Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Pedro Alexandre da Silva Costa Duarte
UMinho | 2010
Pedro Alexandre da S. Costa Duarte
Interface de um Gerador Eólico de
Pequena Potência com a Rede Eléctrica
Interface de um Gerador Eólico de
Pequena Potência com a Rede Eléctrica
Novembro de 2010
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Pedro Alexandre da Silva Costa Duarte
Interface de um Gerador Eólico de
Pequena Potência com a Rede Eléctrica
Tese de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores
Trabalho efectuado sob a orientação do
Professor Doutor Júlio Manuel de Sousa Barreiros
Martins
Novembro de 2010
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Júlio Manuel de Sousa Barreiros Martins meu orientador nesta
dissertação, pelo seu apoio, dedicação e disponibilidade demonstrada durante este
trabalho.
Ao Carlos Alberto Soares Oliveira pelo seu apoio no trabalho de revisão.
iii
Dedicado a
Ilda Maria Pereira de Sá
iv
Resumo
Resumo
O tema desta dissertação enquadra-se na área das energias renováveis, área onde o
Departamento de Electrónica tem vindo a desenvolver esforços nos últimos anos. Num
projecto de dissertação anterior foi construída por uma aluna do Mestrado Integrado em
Engenharia. Electrónica Industrial e Computadores, uma bancada de testes visando o
estudo de sistemas de energia eólicos de pequena potência. A bancada estava
praticamente completa, faltando apenas implementar a ligação à rede eléctrica.
O principal objectivo desta dissertação visou o estudo e implementação de sistemas
que permitam a ligação de aerogeradores de pequena potência à rede eléctrica,
privilegiando a simplicidade e o baixo custo das soluções, tendo em vista a sua
viabilidade económica.
Começou por fazer-se um estudo da problemática das energias renováveis em geral
e em Portugal em particular, com ênfase na energia eólica e na microgeração. Fez-se
também uma pesquisa de mercado tendo em vista conhecer o que já existe em termos de
aerogeradores de pequena potência e respectiva electrónica de interface com a rede
eléctrica.
Estudou-se em seguida algumas topologias/soluções alternativas para a ligação de
pequenas unidades eólicas de pequena potência (alguns kW) à rede eléctrica. Algumas
destas soluções foram projectadas e parcialmente implementadas e testadas.
Palavras-Chave:
Energias Renováveis, Geradores Eólicos, Interface com a Rede
Eléctrica
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
v
Abstract
Abstract
This dissertation’s theme is focused on renewable energies, an area in which the
Electronic Department has been directing its’ efforts over the past years. In a previous
dissertation project, a test stand was built by an Industrial Electronic Computer
Engineering Master’s student, with the purpose of studying small powered wind energy
systems. The stand was practically complete; the only thing missing was the connection
to the electrical network. The main goal of this dissertation was to study the interface of
small power aerogenerators with the electric network, emphasizing the simplicity and
the low cost of the whole system, trying to make it economically viable.
A preliminary study was made around renewable energies global issues. Then, the
Portuguese situation was also analyzed in more detail, with the emphasis on wind
energy and microgeneration. A market research was also made to assess which types of
small power aerogenerators are already available, including the electronics to interface
with the electrical grid. Then, some alternative solutions to link small power wind units
(a few kW) to the electric network were studied. Finally, some of these solutions were
designed, partially implemented and tested.
