Inversor monofásico sincronizado para a conexão de um gerador eólico à rede elétrica: estudo, projeto e implementação

Texto

(1)MATEUS COSTA MACCARINI. ´ INVERSOR MONOFASICO SINCRONIZADO ˜ DE UM GERADOR PARA A CONEXAO ´ ` REDE ELETRICA: ´ EOLICO A ESTUDO, ˜ PROJETO E IMPLEMENTAC ¸ AO. ´ FLORIANOPOLIS 2009.

(2) UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA. ´ ˜ EM ENGENHARIA CURSO DE POS-GRADUAC ¸ AO ´ ELETRICA. ´ INVERSOR MONOFASICO SINCRONIZADO ˜ DE UM GERADOR PARA A CONEXAO ´ ` REDE ELETRICA: ´ EOLICO A ESTUDO, ˜ PROJETO E IMPLEMENTAC ¸ AO. Disserta¸cão submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obten¸c˜ ao do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.. MATEUS COSTA MACCARINI. Florianópolis, Mar¸co de 2009..

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(4) Dedico este trabalho aos meus pais Dilson e Cleonice pelo afeto e incentivo sempre incondicional. Aos meus irm˜ aos M´ arcio e Marcello pela amizade e apoio. iii.

(5) AGRADECIMENTOS Agrade¸co ao Professor Ivo Barbi pela orienta¸cão e admirável sabedoria, pela ajuda incomparável, pela amizade e por compartilhar uma pequena parte de seus conhecimentos. Com certeza uma das mentes mais brilhantes da Eletrônica de Potência. Aos membros da banca examinadora Professores Kefas Damazio Coelho, Denizar Cruz Martins e Marcelo Lobo Hedwein pelas sugestões e corre¸cões, que com certeza ajudaram a engrandecer este trabalho. A todos os professores do INEP, Ivo Barbi, Arnaldo J. Perin, Denizar C. Martins, Enio V. Kassick, Jo˜ ao C. Fagundes, Hari B. Mohr e Samir A. Mussa, pelos ensinamentos durante a fase de créditos do mestrado. Aos grandes amigos de turma, Bruno S. Dupczak, Gabriel Tibola, Gierri Waltrich, Gláucio R. T. Hax, Gustavo C. Flores, Roberto F. Coelho, Rodrigo da Silva, Roniere H. Oliveira e Tiago K. Jappe, pela amizade e momentos de descontra¸cão. São com certeza jovens brilhantes que tem um futuro promissor. Aos amigos Doutorandos Telles B. Lazzarin e Márcio S. Ortmann pelas discussões e d´ uvidas sanadas. Não poderia deixar de agradecer a meus primos Leandro e Daniel, meu tio Luiz e minha tia Dulce pela amizade e ajuda durante o mestrado. Sem o apoio de vocês com certeza esse trabalho n˜ ao seria poss´ıvel. Agrade¸co também a minha tia Izabel (tia “Nêga”) pela paciência e dedica¸cão para revisar a ortografia da primeira vers˜ ao deste documento. Aos funcion´ arios do INEP, Regina, Pacheco, Fernando, Coelho e Filipe, pela disponibilidade e pela ajuda no decorrer desta pesquisa. Ao CNPq e ` a Universidade Federal de Santa Catarina, pelo apoio financeiro e pela estrutura oferecida para a realiza¸c˜ ao do curso. Ao povo brasileiro por financiar meus estudos por meio do CNPq. iv.

(6) “Toda a nossa ciência, comparada com a realidade, é primitiva e infantil - e, no entanto, é a coisa mais preciosa que temos.” Albert Einstein (1879 - 1955) v.

(7) Resumo da Disserta¸c˜ ao apresentada à UFSC como parte dos requisitos necessários para obten¸c˜ ao do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.. ´ INVERSOR MONOFASICO SINCRONIZADO ˜ DE UM GERADOR EOLICO ´ PARA CONEXAO ` REDE ELETRICA: ´ COM A ESTUDO, PROJETO ˜ E IMPLEMENTAC ¸ AO Mateus Costa Maccarini Mar¸co/2009. Orientador: Ivo Barbi, Dr. Ing. ´ Area de Concentra¸c˜ ao: Eletrˆ onica de Potência e Acionamento Elétrico Palavras-chave: Energia E´ olica, Inversor Monofásico, Três N´ıveis. N´ umero de P´ aginas: xxv + 153. O objetivo principal deste trabalho é o estudo, projeto e implementa¸caõ de um conversor CC/CA para a conexão de um gerador eólico à rede elétrica. Faz-se isso utilizando-se um inversor monofásico, com modula¸cão PWM a três n´ıveis, ligado à rede através de um transformador de baixa freq¨ uência. São controladas três variáveis distintas no conversor: a corrente de sa´ıda, que deve ser senoidal e com baixa distor¸caõ harmônica, a tensão do barramento CC de entrada, que se deve manter regulada e com a ondula¸caõ projetada, e a componente média de corrente no primário do transformador, para se evitar que esse u ´ltimo sature. Inicialmente faz-se uma breve introdu¸cão sobre o uso da energia eólica, logo em seguida, estuda-se o estágio de potência, malhas de controle e compensadores utilizados e, por fim, implementa-se um protótipo para que seja feita a comprova¸caõ experimental de toda a teoria desenvolvida.. vi.

(8) Abstract of Dissertation presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Electrical Engineering.. SINGLE-PHASE INVERTER APPLIED AT CONNECTION OF A WIND POWER GENERATOR TO THE ELECTRIC GRID: STUDY, PROJECT AND IMPLEMENTATION Mateus Costa Maccarini March/2009. Advisor: Ivo Barbi, Dr. Ing. Area of Concentration: Power Electronics Key words: Wind Power, Single-Phase Inverter, Three-Level. Number of Pages: xxv + 153. The aims of this work are the study, design and implementation of a dc/ac converter for the connection of a wind power generator to the electric grid. It makes use of a single-phase inverter, with three-level PWM modulation, connected to the grid through a low frequency transformer. Three distinct variables are controlled in the converter: the output current, that must be sinusoidal and present low harmonic distortion, the DC link voltage, that must be regulated and within the designed ripple, and the average current component in the primary winding of the transformer, what prevents it from saturating. Initially, a brief introduction on the use of the wind power is performed. Afterwards, studies of the power structure, control models and employed compensators. Finally, a prototype is assembled and tested to validate through experimental results all developed theoretical analysis and design.. vii.

(9) Sum´ ario. 1 Introdu¸ c˜ ao Geral. 1. 1.1. Introdu¸c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1. 1.2. Aerodinˆ amica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 1.3. Tipos de Aerogeradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 1.4. A Potência do Vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 1.5. Potência de Sa´ıda de uma Turbina Eólica Ideal . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 1.5.1. C´ alculo do Coeficiente de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 1.6. Sistema de Gera¸c˜ ao de Energia Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16. 1.7. Considera¸c˜ oes Sobre Conexão com a Rede Elétrica . . . . . . . . . . . . . . .. 18. 1.7.1. Regula¸c˜ ao da Tens˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. 1.7.2. Resposta a Perturba¸cões de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 1.7.3. Resposta a Perturba¸cões de Freq¨ uência . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 1.7.4. Harmˆ onicas de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20. 1.7.5. Islanding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. Conclus˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. 1.8. 2 Inversor Ponte Completa Monof´ asico Conectado ` a Rede 2.1. Introdu¸c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii. 23 23.

(10) 2.2. Modula¸c˜ ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. 2.3. Modula¸c˜ ao a Dois N´ıveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 2.3.1. Etapas de Opera¸c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26. 2.3.2. Caracter´ıstica Est´ atica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. 2.3.3. Indutor de Sa´ıda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. Modula¸c˜ ao a Três N´ıveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. 2.4.1. Etapas de Opera¸c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. 2.4.2. Caracter´ıstica Est´ atica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 2.4.3. Indutor de Sa´ıda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 2.5. Capacitˆ ancia de Entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 2.6. Conclus˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40. 2.4. 3 Controle do Inversor Conectado ` a Rede. 41. 3.1. Introdu¸c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 3.2. Fun¸c˜ oes de Transferência do Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42. 3.3. 3.4. 3.2.1. Fun¸c˜ ao de Transferência do Inversor para a Malha da Corrente de Sa´ıda 43. 3.2.2. Fun¸c˜ ao de Transferência do Inversor para a Malha de Tensão CC de Entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. Controle da Corrente de Sa´ıda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. 3.3.1. Compensador da Corrente de Sa´ıda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 3.3.2. Ganho do Sensor de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. 3.3.3. Ganho do Modulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. Controle da Tens˜ ao CC de Entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 3.4.1. Compensador de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 3.4.2. Ganho do Sensor de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. ix.

