UNIVERSIDADE TECNOL ´OGICA FEDERAL DO PARAN ´A DEPARTAMENTO ACAD ˆEMICO DE EL ´ETRICA
CURSO DE ENGENHARIA EL ´ETRICA
GABRIELA PAULUCIO ESTRADA
PROJETO DE UMA PICO CENTRAL EL ´
ETRICA E ´
OLICA
TRABALHO DE CONCLUS ˜AO DE CURSO
PATO BRANCO 2018
GABRIELA PAULUCIO ESTRADA
PROJETO DE UMA PICO CENTRAL EL ´
ETRICA E ´
OLICA
Trabalho de Conclus ˜ao de Curso de graduac¸ ˜ao, apresentado `a disciplina de Trabalho de Conclus ˜ao de Curso 2, do Curso de Engenharia El ´etrica da Coordenac¸ ˜ao de Engenharia El ´etrica - CO-ELT - da Universidade Tecnol ´ogica Federal do Paran ´a - UTFPR, Campus Pato Branco, como requisito parcial para obtenc¸ ˜ao do t´ıtulo de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Me. C ´esar Augusto Por-tolann
PATO BRANCO 2018
TERMO DE APROVAC¸ ˜AO
O Trabalho de Conclus ˜ao de Curso intitulado PROJETO DE UMA PICO CENTRAL EL ´ETRICA E ´OLICA do acad ˆemico Gabriela Paulucio Estrada foi consi-derado APROVADO de acordo com a ata da banca examinadora N◦ 183 de 2018.
Fizeram parte da banca examinadora os professores:
Prof. Me. C ´esar Augusto Portolann
Prof. Dr. Ricardo Vasques
Prof. Me. Dionatan Ceislak
A Ata de Defesa assinada encontra-se na Coordenac¸ ˜ao do Curso de Engenharia El ´etrica.
Aos meus pais, que com muito carinho e apoio, n ˜ao medi-ram esforc¸os para que eu chegasse at ´e esta etapa de minha vida.
`
A minha av ´o Dalva, que hoje brilha no c ´eu, mas sempre sonhou junto comigo o anseio de cursar a minha graduac¸ ˜ao em uma universidade federal. Meu maior exemplo de car ´ater e dignidade, muito do que sou hoje devo a ela.
”Tudo que est ´a no plano da realidade j ´a foi sonho um dia”.
AGRADECIMENTOS
Agradec¸o a minha fam´ılia, que sem o apoio deles eu nada seria. `A minha m ˜ae Francelise, minha maior incentivadora, fonte de inspirac¸ ˜ao e psic ´ologa nos tem-pos dif´ıceis da faculdade. Meu pai, Carlos, quem sempre acreditou em mim, me apoiou e me incentivou em todas as horas. Meu irm ˜ao, Victor, pelas experi ˆencias divididas e o apoio constante. A meu namorado Eduardo, quem foi fundamental na ´ultima etapa da minha graduac¸ ˜ao, contribuindo para o meu crescimento pessoal e neste trabalho.
As minhas amigas e amigos, com quem eu dividi muitos anseios, tristezas e medos, hoje quero dividir tamb ´em a felicidade. Meus agradecimentos a voc ˆes, que de alguma forma tamb ´em contribu´ıram para que o sonho desta graduac¸ ˜ao se tornasse realidade.
Agradec¸o ao professor Cesar, respons ´avel pela orientac¸ ˜ao desse traba-lho, pelo tempo dedicado, conhecimentos divididos, compreens ˜ao e todo o aux´ılio. Tamb ´em sou grato aos docentes Janerson, Dionatan e Ricardo, que apoiaram essa pesquisa e contribu´ıram com as revis ˜oes do conte ´udo.
Tamb ´em sou grata `a Deus por ter dado sa ´ude aos meus familiares e tran-quilizado o meu esp´ırito nos momentos mais dif´ıceis da minha trajet ´oria acad ˆemica at ´e ent ˜ao. E, por fim, obrigado a todos, por todo apoio, paci ˆencia e companheirismo nesses meses de muito trabalho.
RESUMO
O presente trabalho ´e um projeto para a construc¸ ˜ao de uma pico central el ´etrica e ´olica. Nele ´e evidenciado a real necessidade de gerac¸ ˜oes secund ´arias em propriedades rurais de pequeno porte.
´
E explanado sobre o projeto da especificac¸ ˜ao da ´area de varredura das p ´as, pelas quais ser ´a produzida energia suficiente para carregar uma bateria. Tamb ´em aborda-se sobre o sistema de transmiss ˜ao de velocidade, por caixa de engrenagens e por correias e polias.
S ˜ao abordados conceitos de um gerador CC de ´ım ˜as permanentes, o qual utiliza-se de um circuito de controle e carregamento da carga da bateria atrav ´es de um conversor CC-CC. O projeto tamb ´em aborda o desvio da tens ˜ao gerada excedente para a carga dump quando a bateria estiver completamente carregada.
Para garantir a integridade do aerogerador, foi realizado o projeto, simulac¸ ˜ao e execuc¸ ˜ao do controle da sobretens ˜ao do circuito a partir do leme orientador, o qual ser ´a ativado quando houver ocorr ˆencias de sobretens ˜ao, e assim, o leme se dobrar ´a em direc¸ ˜ao ao rotor.
ABSTRACT
The present work is a project for the construction of a wind power central peak. In it is evidenced the real need of secondary generations in small farms.
It is explained about the design of the specification of the sweep area of the blades, for which sufficient energy will be produced to charge a battery. Also discussed is the speed transmission system, by gearbox,belts and pulleys.
Concepts of a permanent magnet DC generator are discussed, using a con-trol circuit and charging the battery through a DC-DC converter. The design also ad-dresses the deviation of the surplus voltage generated for the dump load when the battery is fully charged.
In order to guarantee the integrity of the wind turbine, the design, simulation and execution of the control of the overvoltage of the circuit was carried out from the steering rudder, which will be activated when there are occurrences of overvoltage, and thus, the rudder will bend towards the rotor.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Capacidade acumulada em dezembro de 2016 . . . 16
Figura 2: Esquem ´atico do sistema . . . 20
Figura 3: Esquem ´atico dos componentes de um aerogerador . . . 23
Figura 4: M ´aquina CC de ´ım ˜as permanentes como gerador . . . 25
Figura 5: Tens ˜ao gerada versus velocidade rotacional do motor operando como gerador . . . 25
Figura 6: Caixa Multiplicadora de velocidade . . . 26
Figura 7: Polia sincronizada e correia . . . 27
Figura 8: Turbina e ´olica de pequeno porte . . . 28
Figura 9: Conversor CC-CC Buck . . . 29
Figura 10: Conduc¸ ˜ao em modo cont´ınuo: a) 1◦ etapa: 0 ≤ t ≤ ton b) 2◦ etapa: ton ≤ t ≤ T . . . 30
Figura 11: Conduc¸ ˜ao em modo descont´ınuo - 3◦ etapa . . . 31
Figura 12: Esquem ´atico de correia polias . . . 36
Figura 13: TSR x Cp para diferentes tipos de turbina . . . 37
Figura 14: Relac¸ ˜ao entre coeficiente de solidez e TSR . . . 39
Figura 15: Moinho de vento na Franc¸a com p ´as feitas de madeira . . . 40
Figura 16: Aerof ´olio em vista de corte . . . 41
Figura 17: Modelo de p ´a met ´alica . . . 42
Figura 18: Prot ´otipo do rotor da turbina e ´olica . . . 42
Figura 19: Esquem ´atico do sistema gerac¸ ˜ao e carregamento . . . 43
Figura 20: Circuito utilizado para a simulac¸ ˜ao do conversor buck . . . 45
Figura 21: Package . . . 47
Figura 22: Diagrama de blocos . . . 47
Figura 24: Controlador de carga da bateria . . . 49
Figura 25: Esquem ´atico completo do sistema . . . 50
Figura 26: Fluxograma do controle de sobretens ˜ao . . . 50
Figura 27: Diagrama interno do rele . . . 51
Figura 28: Interno da chave fim de curso . . . 52
Figura 29: Circuito comparador de tens ˜ao . . . 52
Figura 30: Circuito temporizador . . . 53
Figura 31: Flip-Flop RS . . . 54
Figura 32: Circuito completo . . . 54
Figura 33: Tens ˜ao sobre os terminais do capacitor . . . 56
Figura 34: Corrente na entrada do indutor . . . 57
Figura 35: PWM . . . 57
Figura 36: Circuito antes da ocorr ˆencia de sobretens ˜ao . . . 58
Figura 37: Reles antes da ocorr ˆencia de sobretens ˜ao . . . 58
Figura 38: Curva do circuito de sobretens ˜ao em sua atuac¸ ˜ao . . . 58
Figura 39: Reles ap ´os a ocorr ˆencia de sobretens ˜ao . . . 58
Figura 40: Circuito temporizador inicial . . . 58
Figura 41: Curva de descarga do capacitor . . . 59
Figura 42: Chave para descarga do capacitor . . . 59
Figura 43: Circuito temporizador antes de iniciar . . . 59
Figura 44: Circuito temporizador ap ´os a ocorr ˆencia da sobretens ˜ao . . . . 59
Figura 45: Curva de carga do capacitor do circuito de temporizac¸ ˜ao . . . . 60
Figura 46: Rel ´es ap ´os temporizac¸ ˜ao . . . 60
Figura 47: Leme antes de ocorrer a sobretens ˜ao . . . 62
Figura 48: Circuito implementado do controle de sobretens ˜ao . . . 63
Figura 49: Sistema de controle acoplado `a bateria . . . 64
Figura 50: Curva de carga do capacitor . . . 65
Figura 51: Leme na posic¸ ˜ao fechado ap ´os a ocorr ˆencia da sobretens ˜ao . . 65
Figura 53: Engrenagem de 45 dentes . . . 71
Figura 54: Engrenagem de 10 dentes . . . 72