Key Words: Renewable Energies; Wind Generators; Interfacing with the Electrical
Network.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
vi
Índice
Índice
FIGURAS: .................................................................................................................................................. X
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................................................ 14
1
INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 14
1.1
PROBLEMÁTICA DAS ENERGIAS RENOVÁVEIS .............................................................................. 14
1.1.1
Potência Eólica Instalada na União Europeia (e no mundo) ............................................. 15
1.1.2
Energia Eólica em Portugal ............................................................................................... 18
1.1.3
Microgeração ..................................................................................................................... 19
1.1.4
Motivações do Trabalho ..................................................................................................... 22
1.1.5
Objectivos do trabalho........................................................................................................ 22
1.1.6
Organização da Dissertação .............................................................................................. 22
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................................................ 24
2
GERADORES EÓLICOS ................................................................................................................ 24
2.1
CARACTERÍSTICAS E CONDICIONANTES GERAIS DOS GERADORES EÓLICOS ............................... 24
2.1.1
Microgeradores eólicos ...................................................................................................... 30
2.1.2
Interfaces de Máquinas Geradoras com a Rede Eléctrica ................................................. 36
Interfaces de microgeradores comerciais .......................................................................................... 40
CAPÍTULO 3 ............................................................................................................................................ 41
3
ELECTRÓNICA DE INTERFACE................................................................................................ 41
3.1
CHOPPER CC/CC - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO .................................................................... 41
Conversor Step - down (buck) ............................................................................................................ 42
Conversor Buck -Boost ....................................................................................................................... 48
3.2
INVERSORES (CONVERSORES CC-CA) ......................................................................................... 50
3.2.1
Inversor em ponte completa (monofásico) .......................................................................... 51
3.2.2
Inversor Push-Pull .............................................................................................................. 52
3.2.3
Conexão diferencial de cargas ........................................................................................... 52
3.2.4
Inversor Flyback ................................................................................................................. 53
3.2.5
Inversor Trifásico ............................................................................................................... 54
3.2.6
Inversor em Z ...................................................................................................................... 55
3.3
CONTROLO DA TENSÃO DE SAÍDA DO INVERSOR .......................................................................... 63
3.3.1
Controlo através da manipulação da tensão CC fornecida ao inversor (tensão de entrada
do inversor) ........................................................................................................................................ 63
3.3.2
Controlo através da manipulação da tensão alternada à saída do Inversor ...................... 63
3.3.3
Controlo de tensão no próprio inversor ............................................................................. 63
3.4
MPPT (MAXIMUM POWER POINT TRACKING) ............................................................................... 66
3.4.1
Funcionamento ................................................................................................................... 66
3.4.2
Constituição do MPPT ....................................................................................................... 68
3.5
CONTROLO DE IGBTS ................................................................................................................. 69
CAPÍTULO 4 ............................................................................................................................................ 70
4
SIMULAÇÕES ................................................................................................................................. 70
4.1
SIMULAÇÕES DE CIRCUITOS PARA INTERFACE ............................................................................. 70
4.1.1
Simulação de interface tipo Push-Pull............................................................................... 70
4.1.2
Conexão diferencial de cargas ........................................................................................... 81
4.1.3
Inversor em Z ...................................................................................................................... 86
4.1.4
Inversor monofásico em ponte completa ............................................................................ 89
Obtenção de uma onda quadrada a partir de uma sinusoidal............................................................ 92
Rectificação ........................................................................................................................................ 92
CAPÍTULO 5 ............................................................................................................................................ 97
5
ESTUDO EXPERIMENTAL .......................................................................................................... 97
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
viii
Índice
5.1
TESTE DE CIRCUITOS ................................................................................................................... 97
CAPÍTULO 6 .......................................................................................................................................... 104
6
CONCLUSÃO ................................................................................................................................. 104
7
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................ 106
8
ANEXO A ........................................................................................................................................ 110
9
ANEXO B ........................................................................................................................................ 111
10
ANEXO C .................................................................................................................................... 112
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
ix
Figuras:
Figura 1.1 – Comparação de custos de energias renováveis [1] ................................................................. 14
Figura 1.2 – Movimentação geral do ar na Terra [3] .................................................................................. 15
Figura 1.3 – Potência eólica instalada a nível Europeu entre 2003-2005 [6].............................................. 16
Figura 1.4 – Potência eólica instalada a nível mundial, ano 2008 Fonte: GWEC ano 2010 [7] ................. 16
Figura 1.5 – Potência eólica instalada a nível mundial em 2008 e 2009 (MW) [8] .................................... 17
Figura 1.6 – Potência eólica instalada na Ásia em 2008 e 2009 (MW) [8] ................................................ 17
Figura 1.7– Potência eólica em Portugal ano 2007, distribuição e evolução anual [12] ............................. 18
Figura 1.8 – Microgeração em Portugal, tarifário; fonte: www.renovaveisnahora.pt ................................. 21
Figura 1.9 – Microgeração em Portugal, evolução de unidades; fonte: www.renovaveisnahora.pt ........... 21
Figura 1.10 – Sustentabilidade de edifícios com produção eólica; (fonte: SW Energy ; Positive Energy
Solutions) [13] ............................................................................................................................................ 21
Figura 2.1 – Gerador Eólico ....................................................................................................................... 25
Figura 2.2 – Diagrama com componentes de um gerador eólico (fonte: Petrobras) ................................... 25
Figura 2.3 - Esquema de gerador Eólico (Fonte: Petrobras) ....................................................................... 26
Figura 2.4 – Turbina de eixo vertical (à esquerda) e horizontal (à direita) [17] ......................................... 26
Figura 2.5 – Turbina de eixo horizontal [18] .............................................................................................. 27
Figura 2.6 – Direcção do vento numa turbina de eixo horizontal ............................................................... 27
Figura 2.7 – Turbina de eixo vertical Darrieus [21] ................................................................................... 28
Figura 2.8 – Parque eólico [24] .................................................................................................................. 29
Figura 2.9 – Microaerogerador de eixo horizontal Air Breeze, Southwest Windpower. Fonte: Air Breeze.