(11) 3.4.3. Ganho da F T M FI (s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53. Conclus˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53. 4 Projeto dos Compensadores, Est´ agio de Potˆ encia e Circuitos Auxiliares. 55. 3.5. 4.1. Introdu¸c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55. 4.2. Dimensionamento do Est´ agio de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56. 4.2.1. Transformador Principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56. 4.2.2. Indutor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57. 4.2.3. Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58. 4.2.4. Semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59. Projeto dos Compensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61. 4.3.1. Compensador da Corrente de Sa´ıda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62. 4.3.2. Compensador de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66. 4.3.3. Compensador de Corrente Média no Primário . . . . . . . . . . . . . .. 68. 4.4. Transformador Auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69. 4.5. Circuito de Limita¸c˜ ao da Corrente de Pré-carga . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70. 4.6. Referência de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 4.7. Sensores de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 4.8. Sensor de Tens˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. 4.9. Multiplicador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78. 4.10 Circuito Somador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79. 4.11 Condicionador de Sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80. 4.12 Circuito de Prote¸c˜ ao Contra Sobretensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. 4.13 Fontes de Alimenta¸c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82. 4.14 Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83. 4.15 Conclus˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88. 4.3. x.

(12) 5 Simula¸ c˜ oes e Resultados Experimentais. 89. 5.1. Introdu¸c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89. 5.2. Opera¸c˜ ao Como Retificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90. 5.3. Opera¸c˜ ao Como Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93. 5.3.1. Com uma Fonte de Tensão Cont´ınua na Entrada . . . . . . . . . . . .. 93. 5.3.2. Com o Gerador na Entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97. 5.4. Conclus˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100. 6 Conclus˜ ao Geral. 101. Apˆ endices. 104. A Planilha MathCAD Trˆ es N´ıveis. 105. B Ensaios Realizados no Transformador. 120. C Projeto F´ısico do Indutor. 126. D C´ odigo Fonte. 130. E Diagrama Esquem´ atico Completo. 142. Referˆ encias Bibliogr´ aficas. 153. xi.

(13) Lista de Figuras 1.1. T´ıpico moinho de vento europeu. (Fonte: World Wind Energy Association WWEA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.2. Capacidade global instalada por ano. (Fonte: Global Wind Energy Council GWEC ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.3. 2. Capacidade global acumulada por ano. (Fonte: Global Wind Energy Council - GWEC ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.4. 1. 2. (a) Dez maiores produtores de energia eólica do mundo, (b) Dez pa´ıses que mais instalaram usinas e´ olicas em 2007. (Fonte: Global Wind Energy Council - GWEC ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.5. Capacidade global instalada - distribui¸cão regional.. 3. (Fonte: Global Wind. Energy Council - GWEC ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 1.6. For¸cas de sustenta¸c˜ ao e arrasto num aerofólio estacionário. . . . . . . . . . . .. 5. 1.7. Sustenta¸c˜ ao e arrasto em um aerofólio em transla¸cão. . . . . . . . . . . . . . .. 6. 1.8. Defini¸c˜ ao de ˆ angulo de passo θP e de ataque γ. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6. 1.9. Exemplos de turbinas: (a) Darrieus (vista frontal), (b) Eixo horizontal (vista frontal) e (c) Savonius (vista superior). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 1.10 Composi¸c˜ ao de um aerogerador de grande porte. (Fonte: World Wind Energy Association - WWEA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8. 1.11 Fluxo de ar atravessando o disco atuador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10. 1.12 Velocidade e press˜ ao do vento no volume de controle. . . . . . . . . . . . . . .. 11. xii.

(14) 1.13 Gr´ afico que representa o comportamento do coeficiente de potência quando varia-se o fator a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 1.14 Eficiência da turbina em fun¸cão da razão de velocidades na ponta das pás. . .. 15. 1.15 Potência extra´ıda da turbina ENERSUD GERAR246 em fun¸cão da rota¸cão da hélice para algumas velocidades do vento. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 1.16 Diagrama de blocos do sistema eólico de pequeno porte. . . . . . . . . . . . .. 16. 1.17 Destaque para o objetivo do trabalho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 1.18 Inversor monof´ asico ponte completa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 1.19 Limites estabelecidos pela norma ANSI C84.1, Range A[1]. . . . . . . . . . .. 19. 2.1. Esquema do inversor ponte completa monofásico. . . . . . . . . . . . . . . . .. 23. 2.2. Modula¸c˜ ao a dois n´ıveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. 2.3. Modula¸c˜ ao a três n´ıveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 2.4. Modulador a dois n´ıveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 2.5. Primeira etapa de opera¸c˜ ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26. 2.6. Segunda etapa de opera¸c˜ ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 2.7. Principais formas de onda para a modula¸cão PWM a dois n´ıveis. . . . . . . .. 27. 2.8. Varia¸c˜ ao da raz˜ ao c´ıclica em fun¸cão de meio per´ıodo da rede para alguns valores de “M ”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.9. 29. Varia¸c˜ ao da ondula¸c˜ ao de corrente normalizada em fun¸cão de meio per´ıodo da rede para alguns valores de “M ”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30. 2.10 Modulador a três n´ıveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. 2.11 Primeira e terceira etapa de opera¸cão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32. 2.12 Segunda etapa de opera¸c˜ ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. 2.13 Quarta etapa de opera¸c˜ ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. 2.14 Principais formas de onda para a modula¸cão PWM a três n´ıveis. . . . . . . .. 34. xiii.

(15) 2.15 Varia¸c˜ ao da raz˜ ao c´ıclica em fun¸cão de meio per´ıodo da rede, para alguns valores de “M ”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 2.16 Varia¸c˜ ao da ondula¸c˜ ao de corrente normalizada em fun¸cão de meio per´ıodo da rede para alguns valores de M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 2.17 Comportamento da corrente no capacitor durante as etapas de opera¸cão do inversor para modula¸c˜ ao PWM a três n´ıveis. (a) Primeira e terceira etapas; (b) Segunda etapa; (c) Quarta etapa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 2.18 Forma de onda da corrente no capacitor para a modula¸cão PWM a três n´ıveis. 38 2.19 Formas de onda de tens˜ ao e corrente no capacitor. . . . . . . . . . . . . . . .. 39. 3.1. Diagrama de blocos de controle do inversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42. 3.2. Tens˜ ao vab (t) para a opera¸cão a três n´ıveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.3. Modelo elétrico equivalente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.4. Modelo elétrico equivalente referenciado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44. 3.5. Circuito equivalente do inversor operando sem corrente na entrada. . . . . . .. 45. 3.6. Diagrama de blocos do controle da corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. 3.7. (a) estrutura do controlador de corrente. (b) diagrama de Bode assintótico da fun¸c˜ ao de transferência do compensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 3.8. Diagrama de Bode do compensador utilizado e do que seria desejado. . . . . .. 48. 3.9. Pulsos gerados pelo modulador de três n´ıveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50. 3.10 Diagrama de blocos do controle da tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 3.11 Estrutura do controlador de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. 3.12 Sensor de tens˜ ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. 4.1. Transformador principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56. 4.2. Circuito equivalente do transformador principal. . . . . . . . . . . . . . . . .. 56. 4.3. Esquema do inversor Semikron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60. xiv.

(16) 4.4. FTMA da corrente de sa´ıda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.5. (a) estrutura do controlador de corrente. (b) diagrama de Bode assintótico da. 62. fun¸c˜ ao de transferência do compensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63. 4.6. Diagrama de Bode da F T M AI (s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64. 4.7. (a) estrutura do controlador de corrente modificado. (b) diagrama de Bode assint´ otico da fun¸c˜ ao de transferência do compensador modificado. . . . . . .. 65. 4.8. Diagrama de Bode da F T M AI (s) utilizando o controlador modificado. . . . .. 65. 4.9. FTMA da tens˜ ao de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66. 4.10 (a) estrutura do controlador de tensão. (b) diagrama de Bode assintótico da fun¸c˜ ao de transferência do compensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66. 4.11 Resposta em freq¨ uência da F T M AV (s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68. 4.12 Implementa¸c˜ ao do compensador de corrente média do primário do transformador. 69 4.13 Esquema do transformador auxiliar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70. 4.14 Est´ agios da partida do inversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70. 4.15 Circuito de pré-carga do capacitor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71. 4.16 Circuito de partida suave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72. 4.17 (a) Sa´ıda do compensador de tensão (VV cont ). (b) Referência de corrente. (c) Sa´ıda do compensador de corrente (VIcont ). (d) Sa´ıda do circuito de aux´ılio à partida suave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. 4.18 Circuito comparador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. 4.19 Circuito de aux´ılio a partida suave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 74. 4.20 Circuito de gera¸c˜ ao da referência de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 4.21 Medidor de corrente do secundário do transformador. . . . . . . . . . . . . . .. 75. 4.22 Medidor de corrente do primário do transformador. . . . . . . . . . . . . . . .. 76. 4.23 Medidor da tens˜ ao do barramento CC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. xv.

