Após as simulações do gerador e do retificador, parte-se para o desenvolvimento do inversor. Esta simulação pode-se considerar a mais importante de todo o sistema, uma vez que é nesta que é determinada a frequência e amplitude das ondas de tensão e corrente na carga ou que se ligam à rede elétrica.
Para a simulação do inversor, é necessário desenvolver também o sistema de controlo aplicado aos seus semicondutores, uma vez sem este é impossível o inversor funcionar, mas mais importante ainda é que é o sistema de controlo que vai ditar as formas de onda da tensão e corrente à saída do inversor. A figura 4-10 representa o desenho do inversor com controlo unipolar interligado com os sistemas de retificador, gerador e turbina.
Figura 4-10 - Sistema implementado com inversor controlado por PWM unipolar
O sistema de controlo unipolar consiste em duas comparações diferentes de uma onda sinusoidal com uma onda triangular, em que uma liga ao braço A do inversor e a outra ao braço B. Na que liga ao braço A a tensão sinusoidal tem uma amplitude de 325 V e frequência de 50 Hz e a tensão triangular com um duty-cycle de 0,5 uma amplitude de 325 V e uma frequência de 10 kHz. Na outra comparação, a onda triangular é a mesma e a onda sinusoidal tem a mesma amplitude e frequência da onda sinusoidal usada na comparação anterior, mas está desfasada 180º em relação a esta. Na figura 4-11 pode-se
verificar a forma de onda destas três tensões em que Vcontrol_positiva (com a cor verde) corresponde à onda sinusoidal do comparador que liga ao braço A; Vcontrol_negativa (a vermelho) à onda sinusoidal do comparador que liga ao braço B, com um desfasamento de 180º de Vcontrol_positiva e Vtri à onda triangular.
Figura 4-11 - Formas de onda utilizadas para o controlo unipolar
Os sinais de controlo que resultam da comparação das ondas anteriores consistem em impulsos elétricos com períodos muito diferentes uns dos outros. Assim, o sinal elétrico obtido à saída dos comparadores é o representado na figura 4-12 (é de realçar que este corresponde apenas a meio ciclo da onda, tempo de 0,01s).
Após comparado, o sinal de controlo que entra em cada um dos braços é negado para os interruptores da parte inferior de cada braço, o que permite que estes comutem aos pares na diagonal, como é esperado neste tipo de inversores. Dessa forma, o sinal obtido está presente na figura 4-13, onde se pode visualizar as ondas de tensão e corrente à saída do inversor.
Figura 4-13 - Tensão e Corrente à saída do inversor
Pode-se verificar na figura que o sinal de corrente e tensão demora alguns milissegundos a atingir o valor de pico e estabilizar nesse valor, isso deve-se ao facto de o sistema estar ligado aos módulos anteriores, que já apresentavam esse crescimento no instante inicial para os valores esperados nas suas formas de onda. A razão desse declive deve-se ao facto da turbina e o gerador não começarem imediatamente a funcionar dentro dos valores nominais.
As formas de onda de saída ainda não são as pretendidas, uma vez que apesar de terem um valor alternado a uma frequência de 50 Hz, estas não apresentam um sinal sinusoidal. No entanto, o sinal é constituído por vários impulsos (que na figura não são percetíveis devido ao tempo de amostragem ser muito maior do que o tempo de duração desses pulsos). Na figura 4-14 pode-se ver esses impulsos mais ao pormenor, na parte correspondente à área assinalada na figura 4-13 pela letra ‘A’.
Figura 4-14 - Vista mais pormenorizada da tensão de saída
4.6 Simulação do Inversor com Filtro LC
Para que o sinal à saída de todo o sistema seja semelhante ao sinal da rede elétrica, é necessário que ao sistema até aqui implementado seja ainda associado um filtro LC, de forma a que a tensão à saída do inversor seja sinusoidal.
Figura 4-15 – Sistema simulado com filtro LC à saída do inversor
Para dimensionar o filtro LC, parte-se da equação 3.29 do subcapítulo 3.4. No entanto, primeiramente é necessário determinar a frequência de corte .
Esse valor satisfaz a exigência de a frequência de corte ser pelo menos 30 vezes superior à frequência da sinusoide na carga (50 Hz).
Então pela equação 3.29, se atribuir ao condensador uma capacidade de 25 µF, a indutância da bobine é dada por:
Após a simulação com os valores dimensionados de condensador e da bobine, obtém-se os sinais de tensão e corrente na carga representados na figura 4-16. Os valores de pico da tensão e corrente são de 210,6 V e 2.63 A, respetivamente. O período da onda é de 0,02 s, o que corresponde a uma frequência de 50Hz.
4.7 Simulação completa do sistema
Como a tensão obtida na carga tem um valor de pico de aproximadamente 210 V, se se pretende que na saída de todo o sistema o valor da tensão seja o da rede elétrica, ou seja 230 V eficazes, é necessário utilizar um transformador entre o filtro e a carga. A figura 4-3, analisada anteriormente, ilustra todo o sistema simulado de forma a obter à saída uma tensão de pico de 325 V e frequência de 50 Hz. Assim, na figura 4-17 estão representadas formas de onda de tensão e corrente na carga.
Figura 4-17 - Tensão e corrente na carga com o sistema completo simulado
Um aspeto a ter em conta antes de realizar a implementação prática do sistema, é conhecer a corrente na drain ( ) dos semicondutores do inversor e a tensão aos seus terminais ( ), de forma a que se escolham semicondutores capazes de suportar os
valores previstos. Nas figuras 4-18 e 4-19 estão representadas as formas de onda da tensão (para um curto intervalo de tempo, de forma a que se possa analisar a
Figura 4-18- Tensão aos terminais dos semicondutores do braço A
Figura 4-19 - Corrente na drain dos semicondutores no braço A
Pela análise ao valor de pico das correntes ( ) e da tensões ( ) em cada um dos semicondutores do inversor chega-se à conclusão que os mosfets ou IGBTs a adquirir para a montagem do inversor têm de ter como características uma tensão entre a drain e
source superior a 210 V e corrente na drain superior a 4 A. Preferencialmente, devem ter
tensões e correntes com valores consideravelmente superiores a estes, de modo a que haja uma margem de segurança dos componentes.
Capítulo 5
Implementação e Resultados Experimentais
Neste capítulo apresentam-se as montagens implementadas em laboratório para a realização do sistema proposto nesta dissertação, assim como os resultados dos testes experimentais feitos ao sistema.