.................................................................................................................................................................... 31
Figura 2.10 – Microgerador Bergey BWC XL. 1kW, Fonte: Bergey ......................................................... 31
Figura 2.11 – Sistema microaerogerador, eixo horizontal, Fonte: SelfEnergy ........................................... 32
Figura 2.12 – Microgerador eólico Biotrust, Potências entre os 3,5kW e os 7,5 kW (eixo vertical) [28] .. 32
Figura 2.13 – Microgerador de eixo vertical [29] ....................................................................................... 33
Figura 2.14 – Turbina eólica Turby (eixo vertical) [30] ............................................................................. 33
Figura 2.15 – Aplicação doméstica de um aerogerador [32] ...................................................................... 34
Figura 2.16 - Microgerador eólico em Portugal, Póvoa do Varzim (eixo horizontal) [28] ......................... 35
Figura 2.17 – Microgerador eólico, Setúbal 7,5kW (eixo vertical) [28].................................................... 36
Figura 2.18 – Ligação de gerador eólico, conexão directa, conexão por conversor de potência ................ 37
Figura 2.19 – Formas de ligação de geradores eólicos assíncronos, conexão directa com controlo de
torque , conexão CA-CA ............................................................................................................................ 38
Figura 2.20 – Ligação de gerador eólico assíncrono com rotor bobinado em conexão directa .................. 38
Figura 2.21 – Ligação de geradores eólicos síncronos ............................................................................... 39
Figura 2.22 – Ligação gerador eólico de íman permanente ........................................................................ 39
Figura 2.23 – Gerador eólico com conexão directa (circuito de excitação) ................................................ 40
Figura 3.1 – Princípio de funcionamento do chopper CC-CC .................................................................... 41
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
x
Lista de Figuras
Figura 3.2 – Forma de onda na resistência ................................................................................................. 41
Figura 3.3 – Esquema Step-down ............................................................................................................... 42
Figura 3.4 – Gráfico de sinais do Step -down ............................................................................................. 43
Figura 3.5 – Circuito gerador de duty-cycle ............................................................................................... 43
Figura 3.6 – Conversor Step-Down, condução contínua [42] ..................................................................... 45
Figura 3.7 – Step-Down, condução descontínua [42] ................................................................................. 45
Figura 3.8 – Esquema de Step-Up .............................................................................................................. 46
Figura 3.9 – Step-UP, condução contínua [42] ........................................................................................... 47
Figura 3.10 – Step-Up, condução descontínua [42] .................................................................................... 48
Figura 3.11 Esquemático de Step-Up/Step Down Buck - Boost ................................................................. 48
Figura 3.12– Step up/step down, condução continua [42] .......................................................................... 49
Figura 3.13 – Step up/step down, condução descontínua [42] .................................................................... 50
Figura 3.14 – Inversor em meia ponte ........................................................................................................ 50
Figura 3.15 – Inversor em ponte completa ................................................................................................. 51
Figura 3.16 – Inversor Push-Pull................................................................................................................ 52
Figura 3.17 – Conexão diferencial de cargas (esquema genérico).............................................................. 52
Figura 3.18 – Inversor Flyback [45] ........................................................................................................... 53
Figura 3.19 – Inversor Trifásico ................................................................................................................. 54
Figura 3.20 – Inversor em Z ....................................................................................................................... 55
Figura 3.21 – Parte elevadora de tensão (conversor Z, parte inversora substituída por um IGBT) ............ 56
Figura 3.22 – Sentido das correntes na etapa 1 do conversor Z .................................................................. 56
Figura 3.23 – Sentido das correntes na etapa 2 do conversor Z .................................................................. 57
Figura 3.25 – Formas de onda na indutância .............................................................................................. 58
Figura 3.26 – Parte elevadora de tensão, conversor Z ................................................................................ 62
Figura 3.27 – Gráfico de tensões, conversor z ............................................................................................ 63
Figura 3.28 – Geração de sinais PWM sinusoidais [50] ............................................................................. 65