(17) 4.24 Circuito multiplicador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78. 4.25 Circuito para a compensa¸c˜ ao do ganho do multiplicador. . . . . . . . . . . . .. 79. 4.26 Circuito somador n˜ ao inversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79. 4.27 Circuito amplificador inversor.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80. 4.28 Circuito subtrator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. 4.29 Circuito de prote¸c˜ ao contra sobretensões. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. 4.30 Circuito das fontes auxiliares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83. 4.31 Diagrama de blocos do inversor juntamente com o microcontrolador. . . . . .. 84. 4.32 Fluxograma da rotina principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85. 4.33 Fluxograma da interrup¸c˜ ao do PWM e da rotina do barramento CC carregado. 86 4.34 Fluxograma das interrup¸c˜ oes de alta prioridade. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87. 5.1. Circuito de potência simulado para a opera¸cão como retificador.. . . . . . . .. 90. 5.2. Circuito de controle simulado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90. 5.3. Processo de inicializa¸c˜ ao. (a) Simula¸cão. (b)Resultado experimental. . . . . .. 91. 5.4. Corrente e tens˜ ao de sa´ıda: (a) simula¸cão; (b)resultado experimental. . . . . .. 92. 5.5. Tens˜ ao entre os pontos “a” e “b” e de entrada: (a) simula¸cão; (b) resultado experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93. 5.6. Circuito de potência simulado para a opera¸cão como inversor. . . . . . . . . .. 94. 5.7. Circuito de teste para a opera¸cão como inversor. . . . . . . . . . . . . . . . .. 94. 5.8. Corrente e tens˜ ao de sa´ıda: (a) simula¸cão; (b) resultado experimental. . . . .. 94. 5.9. Compara¸c˜ ao das harmˆ onicas de corrente com a norma IEEE 1547. . . . . . .. 95. 5.10 Corrente e tens˜ ao no prim´ ario do transformador: (a) simula¸cão; (b) resultado experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96. 5.11 Tens˜ ao entre os pontos “a” e “b” e de entrada: (a) simula¸cão; (b) resultado experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi. 96.

(18) 5.12 Curva de rendimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97. 5.13 Comportamento da THD da corrente de sa´ıda em fun¸cão da potência de sa´ıda. 97 5.14 Esquema de liga¸c˜ ao do gerador com o inversor. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98. 5.15 Gerador simulado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98. 5.16 Corrente e tens˜ ao de sa´ıda. (a) Simula¸cão. (b)Resultado experimental. . . . .. 99. 5.17 Corrente e tens˜ ao de linha no gerador. (a) Simula¸cão. (b)Resultado experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100. E.1 Foto do Prot´ otipo: 1) Inversor Semikron SKS 50 B6U+B2CI 10 V6 ; 2) Placa de controle; 3) Fontes auxiliares; 4) Transformador auxiliar; 5) Transformador principal; 6) Sensor Hall1 e Relé de pré-carga; 7) Chave seccionadora; 8)Indutor; 9) Sensor de tensão e sensor Hall2 ; 10) Resistor de pré-carga. . . . 142. xvii.

(19) Lista de Tabelas 1.1. Especifica¸c˜ oes da turbina ENERSUD GERAR246. . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 1.2. Constantes emp´ıricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14. 1.3. Especifica¸c˜ oes do inversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 1.4. Resposta a anormalidades da tensão (IEEE 1547). . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 1.5. Resposta do sistema para perturba¸cões de freq¨ uência (base 60 Hz) para IEEE 1547. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.6. 20. M´ axima distor¸c˜ ao harmˆ onica de corrente em porcentagem da fundamental (IEEE 1547). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20. 4.1. Parˆ ametros do transformador principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57. 4.2. Requisitos para o capacitor de entrada.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58. 4.3. Capacitores utilizados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59. 4.4. Esfor¸cos nos semicondutores medidos via simula¸cão numérica. . . . . . . . . .. 59. 4.5. Especifica¸c˜ oes dos semicondutores utilizados. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60. 4.6. Especifica¸c˜ oes do inversor utilizado.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61. 4.7. Componentes utilizados no compensador de corrente. . . . . . . . . . . . . . .. 64. 4.8. Componentes utilizados no compensador de tensão. . . . . . . . . . . . . . . .. 67. 4.9. Especifica¸c˜ oes do sensor de corrente do secundário do transformador. . . . . .. 76. 4.10 Especifica¸c˜ oes do sensor de corrente do primário do transformador. . . . . . .. 77. xviii.

(20) 4.11 Principais caracter´ısticas do PIC18F4431. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84. 4.12 Indica¸c˜ oes dos LEDs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87. 5.1. An´ alise dos resultados experimentais para a opera¸cão como retificador. . . . .. 92. 5.2. An´ alise dos resultados experimentais para a opera¸cão como inversor. . . . . .. 95. 5.3. Parˆ ametros simulados do gerador de fluxo axial a imã permanente. . . . . . .. 98. 5.4. Resultados experimentais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99. 5.5. Resultados experimentais e simulados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100. xix.

(21) Nomenclatura Abreviaturas. a.C.. Antes de Cristo. A/D. Analog to Digital. BNDES Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social CA. Corrente Alternada. CC. Corrente Cont´ınua. EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory FAE. Fonte Alternativa de Energia. FAIP Fluxo Axial ` a Ím˜ a Permanente FRIP Fluxo Radial a ` Ím˜ a Permanente FTMA Fun¸c˜ ao de Transferência de Malha Aberta IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor INEP Instituto de Eletrˆ onica de Potência LED. Light Emitting Diode. MME Ministério das Minas e Energia PCC Ponto de Conex˜ ao Comum. xx.

(22) PFC. Power Factor Correction (Corre¸cão do Fator de Potência). PI. Proporcional Integral. PIC. Peripheral Interface Controller. PROINFA Programa de Incentivo a`s Fontes Alternativas de Energia Elétrica PWM Pulse Width Modulation (Modula¸cão por Largura de Pulsos) UFSC Universidade Federal de Santa Catarina WWEA World Wind Energy Association. S´ımbolos. ∆ILb Ondula¸c˜ ao de corrente na indutância de sa´ıda do inversor. A. ∆VCp Ondula¸c˜ ao de tens˜ ao no barramento CC do inversor. V. I. Sinal de erro da malha de controle da corrente de sa´ıda. V. V. Sinal de erro da malha de controle da tensão de entrada. V. η. Rendimento. γ. ˆ Angulo de ataque da hélice. rad. λ. Raz˜ ao de velocidades na ponta das pás. rad. ωR. Velocidade angular da turbina. rad/s. ∆ILb Ondula¸c˜ ao parametrizada de corrente na indutância de sa´ıda do inversor kg/m3. ρ. Densidade do ar. θP. ˆ Angulo de passo da hélice. ϕm. Margem de fase. a. Fator de interferência do fluxo axial. AD. ´ Area do disco atuador. m2. AR. ´ Area do rotor. m2. rad o. xxi.

(23) ´ A+∞ Area antes do disco atuador. m2. ´ A−∞ Area depois do disco atuador. m2. CI (s) Compensador da corrente de sa´ıda CP. Coeficiente de potência. CV (s) Compensador de tens˜ ao Cin. Capacitˆ ancia de entrada do inversor. D. Raz˜ ao c´ıclica. F. D1,2,3,4 Diodos do inversor Ec. Energia cinética. J. fc. Freq¨ uência de cruzamento. Hz. FD. Empuxo axial na turbina. N. fR. Freq¨ uência da rede elétrica. Hz. fS. Freq¨ uência de comuta¸c˜ ao. Hz. fIp1. Freq¨ uência do p´ olo 1 do compensador de corrente da sa´ıda. Hz. fIp2. Freq¨ uência do p´ olo 2 do compensador de corrente da sa´ıda. Hz. fIz. Freq¨ uência do zero do compensador de corrente da sa´ıda. Hz. F T M AI (s) Fun¸c˜ ao de Transferência de Malha Aberta da corrente de sa´ıda F T M AV (s) Fun¸c˜ ao de Transferência de Malha Aberta da tensão de entrada F T M FI (s) Fun¸c˜ ao de Transferência de Malha Fechada para o controle da corrente de sa´ıda g. m/s2. Acelera¸c˜ ao da gravidade. HI (s) Fun¸c˜ ao de transferência do inversor para a malha de controle da corrente de sa´ıda HV (s) Fun¸c˜ ao de transferência do inversor para a malha de controle de tensão Hall1 Sensor de corrente do secundário do transformador Hall2 Sensor de corrente do prim´ ario do transformador xxii.

