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Retificador trifásico para sistemas eólicos de carregamento de baterias

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(1)

P

ÓS

-G

RADUAÇÃO EM

E

NGENHARIA

E

LÉTRICA

FRANCISCO DAS CHAGAS BATISTA SANTOS

RETIFICADOR TRIFÁSICO SEMICONTROLADO PARA

SISTEMAS EÓLICOS DE CARREGAMENTO DE BATERIAS

(2)

ii

F

RANCISCO DAS

C

HAGAS

B

ATISTA

S

ANTOS

R

ETIFICADOR

T

RIFÁSICO

S

EMICONTROLADO PARA

S

ISTEMAS

E

ÓLICOS DE

C

ARREGAMENTO DE

B

ATERIAS

Dissertação submetida à

Universidade Federal do Ceará como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.

Orientador:

Prof. Demercil de Souza Oliveira Júnior,Dr.

(3)

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará

Biblioteca de Pós-Graduação em Engenharia - BPGE

S235r Santos, Francisco das Chagas Batista.

Retificador trifásico semicontrolado para sistemas eólicos de carregamento de baterias / Francisco das Chagas Batista Santos. – 2011.

100 f.: il. color. enc. ; 30 cm.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2011.

Área de Concentração: Eletrônica de Potência

Orientação: Prof. Dr. Demercil de Souza Oliveira Junior 1. Engenharia Elétrica. 2. Energia eólica. 3. Baterias elétricas.

(4)
(5)
(6)

vi

(7)
(8)

viii

A

GRADECIMENTOS

Agradeçoa Deus, fonte onde encontro as respostas. Expresso também gratidão a minha esposa, Maria Júlia e aos nossos filhos Júlio Max, Juliana Raquel e Juliano Francisco, por tornarem o nosso lar o meu parque de diversões. Agradeço a todos os meus parentes e amigos que auxiliaram minha família quando precisei me deslocar de Teresina para Fortaleza, em nome da minha comadre Maria Elza Rocha.

Agradeço ao professorDr. Demercil de Souza Oliveira Júnior pela orientação e auxílio acadêmico na elaboração deste trabalho, pela confiança em mim depositada, pela disponibilidade e conhecimentos transmitidos.

Agradeço ainda ao professor Dr. Otacílio da Mota Almeida pela organização e condução do processo de capacitação que me conduziu até aqui.A todos os professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, pelas lições e companheirismo aos quais saúdo em nome do professor Doutorando Gustavo Castelo Branco.

Aos companheiros de aulas em Teresina e aos do laboratórioGPEC em Fortaleza, que tanto contribuíram com sugestões e auxílio nos momentos de dificuldades,aos quais saúdo em nome do DoutorandoHermínio Miguel de Oliveira Filho.Aos coordenadores do Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC) do Departamento de Engenharia Elétrica (DEE) da Universidade Federal do Ceará (UFC), que disponibilizarama estrutura de dispositivos e instrumentos com os quais desenvolvi minhas atividades, agradeço em nome do técnico Pedro Oliveira.

Agradeço ao jovem Mestre Arthur Fernando Bonelli em nome de todos os que de forma direta e indireta contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho.

Finalmente agradeço ao Instituto Federal do Piauí (IFPI), peloapoio institucional prestado pelos seus diretores e coordenadores e o apoio financeiro concedido pelo programa ProAGRUPAR, que muito auxiliaram neste trabalho.

(9)

Santos, F. C. B. “

R

ETIFICADOR

T

RIFÁSICO

S

EMICONTROLADO PARA

S

ISTEMAS

E

ÓLICOS DE

C

ARREGAMENTO DE

B

ATERIAS

”, Universidade Federal do Ceará –

UFC, 2011, 100p.

O presente trabalho tem como principal objetivo construir um conversor CA/CC de baixo custo e elevado fator de potência para o carregamento de baterias. A topologia proposta foi escolhida após uma revisão das características dos retificadores usuais para esse fim. Diferente dos outros, apresenta aspectos de robustez que o tornam apropriado para operar em localidades remotas.

O retificador trifásico semicontroladoem alta frequência (RTSCAF) é construído com um número reduzido de chaves semicondutoras. O elevador de tensão é alimentado por uma turbina com umgerador síncrono a ímãs permanentes (PMSG). Um circuito de controle em malha aberta efetua a comutação das chaves para a operação no modo de condução descontínuo (DCM).Esse modo mantém as correntes em fase com as tensões, resultando em elevado fator de potência e baixa distorção harmônica total (DHT), implicando em eficiente transferência de potência.

Foi construído um protótipo com potência de saída de 250 W, para carregar um banco de baterias de 48 V. Os testes foram realizados com um aerogerador de baixa rotação, até 1 kW, acionado por um motor com variador de tensão, emulando as condições do vento. Foram obtidos um fator de potência de 0,98 e DHT na corrente de entrada de18%, resultados experimentais que validam a funcionalidade do conversor proposto.

(10)

x

Santos, F. C. B. “Rectifier ThreephaseHalf Controledof EólicSistemsof

Charging of Battery”, Universidade Federal doCeará –

UFC, 2011, 100p.

The main objective of this work is to build a low cost CA/CC battery charging with high power factor to small energy wind power supply.

The proposed topology has been chosen after a review of rectifiers’ characteristics used for this proposal. Unlike the others proposals, the topology was designed take in a count aspects that make it appropriated to operate in remote areas.

A semi controlled three phase rectifier operating in high frequency was built with a reduced numbers of semiconductors. The system is powered by a synchronic generator turbine of permanent magnets

A control unit runs in open loop with a control strategy of key switching operating in discontinuous conduction mode (DCM) that ensure high power factor and low harmonic distortion total, improving the power transfer efficiency.

The prototype output power was 250 W, it was specified to charge a 48 V battery bank. Tests were conducted in low speed and wind power by 1 kW. A motor was drived as variable voltage charge to emulating wind conditions. Goods results were obtained like a power factor of 0.98 and the input current THD 18%, experimental results was carried out to validate the functionality of the proposed converter.

(11)

LISTA DE FIGURAS ... XIII

LISTA DE TABELAS ... XV

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ... XVI

LISTA DE SÍMBOLOS ... XVII

INTRODUÇÃO ... 1

CAPÍTULO I–FUNDAMENTOS DA GERAÇÃO EÓLICA ... 1

1.1 Turbinas eólicas de pequeno porte ... 2

1.2Os geradores eólicos de pequeno porte ... 3

1.3As baterias em sistemas eólicos ... 4

1.4Os conversores para sistemas eólicos ... 5

1.4.1Geração com velocidade fixa ... 6

1.4.2Geração com velocidade variável ... 7

1.5 Conclusão ... 8

CAPÍTULO II–CONVERSORES EÓLICOS PARA CARREGAMENTO DE BATERIAS ... 9

2.1 Conversor de alto desempenho ... 10

2.2 Topologia dos conversores não controlados. ... 11

2.2.1 Retificador não controlado ponte de Graetz ... 11

2.2.2 Ponte de Graetz em paralelo com o conversor boost... 13

2.2.3 Ponte de Graetz em série com o conversor buck. ... 14

2.2.4 Ponte de Graetz em série com o conversor buck-boost ... 15

2.2.5 Ponte de Graetz em série com o conversor boost ... 16

2.3 Topologia dos conversores CA/CC controlados ... 17

2.3.1 - Conversor redutor ou buck ... 18

2.3.2 Conversor buck-boost ouredutor-elevador ... 19

2.3.3 Conversor boost ou elevador totalmente controlado. ... 20

2.3.4 Conversor boost ou elevador semicontrolado ... 20

2.4 Conclusão ... 21

CAPÍTULO III–ANÁLISEDO RETIFICADOR SEMICONTROLADO ... 25

3.1 As tensões no retificador ... 25

(12)