Figura 3.29 – Sinais PWM sinusoidais trifásicos ....................................................................................... 65
Figura 3.30 – Gráfico da posição de MPPT................................................................................................ 67
Figura 3.31 – Interface para controlo de IGBT em inversores ................................................................... 69
Figura 4.1 – Circuito Push-Pull genérico ................................................................................................... 70
Figura 4.2 – Simulação de Push-Pull , sem bloco de adiantamento de sinal, desligado da rede ................ 71
Figura 4.3 – Amplificadores diferenciais ................................................................................................... 72
Figura 4.4 – Sinais PWM (imp1) aplicados a um dos primários do transformador, “ret1” sinal usado para
comparação com a onda triangular (sinais em tensão) ............................................................................... 72
Figura 4.5 – Resultado da simulação, Push-Pull sem sistema de adiantamento de sinal. (entrada,
“sinal_rede”; saída, ”saída”; sinais em tensão) .......................................................................................... 73
Figura 4.6 – Push-Pull com superdíodos sem bloco de adianto de sinal, desligado da rede eléctrica ........ 74
Figura 4.7 – Resultado da simulação Push-Pull com superdíodos, sem bobine no sinal de entrada (sinais
em tensão; “sinal_rede” é a tensão da rede filtrada, “saída” é a tensão na saída do inversor) .................. 74
Figura 4.8 – Circuito deslocador de fase .................................................................................................... 75
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
xi
Lista de Figuras
Figura 4.9 – Diagrama de fasores relacionando o sinal de entrada e o da rede (no caso da bobine em série
com resistência) .......................................................................................................................................... 75
Figura 4.10 – Diagrama do sistema de adiantamento de sinal .................................................................... 76
Figura 4.11 – Esquema da simulação de Push-Pull com bloco de adiantamento de sinal, desligado da rede
.................................................................................................................................................................... 76
Figura 4.12 – Resultado da simulação de Push-Pull com bloco de adiantamento de sinal (“sinal_ rede” em
tensão, “saída” em tensão) .......................................................................................................................... 77
Figura 4.13 - Bloco para adiantar o sinal (caixa verde) do esquema de simulação Push-Pull, com
superdíodos ................................................................................................................................................. 77
Figura 4.14 – Resultado da simulação, Push-Pull com superdíodos e bobine de avanço de sinal, sinais em
tensão .......................................................................................................................................................... 78
Figura 4.15 – Esquemático da simulação da ligação do interface à rede eléctrica (Push-Pull) .................. 79
Figura 4.16 – Resultado da simulação da ligação do aerogerador á rede (via interface), para uma tensão no
aerogerador de 70V CC .............................................................................................................................. 79
Figura 4.17 – Resultado da simulação da ligação do aerogerador á rede (via interface), para uma tensão no
aerogerador de 40V CC .............................................................................................................................. 80
Figura 4.18 – Resultado da simulação da ligação do aerogerador á rede (via interface) para uma tensão no
aerogerador de 20 V CC ............................................................................................................................. 80
Figura 4.19 – Conexão diferencial de cargas com fontes comutadas (esquema genérico) ......................... 81
Figura 4.20 – Esquemático da simulação de fonte CC-CC modelada com fonte ideal, conexão diferencial
de cargas. .................................................................................................................................................... 82
Figura 4.21 – Resultado da simulação, fonte cc – cc com fonte ideal, conexão diferencial de cargas
(tensão de saída, “t_saida” por da tensão da rede, “rede”). ........................................................................ 83
Figura 4.22 – Esquemático da simulação de fonte comutada modelada em conexão diferencial e rede de
avanço de sinal de entrada, desligada da rede eléctrica .............................................................................. 84
Figura 4.23 – Gráfico de sinais do circuito Conexão Diferencial, interface desligado da rede (com circuito
de compensação de atraso no entrada) ........................................................................................................ 85
Figura 4.24 – Gráfico de sinais de Conexão diferencial, desligado da rede sem bloco de adiantamento de
sinal de entrada ........................................................................................................................................... 85
Figura 4.25 – Parte elevadora de tensão do conversor em Z....................................................................... 87
Figura 4.26 Relação de tensão de saída por tensão da rede eléctrica do inversor em Z desligado da rede