(24) IBcc. Corrente no barramento CC. A. ICmpc Corrente média no capacitor de entrada para um per´ıodo de comuta¸cão. A. ICp. Corrente de pico no capacitor de entrada. A. Iin. Corrente de entrada do inversor. A. ILb. Corrente na indutˆ ancia de sa´ıda. A. Ilinha Corrente de no gerador. A. Iop. Corrente de pico na sa´ıda. A. IP pc. Corrente no prim´ ario do transformador durante a pré-carga. A. KHall1 Ganho do sensor Hall1 KM v. Ganho do sensor de tens˜ ao. KP W M Ganho do modulador PWM Lb. Indutˆ ancia de sa´ıda do inversor. H. M. Índice de modula¸c˜ ao. m. Massa. NP. N´ umero de espiras do prim´ ario do transformador. NS. N´ umero de espiras do secundário do transformador. P. Potência. W. PD. Potência extra´ıda do vento pelo disco atuador. W. PV. Potência do vento. W. p∞. Press˜ ao atmosférica. Pa. pDj. Press˜ ao ` a jusante do disco atuador. Pa. pDm. Press˜ ao ` a montante do disco atuador. Pa. Po. Potência de sa´ıda do inversor. W. kg. Q1,2,3,4 Interruptores do inversor xxiii.

(25) RR. Raio do rotor. m. RP C. Resistor de pré-carga. Ω. t. Tempo. s. TS. Per´ıodo de comuta¸c˜ ao. s. V. Velocidade. ∗ Vin. Tens˜ ao de sa´ıda do sensor de tensão. VD. Velocidade do vento no disco atuador. vo (t). Tens˜ ao da rede elétrica. VV. Velocidade do vento. Vab. Tens˜ ao entre os pontos “a” e “b” do inversor. V. Vce. Tens˜ ao coletor emissor do IGBT. V. VHall1 Tens˜ ao de sa´ıda do sensor Hall1. V. VHall2 Tens˜ ao de sa´ıda do sensor Hall2. V. VICCcont Tens˜ ao de sa´ıda do compensador de corrente média. V. VIcont Tens˜ ao de sa´ıda do compensador de corrente de sa´ıda. V. Vin. V. m/s V m/s V m/s. Tens˜ ao de entrada do inversor. VIRefp Valor de pico da referência da corrente de sa´ıda. V. VIref. V. Referência da corrente de sa´ıda. Vlinha Tens˜ ao de linha no gerador. V. Vop. Tens˜ ao de pico da rede elétrica. V. Vo. Tens˜ ao eficaz da rede elétrica. V. VP prim Tens˜ ao de pico no prim´ ario do transformador. V. Vtri. Tens˜ ao de pico do sinal da triangular. V. VV cont Tens˜ ao de sa´ıda do compensador de tensão. V. xxiv.

(26) VV j. Velocidade do vento depois da turbina. m/s. VV ref Referência da tens˜ ao de entrada. V. XC. Ω. Impedˆ ancia capacitiva. xxv.

(27) Cap´ıtulo 1. Introdu¸ c˜ ao Geral O vento e as ondas est˜ ao sempre a favor do navegador habilidoso. Edward Gibbon. 1.1. Introdu¸ c˜ ao. O uso da energia contida nos ventos não é recente, pois os europeus chegaram às Américas utilizando caravelas que eram movidas pelo vento. Muitos pa´ıses prosperaram no per´ıodo das grandes navega¸c˜ oes utilizando a energia eólica. Em terra, tem-se not´ıcias que o imperador da Babilônia Hammurabi planejou o uso de turbinas e´ olicas para irriga¸c˜ ao em 1700 a.C.[2]. Na Europa, os moinhos de vento surgiram na idade média. Eles eram usados para moer grãos, serrar madeira e mover ferramentas em geral[3]. Um t´ıpico moinho de vento europeu está ilustrado na figura 1.1.. Figura 1.1: T´ıpico moinho de vento europeu. (Fonte: World Wind Energy Association WWEA).

(28) 1. Introdu¸cão Geral. 2. A Dinamarca foi o primeiro pa´ıs a utilizar o vento para gera¸cão de eletricidade. Em 1890 os dinamarqueses j´ a utilizavam turbinas eólicas de 23 m de diâmetro para gerar eletricidade. Em 1910 in´ umeras unidades com capacidade de 5 a 25 kW estavam em opera¸cão na Dinamarca[2]. Atualmente o uso da energia e´ olica vem crescendo cada vez mais ano após ano. Em 2007 foram instalados mais de 20 GW em energia eólica, liderados pelos Estados Unidos, China e Espanha, aumentando a capacidade global instalada para mais de 94 GW, como pode ser visto nos gr´ aficos das figuras 1.2, 1.3 e 1.4b. CAPACIDADE GLOBAL INSTALADA POR ANO 1996 - 2007 MW. 20.000 18.000 16.000 14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 0. 1996. 1997. 1998. 1999. 2000. 2001. 2002. 2003. 2004. 1.280. 1.530. 2.520. 3.440. 3.760. 6.500. 7.270. 8.133. 8.207. 2005. 2006. 2007. 11.531 15.318 20.076. Figura 1.2: Capacidade global instalada por ano. (Fonte: Global Wind Energy Council GWEC ). CAPACIDADE GLOBAL ACUMULADA POR ANO 1996 - 2007 MW. 90.000 80.000 70.000 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0. 1996. 1997. 6.100. 7.600. 1998. 1999. 2000. 2001. 2002. 2003. 2004. 2005. 2006. 2007. 10.200 13.600 17.400 23.900 31.100 39.431 47.620 59.091 74.141 94.123. Figura 1.3: Capacidade global acumulada por ano. (Fonte: Global Wind Energy Council GWEC ). Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(29) 1. Introdu¸cão Geral. 3 Resto do Mundo. Resto do Mundo. Canadá Reino Unido Portugal. Alemanha Portugal. EUA. Itália. Reino Unido França. França. Itália Dinamarca. Alemanha. China. EUA Índia. Espanha. Índia China. Espanha. MW. %. Alemanha EUA. 22.247 16.818. 23,6 17,9. Espanha Índia. 15.145 8.000. China Dinamarca Itália França Reino Unido Portugal Resto do Mundo Total Dez Maiores Total. MW. %. EUA. 5.244. 26,1. Espanha. 3.522. 17,5. 16,1 8,5. China. 3.449. 17,2. Índia. 1.730. 8,6. 6.050 3.125 2.726 2.454 2.389 2.150 13.019. 6,4 3,3 2,9 2,6 2,5 2,3 13,8. Alemanha. 1.667. 8,3. França. 888. 4,4. Itália. 603. 3,0. Portugal. 434. 2,2. Reino Unido. 427. 2,1. Canadá. 386. 1,9. 1.726. 8,6. 81.104 94.123. 86,2 100,0. 18.350 20.076. 91,4 100,0. Resto do Mundo Total Dez Maiores Total. (a). (b). Figura 1.4: (a) Dez maiores produtores de energia eólica do mundo, (b) Dez pa´ıses que mais instalaram usinas e´ olicas em 2007. (Fonte: Global Wind Energy Council - GWEC ). No ano de 2007 os Estados Unidos aumentaram sua capacidade instalada em 45%, totalizando agora 16 GW de capacidade. A China adicionou mais 3,5 GW, em 2007 somando mais de 6 GW de instala¸c˜ oes e´ olicas. J´ a na Europa, a Espanha teve o maior crescimento, adicionando 3,5 GW, ficando em terceiro lugar no ranking global com uma capacidade instalada de mais de 15 GW, como é apresentado na figura 1.4a. A figura 1.5 apresenta a capacidade global instalada em energia e´ olica dividida por regiões. No Brasil o uso da energia e´ olica está apenas no in´ıcio. Criado em 2002, o Programa de Incentivo ` as Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA), programa criado pelo Ministério das Minas e Energia (MME), estabelece a contrata¸cão de 1,1GW em capacidade eólica instalada. Com o aux´ılio do Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) uma linha de crédito financiará até 70%, da obra cabendo aos investidores garantir 30% por capital pr´ oprio. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(30) 1. Introdu¸cão Geral. 4. CAPACIDADE GLOBAL INSTALADA (MW) - DISTRIBUIÇÃO REGIONAL Total em 2006 ÁFRICA & ORIENTE MÉDIO. Egito Morrocos Irã Tunísia Outros1 Total. ÁSIA. Novo 2007. Total em 2007. 230 64 48 20 16 378. 80 60 19 0 1 160. 310 124 67 20 17 538. Índia China Japão Taiwan Coréia do Sul Filipinas Outros 2 Total. 6.270 2.604 1.394 188 173 25 5 10.659. 1.575 3.304 139 100 18 0 0 5.436. 7.845 5.906 1.538 282 191 25 5 16.091. EUROPA. Alemanha Espanha Dinamarca Itália França Reino Unido Portugal Holanda Áustria Grécia Irlanda Suécia Noruega Bélgica Polônia Resto da Europa 3 Total Europa Somente EU-274. 20.622 11.623 3.136 2.123 1.567 1.962 1.716 1.558 965 746 746 571 325 194 153 556 48.563 48.069. 1.667 3.522 3 603 888 427 434 210 20 125 59 217 8 93 123 263 8.662 8.554. 22.247 15.145 3.125 2.726 2.454 2.389 2.150 1.746 982 871 805 788 333 287 276 812 57.136 56.535. AMÉRICA LATINA & CARIBE. Brasil México Costa Rica Caribe (Sem Jamaica) Argentina Colombia Jamaica Chile Cuba Total. 237 87 74 35 27 20 20 2 5 507. 10 0 0 0 2 0 0 18 0 30. 247 87 74 35 29 20 20 20 5 537. 11.575 1.460 13.035. 5.244 386 5.630. 16.818 1.846 18.664. 817 171 12. 7 151 0. 824 322 12. AMÉRICA DO NORTE. EUA Canadá Total. OCEANIA. Austrália Nova Zelândia Melanésia, Micronésia e Polinésia Total Total no Mundo. 1.000. 158. 1.158. 74.141. 20.076. 94.123. 1 Cabo Verde, Israel, Jordânia, Nigéria, África do Sul; 2 Bangladesh, Indonésia, Sri Lanka; 3 Bulgária, Croácia, Chipre, República Tcheca, Estônia, Ilhas Faroé, Finlandia, Húngria, Islândia, Letônia, Liechtenstein, Lituânia, Luxemburgo, Malta, Noruega, Romênia, Rússia, Eslováquia, Eslovênia, Suíça, Ucrânia; 4 Áustria, Bégica, Bulgária, Chipre, República Tcheca, Dinamarca, Estônia, Finlandia, França, Alemanha, Grécia, Hungria, Irlanda, Itália, Letônia, Lituânia, Luxemburgo, Malta, Holanda, Polônia, Portugal, Romênia, Eslováquia, Eslovênia, Espanha, S uécia, Reino Unido;. Figura 1.5: Capacidade global instalada - distribui¸cão regional. (Fonte: Global Wind Energy Council - GWEC ). Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(31) 1. Introdu¸cão Geral. 5. O conselho da World Wind Energy Association (WWEA) atribuiu ao Brasil o prêmio World Wind Energy Award 2007 pela implementa¸cão do PROINFA. Até 2008 o nosso pa´ıs terá uma capacidade total instalada de 1,423 GW. Atualmente temos 237 MW (figura 1.5), dos quais 208 MW foram instalados com o aux´ılio do PROINFA em 2006[4]. Neste cap´ıtulo introdut´ orio ser˜ ao tratadas algumas generalidades acerca da energia eólica e sobre o sistema que ser´ a utilizado neste trabalho. A seguir, são apresentados alguns conceitos básicos sobre aerodinˆ amica, energia cinética do vento, rendimento das turbinas e também uma revisão sobre o gerador utilizado.. 1.2. Aerodinˆ amica. Existem basicamente duas for¸cas que atuam sobre um perfil imerso em um fluido em movimento: sustenta¸c˜ ao e arrasto. A for¸ca de sustenta¸cão é perpendicular ao fluxo do fluido, já a de arrasto tem a mesma dire¸c˜ ao e sentido do fluxo, como pode ser visto na figura 1.6. Sustentação. Fluxo. Arrasto. Figura 1.6: For¸cas de sustenta¸cão e arrasto num aerofólio estacionário.. A for¸ca de sustenta¸c˜ ao existe somente quando há escoamento laminar sobre o aerofólio, Direção do Vento. isto é, o fluido percorre suavemente a superf´ıcie do perfil. Fluxo turbulento faz com que se Movimento anule a for¸ca de sustenta¸ c˜ ao e aumente o arrasto. Ve nto. Re lat ivo. F1. Sustentação. Relativo do Aerofólio. Sobre o aerof´ olio, o ar possui uma velocidade maior do que na parte inferior, essa diferen¸ca de velocidade faz com que a press˜ ao seja menor na parte superior do perfil. Tendo-se uma. F2. Ar ras ca perpendicular ao fluxo de ar pressão reduzida acima do aerof´ olio, acaba surgindo uma for¸ to. chamada sustenta¸c˜ ao. Em uma turbina eólica que utiliza a for¸ca de sustenta¸cão para gerar eletricidade, as for¸cas de arrasto s˜ ao indesejáveis e essas devem ser reduzidas ao máximo a fim de melhorar a eficiência da turbina.. Direção do Vento Vent o Rel. ativo. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng.. γ. Movimento da Pá.

