltaicos, é aconselhável a utilização de uma bateria com baixa resistência
interna, para que a mesma possa ser carregada com valores menores de corrente.
2.7.3. Regulador de carga
O regulador de carga, o qual realiza a função de um SRSC é um controlador com LVD, ligado
entre um painel solar e uma bateria. Funciona como um gerenciador de carga e descarga,
29
mantendo a bateria dentro de condições ideais de funcionamento, assegurando assim longa
vida útil. Ele controla carga, flutuação e também desliga a saída automaticamente, quando a
bateria está com pouca carga, evitando que o usuário a descarregue totalmente, o que seria
fatal para a vida útil da bateria (CESAR, 2012).
30
3. DESENVOLVIMENTO
3.1. Obtendo os parâmetros de GI
Para obter-se os parâmetros de um motor elétrico, têm-se três testes que podem ser feitos em
um laboratório com estrutura especifica e os equipamentos adequados de medição.
3.1.1. Dados de placa do motor
Primeiramente devem ser coletados os dados fornecidos pelo fabricante do motor, que vêm
gravados em uma placa de metal fixada na carcaça do mesmo.
KW = 0,75 HP
RPM = 1750
Vnominal = 220V
Inominal = 3,80 A
Cosϕ = 0,76
3.1.2. Medição da resistência do estator
Este teste consiste em medir a resistência entre duas fases do motor com um multímetro para
a obtenção de Rm, como mostra a figura abaixo:
Figura 9 – Circuito referente as resistências de fase do motor
31
Feita a medição, obtém-se o valor Rm = 6,8Ω
Pela na análise do circuito têm-se que :
=
= >
Como a medida foi feita entre terminais das fases L1 e L2 com o motor ligado em triangulo, e
pretende-se obter a resistência do estator para o modelo equivalente em estrela , converte-se
esta resistência aplicando as relações de conversão Triangulo / Estrela, como segue:
3.1.3. Ensaio a vazio
Para este ensaio, foram feitas as ligações de modo a obtermos o circuito da figura 9
representando o motor de indução.
Foi feito o uso de um inversor de freqüência para garantirmos e velocidade de sincronismo do
motor 1800 RPM. Este inversor é ligado a um motor de indução que terá a função de fornecer
a energia cinética necessária ao gerador afim de eliminar as perdas por ventilação, atrito e
perdas no núcleo. Assim, tem-se um baixovalor de corrente que se deve ao fato de, como o
motor está girando a vazio, seu escorregamento tende á zero e sua resistência R2 tende á
infinito.
Como Rm já foi medido pelo ensaio anterior, é possível medir as perdas rotacionais
descontando a perda no estator em relação ao potencial total em vazio.
32
Tabela 1 – Valores obtidos no ensaio a vazio:
V12 V23 V31 I1 I2 I3 Pc
20V 20,2V 19,9V 0,26A 0,27A 0,25A 1,5W 1800RPM
40V 40,3V 40,3V 0,47A 0,45A 0,40A 4,5W
s/carga
60V 60,4V 60,2V 0,65A 0,63A 0,66A 11,2W
80V 80,0V 79,8V 0,85A 0,82A 0,81A 18,7W
100V 99,6V 100,2V 1,03A 1,00A 0,96A 29,8W
120V 119,0V 120,0V 1,26A 1,23A 1,17A 35,5W
140V 140,0V 139,3V 1,41A 1,39A 1,36A 40,8W
160V 160,0V 159,0V 1,67A 1,66A 1,58A 53,2W
180V 179,6V 179,9V 1,89A 1,86A 1,83A 70,0W
200V 200,0V 200,0V 2,21A 2,13A 2,14A 94,0W
220V 219,0V 218,0V 2,58A 2,12A 2,41A 103,0W
220V 219,5V 219,5V 2,66A 2,59A 2,66A 158,5W 1797 RPM
com
ventilação
Substituindo Rm obtido no ensaio anterior :
33
3.1.4. Ensaio com o rotor bloqueado
Neste teste, o rotor é bloqueado para não girar e a tensão é mantida pequena, em torno de 10%
a 25% da nominal (para que não haja uma grande corrente). É aplicada uma tensão no motor
até que o mesmo chegue em sua corrente nominal para que sejam coletados os parâmetros:
Para 60Hz
Vbloq = 49V
Ibloq = 3,8 A
Pbloq = 235,7 W
mHLrLsHLrLsZLrLs
ZRrRs
IV
P
I
VZrZs
bloqbloq
bloq
bloq
bloq
9,1302785,05,1047,0*33.22sin*602
3,1673,0*33.22cos*
73,03*8.3*49
7,235
3**cos33,22
8,3
3493
Para 22Hz
Vbloq = 27V
Ibloq = 1,7 A
Pbloq = 40 W
75.135,0*5.27cos*
5,03*7.1*27
40
3**cos5,27
7,1
3273
ZRrRs
IV
P
I
VZrZs
bloqbloq
bloq
bloq
bloq
Quanto maior a freqüência, os elétrons tendem a circular na periferia do conduto, assim, a
área efetiva do condutor diminui. Como a resistência obedece a seguinte formula
34
onde é a resistividade do material condutor, no caso o cobre, o comprimento do condutor e
A a área de seção transversal do condutor.
