Capítulo 6 Resultados Experimentais do Conversor de Potência para Interface da Microeólica com
6.3.5 Conversor CC-CC do Tipo Step-Up e Conversor CC-CA Trifásico
Para testar e validar o funcionamento em conjunto do conversor CC-CC do tipo step-up não isolado e do conversor CC-CA trifásico, foi utilizada uma fonte de tensão CC, à entrada do conversor CC-CC, com uma tensão de 60 V (vin). Nestes testes foi utlizado um controlo
por corrente no conversor CC-CC, de forma a extrair a potência desejada da fonte de tensão, enquanto que o conversor CC-CA, para além de injetar a potência na rede elétrica, é também responsável por regular a tensão do barramento CC.
Na Figura 6.17 estão ilustrados os resultados obtidos, aos dois conversores a operar em simultâneo. Pela análise dos resultados constata-se que os conversores funcionam como previsto. O conversor CC-CC do tipo step-up consegue extrair da fonte a corrente desejada (iin) e o conversor CC-CA injeta na rede elétrica correntes sinusoidais (ia, ib e ic) e em fase
com as tensões da rede elétrica. Para além disso o barramento CC (vcc) encontra-se controlado
nos 100 V, para os diferentes valores de corrente.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 6.17. Resultados experimentais com os dois conversores a operar em simultâneo: Formas de onda da tensão da fase A da rede elétrica (va) (CH1: 10V/div), corrente sintetizada pelo conversor CC-CA para a fase
A (ia) (CH2: 1 A/div), (a) corrente sintetizada pelo conversor CC-CC (iin) (CH3: 2 A/div) para uma referência
de 1 A; (b) corrente sintetizada pelo conversor CC-CC (iin) (CH3: 2 A/div) para uma referência de 2 A; (c)
corrente sintetizada pelo conversor CC-CC (iin) (CH3: 2 A/div) para uma referência de 3 A; (d) corrente
sintetizada pelo conversor CC-CC (iin) (CH3: 2 A/div) para uma referência de 4 A e tensão do barramento CC
(vcc) (CH4: 40 V/div) para uma referência de 100 V.
va vcc ia iin va vcc ia iin va vcc ia iin va vcc ia iin
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Conversor de Potência para Interface da Microeólica com a Rede Elétrica
Na Figura 6.18 são apresentadas as formas de onda das correntes injetadas pelo conversor CC-CA na rede elétrica (ia, ib e ic). Estas correntes têm uma amplitude de 3 A e
foram obtidas através da placa de DAC.
ia ib ic
Figura 6.18. Resultados experimentais com os dois conversores a operar em simultâneo: Correntes sintetizadas pelo conversor CC-CA (CH2, CH3, CH4:2 A/div).
Resultados Experimentais do Sistema Completo
Após validação dos conversores de potência e respetivos algoritmos de controlo, foi retirada a fonte de tensão à entrada conversor CC-CC e substituída pelo gerador síncrono de ímanes permanentes e um conversor CA-CC trifásico não controlado.
Para testar o funcionamento deste sistema foi inicialmente utilizado um controlo de corrente no conversor CC-CC do tipo step-up (iin). Assim o rotor do gerador é colocado a
rodar a uma velocidade constante e é extraída a corrente desejada, controlando a tensão do barramento CC (vcc) e injetando correntes sinusoidais na rede elétrica a partir do conversor
CC-CA trifásico.
Na Figura 6.19, são apresentadas as formas de onda resultantes do teste realizado ao sistema completo, neste caso o gerador encontrava-se com uma velocidade de rotação de 132 r.p.m. e com uma tensão de entrada (vin) de 170 V, assim que o controlo de corrente é
ativado, passa a ser sintetizada pelo conversor CC-CC uma corrente (iin) de 1 A de valor
médio e a tensão (vcc) do barramento fica controlada com 200 V de valor médio. Para a rede
elétrica são injetadas correntes com 500 mA de pico. Para este teste o variac foi ajustado para obter as tensões da rede elétrica com um valor eficaz de aproximadamente 50 V do lado do conversor
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Conversor de Potência para Interface da Microeólica com a Rede Elétrica
va
vcc
ia
iin
Figura 6.19. Resultados experimentais com o sistema completo: Formas de onda da tensão da fase A da rede elétrica (va) (CH1: 20V/div), corrente sintetizada pelo conversor CC-CA para a fase A (ia)
(CH2: 500 mA/div), corrente sintetizada pelo conversor CC-CC (iin) (CH3: 1 A/div) para uma referência de