Figura 55: Eixo acoplado ao gerador . . . 72
Figura 56: Eixo acoplado ao rotor . . . 73
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Especificac¸ ˜oes Gerador CC ´Im ˜as Permanentes . . . 34
Tabela 2: Especificac¸ ˜oes inicias do sistema de transmiss ˜ao . . . 36
Tabela 3: Especificac¸ ˜oes do conversor CC-CC Buck . . . 44
Tabela 4: Componentes do conversor CC-CC Buck . . . 44
Tabela 5: Especificac¸ ˜oes do IRF640 . . . 45
Tabela 6: Dados iniciais para c ´alculo do circuito RC . . . 52
SUM ´ARIO 1 INTRODUC¸ ˜AO . . . 14 1.1 JUSTIFICATIVA . . . 15 1.2 OBJETIVO GERAL . . . 19 1.3 OBJETIVOS ESPEC´IFICOS . . . 19 1.4 METODOLOGIA DE PESQUISA . . . 19 1.5 ORGANIZAC¸ ˜AO DO TRABALHO . . . 20
2 REVIS ˜AO BIBLIOGR ´AFICA . . . 22
2.1 GERAC¸ ˜AO DA ENERGIA E ´OLICA . . . 22
2.1.1 Potencial E ´olico . . . 22
2.2 GERADOR DE CORRENTE CONT´INUA DE ´IM ˜AS PERMANENTES . . . 24
2.3 SISTEMAS DE TRANSMISS ˜AO DE VELOCIDADE . . . 26
2.3.1 Sistemas de engrenagens . . . 26
2.3.2 Sistemas com correias e polias . . . 26
2.4 DISPOSITIVOS DE PROTEC¸ ˜AO CONTRA SOBREVELOCIDADE . . . 27
2.4.1 M ´etodos de controle da velocidade de rotac¸ ˜ao . . . 27
2.4.2 Leme . . . 27 2.5 CONVERSOR CC-CC BUCK . . . 28 2.5.1 Modo Cont´ınuo . . . 29 2.5.2 Modo Descont´ınuo . . . 30 2.5.3 Carregador de baterias . . . 31 2.6 BANCO DE BATERIAS . . . 31
2.6.1 Carga por tens ˜ao constante . . . 32
2.6.2 Carga por corrente constante . . . 32
2.7 INVERSOR DE TENS ˜AO . . . 32
3 ESPECIFICAC¸ ˜AO DA ´AREA VARRIDA DAS P ´AS, MATERIAL E SISTEMA DE TRANSMISS ˜AO . . . 34
3.1 ESPECIFICAC¸ ˜AO DA ´AREA VARRIDA . . . 34
3.1.1 Tens ˜ao demandada pelo gerador . . . 34
3.1.2 Sistema de transmiss ˜ao . . . 35
3.1.3 Caracter´ısticas da turbina . . . 36
3.2 POT ˆENCIA GERADA . . . 38
3.3 MATERIAIS . . . 39
3.3.1 Madeira . . . 40
3.3.2 Met ´alicos . . . 40
3.3.3 Comp ´ositos . . . 41
3.3.4 Escolha do material . . . 42
4 PROJETOS DO SISTEMA DE POT ˆENCIA: CONTROLADOR DE CARGA E CONTROLADOR DE SOBREVELOCIDADE . . . 43 4.1 CONTROLADOR DE CARGA . . . 43 4.1.1 Conversor CC-CC Buck . . . 43 4.1.1.1 Mosfet IRF640 . . . 45 4.1.2 Gerac¸ ˜ao PWM - SG3524 . . . 46 4.1.2.1 Funcionamento . . . 46 4.1.2.2 Aplicac¸ ˜oes . . . 46 4.1.2.3 Pinagem de sa´ıda . . . 46 4.1.3 Driver . . . 47
4.1.4 Circuito de controle da carga da bateria . . . 48
4.2 CONTROLADOR DO LEME . . . 49
4.2.1 Reles . . . 50
4.2.2 Chave fim de curso . . . 51
4.2.3 Circuito comparador de tens ˜ao . . . 51
4.2.4 Circuito temporizador . . . 52
4.2.5 Circuito Flip-flop para controle dos reles . . . 53
4.2.6 Circuito completo . . . 54
5 RESULTADOS OBTIDOS . . . 56
5.1 SIMULAC¸ ˜AO . . . 56
5.1.1 Controlador de carga . . . 56
5.1.2 Controle de sobretens ˜ao . . . 57
5.2 PR ´ATICA . . . 60
6 CONCLUS ˜OES . . . 66
14
1 INTRODUC¸ ˜AO
O r ´apido crescimento da demanda energ ´etica mundial ´e o que tem influen-ciado estudos e a proposta de um novo modelo de gerac¸ ˜ao de energia, encontrando meios eficientes para acompanhar o crescimento populacional e o desenvolvimento tecnol ´ogico, pois as fontes de energia n ˜ao renov ´aveis s ˜ao consideradas limitadas, como o ur ˆanio e os combust´ıveis f ´osseis (carv ˜ao, petr ´oleo bruto e g ´as natural).
Lamentavelmente, o maior potencial energ ´etico atual ´e proveniente des-sas fontes esgot ´aveis, que causam danos diretos ao meio ambiente e para todos os seres humanos, causando emiss ˜ao de gases, poluic¸ ˜ao atmosf ´erica e de rios. As-sim, prejudicando o ecossistema, reduzindo a produtividade agr´ıcola, aumentando a ocorr ˆencia de doenc¸as e a formac¸ ˜ao da chuva ´acida. Tamb ´em deve-se considerar os acidentes decorrentes das sondagens petrol´ıferas e a contaminac¸ ˜ao qu´ımica. Al ´em de causar depend ˆencia econ ˆomica nos pa´ıses n ˜ao produtores de mat ´erias-primas ne-cess ´arias para a gerac¸ ˜ao de energia atrav ´es das fontes renov ´aveis. (GOLDEMBERG; LUCON, 2007).
A utilizac¸ ˜ao de fontes de energia renov ´aveis vem como uma alternativa vi ´avel e com o intuito de diminuir a poluic¸ ˜ao atmosf ´erica, a qual ocasiona o efeito estufa, essa possibilidade j ´a ´e proposta pela energia nuclear, que como ´e resultante da fiss ˜ao nuclear, n ˜ao s ˜ao emitidos gases poluentes na atmosfera. Por ´em, o risco de explos ˜ao nuclear e a contaminac¸ ˜ao radioativa fez com que essa fonte seja desacon-selh ´avel.
Direcionando as fontes de energias renov ´aveis para a proveniente do vento, o qual tem sua origem no aquecimento causado pelo Sol, que gera uma massa de ar quente, no qual tem suas part´ıculas mais leves e maiores que as do ar frio, assim, se elevam rapidamente e as part´ıculas do ar frio se movem rapidamente para pre-encher o espac¸o que o ar quente deixou, provocando uma variac¸ ˜ao de press ˜ao, e essa movimentac¸ ˜ao do ar frio e do ar quente ´e o vento. A energia e ´olica ´e a energia cin ´etica das massas de ar. Essa energia pode ser convertida em outras formas de energia (mec ˆanica e el ´etrica). (ROSSI; OLIVEIRA, 2014).
A evoluc¸ ˜ao da tecnologia de aproveitamento dessa energia teve in´ıcio em 1980 e desde ent ˜ao tem sofrido avanc¸os significativos, mostrando que n ˜ao emitem
1.1 JUSTIFICATIVA 15
gases de efeito-estufa, n ˜ao produz res´ıduos, n ˜ao h ´a custos na obtenc¸ ˜ao da mat ´eria-prima, al ´em de um custo de implantac¸ ˜ao vi ´avel e pequena necessidade de manutenc¸ ˜ao. Por ´em, como para uma produc¸ ˜ao significativa de energia, ´e necess ´ario a ocorr ˆencia do vento em densidade e velocidade ideais, e esses par ˆametros sofrem alterac¸ ˜oes sazonais e anuais, essa energia ´e criticada referente sua intermit ˆencia. (BERMANN, 2008).
Para gerar uma grande quantidade de energia, s ˜ao colocadas in ´umeras turbinas em um mesmo local, o qual ´e chamado de fazendas e ´olicas. Existem as off-shore e as on-off-shore. A diferenc¸a entre elas ´e o local de instalac¸ ˜ao, as primeiras s ˜ao colocadas na ´agua, e as outras em concreto ou terra. Uma fazenda necessita apenas das turbinas e ´olicas, subestac¸ ˜ao e cabos de transmiss ˜ao. Embora os ventos nas fazendas off shore s ˜ao mais est ´aveis e r ´apidos, o custo da implantac¸ ˜ao ´e elevado em relac¸ ˜ao as on shore, fazendo com que ainda sejam pouco vi ´aveis (IEA-ETSAP, 2016).
Um relat ´orio disponibilizado pelo Conselho Global de Energia E ´olica, mos-trou que a capacidade instalada de gerac¸ ˜ao e ´olica no mundo apresentou um cresci-mento em torno de 54 GW, o que representa 12,6% entre 2015 e 2016. No relat ´orio ´e explanado sobre percentual e pot ˆencia instalada, prevendo que a capacidade insta-lada pode chegar a 800GW at ´e 2021. Isso acontece devido aos avanc¸os tecnol ´ogicos, os quais permitem o melhor aproveitamento dos ventos (GWEC, 2016). Tamb ´em foi abordado sobre a pot ˆencia instalada desde o in´ıcio da utilizac¸ ˜ao da gerac¸ ˜ao e ´olica, em 1891 na Dinamarca, at ´e 2016, a qual corresponde a 486,79 GW e indica que s ´o em 2016 foram instalados em torno de 54 GW em mais de 90 pa´ıses. No entanto, na Figura 1 pode-se analisar que a maior parcela de capacidade acumulada se concen-tra em 10 pa´ıses. Aonde a lideranc¸a do ranking ´e da China, seguido pelos Estados Unidos e a Alemanha (AMBIENTE, 2017).
1.1 JUSTIFICATIVA
No Brasil, a primeira turbina de energia e ´olica foi instalada em Fernando de Noronha em 1992, por ´em, apenas uma d ´ecada depois foi que o governo criou o Programa de incentivo as fontes alternativas de energia el ´etrica (Proinfa), isto porque houve uma escassez de energia pelo fato de o n´ıvel de ´agua nas barragens terem diminu´ıdo afetando diretamente os consumidores, pois a maioria da matriz el ´etrica do Brasil ´e concentrada na hidroeletricidade. Desde a criac¸ ˜ao do Proinfa, o Brasil tem sua produc¸ ˜ao aumentada em larga escala, tendo sua capacidade instalada em 2016
1.1 JUSTIFICATIVA 16
Figura 1: Capacidade acumulada em dezembro de 2016 Fonte: CWEC (adaptado)
de 10 GW em 400 parques e ´olicos distribu´ıdos pelo pa´ıs, representando 7% da matriz energ ´etica. E segundo o Atlas do Potencial E ´olico Brasileiro, o territ ´orio brasileiro tem capacidade de gerar at ´e 140 GW de energia proveniente do vento.