xii

3.3 Aoperação descontínua do retificador. ... 27

3.4Etapas de operação do retificador. ... 27

3.4.1Operação do conversor na etapa 1. ... 27

3.4.2Operação do conversor na etapa 2. ... 27

3.4.3Operação do conversor na etapa 3. ... 27

3.4.4Operação do conversor na etapa 4. ... 27

3.5Equações das correntes. ... 22

3.5.1 Equacionamento das correntes na etapa 1. ... 29

3.5.2Equacionamento das correntes na etapa2. ... 29

3.5.3Equacionamento das correntes na etapa3. ... 29

3.5.4Equacionamento das correntes na etapa4. ... 29

3.5.5Resumo das correntes no setor 6. ... 29

CAPÍTULO IV – RESULTADOS DA SIMULAÇÃO ... 37

4.1 O conversor em diagrama de blocos... 38

4.2 O circuito de simulação do conversor ... 38

4.2.1 Medições das grandezas de entrada ... 39

4.2.2 Medições das grandezas descontínuas ... 44

4.2.3 Medições dos parâmetros de saída ... 44

CAPÍTULO V – RESULTADOS EXPERIMENTAIS DO PROTÓTIPO ... 47

5.1. Especificações do protótipo ... 50

5.2 O Protótipo ... 50

5.3 Testes em bancada ... 50

5.3.1 Medições dos parâmetros ... 52

5.3.2Medições dos parâmetros em ventos de 8 m/s ... 54

CONCLUSÃO ... 58

REFERÊNCIAS ... 60

APÊNDICE A ... 64

APÊNDICE B ... 64

ANEXO A ... 64

(13)

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 – Rendimento de diversos tipos de turbinas ... 4

Figura 1.2 – Rendimento de TEEH com diferentes números de pás ... 5

Figura 1.3 – Típico sistema de geração eólica... 6

Figura 1.4 – PMSG ... 6

Figura 1.5 – Descarga no regime 20 horas a 25ºC ... 7

Figura 1.6 – Recarga no regime 20 horas a 25ºC ... 8

Figura 1.7 – Máxima potência para diferentes velocidades do vento ... 8

Figura 1.8 – Sistema eólico típico para carga de baterias ... 9

Figura 1.9 – Controle em velocidade fixa, (a) mecânico e (b) com chaves semicondutoras ... 10

Figura 1.10 – Controle em velocidade variável, (a) diodos e (b) com chaves semicondutoras 11 Figura 2.1 – Ponte de Graetz ... 12

Figura 2.2 – Ponte de Graetz paralelo boost ... 13

Figura 2.3 – Ponte de Graetz série buck ... 14

Figura 2.4 – Ponte de Graetz série buck-boost ... 15

Figura 2.5 – Ponte de Graetz série boost ... 16

Figura 2.6 – Corrente média (a) modo descontínuo e (b) modo contínuo... 18

Figura 2.7 – Retificador buck totalmente controlado ... 19

Figura 2.8 – Retificador buck-boost totalmente controlado ... 19

Figura 2.9 – Retificador boost totalmente controlado ... 20

Figura 2.10 – Retificador boost semicontrolado ... 21

Figura 3.1 – Retificador boost semicontrolado ... 22

Figura 3.2 – Tensões de saída do gerador ... 23

Figura 3.3 – Setores das tensões de saída do gerador ... 23

Figura 3.4 – Corrente de alta frequência em uma fase ... 24

Figura 3.5 – Correntes trifásicas de alta frequência ... 25

Figura 3.6 – Pulsos de gatilho e correntes trifásicas do setor 6 ... 26

Figura 3.7 – Correntes durante a etapa 1 ... 27

Figura 3.8 – Correntes durante a etapa 2 ... 28

Figura 3.9 – Correntesdurante a etapa 3 ... 28

Figura 3.10 – Correntes nulas durante a etapa 4... 29

Figura 3.11 – Circuitos das etapasde operação do retificador no setor 6 ... 29

Figura 3.12 – Circuito equivalente da etapa 1 ... 30

Figura 3.13 – Circuito equivalente da etapa 2 ... 32

Figura 3.14 – Circuito equivalente da etapa 3 ... 34

Figura 3.15 – Circuito equivalente da etapa 4 ... 35

Figura 4.1 – Sistema de geração eólica proposto ... 37

(14)

xiv

Figura 4.3 – Tensões e correntes de entrada ... 40

Figura 4.4 – Tensão e corrente de entrada na fase a ... 40

Figura 4.5 – Correntes de linha de alta frequência ... 41

Figura 4.6 – Amostra das correntes de alta frequência ... 41

Figura 4.7 – Amostra das correntes destacando as etapas de operação do retificador ... 42

Figura 4.8 – Tensões e correntes de alta frequência nos indutores ... 42

Figura 4.9 – Tensão e corrente de alta frequência no indutor da fase a ... 43

Figura 4.10 – Fator de potência na fase a ... 43

Figura 4.11 – THD da corrente na fase a ... 44

Figura 4.12 – Potência média na saída do conversor ... 44

Figura 4.13 – Potência nominal na saída do conversor ... 45

Figura 4.14 – Corrente média na saída do conversor ... 45

Figura 4.15 – Detalhe da corrente média na saída do conversor ... 46

Figura 5.1 – Diagrama do protótipo do conversor... 47

Figura 5.2 – Foto doprotótipo do conversor ... 51

Figura 5.3 – Bancada de testes do protótipo ... 51

Figura 5.4 –Po versus uv ... 53

Figura 5.5 – Vo versus uv ... 53

Figura 5.6 – Curva do rendimento ... 54

Figura 5.7 – Pulsos e corrente de alta frequência ... 55

Figura 5.8 – Tensão e corrente de alta frequência de entrada ... 55

Figura 5.9 – Tensão e corrente de alta frequência no indutor ... 56

Figura 5.10 – Tensão na chave e corrente de alta frequência no indutor ... 56

(15)

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 – Setores da fase b em menor potencial... 21

Tabela 3.2 – Setores da fase c em menor potencial. ... 22

Tabela 3.3 – Setores da fase a em menor potencial. ... 22

Tabela 3.4 – Correntes nos indutores nosetor 6. ... 22

Tabela 3.5 – Efeito descontínuo das correntes nos indutores nosetor 6. ... 22

Tabela 3.6 – Correntes em cada etapa dosetor 6. ... 22

Tabela 5.1 – Parâmetros do aerogerador. ... 54

Tabela 5.2 – Especificações dos diodos. ... 55

Tabela 5.3 – Especificações das chaves semicondutoras. ... 56

Tabela 5.4 – Especificaçõesdo banco de baterias. ... 56

Tabela 5.5 – Especificações globais do protótipo. ... 56

Tabela 5.6 – Dados obtidos das medições. ... 56

(16)

xvi

L

ISTA DE

A

BREVIATURAS E

S

IGLAS

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contínua

CCM ContinuosConductionMode

DCM DiscontinuosConductionMode

F.T. Função de transferência

MPPT Maximum Power Point Tracker

PWM Pulse WidthModulation

PMSG PermanentMagnetSyncronousGeneration

THD Total HarmonicDistortion

(17)