(32) Sustentação. Fluxo. Arrasto. 1. Introdu¸cão Geral. 6. Quando é permitido o movimento do aerofólio, a sua transla¸cão combina-se com o movimento do ar para gerar o que é chamado de vento relativo. A for¸ca de sustenta¸cão é perpendicular ao vento relativo como pode ser observado na figura 1.7[2]. Direção do Vento Ve n. to R. ela tiv o. F1. Movimento Relativo do Aerofólio. Sustentação. Ar ras t. F2 o. Figura 1.7: Sustenta¸c˜ ao e arrasto em um aerofólio em transla¸cão. Direção do Vento Vent o Rel. Sustentação. ativo. Movimento da Pá. Na decomposi¸c˜ ao da for¸ca de arrasto eγ de sustenta¸cão, encontram-se as for¸cas F1 e F2 , Fluxo. Arrasto. figura 1.7. A for¸ca F1 est´ a na dire¸caõ do movimento de transla¸cão e é a que realiza trabalho. Corda. Bordo de Ataque. A for¸ca F2 tem a mesma dire¸c˜ ao que o vento. Essa u ´ltima é utilizada para projetar-se a estrutura do aerogerador. Direção do Vento A figura 1.8 apresenta alguns termos que caracterizam umPlano aerof´ lio. A parte mais à frente Bordo de Fuga deoRotação. F1. Movimento. Sustentação. en Relativo do e a parte posterior s˜ ao Vchamadas respectivamente de bordo de ataque e bordo de fuga. A to R ela tiv. Aerofólio. o linha que liga o bordo de ataque ao de fuga chama-se corda. O plano de rota¸cão, é o plano. F. Ar que a ponta da hélice descreve no espa¸co. Obtém-se encia 2máxima em um aerogerador, ras a potˆ t o. quando o plano de rota¸c˜ ao é perpendicular à dire¸cão do vento. O ângulo de ataque, γ, é definido como o ˆ angulo entre o vento relativo e a corda. Finalmente tem-se o ângulo de passo, θP , que é o ˆ angulo entre a corda e o plano de rota¸cão. Direção do Vento Vento. Relati vo. P. γ Bordo de Ataque. Movimento da Pá. Corda. Plano de Rotação. Bordo de Fuga. Figura 1.8: Defini¸caõ de ângulo de passo θP e de ataque γ. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(33) 1. Introdu¸cão Geral. 7. O ângulo de ataque é dinˆ amico e varia com a velocidade da hélice e do vento. As for¸cas de sustenta¸c˜ ao e arrasto possuem valores ótimos para apenas um ângulo de ataque, logo, uma hélice eficiente deve possuir uma certa tor¸cão para manter um quase constante ângulo de ataque do centro até a ponta[2].. 1.3. Tipos de Aerogeradores. As turbinas e´ olicas dividem-se basicamente em duas categorias: as de eixo vertical (figura 1.9a e 1.9c) e as de eixo horizontal (figura 1.9b). Existem basicamente duas configura¸cões para aerogeradores de eixo vertical: a Darrieus e Savonius. As turbinas de eixo horizontal diferem-se entre si pelo n´ umero de pás.. Figura 1.9: Exemplos de turbinas: (a) Darrieus (vista frontal), (b) Eixo horizontal (vista frontal) e (c) Savonius (vista superior).. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(34) 1. Introdu¸cão Geral. 8. O conceito de turbina do tipo Savonius diferencia-se das demais basicamente por utilizar a for¸ca de arrasto ao invés da de sustenta¸cão. Essas turbinas tem essencialmente dois problemas: baixo rendimento e a dificuldade de prote¸cão contra rajadas de vento. Ela é utilizada apenas em pequenas aplica¸c˜ oes. Turbinas de eixo horizontal utilizam a for¸ca de sustenta¸cão. Dentre essas turbinas, as de três pás s˜ ao as que apresentam maior eficiência. Essa é a topologia utilizada nos aerogeradores de grande porte. Os principais componentes de uma grande turbina eólica são apresentados na figura 1.10.. Figura 1.10: Composi¸c˜ ao de um aerogerador de grande porte. (Fonte: World Wind Energy Association - WWEA). A turbina Darrieus, assim como as de eixo horizontal, também utiliza a for¸ca de sustenta¸cão. Apesar de algumas vantagens estruturais, esse tipo de aerogerador não alcan¸cou a de eixo horizontal no custo da energia produzida[3].. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(35) 1. Introdu¸cão Geral. 1.4. 9. A Potˆ encia do Vento. Para se transformar a energia contida no vento em energia elétrica é necessário fazer o uso de turbinas e´ olicas. A energia cinética do vento é capturada e transformada em movimento rotacional através das hélices da turbina eólica. Na equa¸cão 1.1 tem-se a defini¸cão de energia cinética[5]. 1 Ec = .m.V 2 2. (1.1). Potência é a taxa de varia¸c˜ ao da energia durante um certo intervalo de tempo. Dividindose a equa¸c˜ ao 1.1 pelo tempo, obtém-se a expressão da potência. 1 m.V 2 P = . 2 ∆t. (1.2). Conhecendo-se a densidade do ar e a área de varredura do rotor da turbina eólica, tem-se 1.3. m = ρ.AR .V t. (1.3). A express˜ ao da potência contida no vento, exposta na equa¸cão 1.4, é conseguida substituindose 1.3 em 1.2. 1 PV = .ρ.AR .VV3 2. (1.4). A equa¸c˜ ao 1.4 representa a potência contida no vento, a qual varia linearmente com a densidade e com o cubo da velocidade do ar. Nem toda a potência do vento pode ser extra´ıda pelas pás do aerogerador, pois parte dela é perdida com o ar que atravessa a turbina.. 1.5. Potˆ encia de Sa´ıda de uma Turbina E´ olica Ideal. Será utilizado o modelo do disco atuador para a determina¸cão do máximo rendimento alcan¸cado por uma turbina e´ olica. Esse modelo consiste em substituir o aerogerador por um Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(36) 1. Introdu¸cão Geral. 10. dispositivo genérico ideal que extrai a energia cinética do vento. Apresenta-se na figura 1.11 o modelo utilizado para an´ alise da hélice idealizada.. Fronteira das Linhas de Corrente. VV. A-∞. AD. A+∞. VVj. Volume de Controle. Figura 1.11: Fluxo de ar atravessando o disco atuador.. Em rela¸c˜ ao ` a hélice, o escoamento à montante está a uma velocidade VV e na press˜ ao ambiente e, ` a jusante, a velocidade é VV j e retorna a pressão ambiente. Para conservar a continuidade da vaz˜ ao em massa para dentro do volume de controle[6], a área A+∞ deve ser menor que a ´ area do disco atuador AD e essas duas são menores que a área da se¸c˜ ao transversal A−∞ . Ao atravessar o disco atuador o vento sofre uma queda de velocidade de VV − VV j . Então, o empuxo axial existente em uma turbina pode ser dado pela equa¸cão 1.5. FD = (VV − VV j ).ρ.AD .VD. (1.5). No disco da turbina a velocidade do vento é desacelerada para VD = (1 − a).VV onde a é conhecido como fator de interferência do fluxo axial. O empuxo axial é gerado pela queda de pressão que ocorre ` a jusante da turbina e é dado pela equa¸cão 1.6. FD = (pDm − pDj ).AD = (VV − VV j ).ρ.AD .VV .(1 − a). (1.6). Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(37) 1. Introdu¸cão Geral. 11. A figura 1.12 ilustra a distribui¸caõ da velocidade e da pressão do vento através do volume de controle.. VV. pDm Velocidade. Volume de Controle. VD VVj. p∞ Pressão. p∞. pDj. Figura 1.12: Velocidade e pressão do vento no volume de controle.. A equa¸c˜ ao de Bernoulli pode ser aplicada para determinar a queda de pressão através do disco. Esta equa¸c˜ ao afirma que, sob condi¸cões estáticas, a energia contida em um fluxo mantém-se constante se nenhum trabalho for realizado no fluido[7]. Pode-se aplicá-la no volume de controle da figura 1.12 antes e depois do disco atuador, pois apenas é realizado trabalho no disco. Logo, tem-se 1.7 e 1.8. 1 1 .ρ.VD2 + pDm + ρ.g.h = .ρ.VV2 + p∞ + ρ.g.h 2 2. (1.7). 1 1 .ρ.VD2 + pDj + ρ.g.h = .ρ.VV2j + p∞ + ρ.g.h 2 2. (1.8). A vari´ avel g é a acelera¸c˜ ao da gravidade e p∞ é a pressão atmosférica. A partir das equa¸cões 1.7 e 1.8 obtém-se a expressão 1.9. 1 (pDm − pDj ) = .ρ.(VV2 − VV2j ) 2. (1.9). Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(38) 1. Introdu¸cão Geral. 12. Substituindo-se a express˜ ao 1.9 em 1.6, tem-se a equa¸cão 1.10. VV j = VV .(1 − 2.a). (1.10). A partir de 1.5 e 1.10, o empuxo axial no disco atuador no fluxo de ar é dado pela expressão 1.11. FD = 2.ρ.AD .VV2 .a.(1 − a). (1.11). Fazendo-se o produto entre a velocidade do vento no disco atuador (VD = (1 − a).VV ) e o empuxo axial da turbina (equa¸c˜ ao 1.11), tem-se na expressão 1.12 a potência extra´ıda do vento. PD = FD .VD = 2.ρ.AD .VV3 .a.