´
E vi ´avel a implantac¸ ˜ao de aerogeradores e ´olicos em locais aonde os ven-tos s ˜ao favor ´aveis. Para sistemas de pequeno porte, existem m ´aquinas que geram energia mesmo com velocidade de ventos baixa, na faixa de 3,5 m/s a 4,5 m/s. As-sim, ´e poss´ıvel gerar energia significativa para carregar baterias, fornecer energia para
1.1 JUSTIFICATIVA 17
iluminac¸ ˜ao de baixa tens ˜ao e bombeamento de ´agua.
Tendo em vista que um aerogerador n ˜ao dura menos que 20 anos, tem se tornado um investimento atrativo, ainda mais pelo fato de que o valor inicial da aplicac¸ ˜ao n ˜ao ´e exorbitante. A garantia de qualidade e seguranc¸a da gerac¸ ˜ao, redu-zindo os danos ambientais, tornam essa energia interessante e vi ´avel. Pois, as faltas de energia el ´etrica, com oscilac¸ ˜oes de tens ˜ao e desligamentos frequentes causam s ´erios danos, por algumas vezes, irrevers´ıveis (FAESC, 2014).
A m ´a qualidade da energia el ´etrica ocorre principalmente em ´areas rurais, justamente onde falta de energia ´e sin ˆonimo de preju´ızo. E sabe-se que o propriet ´ario tem o direito de receber energia com capacidade suficiente para que as necessidades do seu of´ıcio sejam supridas, por ´em, isso afeta principalmente os pequenos produto-res pelo fato de n ˜ao possu´ırem acesso `a energia secund ´aria proveniente de geradoproduto-res instalados na pr ´opria propriedade (SILVA et al., 2002).
´
E not ´orio que as redes rurais s ˜ao suscet´ıveis as falhas por conta da arborizac¸ ˜ao, a qual pode acarretar um curto-circuito na rede el ´etrica. Esses locais por serem de dif´ıcil acesso e por haver baixa densidade de consumidores por quil ˆometro, se tornam pouco interessante para as concession ´arias de energia fornecerem energia el ´etrica de qualidade. Assim, h ´a um ´ındice alto de interrupc¸ ˜oes no fornecimento de energia a essas propriedades, causando grandes preju´ızos aos produtores (SILVA et al., 2002). E s ˜ao in ´umeras as causas, v ˜ao desde a rede que n ˜ao suporta a carga de energia at ´e a pr ´opria manutenc¸ ˜ao da mesma, o sucateamento da malha da rede el ´etrica e a falta de investimento estruturais s ˜ao as principais (NOVAES, 2016).
Para um produtor de leite, sabe-se que o principal fator da qualidade do leite ´e a refrigerac¸ ˜ao em 3◦C. Se esta refrigerac¸ ˜ao cessar, perde-se a qualidade, e se a falha no fornecimento for longa, ´e necess ´ario o descarte do produto (BORGES, 2015). Um outro fator ´e a ordenhac¸ ˜ao das vacas, que mesmo n ˜ao possuindo local para a refrigerac¸ ˜ao, ´e necess ´ario o fazer para que n ˜ao ocorra preju´ızos a sa ´ude do animal. Com isso, o produtor ´e obrigado a fazer a ordenhac¸ ˜ao manual, que ´e um processo repetitivo e ´arduo, e pode trazer preju´ızos a sa ´ude humana.
Na produc¸ ˜ao anual, se o produtor perder uma parte do seu produto, ele est ´a praticamente pagando para trabalhar. Com a gerac¸ ˜ao e ´olica como alternativa para o produtor rural de pequeno porte, armazena-se a energia gerada em baterias e assim, podendo ser utilizadas quando ocorre as falhas na rede. Conectando a alimentac¸ ˜ao das suas m ´aquinas, principalmente o refrigerador e a ordenhadeira, nas baterias car-regadas, essas continuam operando e j ´a ´e ben ´efico ao produtor. Assim, ele n ˜ao perde
1.1 JUSTIFICATIVA 18
o seu tempo e produc¸ ˜ao e tamb ´em n ˜ao necessita se esforc¸ar, prejudicando sua sa ´ude, para ap ´os o processo ser necess ´ario o descarte do produto.
A proposta do projeto ´e ser vi ´avel tecnicamente e financeiramente. Ap ´os muito estudo, aprendizado e orc¸amentos, o projeto como foi proposto ´e invi ´avel fi-nanceiramente, pois a princ´ıpio obtinha-se um cata-vento doado e seria projetado e constru´ıdo um sistema de multiplicac¸ ˜ao de velocidade a partir de uma caixa de engre-nagens, pois, o cata-vento antes de sofrer uma rajada de vento e ter sido parcialmente destru´ıdo, era utilizado apenas para bombear ´agua do poc¸o, n ˜ao possuindo esse sis-tema, o qual ´e primordial para um sistema e ´olico.
Assim, com a ajuda do coorientador Janerson, o qual disponibilizou um projeto da caixa de engrenagens para o trabalho, este foi orc¸ado. Na tentativa de reduzir custos, conseguiu-se da empresa Bransilos a confecc¸ ˜ao das p ´as no tamanho exato do projetado, por ´em, ainda assim n ˜ao foi poss´ıvel realizar o projeto pr ´atico da construc¸ ˜ao do sistema de multiplicac¸ ˜ao de velocidade, pois o investimento necess ´ario era maior do que o obtido de ajuda da universidade.
Desta forma, pensou-se em utilizar o sistema que tamb ´em poderia funcio-nar bem, que ´e o de correia e polias. Foi ent ˜ao orc¸ado esse sistema, juntamente com a reforma do cata-vento, que por ter ficado exposto a condic¸ ˜oes clim ´aticas adversas, sofreu avarias. Da mesma forma, foi orc¸ado a montagem do rotor com as p ´as esta-belecidas, incluindo eixos, mancais e rolamento para a fixac¸ ˜ao do rotor na torre de sustentac¸ ˜ao. Por ´em, a insatisfac¸ ˜ao obtida, foi que mesmo o valor sendo menor do que o orc¸ado inicialmente apenas para a caixa de engrenagens, ainda n ˜ao seria poss´ıvel sua construc¸ ˜ao, pois n ˜ao obtinha todo o capital necess ´ario para a efetivac¸ ˜ao.
Ressalta-se que foi recebido um aux´ılio da universidade no valor de 400 reais. Por ´em, com esse valor foi poss´ıvel adquirir apenas os componentes para a confecc¸ ˜ao da placa de circuito impresso, a bateria de 12 volts e as ferramentas ne-cess ´arias para a construc¸ ˜ao do leme orientador.
Com isso, foi efetuado o projeto de todo o sistema e ele simulado no soft-ware Multisim. Confeccionou-se a placa de circuito impresso do controle de sobre-tens ˜ao. Montou-se o prot ´otipo do leme orientador, incluindo uma torre de sustentac¸ ˜ao, a bateria e o sistema de controle.
1.2 OBJETIVO GERAL 19
1.2 OBJETIVO GERAL
Projetar uma pico central el ´etrica e ´olica para operar com ventos de baixa velocidade.
1.3 OBJETIVOS ESPEC´IFICOS
• Especificar uma ´area m´ınima de varredura das p ´as para que possa produzir energia el ´etrica o suficiente para que atrav ´es do gerador CC possa carregar uma bateria.
• Definir o esquema de acoplamento.
• Definir o melhor material para a construc¸ ˜ao das p ´as.
• Dimensionar os componentes do aerogerador, considerando a velocidade do vento e a capacidade do gerador.
• Projetar um sistema vi ´avel economicamente e tecnicamente para ser utilizado no carregamento da bateria.
1.4 METODOLOGIA DE PESQUISA
Inicialmente ser ´a realizado c ´alculos com base na teoria para definir a me-lhor ´area varrida das p ´as para que gerem energia mesmo em baixas velocidades. Utilizaremos o coeficiente de pot ˆencia, o qual representa a frac¸ ˜ao m ´axima da energia contida no vento que pode ser extra´ıda pela turbina, entre 0,3 e 0,4 e ser ´a estabelecido uma velocidade m ´edia do vento em 3 m/s.
Tamb ´em ser ´a necess ´ario verificar qual o melhor material e modelo aero-din ˆamico das p ´as, para que assim, possam se adequar e aproveitar o vento incidente. O controle da velocidade se dar ´a atrav ´es de sensores que medir ˜ao a tens ˜ao e corrente proveniente do gerador e tamb ´em ser ´a utilizado um sistema motorizado de parada a partir do leme do aerogerador, o qual atuar ´a dobrando o leme, assim que a velocidade ultrapassar o limite estabelecido.
O gerador ter ´a duas cargas, sendo a principal constitu´ıda pelo carregador e a bateria e uma paralela a principal caracterizada por uma resist ˆencia alimentada pelo conversor CC-CC tipo Buck, o mesmo utilizado no carregamento da bateria. Esta carga paralela absorve o excesso de pot ˆencia el ´etrica porventura gerado, casando
1.5 ORGANIZAC¸ ˜AO DO TRABALHO 20
de instante em instante a pot ˆencia gerada com a demandada. Em outras palavras, o conjunto conversor CC-CC e a resist ˆencia (tamb ´em chamada de carga dump) ex-trai pot ˆencia el ´etrica de forma proporcional `a rotac¸ ˜ao da turbina, pela modulac¸ ˜ao por largura de pulso no conversor CC-CC.
Ap ´os o carregamento total da bateria, desconecta-se do sistema de con-trole de carga e a acopla a um inversor de tens ˜ao, convertendo a tens ˜ao cont´ınua em alternada, para que possa funcionar em equipamento el ´etricos. Na Figura (2) ´e apresentado o esquem ´atico do sistema que ser ´a constru´ıdo.
Figura 2: Esquem ´atico do sistema Fonte: Autoria Pr ´opria
1.5 ORGANIZAC¸ ˜AO DO TRABALHO
O trabalho foi desenvolvido em etapas, visando `a efetivac¸ ˜ao de cada obje-tivo proposto, seguindo cada item acima mencionado. Assim, foi divido em 6 cap´ıtulos, organizados da seguinte forma:
No Cap´ıtulo 1 ´e apresentado a introduc¸ ˜ao do projeto, a justificativa que o motivou, os objetivos que s ˜ao almejados e o escopo que ser ´a seguido. No Cap´ıtulo 2 ´e apresentado a revis ˜ao bibliogr ´afica necess ´aria para o desenvolvimento do trabalho. ´
E apresentado como acontece a gerac¸ ˜ao da energia a partir dos ventos, os com-ponentes necess ´arios para que a transmiss ˜ao de energia ocorra e os equipamentos utilizados na captac¸ ˜ao dessa energia. No Cap´ıtulo 3 especifica-se a ´area varrida e as dimens ˜oes das p ´as e o modelo aerodin ˆamico utilizado na construc¸ ˜ao. Aborda-se o sistema de transmiss ˜ao e o material escolhido. No Cap´ıtulo 4 apresenta-se o projeto e o diagrama esquem ´atico do controlador de carga, o qual controlar ´a o fluxo de energia el ´etrica entre a fonte CC a montante e a carga a jusante dele, tamb ´em abordar ´a o
pro-1.5 ORGANIZAC¸ ˜AO DO TRABALHO 21
jeto e construc¸ ˜ao do do carregador de baterias e do sistema motorizado do controle de velocidade. No Cap´ıtulo 5 demonstra-se os resultados obtidos durante a simulac¸ ˜ao e a pr ´atica dos projetos propostos. No Cap´ıtulo 6 s ˜ao apresentadas as conclus ˜oes.