L

ISTA DE

S

ÍMBOLOS

C1(µF) Capacitor do filtro LC de entrada a

C2(µF) Capacitor do filtro LC de entrada b

C3(µF) Capacitor do filtro LC de entrada c

D Razão cíclica

D1 a D6 Diodos das pontes retificadoras

D7 a D9 Diodos dos conversores em pontes retificadoras

fs(Hz) Frequência de comutação dos interruptores

fp Fator de potência

G Ganho do conversor

ILa(A) Corrente no indutor da fase a

ILb(A) Corrente no indutor da fase b

ILc(A) Corrente no indutor da fase c

Is(A) Corrente na carga

La(mH) Indutor do filtro LC de entrada a

Lb(mH) Indutor do filtro LC de entrada b

Lc(mH) Indutor do filtro LC de entrada c

n Relação de transformação do transformador

Pe(W) Potência de entrada do conversor

Po(W) Potência de saída do conversor

Rs(ohm) Resistência de carga do conversor

S1 e S6 Interruptores do conversor ponte completa

S1 a S3 Interruptores do conversor semicontrolado

Ts(s) Período do pulso PWM

Va(V) Tensão de entrada na fase a

Vb(V) Tensão de entrada na fase b

Vc(V) Tensão de entrada na fase c

(18)

xviii

Vch(V) Tensão sobre as chaves dos conversores

Vo(V) Tensão de saída do conversor

Vbat(V) Tensão da bateria

η Rendimento global do conversor

uV(m/s) Velocidade do vento

(19)

A grande extensão territorial brasileira, 8.514.876,599 km2[1], se constitui por uma diversidade de ambientes geográficos e climatológicos que influíram na maneira irregular como se deu asua ocupação. Isso resultou em grandes áreas desabitadas ou com baixa densidade populacional. As ocorrências mais acentuadas se encontram nas regiões norte, nordeste e centro oeste, nas quais pequenas comunidades vivem em áreas com baixo índice de desenvolvimentohumano. Seus habitantes ainda sofrem com a ausência dos serviços públicos como energia elétrica, entre outros serviços essenciais.

O programa de eletrificação “Luz para Todos”, instituído pelo decreto nº 4.873, de 11 de novembro de 2003[2], coordenado pelo Ministério das Minas e Energia, com a meta de universalização do fornecimento de energia elétrica para cerca de 12 milhões de pessoas estava previsto para se encerrar em 2008. Prorrogado para o exercício 2010, estendeu-se por 2011, com previsão para concluir com o atendimento de 13,6 milhões de pessoas.Entretanto odecreto nº 7.520 de 11 de julho de 2011[3] prorroga e amplia o programa para até 2014. A ampliação do programa visa contemplar também os assentamentos rurais, comunidades indígenas, quilombolas, comunidades extrativistas, escolas, postos de saúde e poços de água comunitários.A expectativa final do programa é atender 16 milhões de pessoas

O atendimento dessas comunidades, a partir dos sistemas convencionais, tem custos elevados, em função das longas distâncias até os centros de distribuição.A busca por uma solução para o cumprimento do programa suscitou a criação da Resolução Normativa nº 83da Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL(2004)[4]. Essa resolução estabelece os procedimentos e as condições em que as distribuidoras poderão fornecer energia elétrica para comunidades isoladas por intermédio de Sistemas Individuais de Geração de Energia Elétrica com Fontes Intermitentes – SIGFI.

(20)

2

obedecendo às diretrizes da Resolução n° 127/2004 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL).

O Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, publicado pelo Centro de Referência para Energia Solar e Eólica – CRESESB/CEPEL [5], apresenta ambientes geográficoscom grande potencial eólico e situados em regiões desassistidas e propícias à implantação de sistemas eólicos isolados.

Este trabalho se insere nesse contexto, faz uma avaliação das vantagens e desvantagens das principais topologias dos conversores CA/CC, alimentados pelos sistemas eólicos e empregados para o carregamento de baterias. E, finalmente, propõe o desenvolvimento de uma solução robusta e de baixo custo para o fornecimento de energia elétrica a partir de sistemas eólicos isolados.

O estudo enfatiza a construção de um conversor trifásico semicontrolado. Construído com apenas três chaves semicondutoras, opera no modo descontínuo com função boost. A investigação sobre o seu funcionamento, comparado ao de outros conversores com a mesma aplicação, pretendeconcluir tratar-se de um conversor com elevado fator de potência, baixa taxa de distorção de harmônicas (THD) e uma melhor transferência de potência, para recarregar um banco de baterias.Os resultados teóricos e experimentais devem comprovar tratar-se de um conversor eficiente e de baixo custo.

O trabalhose inicioucom a avaliação do cenário nacional das populações desassistidas de serviços públicos e os planos governamentaispara a universalização do fornecimento de energia elétrica. Dando continuidade, avalia o contraste do registroda abundância do potencial eólico em regiões historicamente carentes,enfatiza a oportunidade da exploração desta fonte de energia alternativa, inesgotável e limpa. Apresenta, ainda, a normatização da ANEEL para o fornecimento de energia elétrica a partir de sistemas isolados,e, finalmente, propõe um conversor robusto e de baixo custo para efetuar a conversão CA/CC e o armazenamento da energia em um banco de baterias.

(21)

No Capítulo III realiza-se a análise teórica e o equacionamento do conversor proposto. São apresentadas as etapas de operação do conversor e os respectivos circuitos equivalentes, acompanhados da demonstraçãodas equações das correntes em cada etapa da operação.

No Capítulo IV, são modeladas as estruturas do sistema eólico. Os módulos de geração integrados ao conversor serão construídos no ambiente de simulação. São realizadas simulações que representam os casos típicos dos ventos e o registro das variações dos principais parâmetros do sistema.

No Capítulo V,apresentam-se os aspectos construtivos do protótipo e o arranjo de equipamentos e instrumentos empregados para a realização das medições dos resultados experimentais. São mostradas, ainda, as principais formas de onda do sistema em regime permanente, com a finalidade de avaliar o desempenho do protótipo.

(22)

CAPÍTULO I

FUNDAMENTOS DA GERAÇÃO EÓLICA ISOLADA

O vento possui energia na forma cinética e quando interage com as pás de uma turbina transfere parte dessa energia, para ser transformada em movimento de rotação de um eixo, acoplado a um gerador trifásico,entretanto grande parte desta energia é desperdiçada. Capturar o máximo desse potencial é um desafio que se tenta resolver com a construção de turbinas em diversos formatos. Entretanto os estudos do físico alemão Albert Betz (1926) concluíram que a máxima potência teórica capturada pela turbina equivale a 59% da potência do vento;eficiência medida pela relação entre a potência mecânica e potência do vento, chamada coeficiente de Betz, Cp[6]. Estudos posteriores e para diversos tipos de turbinas apresentamos resultados na forma de gráficos. A Figura 1.1[7] relaciona o coeficiente de potência, Cpversus λ, a relação entre a velocidade linear na ponta da pá e a velocidade do vento.

(23)

1.1Turbinas eólicas de pequeno porte

Os principais tipos de turbinas eólicas são classificados em dois grupos: as Turbinas Eólicas de Eixo Horizontal (TEEH),em que as pás giram paralelamente à direção do vento e as Turbinas Eólicas de Eixo Vertical (TEEV),em que as pás giram perpendicularmente à direção do vento. O potencial de energia a ser captado pelo sistema eólico e o local da implantaçãosão importantes para definir, entre as variações dos tipos de turbinas,qual oferecerá as melhores vantagens para cada aplicação.

As pesquisas emaerodinâmica mostraram que as turbinas de eixo horizontal de três pás, quando comparado com outros modelosde turbinas, são a melhor escolha para sistemas de geração de energia elétrica em espaços abertos,Figura 1.2 [8].

Figura 1.2 – Rendimento de TEEHcom diferentes números de pás.