eléctrica ...................................................................................................................................................... 88
Figura 4.27 - Inversor em Z ligado á rede de distribuição eléctrica ............................................................ 88
Figura 4.28 – Gráfico de corrente (CORRENTE_SAÍDA) e tensão (REDE) do inversor em Z ligado à
rede eléctrica ............................................................................................................................................... 89
Figura 4.29 – Diagrama geral do interface com inversor em ponte completa ............................................ 90
Figura 4.30 – Esquema geral da ligação do interface, em ponte completa, entre o gerador e a rede
eléctrica. ..................................................................................................................................................... 91
Figura 4.31 – Circuito de simulação da rede de distribuição eléctrica ....................................................... 91
Figura 4.32 – Aerogerador e circuito MPPT usado nas simulações ........................................................... 91
Figura 4.33 – Circuito filtro passa banda (passa baixo de 4 pólos seguido de filtro passa alto) ................. 92
Figura 4.34 – Resultado da simulação do circuito com onda quadrada (positiva) na entrada e sinusoidal na
saída ............................................................................................................................................................ 92
Figura 4.35 – Rectificadores ....................................................................................................................... 93
Figura 4.36– Resultado da simulação do circuito de rectificação (ret1 é a saída de um dos rectificador,
ret2 é a saída do outro rectificador) ............................................................................................................ 93
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
xii
Lista de Figuras
Figura 4.37 – Circuito para gerar dois pares de sinais PWM (para o inversor em ponte), um para o ciclo
positivo, o outro para o ciclo negativo ........................................................................................................ 94
Figura 4.38 – Sinais PWM aplicados ao circuito inversor .......................................................................... 94
Figura 4.39 – Resultado da simulação da ligação da interface à rede......................................................... 95
Figura 4.40 – Circuito de obtenção de sinal da rede (“sinal da rede”) ........................................................ 96
Figura 5.1 – Filtro passa banda ................................................................................................................... 97
Figura 5.2 Filtro, bloco passa baixo, montado ............................................................................................ 98
Figura 5.3 – Rectificadores de meia onda desfasados ................................................................................ 98
Figura 5.4 Montagem do circuito rectificador ............................................................................................ 98
Figura 5.5 – Geração de sinais PWM ......................................................................................................... 99
Figura 5.6 Montagem do circuito de geração de sinais PWM .................................................................... 99
Figura 5.7 – Forma de ligação dos sinais PWM à ponte inversora ........................................................... 100
Figura 5.8– Fontes CC independentes do circuito M57140-01 Fonte: Mitsubishi ................................... 100
Figura 5.9 – Circuito adaptador de tensões para interface de IGBT ......................................................... 101
Figura 5.10 Montagem de adaptador de tensões para IGBT ..................................................................... 101
Figura 5.11 – Inclusão de um tempo morto no inicio do disparo dos IGBT (parte do circuito) ............... 102
Figura 5.12 – Gerador de onda quadrada com desfasamento em relação á rede regulável ....................... 102
Figura 5.13 Montagem de gerador de onda quadrada com desfasamento em relação à rede regulável .... 103
Figura 8.1 – PM25RSB120 Fonte: Mitsubishi.......................................................................................... 110
Figura 8.2 – Circuito de interface para controlo de IGB .......................................................................... 110
Figura 9.2– Tabela de inversores RD Magnum ........................................................................................ 111
Figura 9.1 – Interface ME2512 ................................................................................................................. 111
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
xiii
CAPÍTULO 1
1 Introdução
1.1 Problemática das energias renováveis
Estudos relacionados com fontes de energia renovável ocupam actualmente um
lugar de destaque, em virtude da escassez de combustíveis fósseis e de uma cada vez
maior preocupação com as questões ambientais.
Os governos, apostam cada vez mais nas energias renováveis como forma de
diminuir a emissão de poluentes e reduzir a sua dependência energética, implementando
um conjunto de medidas (de natureza fiscal entre outras) que promovem a sua
utilização. Estes incentivos têm feito com que um cada vez maior número de
consumidores opte por sistemas de geração local. Estes sistemas de geração recorrem
normalmente a geradores de pequena potência localizados perto das cargas.