1 A e tensão do barramento CC (vcc) para uma referência de 200 V(CH4: 100 V/div).
Na Figura 6.20, estão ilustradas as formas de onda resultantes do teste realizado ao sistema completa, neste caso o gerador encontra-se com uma velocidade de rotação de 138 r.p.m. e com uma tensão de entrada (vin) de 100 V, assim que o controlo por corrente é
ativado, o conversor CC-CC do tipo step-up começa a sintetizar uma corrente (iin) de 1,4 A
de valor médio, enquanto isso o conversor CC-CA controla a tensão do barramento CC (vcc)
nos 200 V e injeta na rede elétrica correntes com cerca de 1,4 A de pico e em fase com as tensões da rede. Apesar disso, as correntes injetadas pelo conversor CC-CA apresentam uma elevada taxa de distorção harmónica (THD), de aproximadamente de 5,5%. Isto deve-se ao facto de que, as correntes sintetizadas pelo conversor CC-CA apresentam uma amplitude pequena, o que significa que quanto maior a amplitude das correntes produzidas pelo inversor menor será o THD destas.
Neste teste as formas de onda da tensão da fase A (va) e corrente injetada na fase A (ia)
forma medidas através de uma ponta de prova e uma pinça de corrente respetivamente, enquanto que a tensão do barramento CC (vcc) e a corrente sintetizada pelo conversor
CC-CC (iin), foram obtidas através da placa de DAC.
No ensaio da Figura 6.21, o rotor do gerador é colocado a rodar a uma velocidade de 170 r.p.m., desta forma a tensão retificada à entrada do conversor CC-CC (vin) tinha um valor
médio de 128 V. Assim que controlo é ativado o conversor CC-CC do tipo step-up começa a sintetizar uma corrente (iin) de 2 A e o conversor CC-CA trifásico mantém a tensão do
barramento CC (vcc) controlada nos 200 V e injeta para a rede elétrica correntes com cerca
de 2,4 A de valor de pico e em fase com as tensões da rede. Na figura abaixo observa-se apenas a corrente sintetizada pelo conversor CC-CA para a fase A.
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Conversor de Potência para Interface da Microeólica com a Rede Elétrica
va vcc
ia
iin
Figura 6.20. Resultados experimentais com o sistema completo: Formas de onda da tensão da fase A da rede elétrica (va) (CH1: 20V/div), corrente sintetizada pelo conversor CC-CA para a fase A (ia) (CH2: 1 A/div),
corrente sintetizada pelo conversor CC-CC (iin) (CH3: 1 A/div) para uma referência de 1,4 A e tensão do
barramento CC (vcc) para uma referência de 200 V (CH4: 100 V/div).
Em relação ao THD das correntes injetadas para a rede elétrica é de aproximadamente 3,4%, corroborando aquilo que foi referido anteriormente, quanto maior a amplitude da corrente sintetizada menor o THD. Neste teste as formas de onda da tensão da fase A (va) e
corrente injetada na fase A (ia) foram medidas através de uma ponta de prova e uma pinça de
corrente, respetivamente, enquanto que a tensão do barramento CC (vcc) e a corrente
sintetizada pelo conversor CC-CC (iin) foram obtidas através da placa de DAC.
(a) (b)
Figura 6.21. Resultados experimentais com o sistema completo: (a) Formas de onda da tensão da fase A da rede elétrica (va) (CH1: 20V/div), corrente sintetizada pelo conversor CC-CA para a fase A (ia)
(CH2: 1 A/div), corrente sintetizada pelo conversor CC-CC (iin) (CH3: 1 A/div) para uma referência de 2 A e
tensão do barramento CC (vcc) para uma referência de 200 V (CH4: 100 V/div); THD da corrente sintetizada
pelo conversor CC-CA para a fase A (ia).