(1 − a)2. (1.12). Uma maneira convencional de caracteriza¸cão da habilidade da turbina eólica de capturar a energia do vento é o coeficiente de potência (CP ), que por defini¸cão, é a razão entre a potência extra´ıda pelo aerogerador e a potência do vento, como é exposto na equa¸cão 1.13. CP =. PD PV. (1.13). Aplicando-se 1.4 e 1.12 em 1.13, tem-se a defini¸cão do coeficiente de potência em 1.14. CP = 4.a.(1 − a)2. (1.14). O gráfico do coeficiente de potência versus o fator de interferência a é apresentado na figura 1.13. O m´ aximo valor de CP , conhecido como limite Betz que foi o primeiro a deduzir este resultado e a mostrar a m´ axima eficiência teórica , é CP max = 0, 593 e ocorre para um fator a = 13 . O coeficiente de potência das turbinas eólicas da atualidade chega no máximo a 0, 45, bem abaixo do limite te´ orico.. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(39) 1. Introdu¸cão Geral. 13. 0.6. 0.5. 0.4. CP 0.3. 0.2. 0.1. 0. 0. 0.2. 0.4. a. 0.6. 0.8. Figura 1.13: Gr´ afico que representa o comportamento do coeficiente de potência quando varia-se o fator a.. 1.5.1. C´ alculo do Coeficiente de Potˆ encia. Neste trabalho ser´ a utilizado um aerogerador da marca ENERSUD modelo GERAR246. Esse possui um gerador s´ıncrono de fluxo axial à ´ımã permanente com potência de 1 kW e 14 pólos. Além disso, é dotado de um sistema de seguran¸ca que reduz a velocidade da turbina em dois ter¸cos, quando a velocidade do vento atinge 16 m/s. São apresentadas na tabela 1.1 as principais caracter´ısticas técnicas da turbina e do gerador[8]. Tabela 1.1: Especifica¸cões da turbina ENERSUD GERAR246. Parˆ ametro. Valor. Diˆ ametro. 2,46 m. Potência (Vento a 12 m/s). 1000 W. In´ıcio da Rota¸cão. Vento a 2,2 m/s. No de Pás. 3. Sistema Elétrico. Trifásico. No de P´ olos do Gerador. 14. Tens˜ ao de Linha no Gerador (700 rpm). 75 Vrms. Freq¨ uência (700 rpm). 80 Hz. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(40) 1. Introdu¸cão Geral. 14. Para estimativa do coeficiente de potência da turbina utilizada neste trabalho, será empregada a express˜ ao emp´ırica 1.15[9]. CP (λ, θP ) = c1 .(c2 − c3 .θP − c4 .θPx − c5 ).e−c6. (1.15). A vari´ avel θP é o ˆ angulo de passo da hélice e λ é conhecido como razão de velocidades na ponta das p´ as (tip speed ratio) que é dada pela equa¸cão 1.16. λ=. ωR .RR VV. (1.16). Tendo-se os valores t´ıpicos das constantes da equa¸cão 1.15 na tabela 1.2[9] juntamente com os dados da turbina e´ olica que será utilizada neste trabalho (tabela 1.1), foi tra¸cado o gráfico da figura 1.14, que mostra a varia¸cão do coeficiente de potência da turbina em fun¸c˜ ao da razão de velocidades na ponta das pás. Pode-se perceber que o máximo rendimento que poderá ser alcan¸cado pela turbina será CP = 0, 4048. Tabela 1.2: Constantes emp´ıricas. c1. c2. c3. c4. c5. c6. x. θP. 0, 5. 116/λ1. 0, 4. 0. 5. 21/λ1. 1, 5. 10o. O coeficiente λ1 est´ a representado na equa¸cão 1.17. 1 1 0, 035 = − 3 λ1 λ + 0, 08.θP θP + 1. (1.17). A partir da figura 1.14, pode-se concluir que, para se operar com a máxima eficiência poss´ıvel da turbina e´ olica é necess´ ario manter-se a razão de velocidades na ponta das p´ as constante. Como essa u ´ltima obedece a equa¸cão 1.16, verifica-se que, como o raio do rotor (RR ) e a velocidade do vento (VV ) não são poss´ıveis de serem alteradas, a u ńica variável que pode ser controlada para se manter a turbina no ponto de máxima potência é a velocidade angular da turbina (ωR ).. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(41) 1. Introdu¸cão Geral. 15. 0.4. 0.3. CP. 0.2. 0.1. 0. 0. 2. 4. 6. 8. 10. ? [rad]. 12. 14. Figura 1.14: Eficiência da turbina em fun¸cão da razão de velocidades na ponta das pás.. Como pode ser observado na figura 1.15, para cada velocidade do vento existe uma velocidade angular que faz a turbina operar em um ponto ótimo. Uma estratégia de controle bem projetada ir´ a buscar sempre a maior potência da turbina eólica. Como o ponto de máxima potência varia com a velocidade do vento, a rota¸cão deve ser continuamente ajustada para se extrair a maior potência poss´ıvel do aerogerador. 2200. 12m/s. 1980. Potência (W). 1760 11m/s. 1540 1320. 10m/s. 1100 9m/s. 880. 8m/s. 660. 7m/s. 440. 6m/s 5m/s. 220 0. 0. 120. 240. 360. 480. 600. 720. Wwrrpm. 840. 960. 1080. 1200. Figura 1.15: Potência extra´ıda da turbina ENERSUD GERAR246 em fun¸cão da rota¸cão da hélice para algumas velocidades do vento.. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(42) 1. Introdu¸cão Geral. 1.6. 16. Sistema de Gera¸ c˜ ao de Energia E´ olica. O sistema e´ olico proposto é formado pelos componentes apresentados na figura 1.16. A seguir, faz-se uma breve descri¸c˜ ao de cada bloco do diagrama.. Vento. CA/CC Gerador. CC/CA Rede. Turbina. Figura 1.16: Diagrama de blocos do sistema eólico de pequeno porte.. Turbina E´ olica: Esse componente do sistema já foi estudado neste cap´ıtulo. Gerador El´ etrico: Para se transformar a energia mecânica do vento captada pela turbina em elétrica, faz-se necess´ ario o uso de um gerador. O sistema que será utilizado nesse trabalho, é uma m´ aquina de Fluxo Axial à Ímã Permanente (FAIP), que é uma alternativa ` as m´ aquinas de Fluxo Radial à Ímã Permanente (FRIP) por serem mais compactas e possu´ırem maior densidade de potência. As m´ aquinas FAIP podem operar como pequenos ou médios geradores. A facilidade para acomodar um grande n´ umero de pólos nas máquinas FAIP, faz com que esses geradores sejam ´ otimos em aplica¸cões de baixa velocidade, como por exemplo, em turbinas eólicas[10]. Conversor CA/CC: O uso do gerador FAIP faz com que a tensão e a freq¨ uência na sua sa´ıda variem com a rota¸c˜ ao da turbina. Dessa forma, faz-se necessário se utilizar um conversor CA/CC que transforme a tensão alternada do gerador em cont´ınua e fa¸ca o rastreamento da m´ axima potência da turbina. Devido às especifica¸cões do inversor utilizado nesse trabalho, esse est´ agio também realizará a eleva¸cão da tensão do barramento CC. Conversor CC/CA: O conversor CC/CA transforma a corrente CC do estágio anterior em alternada e a transfere para a rede elétrica. O objetivo do trabalho é o projeto desse u ´ltimo est´ agio, apresentado no diagrama de blocos da figura 1.15, ou seja, o projeto Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(43) 1. Introdu¸cão Geral. 17. de um conversor CC/CA para a conexão do gerador eólico à rede elétrica. Para tanto, será utilizado um inversor de tensão monofásico, como o apresentado na figura 1.17, com um transformador elevador de tensão na sa´ıda do mesmo. Objetivo do Trabalho. Lb NP. Cin. CA/CC. Vento. NS. Inversor. Gerador. Rede. Turbina. Figura 1.17: Destaque para o objetivo do trabalho.. A topologia escolhida para o inversor é a apresentada na figura 1.18. Trata-se de um inversor monof´ asico ponte completa. O transformador de sa´ıda, eleva a tensão de sa´ıda para um n´ıvel adequado e provê isola¸c˜ ao galvânica ao gerador eólico, fazendo com que o sistema seja mais seguro. Q1. Vin. Q3. D1. D3. Lb. a. NP. NS. vout(t). b Q2. D2. Q4. D4. Figura 1.18: Inversor monofásico ponte completa.. Definidos os objetivos do trabalho e a topologia a ser utilizada, são necessárias as especifica¸cões do projeto, que s˜ ao apresentadas na tabela 1.3. Tabela 1.3: Especifica¸cões do inversor. Parˆ ametro. Valor. Potência de sa´ıda. 1 kW. Freq¨ uência de comuta¸cão. 20 kHz. Tens˜ ao CC de entrada. 100 V. Tensão de sa´ıda. 220 Vrms. Freq¨ uência de sa´ıda. 60 Hz. Modula¸cão. 3 N´ıveis. Sistema Elétrico. Monofásico. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(44) 1. Introdu¸cão Geral. 