Com isso, pode-se concluir que quanto maior a freqüência, menor a área da sessão transversal
e maior a resistência. Este fenômeno é conhecido como Efeito Pelicular.
Para corrigir a variação da resistência devido ao Efeito Pelicular, usa-se a seguinte formula:
3.1.5. Obtendo a curva de magnetização do gerador
A densidade do fluxo magnético que pode ser criado por um eletroímã depende do número de
espiras do enrolamento, assim como da intensidade da corrente circulante. Isso significa que a
densidade do fluxo depende da força magnetizante ou da intensidade da corrente circulante.
Estas curvas são de extrema importância quando se pretende utilizar um material para o
núcleo de um componente eletrônico como um transformador ou um indutor. Através destas
curvas são determinadas as dimensões dos núcleos de um motor para uma aplicação, assim
como o número de espiras da bobina e diversos outros parâmetros para a construção do
componente.
A curva de magnetização é caracterizada pelo eixo vertical (tensão) e eixo horizontal
(corrente de magnetização. Paraconseguir estes valores foram feitas uma série de ensaios com
o motor em vazio, para determinadas tensões .A partir dos ensaioscoletou-se parâmetros de
corrente, tensão e potência que, através de cálculos foi possível adquirir todos os parâmetros
necessários para a modelagem do motor e construção da curva de magnetização.
Primeiramente foram feitos os cálculos para o motor alimentado com 5 Volts:
35
Cálculo do fator de potência:
√
Impedância :
(
√ )
Reatância mútua:
√ θ √
Indutância:
Corrente de magnetismo :
36
Repetindo os cálculos para cada valor de tensão medido, a tensão, têm-se os seguintes
valores:
Tabela 2 - Dados obtidos para o levantamento da curva de magnetização:
V I Z Pativ FP Xm Lm Im
5V 0,13A 0,2W 0,17 0,173H 0,095A 10V 0,20A 133,23 0,6W 0,17 131,29 0,226H 0,117A 20V 0,26A 133,23 1,5W 0,17 131,29 0,348H 0,152A 40V 0,44A 157,46 4,5W 0,15 0,413H 0,256A 60V 0,65A 11,2W 0,17 0,418H 0,38A 80V 0,83A 18,7W 0,16 0,437H 0,485A
100V 1,00A 29,8W 0,17 0,453H 0,489A 120V 1,22A 35,5W 0,14 0,447H 0,711A 140V 1,39A 40,8W 0,12 0,459H 0,808A 160V 1,64A 53,2W 0,12 0,445H 0,953A 180V 1,86A 70,0W 0,12 0,441H 1,081A 200V 2,16A 94,0W 0,13 0,422H 1,257A 220V 2,37A 103,0W 0,11 0,424H 1,377A
Obtendo-se assim o a curva de magnetização do motor abaixo:
Figura 10 - Curva de magnetização do motor de indução
37
3.2. Simulação do controle de reativos em um sistema trifásico
Neste capítulo é exibida a simulação do motor de indução e com controle vetorial utilizando a
ferramenta MATLAB. Nesta simulação, o motor sempre trabalha em plena carga, contando
que a queda d’água produza um torque constante.
Independentemente da variação da carga, o gerador sempre produzirá a mesma energia, em
casos de variação nas cargas como o desligamento de uma lâmpada, por exemplo, faz com
que o sistema de controle atue regulando a energia capacitiva que alimenta o motor. Esta
energia capacitiva é originada no banco de capacitores da própria bateria utilizada para
armazenar energia no sistema, esclarecendo, quando a carga é modificada, o controlador atua
no gate do inversor de freqüência, fazendo com que o mesmo faça o “chaveamento” para a
bateria até que seja suprida a energia necessária para a alimentação do gerador.