Actualmente, os tipos de geradores mais comuns para utilização doméstica são os
painéis fotovoltaicos e os microgeradores eólicos. Os painéis fotovoltaicos são
dispositivos capazes de transformar a energia luminosa proveniente do Sol em energia
eléctrica. A energia eólica é a energia dos ventos. Comparativamente com a energia
solar, (ver figura 1.1) a energia eólica apresenta custos bastante reduzidos (considerando
os investimentos na implementação de sistemas equivalentes, recorrendo à energia solar
ou eólica).
Figura 1.1 – Comparação de custos de energias renováveis [1]
A principal origem dos ventos (massa de ar em movimento) é o diferente
aquecimento da Terra, originado pelo Sol [2]. Este aquecimento diferenciado resulta dos
diferentes ângulos com que a superfície da terra é atingida pelos raios solares (devido ao
formato da Terra). Nas regiões equatoriais o ar fica menos denso e eleva-se, nos pólos o
ar frio desce.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
14
Capítulo 1 – Introdução
Figura 1.2 – Movimentação geral do ar na Terra [3]
Estas movimentações de ar, representadas na Figura 1.2, originam ventos
ascendentes no equador, e que se dirigem para os pólos. A rotação da Terra, e a
diferente temperatura entre a terra e o mar, interferem nestas massas de ar criando
outros ventos.
Características locais, como o relevo e clima, interferem nas características do
vento numa determinada região.
Desde a antiguidade que se aproveita a energia dos ventos para mover navios, moer
cereais, etc. Na actualidade a energia eólica é principalmente utilizada na geração de
energia eléctrica. Neste caso a energia do vento, por intermédio de uma turbina exposta
ao vento, faz rodar o rotor de um gerador eléctrico.
1.1.1 Potência Eólica Instalada na União Europeia (e no mundo)
A Europa é, desde 1995, líder mundial na utilização de energia eólica, (na produção
de energia eléctrica), sendo a União Europeia (U. E.) a responsável por 72% das
instalações de energia eólica a nível mundial [4] [5] (ver Figura 1.4). O gráfico seguinte
ilustra as potências instaladas na U. E. em 2003, 2004 e 2005
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
15
Capítulo 1 – Introdução
Figura 1.3 – Potência eólica instalada a nível Europeu entre 2003-2005 [6]
Pelo gráfico anterior verifica-se que a distribuição da potência instalada na União
Europeia é muito irregular. Há países, que embora tenham boas condições em termos
climatéricos, possuem uma ainda reduzida capacidade instalada. Estes países poderão
futuramente aumentar bastante a sua potência instalada (a nível eólico).
Figura 1.4 – Potência eólica instalada a nível mundial, ano 2008 Fonte: GWEC ano 2010 [7]
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
16
Capítulo 1 – Introdução
Na Europa, durante o ano de 2008, entraram em funcionamento 20 unidades eólicas
por dia (em média). Nesse ano, em termos de energia eléctrica, a energia eólica foi
responsável por 4,2% (aproximadamente) da energia produzida na União Europeia [8] .
Observando as Figuras 1.4, 1.5, e 1.6 constata-se que fora da união Europeia, países
como os Estados Unidos da América, também dispõem de uma impressionante
capacidade eólica instalada (6752MW no final de 2004, no caso dos Estados Unidos da
América).
Figura 1.5 – Potência eólica instalada a nível mundial em 2008 e 2009 (MW) [8]
Figura 1.6 – Potência eólica instalada na Ásia em 2008 e 2009 (MW) [8]
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
17
Capítulo 1 – Introdução
Estima-se que no ano 2020 a energia eólica represente 12% do total da energia
eléctrica a nível mundial. Uma implantação desta grandeza evitará a emissão de
10,771×106 t de CO2 para a atmosfera (European Wind Energy Agency, 2006c, 2006d).
1.1.2 Energia Eólica em Portugal
O primeiro parque eólico de Portugal foi construído em 1985 na ilha de Porto
Santo, na Madeira [9] .
Em 2001 o decreto-lei nº312/2001 de 10 de Dezembro (ver Anexo D), estabeleceu
a organização do Sistema Eléctrico Nacional (SEN) assente na coexistência de um
Sistema Eléctrico de Serviço Público (SEP) e de um Sistema Eléctrico Independente
(SEI) e no princípio da partilha dos benefícios que podem ser extraídos da exploração
técnica conjunta dos dois sistemas. Este decreto originou um forte aumento da
capacidade eólica instalada, que em 2005 passou de 500MW para 1000MW, ao instituir
uma série de incentivos, nomeadamente com o estabelecimento de tarifários atractivos
para o produtor independente.