22
2 REVIS ˜AO BIBLIOGR ´AFICA
2.1 GERAC¸ ˜AO DA ENERGIA E ´OLICA
Para gerar energia el ´etrica atrav ´es do vento, a forc¸a do vento ´e captada atrav ´es das p ´as conectadas a uma turbina que gira o rotor e aciona o gerador el ´etrico. A quantidade de energia gerada leva em conta fatores como a ´area coberta pela rotac¸ ˜ao das p ´as e a quantidade de vento dispon´ıvel.
2.1.1 POTENCIAL E ´OLICO
O potencial e ´olico de uma turbina ´e determinado pelo estudo do compor-tamento dos ventos, considerando a intensidade e a velocidade do vento, tamb ´em a rugosidade do solo e outros obst ´aculos. A pot ˆencia da turbina depende principalmente da velocidade com que o vento passa atrav ´es de suas p ´as e a velocidade rotacional da turbina. Neste trabalho est ´a sendo proposto a especificac¸ ˜ao da ´area m´ınima em que as p ´as ir ˜ao varrer para que consiga uma velocidade suficiente para gerar energia atrav ´es do gerador. Essa ´area est ´a na descrita na equac¸ ˜ao 1.
A = 2P
ρv3Cp (1)
Aonde, P equivale a pot ˆencia, ρ ´e a densidade do ar, dada por 1,2928 kg/m3, v ´e a velocidade do vento e Cp representa o coeficiente de pot ˆencia (LIMA et al., 2011).
Para determinar a pot ˆencia do vento que passa perpendicularmente atrav ´es das p ´as, ´e necess ´ario considerar o coeficiente de pot ˆencia, pois essa energia cin ´etica n ˜ao pode ser totalmente aproveitada pelo aerogerador, pois o ar turbinado ´e evacuado (LIMA et al., 2011).
O coeficiente de pot ˆencia que caracteriza o n´ıvel de rendimento de uma tur-bina e ´olica, ´e baseado na Teoria de Betz, na qual foi feito um estudo sobre o aprovei-tamento e ´olico de turbinas de 2 ou 3 p ´as com eixo horizontal, analisando a passagem de ar antes e depois da turbina. Assim, chegou-se `a conclus ˜ao de que o m ´aximo do aproveitamento no ˆambito te ´orico ´e de 59% da pot ˆencia dispon´ıvel no eixo (LOPES,
2.1 Gerac¸ ˜ao da energia e ´olica 23
2009). Por ´em, na pr ´atica o valor do coeficiente varia entre 30% a 40% no m ´aximo e ´e dado por:
Cp = P eixo
P recuperavel (2)
Na equac¸ ˜ao 2 ´e dividido a pot ˆencia dispon´ıvel no eixo pela potencia que pode ser recuper ´avel do vento. Hoje em dia o aerogerador mais comum ´e o de eixo horizontal com 3 p ´as acopladas, como mostrado na Figura (3)
Figura 3: Esquem ´atico dos componentes de um aerogerador
Fonte: CENTRO BRASILEIRO DE ENERGIA E ´OLICA CBEE / UFPE (adaptado)
Os aerogeradores s ˜ao classificados pela sua capacidade m ´axima de pro-duzir energia. Para pot ˆencias menores que 40 kW s ˜ao considerados aerogeradores de pequeno porte e ´e indicado que o di ˆametro das p ´as seja menor que 12 metros. Para pot ˆencias entre 40 kW e 1 MW, s ˜ao de m ´edio porte, e seu di ˆametro est ´a entre 12 a 45 metros. E para pot ˆencias maiores que 1 MW ´e de grande pot ˆencia e suas p ´as ultrapassam o di ˆametro de 46 metros (ALMEIDA; SILVA, UnB, 2011).
Para aproveitar melhor a produc¸ ˜ao do gerador, a turbina ´e constru´ıda dire-tamente no eixo principal. Por ´em, tamb ´em pode ser constru´ıdo com correias e polias, com isso, pode-se aumentar ou diminuir a sua velocidade, o que faz com que introduza perdas de energia, custos adicionais e complexidade na construc¸ ˜ao. A altura na qual a turbina ser ´a instalada ´e um fator importante para ter uma boa produc¸ ˜ao de
ener-2.2 Gerador de corrente cont´ınua de ´ım ˜as permanentes 24
gia, pois, quanto mais alto, maior a incid ˆencia de vento, e ele se torna mais constante conforme aumenta a altitude (BRITO, 2008).
2.2 GERADOR DE CORRENTE CONT´INUA DE ´IM ˜AS PERMANENTES
Gerador de Corrente Cont´ınua de ´Im ˜as Permanentes, do ingl ˆes, Permanent Magnet DC (PMDC) Generator, ´e o gerador mais vi ´avel para a produc¸ ˜ao de um ae-rogerador de pequeno porte. Mesmo com pouca velocidade de vento ele ´e capaz de rotacionar, pois como o ´ım ˜a n ˜ao precisa fornecer corrente de excitac¸ ˜ao e nem neces-sita de rotac¸ ˜ao t ˜ao alta, assim, gera energia mesmo na baixa velocidade se tornando economicamente vi ´avel para aplicac¸ ˜oes de pot ˆencia reduzida (TUTORIALS, 2013).
Esse gerador opera atrav ´es da interac¸ ˜ao do fluxo magn ´etico e a corrente el ´etrica, baseado na Lei de Faraday. Quando utilizado, ´e necess ´ario a colocac¸ ˜ao de diodos no sistema, para assim, o gerador n ˜ao atuar como motor quando estiver sem vento. Os ´ım ˜as permanentes acoplados ao gerador fazem com que as perdas por efeito Joule sejam diminu´ıdas, assim, diminuindo o aquecimento na m ´aquina e aumentando a sua produtividade.
O campo indutor ´e criado por esses ´ım ˜as, quanto maior for a capacidade de magnetizac¸ ˜ao do ´ım ˜a, maior ser ´a a produc¸ ˜ao de energia, aumentando sua efici ˆencia pelo fato de n ˜ao possuir enrolamentos de campo. Assim, em uma relac¸ ˜ao proporcio-nal, ´e elevada a densidade de pot ˆencia e a relac¸ ˜ao do torque pela in ´ercia.
Esse gerador funciona semelhante ao motor s´ıncrono convencional, com a ´unica diferenc¸a que a forc¸a magnetomotriz mant ´em-se constante pois os ´ım ˜as tem a mesma induc¸ ˜ao magn ´etica durante todo o processo. Tamb ´em ´e conhecido como D´ınamo (TUTORIALS, 2013). A armadura gira de modo que toda a corrente gerada passa atrav ´es dos comutadores ou pelos an ´eis deslizantes e escovas de carv ˜ao, as-sim, proporcionando energia el ´etrica nos terminais de sa´ıda.
´
E uma m ´aquina de corrente cont´ınua com escovas em seu interior, excita-das separadamente com um fluxo magn ´etico constante. ´E resistente a sujeira, se o motor for totalmente vedado, pelo fato de o estator ter um sistema de polos de ´ım ˜a permanente. (ELETRICAL4U, 2015).
O diagrama do motor CC de ´ım ˜as permanentes operando como gerador est ´a representada na Figura (4). Quando a bobina ´e girada dentro do campo magn ´etico que ´e produzido pelos ´ım ˜as permanentes do estator, o fluxo magn ´etico que passa pelo loop varia e uma tens ˜ao ´e induzida atrav ´es dos terminais da malha. Essa tens ˜ao ´e
2.2 Gerador de corrente cont´ınua de ´ım ˜as permanentes 25
coletada pelos dois segmentos de comutador e entregue as escovas estacion ´arias conectadas ao terminal do motor (DIDACTIC, 2014).
Figura 4: M ´aquina CC de ´ım ˜as permanentes como gerador Fonte: DIDATIC (adaptado)
A tens ˜ao gerada ´e proporcional a velocidade de rotac¸ ˜ao da armadura da m ´aquina, e a polaridade dessa tens ˜ao depende exclusivamente da direc¸ ˜ao em que essa rotac¸ ˜ao percorre. Na Figura (5) ´e mostrado a caracter´ıstica da tens ˜ao versus a velocidade de rotac¸ ˜ao do gerador.
Figura 5: Tens ˜ao gerada versus velocidade rotacional do motor operando como gerador Fonte: DIDATIC (adaptado)
2.3 Sistemas de transmiss ˜ao de velocidade 26
2.3 SISTEMAS DE TRANSMISS ˜AO DE VELOCIDADE
Os sistemas de transmiss ˜ao e multiplicac¸ ˜ao da velocidade podem ser as engrenagens ou polias interligadas por correias.
2.3.1 SISTEMAS DE ENGRENAGENS
A caixa de multiplicac¸ ˜ao ´e utilizada para transmitir energia mec ˆanica a partir do torque do eixo do rotor ao eixo do gerador. Ela ´e necess ´aria para que a velocidade de entrada seja multiplicada, e ´e utilizada em sistemas de pequeno, m ´edio e grande porte. Essa velocidade varia entre 20 a 150 rpm (VITORINO, 2012). A caracter´ıstica construtiva da caixa est ´a mostrada na Figura (6).
Figura 6: Caixa Multiplicadora de velocidade Fonte: TENG ET AL (adaptado)
2.3.2 SISTEMAS COM CORREIAS E POLIAS
Para uma transmiss ˜ao de velocidade eficiente em sistemas de pequeno porte, s ˜ao utilizadas as correias juntamente com as polias. Ocorre um atrito resul-tante da compress ˜ao inicial decorrente do esforc¸o de trac¸ ˜ao da correia. O motivo de tal trac¸ ˜ao ´e a regulagem da dist ˆancia entre o eixo do gerador e o do rotor, assim, transmitindo pelo movimento a pot ˆencia entre os dois eixos.