Caso haja um excesso de energia no sistema, a mesma pode ser dissipada através de uma
resistência para o aquecimento de água ou até uma lâmpada sinalizadora de carga, por
exemplo.
Com relação aos painéis fotovoltaicos, os mesmos não foram adicionados à simulação tendo
em vista que não participam desta malha de controle, neste caso, entraria apenas como uma
fonte de corrente contínua conectada diretamente à bateria através do regulador de tensão.
Abaixo pode-se observar a malha de controle desenvolvida no Simulink (ferramenta auxiliar
do MATLAB) para o gerador de indução. Esta simulação consiste em um controlador de fator
de potência em uma rede. Seu intuito é controlar as componentes reativas e ativas nos
terminais do GI. Para isso inicialmente foi feito o controle de reativos e ativos em uma rede
com tensão fixa, no intuito de, posteriormente, aplicar o mesmo procedimento considerando
que a rede é alimentada por um gerador de indução.
38
Nesta simulação foi utilizada um conjunto de cargas ligados em estrela com um relé de
contato temporizado, esta carga é acionada após um determinado tempo estipulado de acordo
com o tempo de acomodação do sistema de modo que o relé sempre atue após atingido o
estado de acomodação.
Abaixo tem-se a amostragem das correntes de fase e as corrente após as transformações:
Figura 11 – Simulação da malha de controle (Simulink)
39
Figura 12 - Correntes de fase antes das transformações de Clark e Park
Figura 13 - Sinais de corrente após as transformadas de Clarck e Park
As correntes ativa e de quadratura resultantes das transformações, recebem os parâmetros
angulares da PLL e passam pela transformada reversa de Clark e Park, voltando ao sistema
trifásico. Essas correntes recebem o sinal de referencia da tensão da bateria e são transmitidas
40
40
a um conversor PWM. Este conversor transforma os sinais do controle em pulsos e os envia
ao gate do inversor para que o mesmo faça o chaveamento para controle das cargas.
Abaixo podemos observar uma amostragem de sinal gerador pelo PWM :
Os sinais emitidos pelo PWM controlam o chaveamento do inversor de acordo com a
necessidade de suprimento de energia capacitiva ao gerador, esta energia é proveniente do
banco de baterias, isto implica no funcionamento do gerador enquanto a bateria ainda não
alcançar sua carga completa, caso contrário, a bateria deixa de emitir corrente capacitiva e o
motor pode ser desligado.
Abaixo pode-se observar o comportamento do sinal de corrente medido nos terminais da
bateria:
Figura 12 - Sinal emitido pelo gerador de PWM Figura 14 - Sinal emitido pelo gerador de PWM
41
41
Figura 15 - Esboço do comportamento dos sinais de corrente nos terminais da bateria.
3.3. Dimensionamento do banco de capacitores
A cálculo correto do banco de capacitores é um fator crucial para uma boa eficiência do
sistema de geração, observando novamente a figura 4, identifica-se quanto maior o banco de
capacitores, menor é o ângulo de inclinação de reta do capacitor e conseqüentemente, as
curvas do capacitor e de magnetização irão se intersectar em um ponto onde a corrente de
magnetização será muito elevada e os valores de tensão encontrados serão relativamente
baixos. Neste caso, a corrente de magnetização sobrecarrega o gerador, impedindo que o
mesmo atinja sua velocidade síncrona além de sobreaquecer o mesmo, podendo até sofrer
queima de seus enrolamentos.
Ao contrário do caso citado anteriormente, caso o banco de capacitores seja sub-
dimensionado, as curvas de magnetização do gerador e capacitor irão se encontrar em valores
de tensão induzida e corrente de magnetização muito baixos, o que afetará expressivamente
na eficiência do gerador.
42
42
O ideal é que as curvas se cruzem um pouco acima do início da saturação do gerador, onde a
corrente de magnetização é relativamente baixa e a tensão induzida alcança seu valor mais
elevado.
3.3.1. Cálculo do banco de capacitores
Seguindo o raciocínio do capítulo anterior, foram feitos cálculos afim de encontrar os
melhores valores para o banco de capacitores para o gerador atuando a vazio e com carga.
Tendo que o valor do rendimento do motor é η = 0,669.
Baseando-se no diagrama prático abaixo, relacionando a potência elétrica da máquina de
indução operando como motor e qual potência a mesma pode gerar operando como gerador.