(24)

3

Figura 1.3 – Típico sistema de geração eólica.Fonte:[9]

O fornecimento de energia elétrica nessas condições requer o desenvolvimento de um sistema robusto. Dispositivos e módulos de fácil transporte, instalação e baixa intervenção para manutenção.

1.2Os geradores eólicos de pequeno porte

Atualmente, o aproveitamento do potencial eóliconas aplicações de média e baixa potênciaoferece as tecnologias dosGeradoresSíncronos de ÍmãsPermanentes(PMSG)[10], Figura 1.4. Usualmente construídos com grande número de polos, com ímãs de neodímio, apresentamelevada eficiência. Dispensam acaixa de engrenagens, multiplicadoras da velocidade de rotação do eixo. O PMSG[11] apresenta núcleo e estator em formato toroidale eixo acoplado diretamente ao eixo do gerador. Possui reduzidas dimensões e alta capacidade para gerar energia, mesmo em baixa velocidade de rotação da turbina.

Figura 1.4–PMSG.Fonte:[10]

(25)

características do projeto. As construções mais comuns são formadas por três enrolamentos espaçados de 120° mecânicos ao redor do estator, resultando em um sistema de geração trifásica[12].

O rotor é composto por dois discos, um em cada lado do estator, que atuam naturalmente como um ventilador, proporcionando uma boa refrigeração para os enrolamentos do estator, que opera com um alto carregamento elétrico.

1.3As baterias em sistemas eólicos

As tecnologias de construção de baterias químicas oferecem uma variedade de tipos, cada um melhor apropriado às condições em que serão utilizadas.Fatores como custo, tempo de uso intermitente, vida útil, condições de carga e descarga, manutenção,entre outros, são decisivos para a sua escolha.

O prolongamento da vida útil das baterias depende da adoção das recomendações dos fabricantes. São procedimentos que exigem o controle de tensão e corrente, bem como a temperatura, Figuras 1.5 e 1.6[13]. Esses cuidados têm a finalidade de evitar danos à bateria por sobrecarga ou descarga profunda, porém o cumprimento dos requisitos do fabricante são difíceis de serem obedecidos, especialmente nas condições da operação com fontes intermitentes como a eólica.

(26)

5

Figura 1.6 – Recarga no regime 20 horas a 25º C.Fonte:[13]

As considerações sobre os requisitos para a operação isolada, onde não há regularidade das recargas e operam por longos períodos e sem monitoração, resultam na escolha das baterias chumboácido. São as baterias estacionárias mais populares. Possui baixo custo, elevada vida útil, fácil obtenção e instalação. Não requer a reposição de líquidos, dispensa a manutenção comum nas baterias estacionárias.Essas baterias são mais conhecidas pelas suas aplicações automotivas.

Enfim, são as técnicas de transferência de máxima potência gerada para as baterias que garantem a sua operação sem o comprometimento da sua vida útil.

1.4Os conversores para sistemas eólicos

A inconstância dos ventos produz para cada velocidade uma rotação proporcional e, consequentemente, uma potência diferente, Figura 1.7.

Figura 1.7 – Máxima potência para diferentes velocidades do vento.

(27)

tecnologias adaptadas a essas condições. Todas com a finalidade de obter o melhor aproveitamento do potencial eólico. Essas tecnologias podem ser organizadas em dois grupos: os de geração com velocidade fixa e os de geração com velocidade variável[14].

Definidas as características do sistema de geração e armazenamento de energia, serão avaliadas as técnicas de construção e operação dos conversores, Figura 1.8. O emprego de cada técnica depende da modalidade de geração: fixa ou variável.

Figura 1.8 – Sistema eólico típico para carga de baterias.Fonte: Pesquisa direta, 2011.

1.4.1Geração com velocidade fixa

A construção de sistemas de geração com velocidade fixa,geralmente, utilizam geradores de indução assíncronos (ASG), com geradores de tecnologia mais simples e sem necessidade de excitação em corrente contínua, Figura 1.9[15] e [16].

Os sistemas de geração com velocidade fixa apresentam como vantagens a simplicidade, robustez e baixo custo de projeto. Esses sistemas mantêm constante a velocidade de rotação da turbina, independente da velocidade do vento através de um sistema de controle mecânico. Para o caso de ventos mais fortes, um sistema de frenagem é ativado e limita a rotação da turbina. Para ventos fracos, uma caixa de engrenagens acoplada ao eixo da turbina multiplica a rotação do eixo do gerador, compensando as perdas de potência, porém essa solução é quase sempre onerosa e exigem constantes manutenções, Figura 1.9.a.

Nessamodalidade, a eficiência da turbina fica reduzida e, eventualmente, quando a velocidade do vento alcançar o valor fixado, é que se obterá o máximo rendimento.

(28)

7

velocidade de rotação do rotor e consequentemente da geração.

Figura 1.9 –Controle em velocidade fixa, (a) mecânico e (b) com chaves semicondutoras.

Fonte:[15]

1.4.2Geração com velocidade variável

Os sistemas de velocidade variável utilizam tanto geradores assíncronos quanto síncronos,Figura 1.10[16] e [17];a rotação da turbina varia de acordo com a velocidade do vento, observando-se as limitações impostas pelo sistema de controle para os casos de velocidades excessivas.

Os sistemas de geração com velocidade variável apresentam como vantagenso funcionamento para diversas velocidades do vento. Dessa maneira, viabiliza a aplicação de técnicas de controle que maximizam o aproveitamento de potência produzida.

Para o caso de ventos mais fortes,o sistema de controle modula os pulsos de ativação das chaves no sentido de ampliar a impedância “vista” pelo gerador, resultando na frenagem do rotor e limitando a rotação da turbina.

Esses sistemas admitem tanto os geradores de induçãocomo os Geradores Síncronos de Ímã Permanente de Fluxo Axial (PMSG). Os geradores síncronos podem alimentar os retificadores construídos com diodos de potência, Figura 1.10.a. Os retificadores construídos com chaves controladas ou destas em combinação com os diodos de potência, Figura 1.10.b, podem ser alimentados tanto por geradores de indução quanto pelos PMSG.

(29)

1.5Conclusão

(30)

CAPÍTULO II

SISTEMAS EÓLICOS PARA CARREGAMENTO DE BATERIAS

O desenvolvimento do sistema de conversão eólica tem a finalidade de integrar o gerador ao sistema de armazenamento de energia. O conversor estático pode ser projetado segundo as diversas configurações e a decisão de escolha depende da avaliação de características, como as suas qualidades técnicas, operacionais e econômicas.

As topologias usuais dos conversores para aplicação em sistemas isolados, além da robustez esperada, devem satisfazer requisitos que garantam a sua eficiência[18]. No estudo de cada uma serão enfatizadas as condições críticas para o desempenho de cada conversor segundo os parâmetros:

 Capacidade de operar em todas as faixas de velocidades do vento;

 Extrair a máxima potência gerada (MPPT);

 Fator de potência quase unitário;

 Monitoração e controle da carga e descarga do banco de baterias.

Os conversores podem ser classificados como controlados e não controlados, segundo a sua capacidade de ajustar o valor da tensão de saída. Os conversores não controlados quase sempre retificam a tensão do gerador através de umaponte de diodos ou ainda através da ponte de diodos associada a conversores controlados com chaves semicondutoras.

(31)

2.1Conversor de alto desempenho

O baixo rendimento dos retificadores empregados nos sistemas isolados convencionais estimula o desenvolvimento de conversores capazes de extrair uma maior quantidade de energia do mesmo módulo de geração. Designados “conversores de alto fator de potência ou

de alto desempenho”, [20]. Essas novas topologias admitem um incremento das cargas que poderão ser supridas pela estrutura de geração.