Esse sistema, comparando ao de engrenagens tem uma maior facilidade de montagem e manutenc¸ ˜ao, aus ˆencia de lubrificac¸ ˜ao e reduc¸ ˜ao nas vibrac¸ ˜oes, fazendo com que o funcionamento seja silencioso (FILHO, 2009). O custo ´e baixo, por ´em s ˜ao vi ´aveis apenas para pequenas pot ˆencias.
2.4 Dispositivos de protec¸ ˜ao contra sobrevelocidade 27
Figura 7: Polia sincronizada e correia Fonte: MFRURAL
2.4 DISPOSITIVOS DE PROTEC¸ ˜AO CONTRA SOBREVELOCIDADE
Geralmente as turbinas e ´olicas possuem um sistema de controle o qual pre-vine velocidades excessivas quando h ´a ocorr ˆencia de ventos elevados, caso contr ´ario, pode haver quebra das p ´as ou de outros componentes.
2.4.1 M ´ETODOS DE CONTROLE DA VELOCIDADE DE ROTAC¸ ˜AO
Existem basicamente dois m ´etodos para controlar essa velocidade de rotac¸ ˜ao da turbina. O controle de passo, o qual ajusta o ˆangulo das p ´as `a velocidade do vento, com o aux´ılio de um mecanismo de passo localizado no eixo do rotor e um freio no seu sistema de controle. H ´a tamb ´em o controle de parada, que diminui a velocidade de rotac¸ ˜ao afetando as propriedades aerodin ˆamicas das p ´as, as quais determinar ˜ao a pot ˆencia de sa´ıda. A espessura ´e diferente em todo o comprimento da p ´a e ´e proje-tada para quando houver velocidade elevada de vento, sua efici ˆencia se reduzir, desse modo protegendo a turbina dos danos (IEA-ETSAP, 2016).
2.4.2 LEME
O leme ´e acoplado ao rotor da turbina e ´olica e tem a func¸ ˜ao de manter o rotor na direc¸ ˜ao aonde o vento ´e melhor aproveitado.
Esse tipo de controle ´e chamado de controle de yaw, ele mant ´em o eixo de rotac¸ ˜ao paralelo `a velocidade do vento e s ´o ´e utilizado em turbinas de eixo horizontal. Em turbinas de pequeno porte, esse controle ´e realizado de forma passiva atrav ´es do leme, e em turbinas de m ´edio e grande porte ´e realizado de forma ativa,
2.5 Conversor CC-CC Buck 28
aonde o rotor tem um atuador realizando o redirecionamento da turbina, ampliando a efici ˆencia da turbina(FARIAS et al., 2016).
Figura 8: Turbina e ´olica de pequeno porte Fonte: VPN
Neste projeto o leme atuar ´a protegendo a sobrevelocidade da turbina, a partir de um controle de sobretens ˜ao, o qual ir ´a dobrar o leme, far ´a com que a ve-locidade da turbina seja reduzida por nao estar na posic¸ ˜ao certa de encontro com o vento.
2.5 CONVERSOR CC-CC BUCK
´
E um conversor est ´atico de pot ˆencia, o qual tem a func¸ ˜ao de abaixador de tens ˜ao e controla o fluxo de energia el ´etrica entre a fonte CC a montante e a carga a jusante dele. A sua tens ˜ao de sa´ıda ´e cont´ınua e controlada, operando geralmente em elevadas frequ ˆencias (POMILIO, 2015). Nesta proposta o conversor CC-CC Buck vai operar em n´ıvel cont´ınuo, onde a relac¸ ˜ao entre a largura de pulso e as tens ˜oes m ´edia e eficaz de sa´ıda ´e bem determinada.
Podem operar no modo tens ˜ao, controlando a tens ˜ao de sa´ıda ou no modo corrente operando como uma fonte de corrente controlando a corrente de sa´ıda (RO-SEMBACK, 2004).
S ˜ao formados por semicondutores de pot ˆencia operando como interrupto-res, e tamb ´em por elementos passivos, como os indutores e capacitores que controlam o fluxo de pot ˆencia de uma fonte de entrada para uma fonte de sa´ıda. Essa convers ˜ao
2.5 Conversor CC-CC Buck 29
da pot ˆencia ´e realizada atrav ´es do armazenamento tempor ´ario da energia de entrada e ap ´os isso, realizada a liberac¸ ˜ao na sa´ıda com uma tens ˜ao diferente. Sendo mais eficiente que o m ´etodo de regulac¸ ˜ao linear de tens ˜ao. Esse m ´etodo de convers ˜ao ´e mais eficiente em 80% em relac¸ ˜ao a regulac¸ ˜ao linear de tens ˜ao, aumentando o tempo de operac¸ ˜ao dos dispositivos (RODRIGUES et al., 2007).
Na Figura (9) est ´a mostrado o diagrama el ´etrico do conversor CC-CC Buck.
Figura 9: Conversor CC-CC Buck Fonte: Autoria Pr ´opria
Os conversores CC-CC podem ser divididos em isolados e n ˜ao isolados. Eles s ˜ao utilizados normalmente em dispositivos eletr ˆonicos port ´ateis, estes frequen-temente s ˜ao compostos de diversos sub-circuitos, os quais utilizam diferentes n´ıveis de tens ˜ao. Assim, quando h ´a a necessidade da tens ˜ao fornecida pela bateria ser di-ferente, s ˜ao utilizados os isolados, os quais n ˜ao t ˆem conex ˜ao el ´etrica entre a entrada e a sa´ıda.
O conversor pode operar em modo cont´ınuo ou descont´ınuo. O modo cont´ınuo ocorre se durante o tempo de conduc¸ ˜ao do diodo, a corrente que flui no indutor n ˜ao chega pr ´oximo de zero. Caso contr ´ario tem-se o modo descont´ınuo.
O modo cont´ınuo ´e a prefer ˆencia de operac¸ ˜ao, pois h ´a uma relac¸ ˜ao deter-minada entre a largura de pulso e a tens ˜ao m ´edia de sa´ıda.
2.5.1 MODO CONT´INUO
A operac¸ ˜ao em modo cont´ınuo ´e constitu´ıda de duas etapas. A 1◦ etapa acontece quando a chave do conversor ´e fechada, e nesse intervalo de tempo a cor-rente no indutor aumenta gradativamente e a fonte fornece corcor-rente para o capacitor e a carga. Nessa etapa pode-se dizer que Vo ´e constante, por uma ac¸ ˜ao de filtra-gem eficaz do capacitor de sa´ıda. Assim, a corrente que passa por R tem ondulac¸ ˜ao
2.5 Conversor CC-CC Buck 30
desprez´ıvel. Ap ´os isso, ocorre a 2◦ etapa, aonde a chave ´e aberta fazendo com que o diodo entre em conduc¸ ˜ao, assim, ´e transferida para o capacitor e para a carga a energia armazenada no indutor. Posteriormente, a chave volta a ser fechada antes da corrente se extinguir. Na Figura 8 ´e demonstrado as duas etapas descritas.
Figura 10: Conduc¸ ˜ao em modo cont´ınuo: a) 1◦ etapa: 0 ≤ t ≤ ton b) 2◦ etapa: ton ≤ t ≤ T
Fonte: Autoria pr ´opria
Na 1◦ etapa a tens ˜ao na chave ´e nula e a corrente na chave ´e a mesma que no indutor. A tens ˜ao que circula no diodo ´e o inverso da tens ˜ao de entrada e a corrente ´e nula. Assim, resultando em uma tens ˜ao no indutor equivalente a equac¸ ˜ao 3.
VL = Vin− V0 (3)
Na 2◦ etapa a tens ˜ao na chave ´e igual a de entrada e a corrente na chave ´e nula. A tens ˜ao no diodo ´e nula e a corrente circulante ´e a mesma que no indutor. A tens ˜ao se d ´a pela equac¸ ˜ao 4.
VL= −V0 (4)
Se o valor da corrente que passa pelo indutor for maior que a da carga, o capacitor ´e carregado. Por ´em, se a corrente for menor, o capacitor ´e descarregado mantendo assim constante a corrente da carga. A frequ ˆencia de chaveamento nesse modo ´e constante.
Para obter a relac¸ ˜ao entre a entrada e a sa´ıda considera-se o comporta-mento do indutor ideal. Em regime, a tens ˜ao sobre ele ser ´a nula.
2.5.2 MODO DESCONT´INUO
A operac¸ ˜ao em modo descont´ınuo ´e composta por 3 etapas, as duas pri-meiras s ˜ao iguais a conduc¸ ˜ao em modo cont´ınuo e na 3◦ etapa ocorre a extinc¸ ˜ao da corrente no indutor e a corrente na carga passa a ser fornecida pelo capacitor. A 3◦
2.6 Banco de baterias 31
etapa est ´a demonstrada na Figura 9.
Figura 11: Conduc¸ ˜ao em modo descont´ınuo - 3◦ etapa Fonte: Autoria pr ´opria
A corrente ser ´a descont´ınua quando a corrente m ´edia no indutor for menor que a metade de seu valor de pico. Nessa etapa a tens ˜ao na chave ´e a resultante da tens ˜ao de entrada menos a tens ˜ao de sa´ıda e a corrente ´e nula. A tens ˜ao no diodo ´e o inverso da tens ˜ao de sa´ıda e a corrente tamb ´em ´e nula. Nessa operac¸ ˜ao n ˜ao h ´a interfer ˆencia do indutor, assim, a sua corrente e tens ˜ao s ˜ao nulas. Para baixos valores de corrente de sa´ıda o conversor tende a operar no modo descont´ınuo.
2.5.3 CARREGADOR DE BATERIAS
Esse conversor atuar ´a como um carregador de baterias utilizando tamb ´em de uma malha de tens ˜ao. Os carregadores s ˜ao dispositivos que quando ligados na corrente el ´etrica possibilitam o controle do carregamento da bateria.
De acordo com Braga (2014), um carregador consiste numa fonte que es-tabelece uma corrente em sentido contr ´ario na c ´elula, pilha ou bateria que deve ser recarregada.Como a resist ˆencia interna de uma bateria varia com a carga e normal-mente ´e muito pequena, ´e preciso agregar `a essa fonte algum dispositivo para limitar a um valor seguro a corrente de carga.
2.6 BANCO DE BATERIAS
Os sistemas e ´olicos podem trabalhar de 3 maneiras poss´ıveis, s ˜ao elas: sistemas isolados, h´ıbridos e de injec¸ ˜ao na rede. Os isolados armazenam a energia do aerogerador em um banco de baterias, que permitem o consumo posterior dessa energia quando a rede de transmiss ˜ao n ˜ao conseguir suprir a demanda do local (MAR-QUES; SANTOS, 2014).