18. Para que o inversor opere da maneira desejada, é necessário que sejam controladas algumas variáveis, as quais s˜ ao descritas a seguir: Corrente de Sa´ıda: Apenas a corrente de sa´ıda do inversor será controlada, pois a tens˜ ao de sa´ıda é imposta pela rede elétrica local; Corrente no Prim´ ario do Transformador: A utiliza¸cão do transformador na sa´ıda do inversor faz com que seja necessário o uso dessa malha de controle adicional, para eliminar a componente cont´ınua de corrente no seu primário, evitando-se que ele sature; Tens˜ ao no Barramento CC: Essa variável é controlada para se manter o valor médio da tens˜ ao de entrada constante. O controle do fluxo de potência transferido para a rede elétrica é realizado pelo compensador de tensão do barramento CC.. 1.7. Considera¸ co ˜es Sobre Conex˜ ao com a Rede El´ etrica. A conex˜ ao de fontes de gera¸c˜ ao distribu´ıdas de energia à rede elétrica requer que várias considera¸c˜ oes sejam feitas, no sentido de se garantir seguran¸ca e confiabilidade na execu¸c˜ ao dessa tarefa. A norma IEEE 1547, “Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems”, aprovada em 2003, trata sobre o projeto, comercializa¸cão e uso de fontes distribu´ıdas de energia conectadas a rede elétrica[11]. Serão tratados, a seguir, alguns itens dessa norma.. 1.7.1. Regula¸c˜ ao da Tens˜ ao. A Fonte Alternativa de Energia (FAE)1 deve ser capaz de manter a tensão no Ponto de Conexão Comum (PCC)2 regulada, ou seja, dentro de limites aceitáveis para a rede elétrica local. Segundo a norma IEEE 1547, a FAE não deve degradar a tensão da rede elétrica onde ela é conectada, mantendo-a dentro dos limites estabelecidos pela norma ANSI C84.1, Range A[12], ilustrados na figura 1.193 . 1. FAE também pode ser uma fonte de gera¸ca õ de energia distribu´ıda. PCC é o ponto em que a fonte de energia é conectada ao sistema elétrico comercial. 3 Na figura 1.19 é utilizado um sistema base de 120 V. Qualquer tens˜ ao pode ser convertida para base 120 V dividindo-se a tens˜ ao atual pela raz˜ ao de transforma¸c˜ ao para a base 120 V. Por exemplo, a raz˜ ao de transforma¸ca õ para um sistema de 480 V é 480/120 ou 4, ent˜ ao 460 V medidos no sistema de 480 V deve ser 460/4 ou 115 V na base de 120 V. 2. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(45) 1. Introdu¸cão Geral. 19 MAXIMUM VOLTAGE LIMIT - RANGE A - 126 V. 125 V. VOLTAGE ON A 120 V BASE. 125 ALLOWABLE VOLTAGE DROP IN THE DISTRIBUTION FEEDER SERVICE VOLTAGE LIMITS. 120. TOLERANCE LIMITS FOR LIGHTING EQUIPMENT. 117 V. 115. ALLOWBLE VOLTAGE DROP IN THE DISTRIBUTION TRANSFORMER AND LOW-VOLTAGE CONNECTIONS. 110. ALLOWBLE VOLTAGE DROP IN THE BUILDING WIRING FOR LIGHTING EQUIPMENT ALLOWBLE VOLTAGE DROP IN THE BUILDING WIRING FOR OTHER THAN LIGHTING EQUIPMENT. 114 V. TOLERANCE LIMITS FOR OTHER THAN LIGHTING EQUIPMENT. 110 V. 108 V. Figura 1.19: Limites estabelecidos pela norma ANSI C84.1, Range A[1].. 1.7.2. Resposta a Perturba¸c˜ oes de Tens˜ ao. A FAE deve possuir sistemas de seguran¸ca que monitorem a tensão eficaz, de linha ou de fase, no PCC. Quando a medida enquadrar-se em algum dos limites estabelecidos na tabela 1.4, deve-se iniciar o processo de desconexão da FAE da rede elétrica local, no tempo de seccionamento especificado. “Tempo de seccionamento” é o tempo entre o in´ıcio da perturba¸c˜ ao e a desconex˜ ao da FAE. Tabela 1.4: Resposta a anormalidades da tensão (IEEE 1547).. 1.7.3. Potˆ encia da FAE. Tens˜ ao (PCC) [%]. Tempo de seccionamento [s]. ≤ 30 kW. V < 50. 0, 16. 50 ≤ V < 88. 2, 0. 110 < V < 120. 1, 0. 120 ≤ V. 0, 16. Resposta a Perturba¸c˜ oes de Freq¨ uˆ encia. Além de prote¸c˜ oes contra perturba¸cões de tensão, a FAE deve ser equipada também por sistemas que desconectem-na caso ocorram varia¸cões na freq¨ uência fundamental da tens˜ ao da rede elétrica local. A tabela 1.5, apresenta os limites de varia¸cão da freq¨ uência e seus respectivos tempos de seccionamento para uma FAE de até 30 kW. Nota-se que, para pequenas varia¸cões de freq¨ uência, a FAE deve ser desconectada em até dez ciclos de rede. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(46) 1. Introdu¸cão Geral. 20. Tabela 1.5: Resposta do sistema para perturba¸cões de freq¨ uência (base 60 Hz) para IEEE 1547. Potˆ encia da FAE. Intervalo de freq¨ uˆ encia [Hz]. Tempo de Seccionamento [s]. ≤ 30 kW. > 60, 5. 0, 16. < 59, 3. 0, 16. 1.7.4. Harmˆ onicas de Corrente. Quando a FAE est´ a alimentando cargas lineares, a distor¸cão harmônica da corrente no PCC não deve ultrapassar os limites estabelecidos na tabela 1.6. Devem ser exclu´ıdas as harmônicas de corrente causadas pela distor¸cão harmônica da tensão presente na rede elétrica sem a FAE[12]. Tabela 1.6: M´ axima distor¸c˜ ao harmˆ onica de corrente em porcentagem da fundamental (IEEE 1547). Harmˆ onicas Individuais (´ Impares). Valor [%]. < 11. 4, 0. 11 ≤ h < 17. 2, 0. 17 ≤ h < 23. 1, 5. 23 ≤ h < 35. 0, 6. 35 ≤ h. 0, 3. THD [%]. 5, 0. Harmˆ onicas Pares. Limitadas em 25% das ´ımpares. Corrente CC [%]. 0, 5. A corrente base utilizada na tabela 1.6 é a maior demanda integrada de corrente (15 ou 30 minutos) na rede elétrica local sem a FAE, ou a capacidade média de corrente da FAE (transferida ao PCC quando existe um transformador entre a FAE e a rede elétrica). Como é visto na tabela 1.6, a corrente CC injetada na rede elétrica é limitada em 0, 5%. A limita¸cão de offset na corrente injetada serve para prevenir a satura¸cão dos transformadores contidos no sistema elétrico de distribui¸cão. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(47) 1. Introdu¸cão Geral. 21. Como foi citado anteriormente, nesse projeto será utilizado um transformador para se fazer a conex˜ ao do inversor ao PCC. O uso desse componente elimina a possibilidade de inje¸cão de corrente cont´ınua na rede elétrica local.. 1.7.5. Islanding. Islanding é o fenˆ omeno que ocorre quando há uma desenergiza¸cão da rede elétrica no PCC de uma fonte de energia, e a mesma permanece alimentando as suas redondezas, fazendo com que exista uma ilha energizada com a rede elétrica local desligada. Segundo a norma IEEE 1547, a FAE deve possuir um sistema de seguran¸ca que detecte quando a mesma est´ a ilhada e a desconecte em no máximo dois segundos. Os sistemas anti-islanding podem ser divididos basicamente em dois tipos: métodos passivos e ativos[1]: • Nos métodos passivos, s˜ ao monitoradas algumas variáveis no PCC. Assim que se detecte condi¸c˜ oes que indiquem a forma¸cão do islanding, a FAE é desconectada do sistema elétrico. Esse método baseia-se na incapacidade da FAE satisfazer uma mudan¸ca repentina na carga sem que haja um transitório na tensão e/ou freq¨ uência de sa´ıda. • Os métodos ativos, assim como os passivos, atuam diretamente no PCC. Esses métodos consistem em aplicar uma pertuba¸cão na rede elétrica e verificar o resultado. A partir dessa resposta, é determinado se o sistema está ou não ilhado. Um exemplo de método ativo anti-islanding consiste em aplicar um sinal de corrente diferente da freq¨ uência da rede e verificar a tensão nesta freq¨ uência. O islanding ser´ a detectado de acordo com a mudan¸ca da impedância do sistema.. Na maioria dos casos, o fenˆ omeno chamado islanding é indesejado em um sistema elétrico. Esse u ´ltimo pode arriscar a vida de operários que eventualmente tenham de fazer manuten¸c˜ ao em uma rede que deveria estar desenergizada.. 1.8. Conclus˜ ao. Os principais t´ opicos pertinentes a este trabalho foram revisados neste cap´ıtulo. A situa¸cão da energia e´ olica no Brasil e no mundo foi abordada de forma sucinta, apresentando o ranking mundial dos maiores produtores dessa fonte alternativa de eletricidade. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(48) 1. Introdu¸cão Geral. 22. O apelo mundial para redu¸c˜ ao das emissões dos gases causadores do efeito estufa faz com que a pesquisa e aperfei¸coamento da tecnologia utilizada na produ¸cão de energia elétrica, a partir do vento, esteja em evidência. O vento é gratuito, limpo e inesgotável. A explora¸c˜ ao dessa e de outras fontes alternativas de energia elétrica é necessária para se poder frear o aquecimento global. No Brasil, um maior uso da energia eólica poderia eliminar o risco de “apagão”, ou a dependência da importa¸cão de combust´ıveis fósseis como o gás natural.. Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..