Os conversores controlados alcançam a condição de alto desempenho, pois o módulo de controle efetua o rastreamento e extração do MPPT através da aplicação de algumas das técnicas como tabelas de pesquisa, curvas de interpolação, algoritmos de Perturbar e Observar (P&O), dentre outras[21]. O emprego dessas técnicas visa regular a razão cíclica, que resulta nos modos de acionamento das chaves semicondutoras e consequentemente na eficiência do conversor.

A variação da velocidade dos ventos é um dos fatores que influi diretamente na eficiência do conversor. A velocidade dos ventos resulta na geração de uma tensão comamplitude e frequência variadas, problema indesejável e que prejudica a qualidade da energia disponibilizada no barramento de saída[22]. Essa condição pode ser caracterizada por três casos típicos, representados pelas situações:

Caso 1: Baixa velocidade dos ventos;  Caso 2: Médias velocidades dos ventos;  Caso 3: Velocidades excessivas dos ventos.

No caso 1, as baixas velocidades dos ventos implicam geração de tensãode linha, cuja amplitude poderá ser menor que a tensão do banco de baterias, dificultando o processo de carga do mesmo. Isso induz o controlador a ampliar a razão cíclica e o conversor aumenta a quantidade de energia aproveitada e disponibilizada no barramento CC.

O caso 2, onde as velocidades dos ventos se encontram na situação desejada, ocorre geração de tensão de linha ideal para a carga do sistema de acumuladores. Aqui, os ventos na faixa de segurança de operação da turbina promovem o modo usual de funcionamento do conversor. A atuação da malha de controle se dá no sentido de manter os níveis de carregamento das baterias.

(32)

11

que atua limitandoa transferência de potência. Esse procedimento altera o valor nominal da carga, que resulta emmaior impedância e reduz a geração e, consequentemente, o controleda velocidade de rotação da turbina.

Trata-se de uma topologia com a vantagem de controle da tensão aplicada no barramento CC para qualquer dos casos relacionados às velocidades do vento.

Em todos os casos, ocontrolador atua de maneira que as correntes de entrada do conversor permaneçam em fase com as tensões, concorrendo para a obtenção de um elevado fator de potência e a consequente redução das taxas de distorção harmônicas. São as estratégias de controle para a obtenção e transferência da máxima potência gerada[23] e [24]. O conversor será tão eficiente quanto mais puder processara tensão, independente das suas variações e disponibilizar no barramento a tensão CC que alimentará o banco de baterias.

2.2Topologiados conversores não controlados

Os conversores não controlados tem como base um arranjo de diodosque retificama tensão CA.Nesses conversores, os casos típicos do potencial eólico produzem três resultados característicos entre a tensão retificada, ou disponibilizada no barramento e a tensão da bateria, que são:

 Caso 1: A tensão gerada é inferior à tensão da bateria, (Vlinha<Vbat).  Caso 2: A tensão gerada é superior à tensão da bateria, (Vlinha>Vbat).

 Caso 3: A tensão gerada é elevada em relação à tensão da bateria, (Vlinha>>Vbat).

Essas condições afetam o funcionamento dos conversores e cada topologia requer a aplicação de técnicas para alcançar um melhor rendimento. A seguir, apresentam-se as topologias dos conversores não controlados mais empregadas para a carga de baterias[25] e [26].

2.2.1 Retificador não controlado ponte de Graetz

(33)

Figura 2.1 – Ponte de Graetz.

Embora exista simplicidade e robustez nessa configuração, sérios problemas estão associados a essa solução, pois, efetivamente, não há um modo de extração da potência máxima disponível pelo vento;isso submete as baterias a um carregamento irregular, ocasionando a redução da sua vida útil.

Avaliando o seu funcionamento para os casos típicos da geração,tem-se:

 No caso 1, não haverá transferência de energia, visto que a tensão gerada é insuficiente para manter a tensão do barramento. Nesse caso, a tensão da bateria será superior à tensão gerada, consequentemente, os diodos da ponte se encontrarão reversamentepolarizados. Sem carga,o gerador opera em vazio, favorecendo a tendência deacelerar a rotação da turbina, provocando uma redução do coeficiente de potência.Por outro lado,tal condição inviabiliza a transferência de potência.

 No caso 2, salvo a ordem de grandeza da Vlinha, ocorrerá a transferência de potência dentro da faixa operacional do sistema, porém, sem um módulo de controle, não se pode quantificar a sua eficiência.

 No caso 3, ocorrerá uma excessiva transferência de potência, que poderá resultar em danos irreversíveis ao acumulador pela falta de um módulo de controle. Esse caso ocorre com ventos mais intensos e demonstra a necessidade de se aplicar um elemento de controle com o objetivo de proteger as baterias e aproveitar de forma eficiente a potência gerada.Sem um módulo de controle,o sistema mecânico também corre sérios riscos de danos da sua estrutura.

(34)

13

 Associação paralela a um conversor elevador (conversor boost);  Associação série a um conversor abaixador (conversor buck);

 Associação série a um conversor abaixador-elevador (conversor buck-boost);  Associação série a um conversor elevador(conversor boost).

Para qualquer das topologias escolhidas haverá a necessidade de controlar a tensão gerada e compatibilizar a tensão de saída com os limites de carga das baterias.

2.2.2 Ponte de Graetz em paralelo com o conversor boost

A associação em paralelo com um conversor boost, Figura 2.2,tem a finalidade de regular a tensão do barramento CC e a impedância vista pelo gerador quando a tensão gerada for insuficiente para polarizar os diodos da ponte[27].

Figura 2.2–Ponte de Graetz paralelo boost.

As três condições dos ventos submetem o conversor a operar segundo os casos:

 No caso 1, aturbina opera em baixa rotação, característica do pouco potencial dos ventos e, consequentemente,a tensão gerada é de baixa intensidade. Com os diodos da ponte bloqueados,entra em operação o acionamento da chave semicondutora, que habilita o conversor boost.Assim, embaixas velocidades do vento,tem-se a transferência de potência para a carga.

 No caso 2, a elevação da tensão gerada, ao superar a tensão da bateria, desativa a malha de controle e o conversor boost. Entram em operação o retificador e as mesmas desvantagens descritas anteriormente.

(35)

havendo a necessidade da comutação de uma carga extra, com a finalidade de consumir o excesso de energia. Esse aumento da impedância ocasiona um esforço maior do gerador para manter a tensão de saída e, consequentemente,a diminuição da velocidadede rotação do eixo do gerador, reduzindo a rotação da turbina.

Sua grande desvantagem é que o conversor boost atuará apenas para baixas velocidades do vento e não exerce proteções e controle de carga das baterias. Nos casos de médias e altas velocidades de vento, este se desvincula da estrutura boost e o processamento de energia se deve apenas ao retificador ponte de Graetz. Portanto ainda será necessário utilizar algum conversor com o objetivo de rastrear a máxima potência gerada.

2.2.3 Ponte de Graetz em série com o conversor buck

Os retificadores tipo buck, Figura 2.3,ou redutor, são ativados por uma única chave semicondutora e se caracterizam por apresentarem a tensão de saída inferior à tensão de entrada. Apresentam como grande vantagema capacidade de limitar as elevações abruptas da corrente de entrada e a proteção contra curto-circuitos na carga. A corrente retificada, mas pulsada e alto DHT, requer capacitores de valor elevado para reduzir a ondulação da corrente.

Figura 2.3–Ponte de Graetz série buck.