Figura 16 - Diagrama prático - Pelm x Pn
FONTE : CHAPALLAZ, 1992
43
43
Tem-se:
Sabendo o fator de potência do motor ( , calcula-se a demanda de potência
reativa do mesmo sendo:
A relação de demanda de potência reativa entre a máquina operando como motor e gerador é
obtida também através do diagrama prático (figura 16), sendo esta as linhas traçadas
relacionando
⁄
Assim, utilizando os mesmo cálculos da demanda de potência reativa da máquina operando
como motor, podemos calcular a demanda para o gerador.
Sabendo a demanda de potência reativa do gerador, basta calcular o valor do banco de
capacitores que suprirá esta demanda. A seguir são exibidos os caçulos para um banco de
capacitores ligados em estrela.
44
44
3.4. Ensaio do GI a vazio
Após o dimensionamento dos capacitores, foi feito um ensaio do gerador de indução (GI)
operando sem carga (á vazio). A variável controlada foi a rotação do gerador, para isto, foi
acoplado um outro motor no eixo do gerador, este motor tem sua velocidade controlada por
um inversor de frequência e este conjunto (motor/inversor) têm a função de simular a queda
d’água que alimentará o gerador.
Abaixo pode-se observar a imagem do sistema utilizado para a simulação:
Figura 17 - Ensaio do gerador de indução operando á vazio e motor simulando a queda d'água.
45
45
Foram feitas várias amostragens de medição variando a velocidade do motor simulando a
queda d’água, conforme abaixo:
Tabela 3 - Dados obtidos em ensaio do gerador operando em vazio
Rotação (RPM) Voltagem (V) Corrente (A) Freq.(Hz)
1420 4 0,04
1440 4,2 0,05
1460 4,5 0,05
1480 5 0,06
1490 88,6 0,8
1500 122,4 1,6 49,47
1510 134,6 1,77 49,82
1530 151,9 2,03 50,43
1550 163,7 2,21 51,03
1570 172,9 2,34 51,66
1590 181,3 2,49 52,3
1610 189 2,62 52,93
1630 195,5 2,75 53,56
1650 201,8 2,87 54,19
1670 207,6 2,99 54,8
1690 213,3 3,11 55,42
1710 219,3 3,24 56,07
1730 224,9 3,36 56,7
1750 230,01 3,48 57,31
1770 235,4 3,59 57,93
1790 241,1 3,73 58,56
1810 246,7 3,84 59,16
1830 251 3,97 59,8
46
46
Figura 18 - Gerador operando a vazio
Obs.: Até os 1490 RPM os medidores não conseguiram ler a freqüência devido a corrente
estar muito baixa.
3.5. Ensaio do GI com carga
Neste ensaio o gerador foi colocado a uma rotação em que o mesmo chegasse a geração
próxima aos 220V e foram ligadas três lâmpadas incandescentes em estrela e posteriormente
feito o mesmo ensaio com três lâmpadas incandescentes ligadas em triângulo, ambos os
ensaios tinham como objetivo observar a resposta do sistema quando fosse acionada uma
carga trifásica na rede.
No primeiro ensaio foram ligadas em estrela três lâmpadas de 127 V e 25 W. Sendo os
seguintes dados coletados do sistema:
Corrente de fase : 3,3 A
Tensão : 222,15 V
Velocidade do gerador : 1741 RPM
Corrente em cada lâmpada ≈ 0,17 A
47
47
Posteriormente, para a carga referente a três lâmpadas de 220V e 60W :
Corrente de fase : 3,06 A
Tensão : 212 V
Velocidade do gerador : 1741 RPM
Corrente em cada lâmpada ≈ 0,27 A
Após estes dois ensaios foi feita a tentativa de retirar as lâmpadas e colocar um motor de
indução de 0,25 HP , com a finalidade de tentar o sistema com uma carga mais indutiva,
porém o motor não partiu e o gerador de desestabilizou, ficando com sua geração em torno de
5,2 V. Concluímos que na partida, o motor utilizado puxou a energia reativa que estava
alimentando o gerador, com isso o gerador ficou sem suprimento de energia para funcionar
corretamente além de perder seu magnetismo residual, o que o impossibilitou sua auto-
excitação novamente.
Abaixo pode-se observar o sistema de geração alimentando as três lâmpadas de 220 V ligadas
em triângulo :
48
48
Figura 19 - Ensaio do GI alimentando uma carga resistiva
3.6. Interface do sistema de controle e o Usuário
Afim de facilitar a supervisão e controle de acionamento do sistema por parte do usuário, foi
criado um protótipo de um dispositivo controlado por um microcontrolador PIC18F4550,
podendo operar automaticamente o sistema de acordo com a carga da bateria, além de
informar ao usuário o status de funcionamento do sistema como geração, consumo e carga
restante da bateria.