Conclusões
Neste capítulo foram apresentados e analisados os resultados obtidos do conversor de potência para interface de uma turbina microeólica com a rede elétrica. Inicialmente foram descritos os resultados obtidos na bancada de ensaios. Começando pelo ensaio em vazio ao
va v cc ia iin va v cc ia iin
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Conversor de Potência para Interface da Microeólica com a Rede Elétrica
gerador síncrono de ímanes permanentes, foi possível testar o funcionamento de todos os elementos da bancada de ensaios e corroborar alguns dados que eram fornecidos pelo fabricante, no datasheet do gerador. Os ensaios ao gerador com carga, tanto linear como não linear, permitiram obter as curvas de potência do gerador, bem como esclarecer algumas dúvidas que existiam no datasheet do gerador.
De seguida, foram apresentados e analisados os resultados obtidos aos circuitos de eletrónica de potência. Os testes individuais a cada conversor permitiram validar o funcionamento destes. Concluindo que o conversor CC-CC do tipo step-up não isolado, funciona no modo de condução contínua e o conversor CC-CA trifásico sintetiza correntes sinusoidais e em fase com as tensões da rede elétrica, graças ao correto funcionamento da PLL.
Foram também realizados testes ao conversor CC-CC juntamente com o algoritmo de extração de máxima potência e conclui-se que este acompanha corretamente o ponto de máxima potência, extraindo a máxima potência que a fonte de tensão fornecia à carga.
Finalizada a parte de validação de funcionamento de cada conversor, foram realizados testes ao conversor CC-CC do tipo step-up e ao conversor CC-CA trifásico em conjunto, concluindo-se que estes funcionam corretamente, extraindo a corrente desejada da fonte de tensão, mantendo a tensão do barramento CC no valor definido e injetando correntes sinusoidais e em fase com as tensões da rede elétrica.
Por fim, são expostos os ensaios realizados ao sistema completo, substituindo a fonte de tensão à entrada do conversor CC-CC, por um gerador e um conversor CA-CC. Nestes ensaios o conversor CC-CC é responsável pela sintetização da corrente pretendida do gerador e o conversor CC-CA é responsável pelo controla da tensão do barramento CC e pela sintetização das correntes a injetar na rede elétrica.
Conclusões
Nesta dissertação foi apresentado o desenvolvimento de um sistema de eletrónica de potência que permite a interface entre uma turbina microeólica e a rede elétrica. Este permite extrair a potência máxima de um gerador síncrono de ímanes permanentes e injetar a energia extraída na rede elétrica com correntes sinusoidais e em fase com as tensões da rede elétrica. No Capítulo 1 foi realizada uma breve apresentação sobre a temática das energias renováveis a nível mundial, de forma a compreender qual a influência destas e das fontes de energia não renováveis na produção de energia elétrica. Foi confirmado que mesmo estando em ascensão, a produção de energia elétrica através de fontes renováveis continua ainda com um peso inferior ao das fontes não renováveis. Neste Capítulo foram também abordados alguns problemas causados pelo uso de combustíveis fósseis para a produção de energia elétrica e de como o uso de fontes renováveis poderiam reduzir esses efeitos.
No Capítulo 2 foi apresentada uma descrição das turbinas eólicas existentes, apurando que estas se dividem em dois tipos, turbinas eólicas de eixo vertical (VAWT - Vertical Axis
Wind Turbine) e turbinas eólicas de eixo horizontal (HAWT - Horizontal Axis Wind Turbine).
Foram também apresentados os diversos componentes que constituem essas turbinas. De seguida, foram demonstradas as aplicações dos sistemas eólicos, verificando-se que existem três tipos de aplicações principais, tais como: sistemas isolados, que criam a sua própria rede sem ter necessidade de haver uma ligação à rede elétrica; sistemas interligados com a rede elétrica, que injetam a energia produzida na rede elétrica; sistemas híbridos, que são compostos por mais que uma fonte de energia renovável. Por fim, foram apresentadas algumas turbinas microeólicas disponíveis no mercado, destacando o facto que a maioria delas é constituída por um gerador síncrono de ímanes permanentes.
No Capítulo 3 foram apresentados os diversos tipos de geradores utilizados em turbinas eólicas, bem como as topologias associadas a cada um deles. De seguida, foram descritos os conversores utilizados nestas topologias e apresentadas algumas técnicas de controlo para os mesmos. Por fim, foi selecionada a topologia para desenvolver o trabalho proposto, composta por um gerador síncrono de ímanes permanentes, um conversor CA-CC trifásico de