A sua operação também está sujeita às condições típicas da variação da intensidade dos ventos de tal maneira que:

(36)

15

 No caso 2, com o controle da razão cíclica, o conversor poderá manter a transferência da máxima potência gerada e o regime de carga da bateria, porém sem a quantização do rendimento.

 No caso 3, asituação requer um sistema de controle mais bem elaborado, capaz de gerenciar a carga da bateria e ainda criar estratégias de limitação da geração. O controle da carga é uma alternativa para garantir a recarga da bateria.

O baixo rendimento do conversor vem do fato de que, seja qual for o rendimento, o seuganho estático será menor que a unidade, característica do conversor abaixador.

2.2.4 Ponte de Graetz em série com o conversor buck-boost

Para uma boa eficiência desse arranjo, Figura 2.4, é importante que a velocidade dos ventos permaneça em torno dos valores nominais para o tipo de aerogerador escolhido (9 a 12m/s). Assim, a tensão na saída do retificador se mantém na condição de operação quando ocorre a máxima potência.

Figura 2.4–Ponte de Graetz série buck-boost.

O conversor requer um eficiente sistema de controle, capaz de atuar com função buck

e função boost, além dos requisitos de transferência da máxima potência e monitoração da carga das baterias. Isso requer a geração de pulsos PWM apropriados a cada caso.

 No caso 1, a geração de baixa tensão requer uma operação em que haja a ampliação da tensão. Portanto os pulsos de acionamento da chave ou razão cíclica farão a configuração do conversor operar no modo boost. Dessa forma, o conversor apresentará uma tensão de saída superior à tensão de entrada.  No caso 2, o controle da razão cíclica poderá levar o conversor a operar como

(37)

das baterias e da monitoração do ponto de máxima geração de potência.

 No caso 3,sea razão cíclica for menor que 0,5 (D<0,5), o conversor atuará como buck ou abaixador. Assim nos casos de geração excessiva o conversor limitará a tensão de saída. O controle da tensão de saída garante a manutenção das condições de carga das baterias.

O sistema de controle deste conversor apresenta relativa complexidade e a sua atuação não garante alto rendimento, visto que a etapa de retificação continua sendo efetuada pela ponte de Graetz.

2.2.5 Ponte de Graetz em série com o conversor boost

Este conversor, Figura 2.5,tem a vantagem de possuir características de fonte de corrente na entrada e de fonte de tensão na saída.

Figura 2.5–Ponte de Graetz série boost.

A tensão de saída é superior à tensão de entrada, uma vantagem, principalmente, nos casos de baixas rotações[28]. As condições de variação da velocidade dos ventos influenciam na operação do conversor:

 No caso 1, ovalor mínimo para o ganho estático éG=1 e a saída sempre terá maior potencial que a entrada. Nesse caso,a geração de baixa tensão é compensada pela ampliação da tensão, característica do conversor.

 No caso 2,situação sem controle, visto que para esta situação Ddeveria ser menor,D<0,5. Caso impraticável, pois se é elevador Vlinha>Vbat.

(38)

17

As estratégias de controle a serem aplicadas neste conversor são relativamente complexas, pois exigem um sistema que regule a tensão do banco de baterias, que seja capaz de implementara monitoração dos pontos de máxima geração de potência, MPPT e também de reduzir a rotação da máquina diante de elevados níveis de tensão sobre as baterias.

Apesar de poder operar em todas as faixas da geração, esta topologia não é muito usual em Sistemas Eólicos de Pequeno Porte (SEPPs) devido à necessidade de se utilizar várias baterias em série para poder elevar a tensão de carga do sistema. Outra desvantagem é a corrente pulsante na saída, sendo necessário utilizar um filtro capacitivo de valor elevado.

2.3Topologia dos conversores CA/CC controlados

Nessa categoria, estão os conversores constituídos integralmente por chaves semicondutoras controladas ou em associação com diodos para fins de conversão CA/CC. O funcionamento desses conversores se dá através da programação de pulsos PWM de alta frequência, aplicados aos gatilhos das chaves semicondutoras. A sequência e duração da condução dessas chaves favorece a obtenção de uma relação entre tensão e corrente de entrada. Essa relação resulta no modo de operação desejado para a aplicação[29].

A razão cíclica ou a duração do pulso,aplicado no gatilho das chaves,implica duração das correntes de linha sobre os dispositivos acumuladores de energia. Portanto,pode-se controlar o valor médio da corrente aplicada na entrada do conversor, Figura 2.6,segundo os modos de operação contínua (MCC)e descontínua (MDC).

A Figura 2.6.a apresenta os picos da corrente aplicada na entrada do conversor e a corrente média senoidal resultante do modo de operação descontínuo. As etapas de condução das chaves são os trechos ascendentes dos picos. Em seguida, o período de descarga da energia acumulada, trechos descendentes dos picos, seguidos por um intervalo sem condução, quando ocorre a descarga completa da energia acumulada e, a seguir, reinicia-se o processo.

(39)

Figura 2.6–Corrente média (a) modo descontínuo e (b) modo contínuo.

Nos conversores controladostambém há a necessidade da aplicação das técnicas de controle de chaveamento,que podem ser mais ou menos complexas de acordo com a topologia escolhida e especificamente de acordo com os casos típicos das intensidades dos ventos, como nos casos a seguir:

 Caso 1: A tensão de linha é inferior à tensão da bateria. Nesse caso, as estratégias de chaveamento devem ampliar a quantidade de energia gerada e disponibilizada no barramento CC.

 Caso 2: A tensão de linhaé superior à tensão da bateria.Nesses casos, o sistema deverá manter os níveis de carregamento ótimo.

 Caso 3: A tensão de linhaé elevada em relação à tensão da bateria. Nesses casos,as estratégias de chaveamento devem reduzir a quantidade de energia gerada e disponibilizada no barramento CC.

As configuraçõesusuais dos conversores desenvolvidos para o carregamento de baterias, construídas com chaves semicondutores controladas são:

 Conversor abaixador(conversor buck);

 Conversor abaixador-elevador (conversor buck-boost);  Conversor elevador a seis chaves (conversor boost);  Conversor elevador a três chaves (conversor boost).

2.3.1Conversor redutorou buck

(40)

19

Figura 2.7–Retificador buck totalmente controlado.

Este conversor apresenta as vantagens da capacidade de limitar os crescimentos abruptos da corrente de entrada e a possibilidade de efetuar a proteção contra curto-circuitos na carga. Contudo, tem emprego limitado, uma vez que apresenta baixos rendimentos, pois a sua tensão de saída é sempre inferior ao valor da tensão de entrada. São elevadas as taxas de distorção harmônica das correntes de entrada, e, para reduzi-las, são utilizados os retificadores de estágio único, com seis semicondutores totalmente comandados. Por outro lado, essa configuração contribui para tornar a sua construção mais cara e ampliar acomplexidade dos circuitos de controle.

2.3.2 Conversor buck-boost ou redutor-elevador

No conversor CA/CC do tipo redutor-elevador,o ganho estático varia em função da razão cíclica. Então é possível obter tensões de saída com valor superior, igual ou inferior ao valor da tensão de entrada, Figura 2.8. Como os retificadores do tipo redutor, este conversor apresenta duas grandes vantagens quando comparados com os do tipo elevador, ou seja, tem a capacidade de limitar as elevações abruptas da corrente de entrada e a possibilidade de efetuar a proteção contra curto-circuitos na carga. O seu emprego nessa modalidade se dá para os casos de geração excessiva.

Quando a geração é de baixa tensão, a razão cíclica promove o conversor para a configuração de elevador de tensão, mantendo a transferência de potência.