49
49
O sistema consiste em uma placa de circuito impresso contendo um microcontrolador
PIC18F4550, relés de acionamento para as cargas e sistema de geração e um visor de LCD
possibilitando a visualização das variáveis.
Este sistema também possui placas auxiliares contendo sensores de efeito Hall localizados nas
proximidades dos equipamentos de geração e consumo, afim de realizarem as medições e
enviarem as mesmas á placa central. Estas placas auxiliares devem se localizar
preferencialmente próximo aos dispositivos, devido a possível perda de sinal analógico
decorrente da distância entre as placas auxiliares e a placa de controle. Assim, o sinal é
convertido de analógico para digital e depois enviados ao microcontrolador, evitando estas
perdas de sina
Protótipo da placa central montado em protoboard:
Figura 20 - Protótipo do dispositivo utilizado para o controle de acionamento do sistema de geração
50
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51
51
4. CONCLUSÃO
A obtenção de energia elétrica através da energia luminosa é feita através de células
fotovoltaica colocadas em série-paralelo, constituindo um painel fotovoltaico. Esta energia,
após ser tratada pelo regulador de tensão pode ser utilizada para suprir cargas em corrente
contínua de 12VCC ou armazenada em acumuladores de cargas (baterias).
A utilização de um motor de indução como gerador provou-se ser possível através do
acionamento do motor por uma fonte mecânica de energia e com o auxílio de capacitores
ligados aos enrolamentos do estator. Com o banco de capacitores bem dimensionado foi
possível alcançar a auto-excitação e alimentar cargas resistivas. O controle da energia reativa
pode ser feita través da alteração no banco de capacitores ou através do método de controle de
fator de potência, utilizando um controlador LQR atuando em um inversor chaveado,
controlando a energia reativa e ativa proveniente do banco de baterias ou do próprio banco de
capacitores.
O gerador de indução se mostrou eficiente ao suprir diretamente cargas puramente resistivas,
como no caso das lâmpadas, que também não exigem uma frequência típica para o seu
funcionamento. Com relação ao abastecimento direto de cargas resistivas/indutivas o gerador
não apresentou comportamento estável, conclui-se que estas cargas quando acionadas
demandam o mesmo tipo de energia que abastece o gerador (capacitiva/reativa), fazendo com
que o mesmo, na ausência da quantidade certa destas energias, se desestabilize e saia do seu
ritmo de geração.
O dispositivo de gerenciamento desenvolvido se mostrou eficiente para o acionamento de
cargas de até 10 A, se mostrando eficiente ao sistema, podendo acionar ou desligar o gerador
de indução conforme um comando manual ou automaticamente obedecendo valores pré-
determinados de carga no banco de baterias ou demanda de energia ativa pela rede.
52
52
4.1. Sugestões de trabalhos futuros
Este sistema pode ser facilmente instalado em qualquer residência, sendo assim, sua eficiência
energética pode ser utilizada para a conversão de energia para usos gerais, como no
aquecimento de água nos casos onde se têm maior geração do que demanda no sistema e este
excesso venha a ser dissipado em fontes desnecessárias.
Na parte do gerador de indução, foi implementado um controle de fator de potência em uma
rede convencional, utilizando como fonte de energia uma fonte de tensão simples. Com as
devidas adaptações, este sistema pode ser extremamente eficiente em conjunto com o gerador
de indução.
Este sistema de controle pode chavear um banco de capacitores (uso mais convencional) ou
para controlar as energias capacitivas fornecidas pelo próprio banco de baterias, o que
dispensaria o banco de baterias e tornaria o sistema mais “enxuto”.
A adição dos painéis solares ao sistema de controle também trás melhoras expressivas ao
sistema tendo em vista a alta flexibilidade e importância desta fonte de energia para o seu
desempenho total.
Caso seja utilizado um banco de capacitores como fonte de energia capacitiva, pode ser
implementado um sistema de controle de acionamento de bancos independentes, sendo os
mesmo acionados ou desligados conforme a demanda de energia para suprir o gerador.
53
53
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AJAX; Ficha técnica acumulador de carga Ajax modelo EN 115 Ah – 12V. Disponível
em: <http://www.ajax.com.br/ajax/pt/index.php >Acesso em 31 Maio, 2014.
ALMEIDA. Pedro Machado. Publicação de artigos científicos. Universidade Federal de
Juiz de Fora. Maio,2011. Disponível em:
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