A bateria ´e considerada o ponto cr´ıtico do sistema, isto porque a sua vida ´util n ˜ao passa de 5 anos. Geralmente ela tem na sua composic¸ ˜ao chumbo- ´acido,
2.7 Inversor de tens ˜ao 32
sua tens ˜ao ´e de 12V e ela ´e selada. No entanto, h ´a uma necessidade em alterar a natureza da sua corrente el ´etrica se for utilizada para fornecer pot ˆencia com destino a equipamentos que necessitam de corrente alternada para operar. Para isso, ´e utilizado um inversor de tens ˜ao.
2.6.1 CARGA POR TENS ˜AO CONSTANTE
As baterias, quando est ˜ao sendo carregadas, diminuem sua corrente de carga, com isso, esse m ´etodo opera elevando a tens ˜ao sempre que a corrente de carga chega a um valor m´ınimo, at ´e completar a carga.
O mais simples m ´etodo de carregamento de baterias ´e o por tens ˜ao cons-tante, ele ocorre em dois est ´agios. Inicialmente ´e aplicada uma corrente constante a bateria, aumentando assim a tens ˜ao da mesma at ´e o n´ıvel desejado e ent ˜ao, passa-se para o segundo est ´agio.
Nesse segundo est ´agio a tens ˜ao continua a mesma do primeiro est ´agio, a corrente decresce at ´e o m´ınimo valor pr ´oximo de zero poss´ıvel, ap ´os isso a tens ˜ao sobre a bateria aumenta e a corrente volta a seu valor inicial, o ciclo se encerra e at ´e iniciar outro.
Esse m ´etodo apresenta uma configurac¸ ˜ao simples para o carregador, mas por outro lado, h ´a uma desvantagem desse processo, que ´e a lentid ˜ao de carrega-mento. (OLIVEIRA, 2010).
2.6.2 CARGA POR CORRENTE CONSTANTE
Esse m ´etodo ´e mais complexo que o de tens ˜ao constante. Nele, o que ´e mantido constante ´e a corrente e a tens ˜ao ´e variada gradualmente at ´e alcanc¸ar um valor m ´aximo, assim, o carregador precisa efetuar um controle da corrente aplicada a bateria. ´E necess ´ario atentar para que esse valor m ´aximo n ˜ao ultrapasse os limites e prejudique a vida ´util da bateria.
A desvantagem desse carregamento ´e que o carregador precisa ser desli-gado manualmente ou por circuitos adicionais. (OLIVEIRA, 2010).
2.7 INVERSOR DE TENS ˜AO
´
E um dispositivo eletr ˆonico que converte a corrente cont´ınua em corrente alternada, para que s ´o assim, a energia gerada no gerador CC possa ser utilizada
2.7 Inversor de tens ˜ao 33
quando a fonte ´e CA, assim, pode-se conectar o inversor a equipamentos eletr ˆonicos. Existem algumas especificac¸ ˜oes importantes que precisam ser observadas no ato da escolha do inversor, s ˜ao elas: pot ˆencia de sa´ıda, forma de onda, performance, isolac¸ ˜ao, colocac¸ ˜ao da bateria e o tipo de conex ˜ao entre o inversor e a bateria (LEITE; SILVA, 2014).
34
3 ESPECIFICAC¸ ˜AO DA ´AREA VARRIDA DAS P ´AS, MATERIAL E SISTEMA DE TRANSMISS ˜AO
3.1 ESPECIFICAC¸ ˜AO DA ´AREA VARRIDA 3.1.1 TENS ˜AO DEMANDADA PELO GERADOR
O objetivo principal do prot ´otipo ´e que ele possa carregar uma bateria de chumbo- ´acido. Essa bateria ´e de 12 V e para que ela comece a carregar ´e necess ´ario introduzir no m´ınimo 13,8 V nos seus terminais. Para que o conversor CC-CC buck funcione como o esperado ´e necess ´ario que a tens ˜ao de entrada seja no m´ınimo 2 V maior que a tens ˜ao de sa´ıda. Ent ˜ao para assegurar um ´otimo funcionamento, trabalha-se com a tens ˜ao de entrada de 18 V.
Imaginando uma hip ´otese que iremos carregar lentamente a bateria, com o aux´ılio do conversor CC-CC, estabeleceu-se um carregamento utilizando uma corrente de 1,8 A. Como a tens ˜ao necess ´aria do gerador ´e de 18 V e utilizando essa corrente, pode-se calcular a pot ˆencia demandada pela equac¸ ˜ao (5).
P = V ∗ I (5)
A pot ˆencia necess ´aria no gerador ser ´a de 32,4 W.
As especificac¸ ˜oes do gerador s ˜ao dados fornecidos pela f ´abrica FCM mo-tores. E est ˜ao apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1: Especificac¸ ˜oes Gerador CC ´Im ˜as Permanentes
Pot ˆencia Nominal 1 HP Torque 1.44 Nm Velocidade a vazio 4300 rpm Corrente M ´axima Admiss´ıvel 9 A
Tens ˜ao de alimentac¸ ˜ao 90 VCC
Pelos dados da tabela, pode-se perceber que a pot ˆencia nominal desse gerador ´e de 1 HP, o que equivale a 746 W.
3.1 ESPECIFICAC¸ ˜AO DA ´AREA VARRIDA 35
uma caracter´ıstica linear, ent ˜ao, sua velocidade m ´axima de rotac¸ ˜ao equivale a ele trabalhando em sua tens ˜ao nominal de 90 V.
Para gerar 90 V de tens ˜ao ele gira a 4300 rpm, ent ˜ao fazendo o equivalente para 18 Volts, obtemos que a velocidade de rotac¸ ˜ao demandada no gerador para produzir essa quantia est ´a em torno de 860 rpm.
3.1.2 SISTEMA DE TRANSMISS ˜AO
Quando iniciado a discuss ˜ao do projeto tivemos dispon´ıvel o projeto de um multiplicador de velocidade com a relac¸ ˜ao de 1:27, o qual est ´a discriminado no Anexo A. E essa relac¸ ˜ao de vlocidade foi definida em func¸ ˜ao da velocidade ´otima da turbina e ´olica.
Esse multiplicador aumenta em 27 vezes a velocidade inicial de rotac¸ ˜ao do rotor e tem um rendimento na transmiss ˜ao em torno de 60%. Como temos a veloci-dade necess ´aria no gerador para carregar a bateria e ela ´e de 860 rpm, para descobrir a velocidade necess ´aria para o rotor da turbina e ´olica, ´e necess ´ario considerar as per-das encontraper-das no sistema de multiplicac¸ ˜ao.
Assim, pela equac¸ ˜ao 5 t ˆem-se:
nresultante=
860 × 1, 6
27 (6)
Obt ´em-se assim, a velocidade ce 51 rpm.
Pode-se atrav ´es da convers ˜ao de unidades encontrar a velocidade angular de rotac¸ ˜ao da turbina, utilizando-se da equac¸ ˜ao 6.
w = n ∗ 2π
60 (7)
Como n ´e sua velocidade de rotac¸ ˜ao por minuto, a qual ´e de 51 rpm, a sua velocidade angular ser ´a de 5,4 rad/s.
Como explanado na introduc¸ ˜ao que o projeto a partir da caixa de engrena-gens n ˜ao foi poss´ıvel a execuc¸ ˜ao, projetou-se ent ˜ao nas mesmas caracter´ısticas de multiplicac¸ ˜ao de 1:27, o projeto a partir de correias e polias.
A partir dos c ´alculos iniciais, percebeu-se que utilizando apenas duas po-lias para a convers ˜ao da velocidade poderia acarretar problemas, fazendo com que a correia sa´ısse do seu trilho durante a transmiss ˜ao, assim, como ´e uma relac¸ ˜ao
signifi-3.1 ESPECIFICAC¸ ˜AO DA ´AREA VARRIDA 36
cativamente grande, optou-se em utilizar uma transmiss ˜ao com 3 polias, baseando-se no projeto da caixa de multiplicac¸ ˜ao de engrenagens e nesbaseando-se esquem ´atico de multiplicac¸ ˜ao mostrado na Figura (12).
Figura 12: Esquem ´atico de correia polias Fonte: Autoria pr ´opria
A equac¸ ˜ao para o c ´alculo de relac¸ ˜ao de transmiss ˜ao a partir de correias e polias ou de engrenagens ´e praticamente o mesmo. Mostrado na equac¸ ˜ao (8).
ω1R1 = ω2R2 (8)
Aonde ´e a velocidade angular e R o raio da polia.
Estabeleceu-se condic¸ ˜oes iniciais para o projeto das polias, considerando o projeto da caixa de reduc¸ ˜ao, mostra-se na Tabela 2 os dados do sistema de correias e polias.
Tabela 2: Especificac¸ ˜oes inicias do sistema de transmiss ˜ao
Rotac¸ ˜ao do gerador 860 rpm - 90 rad/s Rotac¸ ˜ao da turbina 51 rpm - 5,3 rad/s Rotac¸ ˜ao das polias intermdi ´arias 23,1 rad/s
Di ˆametro do eixo gerador 2,6 cm Di ˆametro da polia intermedi ´aria maior 13 cm Di ˆametro da polia intermedi ´aria menor 3,6 cm
3.1.3 CARACTER´ISTICAS DA TURBINA
Como mostrado na Sec¸ ˜ao 2.1.1, as caracter´ısticas construtivas da turbina definem o quanto da pot ˆencia dispon´ıvel no vento ´e transformada em energia mec ˆanica.
3.1 ESPECIFICAC¸ ˜AO DA ´AREA VARRIDA 37
a velocidade na ponta da p ´a e a velocidade do vento n ˜ao perturbado incidente nas mesmas, dada pela equac¸ ˜ao 7.
T SR = w ∗ R
v (9)
Onde: w ´e a velocidade angular da turbina que ser ´a de 5,3 rad/s, R ´e o raio da turbina e v a velocidade do vento.
O TSR ´e um fator importante para a determinac¸ ˜ao da velocidade do gera-dor.
Como o TSR influencia o valor de Cp, ele ´e escolhido de forma a maximizar a pot ˆencia absorvida pela turbina. A Figura (13) mostra como o coeficiente de pot ˆencia varia em relac¸ ˜ao a TSR para diferentes tipos de turbina (MARQUES et al., 2004).
Figura 13: TSR x Cp para diferentes tipos de turbina Fonte: adaptado de (HAU; RENOUARD, 2006)
Para um aproveitamento m ´aximo da turbina a equac¸ ˜ao utilizada ´e a (10).