(41)

O conversor de estágio único com seis chaves semicondutoras de potência, totalmente comandado, permite reduzir substancialmente a taxa de distorção harmônica das correntes de entrada, através do chaveamento da corrente em função da tensão de entrada.

Por outro lado, apresenta relativa complexidade na construção dos circuitos de controle do chaveamento dos semicondutores. E a quantidade de chaves semicondutoras contribui para a elevação dos custos de construção desse conversor.

2.3.3Conversorboost ouelevador totalmente controlado

Esse conversor, Figura 2.9, apresenta a vantagemde operar sob os modos contínuo ou descontínuo, a partir do ajusteda razão cíclica, efetuado pelo sistema de controle. A variação da razão cíclica se dá em função da velocidade do vento e com o tipo de rendimento desejado.

Figura 2.9–Retificadorboost totalmente controlado.

Os casos típicos de potencial dos ventos são medidos e realimentam o sistema de controle, que ajusta a razão cíclica para a elevação da tensão de saída compatível com a tensão de carga das baterias.

Entretanto os circuitos de controle das seis chaves são relativamente complexos.Outra desvantagem dessa topologiasão os custos elevados, tendo em vista o maior número de chaves de potência.

2.3.4Conversorboost ou elevador semicontrolado

(42)

21

Figura 2.10–Retificadorboostsemicontrolado.

Constituído por simples topologia e circuitos de controle, o que lhes conferem elevado rendimento e alta confiabilidade. Os semicondutores de potência operam com correntes reduzidas em relação à corrente de saída, pois em cada ciclo de condução pelo menos dois semicondutores estarão ativos, duas chaves ou uma das chaves e pelo menos um dos diodos.

Quando opera no modo contínuo, o componente de armazenamento de energia é submetido a uma corrente de entrada senoidal, porém não é totalmente descarregado ao fim de um ciclo de comutação, Figura 2.6.b. E o valor instantâneo da corrente armazenada tenderá a aproximar-se do seu valor médio, cuja forma de onda é semelhante à da tensão de alimentação, sendo tanto mais próxima desta quanto maior for a frequência de comutação.

Por outro lado, operando no modo descontínuo, Figura 2.6.a.,a energia armazenada nos indutores é completamente descarregada ao fim de cada ciclo de comutação. Dessa forma, a corrente média excursiona em fase com a tensão de entrada. Apesar das variações nos níveis de geração da tensão de entrada, o ajuste da razão cíclica produzirá uma corrente média que manterá a relação de fase com a tensão de entrada.

Esteconversorrequer um circuito de controle mais simples com a geração de pulsos PWM, construído com circuitos integrados para essa função. Os pulsos podem ser aplicados simultaneamente às três chaves.

2. 4 Conclusão

E, assim,apresentou-seum panorama das principais topologias de conversores aplicáveis ao carregamento de baterias, evidenciando as características do retificador trifásico semicontrolado. A sua operação no modo descontínuo proporciona a economia de dispositivos e simplificação da construção.

(43)

ANÁLISE DO RETIFICADOR SEMICONTROLADO

O retificador objeto deste estudo étambém conhecido comoRetificador Trifásico Semicontrolado em Alta Frequência (RTSCAF)[31], compõe a unidade de fornecimento de energia para as aplicações isoladas. Constituído por apenas três chaves semicondutoras e três diodos, Figura 3.1, requer um circuito de controle relativamente simples, visto que os pulsos são aplicados simultaneamente nas três chaves. Neste capítulo,será feita a análise do seu funcionamento com a apresentação das etapas de operação em cada uma das fases das tensões de entrada[32].

Figura 3.1 – Retificador boostsemicontrolado.

3.1 As tensões noretificador

(44)

23

Figura 3.2 – Tensões de saída do gerador.

Portanto, para as três fases, totalizam-se doze setores distintos, Figura 3.3.Cada setor corresponde a 30° ou π/6rad.

Figura 3.3 – Setores das tensõesde saída do gerador.

As relações de grandezas entre as tensões estão organizadas nas Tabelas 3.1, 3.2 e 3.3 totalizando os 360º.

Tabela 3.1 – Setores da fase b em menor potencial.

Setor 1 Setor 2 Setor 3 Setor 12

Vb< 0 Vb< 0 Vb< 0 Vb< 0

Va > 0 Vc> 0 Vc< 0 Va < 0

(45)

Tabela 3.2 – Setores da fase c em menor potencial.

Setor 4 Setor 5 Setor 6 Setor 7

Vc< 0 Vc< 0 Vc< 0 Vc< 0

Vb< 0 Vb> 0 Va> 0 Va< 0

Va > 0 Va >Vb Vb>Va Vb> 0

Tabela 3.3 – Setores da fase a em menor potencial.

Setor 8 Setor 9 Setor 10 Setor 11

Va <0 Va <0 Va <0 Va <0

Vc< 0 Vc> 0 Vb> 0 Vb< 0

Vb>0 Vb>Vc Vc>Vb Vc>0

3.2 As correntes no retificador

A tensão trifásica do aerogerador, aplicada ao conversor é processada a partir da comutação das chaves semicondutoras através de pulsos de alta frequência, neste caso fs = 50 kHz. Issoproduz uma sucessão de picos de correntes de alta frequência, como ilustra a Figura 3.4[33], que ainda destaca o valor médio senoidal da corrente. Os picos constituem as sucessivas etapas de habilitação e desabilitação da corrente de linha, impostas pela comutação da chave correspondente.

Figura 3.4 – Corrente de alta frequência em uma fase.

(46)

25

Figura 3.5 – Correntes trifásicas de alta frequência.

Das Tabelas 3.1, 3.2 e 3.3 verifica-se 12 (doze) combinações entre as três fases. Dessas combinações resultam também as relações entre as correntes. Por comodidade, escolhemos o Setor 6 para descrever o funcionamento do conversor, porém o mesmo procedimento vale para qualquer dos outros setores aos quais se aplicam as técnicas de análise de circuito que resultam nas equações que se encontram no Apêndice A, onde também são apresentados os circuitos equivalentes para cada setor.

3.3A operação descontínua do retificador

ATabela 3.4 apresenta as relações entre as correntes no Setor 6.

Tabela 3.4 – Correntes nos indutores nosetor 6.

Setor 6

iLc<0

iLa>0

iLb>iLa

(47)

Figura 3.6 – Pulsos de gatilho e correntes trifásicas do setor 6.

O ciclo ativo ou dutycycle da razão cíclica é ajustado de tal forma que a operação do conversor ocorra em quatro etapas distintas, demarcadas pelos intervalos Ds1, Ds2, Ds3 e Ds4. Em cada intervalo, as correntes sofrem modificações que caracterizam o modo de operação descontínuo. O estado de alteração dessas correntes produz no conversor um comportamento peculiar, resultante das etapas de operação imposta aos indutores de entrada.

A evolução das correntes no Setor 6 resulta em etapas que denotam o efeito de carga e descarga sobre os indutores, como mostra a Tabela 3.5.

Tabela 3.5 – Efeito descontínuo das correntes nos indutores nosetor 6.

Etapa Fase Ação

Ds1

b Carrega o Lb com maior potencial.

a Carrega o La com menor potencial.

c Carrega o Lc com menor potencial.

Ds2

b Descarrega o Lb mais lento.

a Descarrega o La mais rápido.

c Descarrega o Lc mais lento.

Ds3

b Continua a descarga do Lb mais lento.

a La descarregado.

c Continua a descarga do Lc mais lento.

Ds4 b

Lb descarregado.

a La descarregado.