(49) Cap´ıtulo 2. Inversor Ponte Completa Monof´ asico Conectado ` a Rede N˜ ao basta apreciar a beleza de um jardim, sem ter que imaginar que h´ a fadas nele? Douglas Adams, “O guia do mochileiro das gal´ axias”. 2.1. Introdu¸ c˜ ao. Como o objetivo deste trabalho é transferir potência ativa para a rede elétrica, uma estrutura que pode ser utilizada para a realiza¸cão de tal tarefa é o inversor monofásico em ponte completa, ilustrado na figura 2.1. O inversor é controlado de modo a impor uma corrente senoidal em sua sa´ıda.. Q1. Vin. D1. Q3. D3. Lb. a. NP. NS. b Q2. D2. Q4. D4. Figura 2.1: Esquema do inversor ponte completa monofásico.. vout(t).

(50) 2. Inversor Ponte Completa Monofásico Conectado à Rede. 24. O estudo completo do inversor operando a dois e a três n´ıveis será realizado neste cap´ıtulo. Primeiramente, os dois tipos de modula¸cão serão apresentados, logo em seguida, serão expostas as etapas de opera¸c˜ ao e, por fim, são deduzidas as expressões para o projeto dos elementos de potência do inversor. Toda a análise realizada foi baseada na referência[13].. 2.2. Modula¸ c˜ ao. As formas de se gerar os pulsos de comando para os interruptores do inversor diferenciamse pela caracter´ıstica da tens˜ ao entre os pontos “a” e “b” do mesmo, apresentados na figura 2.1. A maneira mais simples é aquela chamada modula¸cão PWM (Pulse Width Modulation) a dois n´ıveis, que se caracteriza por apresentar apenas dois n´ıveis de tensão entre os pontos “a” e “b”. A gera¸c˜ ao dos comandos para os interruptores é realizada comparando-se o sinal modulante com um sinal modulador no formato dente de serra ou triangular. Um exemplo de modula¸c˜ ao PWM a dois n´ıveis é apresentado na figura 2.2. Sinal Modulante e Moduladora 15 10 5 0 -5 -10 -15. 0. 0.005. 0.01. 0.015. 0.02. 0.025. 0.02. 0.025. Tensão Entre os Pontos "a" e "b" 100 50 0 -50 -100 0. 0.005. 0.01. 0.015. Figura 2.2: Modula¸cão a dois n´ıveis.. Outra forma de se comandar o inversor, é utilizando a modula¸cão PWM a três n´ıveis, na qual a tens˜ ao entre os pontos “a” e “b” apresenta três n´ıveis distintos de tensão. A gera¸c˜ ao dos pulsos de comando é realizada comparando-se o sinal modulante com duas moduladoras Mateus Costa Maccarini, MSc. Eng..