T SRmax = 4π
n (10)
Aonde n ´e equivalente ao n ´umero de p ´as no rotor. Esse valor foi estabele-cido em 8, pois como o prot ´otipo trabalhar ´a com pouca incid ˆencia de vento, ap ´os ele ser tirado da in ´ercia, com uma quantidade maior de p ´as, ser ´a mais dif´ıcil que ele pare por completo. Ele ter ´a uma in ´ercia maior, e tamb ´em, uma maior const ˆancia.
3.2 POT ˆENCIA GERADA 38
Ent ˜ao, utilizando-se da Equac¸ ˜ao (10) e o valor de 8 p ´as, obt ´em-se um TSR m ´aximo de 1,57. O que condiz com a faixa de valores mostrada na Figura (13).
E considerando a Equac¸ ˜ao (9), pode-se obter o raio da turbina.
R = 1, 57 ∗ 3
5, 3 = 0, 88m (11)
Com o raio obtido pela (11), pode-se conseguir a ´area varrida pelas p ´as a partir da equac¸ ˜ao 11.
A = π ∗ r2 = 2, 5m2 (12)
Com o raio necess ´ario de varredura estabelecido em 88 cm, definiu-se o comprimento da p ´a em 80 cm e os 8 cm restantes ´e o raio necess ´ario para o rotor, o qual ser ´a anexada as p ´as.
3.2 POT ˆENCIA GERADA
Com o valor da ´area varrida estabelecido, obt ´em-se a dimens ˜ao de pot ˆencia que o aerogerador ir ´a produzir.
A pot ˆencia produzida pela turbina ser ´a conforme a equac¸ ˜ao 13.
P ot = A ∗ ρ ∗ v 3
2 (13)
Aonde a ´area ´e de 2,5 m2, a densidade do ar ´e de 1,225 kg/m3 e a veloci-dade de 3 m/s. Assim, obt ´em-se uma pot ˆencia de 42 W, sem considerar o coeficiente de pot ˆencia da turbina. Para utilizar o coeficiente de pot ˆencia da turbina nos c ´alculos de especificac¸ ˜ao, seria necess ´ario um estudo detalhado com a turbina em funciona-mento. Por ´em, adotou-se 0,3, o que j ´a ´e um rendimento alto da pot ˆencia da turbina.
Uma comprovac¸ ˜ao do valor ideal do TSR pode ser obtida atrav ´es da comparac¸ ˜ao com o coeficiente de solidez. Esse coeficiente ´e definido como a raz ˜ao entre a ´area somada de todas as p ´as do rotor dividido pela ´area molhada, a qual ´e uma ´area deli-mitada sob o qual um fluxo de ar flui perpendicularmente (GARCIA, 2016). A equac¸ ˜ao 14 define o c ´alculo do Coeficiente de solidez.
CS = n ∗ AP a AV arrida
3.3 MATERIAIS 39
Aonde:
• n ´e o n ´umero de p ´as do rotor = 8 • AP a ´e a ´area da superf´ıcie de cada p ´a • AV arrida ´e a ´area varrida pelo rotor
A Figura (14) relaciona o coeficiente de solidez com o TSR, tamb ´em de-monstrando para diferentes tipos de turbina.
Figura 14: Relac¸ ˜ao entre coeficiente de solidez e TSR
Fonte: SALOM ˜AO, PROT ´OTIPO DE UM AEROGERADOR DE EIXO HORIZONTAL
Como pode-se observar na Figura (14), quando a turbina ´e multip ´as e o TSR ´e 1,6 obt ´em-se um coeficiente de solidez em torno de 0,65. Utilizando-se ent ˜ao da equac¸ ˜ao (14), para um CS de 0,65 a ´area de cada p ´a dever ´a ser de 0,23 m2.
3.3 MATERIAIS
Os materiais mais utilizados para a total construc¸ ˜ao da turbina e ´olica s ˜ao, a madeira, os materiais met ´alicos e os comp ´ositos.
3.3 MATERIAIS 40
3.3.1 MADEIRA
A madeira tem um baixo custo e uma boa resist ˆencia mec ˆanica, o seu uso evoluiu ao longo dos anos conseguindo suportar cargas de fadiga induzidas pelo vento, ela ´e amplamente utilizada para rotores pequenos, at ´e 10 metros de di ˆametro. Ela foi muito utilizada para construc¸ ˜ao das p ´as no s ´eculo 20, por ´em, ela ´e biode-grad ´avel, e isso faz com que o seu uso seja limitado.
Seu baixo peso ´e uma vantagem, assim como sua resist ˆencia, e tamb ´em n ˜ao possui muitas etapas para tornar o material descart ´avel adequado para ser reu-tilizado. Deve-se atentar para variac¸ ˜oes no teor da umidade interna, pois degrada o material fazendo com que perca suas propriedades mec ˆanicas e ocorra variac¸ ˜oes dimensionais (BRETSCHNEIDER, 2016).
Na Figura (15) est ´a mostrado um moinho de vento, o qual tinha suas p ´as de madeira, muito utilizado na Franc¸a no s ´eculo 20.
Figura 15: Moinho de vento na Franc¸a com p ´as feitas de madeira Fonte: Creative Commons CC0
3.3.2 MET ´ALICOS
Os materiais met ´alicos cont ´em excelentes propriedades mec ˆanicas. O ac¸o ´e geralmente utilizado como estrutura de torres e fundac¸ ˜oes, seja de pequeno ou grande porte.
As p ´as produzidas em metal s ˜ao ´otimas alternativas para geradores de pequeno porte. Com o passar do tempo as p ´as formadas de metal ca´ıram em desuso pois surgiram materiais mais leves e de menor custo.
Estudos est ˜ao sendo feitos com folhas de metal conformadas, as quais adquirem o formato aerodin ˆamico mais simples de p ´as, que ´e o processo de dobra
3.3 MATERIAIS 41
e solda. ´E enfatizado a alta reciclabilidade do material, baixo custo dos processos envolvidos e facilidade de reposic¸ ˜ao e manutenc¸ ˜ao. Essa alta reciclabilidade vem incentivando empresas a criarem p ´as para aerogeradores de pequeno porte.
Metais exercem func¸ ˜oes importantes nas estruturas e fixac¸ ˜oes, como rola-mentos, parafusos e rebites, componentes de motores el ´etricos, alternadores, gera-dores e cabos de transmiss ˜ao de energia (BRETSCHNEIDER, 2016).
3.3.3 COMP ´OSITOS
Os materiais comp ´ositos s ˜ao materiais compostos por dois ou mais ele-mentos gerando um material com duas fases, por ´em que se comportam similarmente aos de origem (CAMPOS, 2013).
Como sua resist ˆencia estrutural ´e limitada, materiais comp ´ositos s ˜ao utili-zados na nacele, leme e p ´as dos aerogeradores, mas n ˜ao nas torres e demais compo-nentes estruturais. As fibras de vidro e fibras de carbono s ˜ao as mais utilizadas junto a resina ep ´oxi na formac¸ ˜ao de comp ´ositos com fibras multidirecionais para a construc¸ ˜ao das p ´as de aerogeradores, devido a facilidade de conformac¸ ˜ao, baixo peso e grande resist ˆencia mec ˆanica (ASHWILL, 2009).
Nos geradores de grande porte, as fibras de carbono e aramida, junto de estruturas de metal, madeira ou ambos, s ˜ao componentes indispens ´aveis para a re-sist ˆencia e aumento significativo da vida ´util do gerador (FARIAS et al., 2016) As fibras de vidro apresentam a melhor relac¸ ˜ao custo-benef´ıcio se comparados os custos e sua resist ˆencia mec ˆanica.
Figura 16: Aerof ´olio em vista de corte Fonte: Gurit AG
Na Figura (16) ´e mostrada uma p ´a com material comp ´osito e evidencia as diversas camadas da construc¸ ˜ao a partir desse material.
3.3 MATERIAIS 42
3.3.4 ESCOLHA DO MATERIAL
Para o projeto, um dos objetivos ´e o baixo custo de produc¸ ˜ao do prot ´otipo, pensando nisso, utilizou-se p ´as de metal conformado com um modelo aerodin ˆamico iguais a do aerogerador doado a universidade.
Figura 17: Modelo de p ´a met ´alica Fonte: Autoria Pr ´opria
Como as doadas estavam danificadas, recorreu-se a empresa Bransilos e solicitou a construc¸ ˜ao de novas p ´as, a empresa ent ˜ao as construiu e forneceu gratui-tamente. Na Figura (17) ´e mostrada a p ´a j ´a confeccionada.
E al ´em do baixo custo de constru´ı-la com esse material, sua resist ˆencia ´e capaz de suportar ventos fortes se adicionado o circuito de controle a partir do leme orientador, assim como este projeto prop ˜oe.
Ap ´os a especificac¸ ˜ao da ´area da turbina, e a escolha do material, na Figura (18) est ´a mostrado como ficaria a disposic¸ ˜ao das p ´as na real construc¸ ˜ao do rotor da turbina. A antena parab ´olica seria o suporte de direcionamento para as p ´as.
Figura 18: Prot ´otipo do rotor da turbina e ´olica Fonte: Autoria Pr ´opria
Os materiais utilizados para a construc¸ ˜ao total do sistema est ˜ao discrimina-dos no Cap´ıtulo (4).
43
4 PROJETOS DO SISTEMA DE POT ˆENCIA: CONTROLADOR DE CARGA E CONTROLADOR DE SOBREVELOCIDADE
4.1 CONTROLADOR DE CARGA
Para realizar o controle da carga da bateria gerada pelo aerogerador, foi necess ´ario o projeto de um controlador de carga, o qual tem a func¸ ˜ao de controlar a entrada de tens ˜ao e corrente na bateria, n ˜ao prejudicando sua vida ´util. Quando a bateria tem sua carga completa, o controlador transmite a tens ˜ao recebida para uma carga dump, aonde ser ´a dissipada essa energia gerada. O esquem ´atico de todo o sistema ´e mostrado na Figura (19)
Figura 19: Esquem ´atico do sistema gerac¸ ˜ao e carregamento Fonte: Autoria Pr ´opria
O projeto do controlador de carga engloba o conversor CC-CC buck, o driver de acionamento do MOSFET, a gerac¸ ˜ao PWM e o circuito de controle do carregamento da bateria.