(48)

27

3.4Etapas de operação do retificador

A análise qualitativa do retificador com operação no modo descontínuo resulta na obtenção de quatro etapas bem definidas que caracterizam o funcionamento do conversor e ocorrem em alta frequência e com as relações próprias dos 12 (doze) setores com diferentes relações entre as tensões e correntes.

Esse modo de operação, que na última etapa força a descarga completa dos indutores, impõe a corrente senoidal média a evoluir em fase com a tensão correspondente, condição essencial para a obtenção de um retificador com elevado fator de potência e baixa distorção harmônica total.

3.4.1 Operação do retificador na etapa 1

Nesta etapa, que ocorre no intervalo Ds1, é aplicado o pulso que leva as chaves a conduzirem, conforme a polarização dos diodos. Esse fato resulta no armazenando de energia nos indutores. Nesse caso, as chaves a e b conduzirão e energizarão os indutores correspondentes, conforme a tensão em cada fase, e o retorno se dará pelo diodo intrínseco da chave c, inversamente polarizada.

A Figura 3.7 destaca a operação do conversor no intervalo Ds1. Durante esse intervalo, não há corrente aplicada na carga e ocorre o armazenamento de energia nos indutores.

Figura 3.7 – Correntes durante a etapa 1.

3.4.2 Operação do retificador na etapa2

(49)

carga,e o retorno se dá através do diodo intrínseco da chave correspondente à fase de menor potencial. Todas as correntes tendem a reduzir-se e a corrente liberada pelo indutor menos carregado se extingue mais rapidamente.

Figura 3.8 – Correntes durante a etapa 2.

3.4.3 Operação do retificador na etapa3

A corrente do indutor da fase a se extingue ao final do intervalo Ds2. Inicia-se o intervalo Ds3 e as duas correntes resultantes, iguais em módulo, continuam decrescendo, passando pela carga, Figura 3.9, e, ao final do intervalo Ds3, estarão extintas.

Figura 3.9 – Correntes durante a etapa 3.

3.4.4 Operação do retificador na etapa4

(50)

29

Figura 3.10 – Correntes nulas durante a etapa 4.

As quatro etapas de operação do conversor são semelhantes em todos os setores, porém a variação dos potencias entre as fases produzem uma sequência própria de equações em cada setor.

3.5Equações das correntes

O equacionamento das correntes no conversor se dá a partir da análise quantitativa das topologias equivalentes da sua operação em cada uma das etapas.

Na Figura 3.11, encontram-se os circuitos equivalentes à operação do conversor no setor 6, destacando a orientação dos potencias e correntes.A fase c se encontra no menor potencial e a fase b no maior potencial. A fase a, embora em menor potencial que a fase b, se encontra em potencial positivo.

Figura 3.11 – Circuitos das etapasde operação do retificador no setor 6.

Condições iniciais da operação do conversor:

(51)

iv. (rad)

v. √

vi.

3.5.1 Equacionamento das correntes na etapa 1

Aplicam-se as leis das tensões e correntes de Kirchhoff (LTK e LCK) no circuito, Figura 3.12:

Figura 3.12 – Circuito equivalente da etapa 1.

(3.1)

(3.2)

(3.3)

Derivando (3.3),

(3.4)

Substituindo (3.4) em (3.2),

(3.5)

(52)

31 Rearranjando, tem-se:

(

)

(3.6)

Substituindo (2.6) em (2.1) e, após algumas manipulações algébricas,tem-se:

(

)

(3.7)

Substituindo (3.6) e (3.7) em (3.4),

(

)

(3.8)

Substituindo os dadosnas equações (3.6), (3.7) e (3.8),

( ( ) ( )) (3.9) ( ( ) ( )) (3.10) ( ( ) ( )) (3.11)

Agora integrando (3.9), (3.10) e (3.11) no intervalo Ds1(0 a Ds1),

( ( ) ( )) (3.12)

( ( ) ( )) (3.13)

(53)

3.5.2 Equacionamento das correntes na etapa 2

Figura 3.13 – Circuito equivalente da etapa 2.

(3.15)

(3.16)

Substituindo (3.4) em (3.16), tem-se:

(3.17)

Substituindo (3.15) em (3.4), tem-se:

Rearranjando, tem-se:

(

)

(3.18)

Substituindo (2.18) em (2.15) e, após algumas manipulações algébricas, tem-se:

(

)

(3.19)

(54)

33

( )

(3.20)

Substituindo os dados nas equações (3.18), (2.19) e (2.20),

( ( ) ( )

)

(3.21)

( (

) (

)

)

(3.22)

( (

) (

)

)

(3.23)

Agora integrando (3.21), (3.22) e (3.23) no intervalo Ds2,

( ( ) ( )) (3.24)

( ( ) ( )) (3.25)

( ( ) ( )) (3.26)

3.5.3 Equacionamento das correntes na etapa 3

Figura 3.14 – Circuito equivalenteda etapa 3.

(55)

(3.27) Derivando (3.27), (3.28)

(3.29)

Substituindo (3.28) em (3.29) e rearranjando,

(

)

(3.30)

Fazendo as substituições dos dados,

( ( ) ( )) (3.31) ( ( ) ( )) (3.32)

Agora integrando (3.31) e (3.32) no intervalo Ds3,

( ( ) ( )) (3.33)

(56)

35

3.5.4Equacionamento das correntes na etapa 4

Figura 3.15 – Circuito equivalenteda etapa 4.

(3.35)

(3.36)

(3.37)

(3.38)

(3.39)

(3.40)

3.5.5Resumo das correntes nosetor 6.

A Tabela 3.6 resume todas as equações das correntes nas três fases no setor 6, escolhido aleatoriamente para se analisar completamente neste capítulo, todas as equações das correntes em cada fase. Observa-se que as mesmas traduzem a ordem de grandeza entre as tensões em cada etapa do ciclo de comutação.

(57)

Tabela3.6 – Corrente em cada etapa do Setor 6

ETAPA EQUAÇÕES

Etapa 1

( ( ) ( ))

( ( ) ( ))

( ( ) ( ))

Etapa 2

( ( ) ( ))

( ( ) ( ))

( ( ) ( ))

Etapa 3

( ( ) ( ))

( ( ) ( ))

Etapa 4 , e

3.6Conclusão

(58)

CAPÍTULO IV

RESULTADOS DASIMULAÇÃO

Neste capítulo,apresenta-se a simulação do Retificador Trifásico Semicontroladoem Alta Frequência (RTSCAF), operando no modo descontínuo, conforme a Figura 4.1.

Os módulos foram desenvolvidos observando-se os parâmetros dos casos reais com o objetivo de confrontar os resultados teóricos e experimentais com os resultados simulados. O bloco 1 simula a ação dos ventos em uma faixa de 3m/s a 12m/s, enquanto os blocos 2 e 3 geram as condições de operações de uma turbina e um gerador, respectivamente. Em associação a esses módulos, foram estruturados os blocos de geração de pulsos para as chaves, com o ajuste da largura dos pulsos PWM de acordo com a velocidade do vento. Todos esses parâmetros são ajustados para condicionarem o funcionamento do conversorpropriamente dito, bloco5.Na saída do conversor, aplica-se um filtro capacitivo com a finalidade de reduzir as ondulações da tensão, bloco 6. E, finalmente, a tensão de linha é aplicada ao banco de baterias, bloco 7.

Imagem

Figura 1.1  –  Rendimento de diversos tipos de turbinas.
Figura 1.7  –  Máxima potência para diferentes velocidades do vento.
Figura 1.8  –  Sistema eólico típico para carga de baterias.Fonte: Pesquisa direta, 2011
Figura 3.2  –  Tensões de saída do gerador.
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Referências

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