4.1.1 CONVERSOR CC-CC BUCK
Para o projeto do conversor, estabeleceu-se especificac¸ ˜oes iniciais para que o carregamento da bateria seja feito de maneira gradual e sem riscos a integridade da mesma. Esses dados s ˜ao:
4.1 CONTROLADOR DE CARGA 44
Tabela 3: Especificac¸ ˜oes do conversor CC-CC Buck
Tens ˜ao de entrada 18V Tens ˜ao de sa´ıda 14V Corrente de sa´ıda 1,8 A Frequ ˆencia de comutac¸ ˜ao 10 kHz
Tens ˜ao de gerac¸ ˜ao PWM 24 V Pot ˆencia de sa´ıda 25 W
∆VC 1 %
∆IL 15 %
A partir das especificac¸ ˜oes relacionadas acima, do conhecimento adquirido sobre o conversor CC-CC Buck, e as f ´ormulas relacionadas abaixo pode-se projetar os componentes do circuito. A relac¸ ˜ao entre a entrada e a sa´ıda do circuito ´e chamada de ganho est ´atico (D) e dada pela equac¸ ˜ao (15).
D = Vo Vin (15) Po = Vo Io (16) L = Vo(1 − D) f ∆I (17) C = ∆I 2πf ∆VC (18) Com os dados da Tabela 2 e as equac¸ ˜oes (15) (16) (17) (18), obt ´em-se os seguintes valores de medidas e de componentes.
Tabela 4: Componentes do conversor CC-CC Buck
D 0,777
Pot ˆencia de sa´ıda 25 W Indutor 1,15 mH Capacitor 30.7 uF
Assim, como mostrado na Figura (20) pode-se montar o circuito utilizado para a simulac¸ ˜ao do conversor como uma carregador de baterias.
4.1 CONTROLADOR DE CARGA 45
Figura 20: Circuito utilizado para a simulac¸ ˜ao do conversor buck Fonte: Autoria pr ´opria
4.1.1.1 MOSFET IRF640
O MOSFET IRF640 ´e uma chave controlada capaz de interromper, estabe-lecer e conduzir corrente el ´etrica em um circuito de acordo com determinados sinais de controle. Ele foi escolhido para esse projeto devido ao seu baixo custo, facilidade de compra, ele ´e controlado por tens ˜ao, assim simplificando o seu circuito de aciona-mento e atinge elevadas frequ ˆencias de chaveaaciona-mento, podendo chegar a 1MHz. E tem uma protec¸ ˜ao interna pois n ˜ao drena corrente do circuito de acionamento.
Ele ´e de canal N e tem as seguintes especificac¸ ˜oes:
Tabela 5: Especificac¸ ˜oes do IRF640
Pot ˆencia Nominal 500 W Corrente Ids at ´e 18 A
Tens ˜ao Vds at ´e 200 V Resist ˆencia de Conduc¸ ˜ao Rds 0,180 Ω Tens ˜ao m´ınima de acionamento Vgs 2 V
O princ´ıpio de funcionamento do MOSFET ´e simples, ap ´os ser alimentado sempre que uma tens ˜ao entre o gate e o source for aplicada pelo circuito de con-trole, o MOSFET fechar ´a o circuito de pot ˆencia no sentido D-S. Igualando a tens ˜ao entre o gate e o source a zero, outra vez a chave abre-se e o circuito de pot ˆencia ´e interrompido.
4.1 CONTROLADOR DE CARGA 46
4.1.2 GERAC¸ ˜AO PWM - SG3524 4.1.2.1 FUNCIONAMENTO
Para que o Conversor CC-CC funcione ´e necess ´ario que um sinal modulado chaveie o circuito de pot ˆencia. O CI SG3524 pode ser utilizado na implementac¸ ˜ao de fontes de pot ˆencia regulada e inversores reguladores chaveados.
Est ˜ao incorporadas em um ´unico chip muitas func¸ ˜oes. Cada dispositivo in-clui no chip um regulador, um amplificador de erro, um oscilador program ´avel (atrav ´es de RT e CT), um flip -flop (tipo de multivibrador biest ´avel) de direcionamento de pulso, dois transistores de sa´ıda independentes e com coletores e emissores, um compara-dor de alto ganho e circuito de limitac¸ ˜ao de corrente e de interrupc¸ ˜ao de emerg ˆencia (shutdown) (INSTRUMENTS, 2015).
O SG3524 ´e um circuito de controle, o qual regula a tens ˜ao de modulac¸ ˜ao por largura de pulso (PWM) de frequ ˆencia fixa. O regulador opera a uma frequ ˆencia fixa que pode ser programada por um resistor RT e um capacitor CT.
4.1.2.2 APLICAC¸ ˜OES
Pode ser utilizado para controlar reguladores chaveados, transformador de acoplamento, duplicadores de tens ˜ao sem transformador e conversor de polaridade, o qual utiliza frequ ˆencia fixa e a t ´ecnica de PWM. As sa´ıdas complementares permitem a aplicac¸ ˜ao em sa´ıda ´unica e push-pull (INSTRUMENTS, 2015).
4.1.2.3 PINAGEM DE SA´IDA
Na Figura (21), mostra-se a pinagem de sa´ıda do circuito integrado.
Cada pino representa uma entrada, sa´ıda, ambos ou apenas um terminal de conex ˜ao.
O pulso de sa´ıda do oscilador tamb ´em como um pulso de tempo morto que assegura que ambas as sa´ıdas nunca conduzam simultaneamente durante os inter-valos de tempo das transic¸ ˜oes. A durac¸ ˜ao de cada pulso de tempo morto ´e controlada pelo valor de CT.
O ´unico pino que pode ser usado como entrada e sa´ıda ´e o 9. A sa´ıda do amplificador de erro utiliza uma entrada comum com o comparador com os circuitos de limitac¸ ˜ao de corrente e de interrupc¸ ˜ao de emerg ˆencia. Este ponto comum ´e acess´ıvel
4.1 CONTROLADOR DE CARGA 47
Figura 21: Package
Fonte: TEXAS INSTRUMENTS
externamente atrav ´es do pino COMP, que pode ser usado para ou controlar o ganho do amplificador de erro, ou compens ´a-lo (INSTRUMENTS, 2015).
A figura (22) representa o esquem ´atico interno do CI. No projeto os ´unicos pinos que n ˜ao ser ˜ao utilizados s ˜ao o 3 e 10, pois n ˜ao ser ´a necess ´ario compensar o ganho do amplificador de erro e nem enviar um sinal para o desligamento emergencial do circuito.
Figura 22: Diagrama de blocos Fonte: TEXAS
4.1.3 DRIVER
Como escolheu-se o MOSFET de intensificac¸ ˜ao com canal N para chavear o circuito do conversor CC-CC Buck, o funcionamento desse dispositivo faz necess ´ario
4.1 CONTROLADOR DE CARGA 48
um isolamento entre a sua tens ˜ao de refer ˆencia e a tens ˜ao de refer ˆencia do circuito chaveado. H ´a a necessidade de um optoisolador seguido de um circuito driver para acionamento da chave, assim, obt ´em-se uma melhor seguranc¸a do circuito.
O optoisolador ´e um dispositivo que isola duas partes de um circuito, neste caso, isolando o circuito de controle do resto do circuito. O sinal ´e transmitido atrav ´es de um diodo emissor de luz e recebido por um diodo receptor de luz, isolando assim, eletricamente um lado do outro.
O MOSFET precisa de no m´ınimo 10 V para ser acionado, por ´em, o sinal de sa´ıda do PWM, e consequentemente do optoisolador n ˜ao ser ´a suficiente. Com isso, ´e necess ´ario o uso de um circuito driver que precisa ter um aterramento isolado do circuito do conversor Buck, assim, utiliza-se o circuito da Figura (23),
Figura 23: Circuito driver de acionamento Fonte: Autoria pr ´opria
4.1.4 CIRCUITO DE CONTROLE DA CARGA DA BATERIA
Para efetuar o controle do carregamento da bateria, optou-se em utilizar uma malha de tens ˜ao para esse fim. Os terminais da bateria est ˜ao representados pela tens ˜ao de sa´ıda (Vo).
Para o controle precisa-se de um comparador e um compensador, assim como o circuito est ´a mostrado na Figura (24)
4.2 Controlador do leme 49
Figura 24: Controlador de carga da bateria Fonte: Autoria pr ´opria
4.2 CONTROLADOR DO LEME
Como a proposta ´e projetar um turbina e ´olica de pequeno porte que no gerador tenha capacidade de gerar no m ´aximo 900W de pot ˆencia, o aproveitamento do vento ser ´a direcionado pelo leme, possibilitando que as p ´as se direcionem por mais tempo na perpendicular do fluxo de vento.
Por ´em, como a turbina ser ´a direcionada a maior quantidade de vento, ´e necess ´ario um controle para que ela n ˜ao seja prejudicada com rajadas de vento acima do que foi projetada.
Pensando nisso, foi criado um controle de sobretens ˜ao pelo leme, a partir da tens ˜ao fornecida pelo gerador comparada com uma tens ˜ao de refer ˆencia. Abaixo dessa tens ˜ao, a turbina est ´a operando normalmente, acima dela ´e considerado sobre-tens ˜ao ativando o circuito de controle.
O circuito completo do sistema de carregamento de baterias a partir da turbina e ´olica, com o circuito de controle de sobretens ˜ao est ´a demonstrado na Figura (25). Pode-se observar neste esquem ´atico o local exato aonde o circuito controlador do leme est ´a posicionado.
4.2 Controlador do leme 50
Figura 25: Esquem ´atico completo do sistema Fonte: Autoria pr ´opria
Observando o controle do motor CC de 12 V, percebeu-se a necessidade de um fluxograma mostrando as etapas de operac¸ ˜ao do circuito a partir das vari ´aveis de processo do aerogerador, este que est ´a mostrado na figura (26).
Comparador de tensão Desliga motor Vg>Vref? Não Sim Liga motor sentido anti-horário Fim de Curso Alimenta circuito temporizador Liga motor sentido horário Ativa Rele 1 Vg<Vref? Desativa Rele 1 Ativa Rele 2 Sim Não Fim de Curso 2 Desativa Rele 2 V_referência Desliga motor V_gerador
Figura 26: Fluxograma do controle de sobretens ˜ao Fonte: Autoria pr ´opria
O leme influenciar ´a a reduc¸ ˜ao da procura pelo vento, e ele se dobrando quando houver rajadas de vento, diminui a velocidade perpendicular no rotor da tur-bina.
4.2.1 RELES
Os reles devido `a evoluc¸ ˜ao tecnol ´ogica que a isso obrigou, s ˜ao muito pe-quenos e podem ser vistos em praticamente todos os aparelhos eletr ˆonicos.
Um rele funciona como um interruptor mec ˆanico. Abre e fecha circuito de cargas elevadas sem a necessidade de aplicac¸ ˜ao de altas tens ˜oes em sua bobina.