Em 2005 Portugal dispunha já de parques eólicos distribuídos por todo o território
nacional. Segundo o Portal das Energias Renováveis [10] Portugal dispunha nessa altura
de 81 parques eólicos e 521 turbinas eólicas. Metade dos parques dispunha de potências
entre 1 e 10 MW e 31% tinha potências entre 10 MW e 25 MW [10] [11].
Figura 1.7– Potência eólica em Portugal ano 2007, distribuição e evolução anual [12]
Portugal tem vindo a aumentar a sua potência eólica instalada desde 1985. Em
2007 a evolução mensal da potência instalada pode ser vista na Figura 1.7. Pela análise
do gráfico, pode ver-se que nesse ano a potência total ligada foi aumentando ao longo
de todo o ano (a potência ligada aumentou em média 33 MW por mês,
aproximadamente).
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
18
Capítulo 1 – Introdução
Em 26 de Novembro de 2008 entrou em funcionamento o maior parque eólico de
Portugal, situado no distrito de Viana do Castelo e dispondo de 240MW de potência
instalada. Espera-se que no final de 2010 seja atingida uma potência eólica instalada de
3750MW.
1.1.3 Microgeração
A microgeração pode ser definida como a produção de energia eléctrica em
instalações de pequena escala, através de fontes de energia renováveis. É produto da
expansão das energias renováveis e de uma nova geração de consumidores que também
são produtores de energia. A microgeração apresenta grandes vantagens, a nível
económico, ambiental e tecnológico:
Aumenta a autonomia dos consumidores individuais e das comunidades locais;
Reduz as perdas de energia na rede de distribuição eléctrica;
Torna o fornecimento de energia eléctrica mais fiável e resistente aos
“apagões”.
Aumenta a independência energética dos Estados relativamente ao exterior;
Evita alguns investimentos pesados a nível do reforço das infra-estruturas de
rede;
Cria novas oportunidade para a indústria de equipamento e componentes
eléctricos;
É gerador de emprego e impulsionador de crescimento económico;
Contribui para um melhor desempenho ambiental do sistema energético.
1.1.3.1 Microgeração em Portugal
Em Portugal, a legislação que define o acesso à potência eléctrica destinada à
microgeração é ainda feita segundo um regime transitório [1] . Alguns dos documentos
que enquadram este regime são os seguintes:
DECRETO-LEI n.º 363/2007 de 2 de Novembro
Estabelece o regime jurídico a aplicar na produção de electricidade por intermédio
de unidades de microprodução.
PORTARIA n.º 201/2008 de 22 de Fevereiro
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
19
Capítulo 1 – Introdução
Fixa as taxas a cobrar pelos serviços previstos no n.º 1 do artigo 23.º do DecretoLei nº363/2007, de 2 de Novembro, que estabelece o regime jurídico aplicável à
produção de electricidade por intermédio de unidades de microprodução.
Nos termos desta Portaria o valor da taxa aplicável em 2009 é:
a) Taxa de registo da instalação de microprodução: €256,30
b) Taxa de reinspecção: €153,80
Às taxas previstas acresce o IVA à taxa de 12% e 8%, respectivamente,
no Continente e nas Regiões Autónomas, para instalações cujas fontes de energia sejam
totalmente renováveis, ou à taxa normal, nos restantes casos.
No segundo trimestre de 2010 o regime para a microgeração deverá evoluir para
uma nova fase, com novas regras.
A Associação Portuguesa de Energias Renováveis (APREN), grande
impulsionadora desta nova legislação, apresentou uma proposta onde constam os
seguintes itens:
Unificação dos regimes legais;
Simplificação;
Descentralização do licenciamento e da ligação à rede de baixa tensão;
Fim da obrigatoriedade do auto-consumo;
Clarificação do processo de aplicação de tarifas.
A tecnologia dos microgeradores eólicos é uma tecnologia emergente e afirma-se
cada vez mais como uma alternativa energética para os pequenos consumidores.
Um pequeno consumidor, como uma família pequena, tem 30% das suas
necessidades asseguradas com um gerador de apenas 1 kW de potência. Se for investido
4000 € na implantação de um sistema deste tipo, a sua amortização será feita em sete
anos.
Desenvolvimentos de carácter legislativo, relativo à venda de energia eléctrica
através da rede, criaram um interesse acrescido na implementação destes sistemas
(ligados à rede eléctrica). Os sistemas ligados à rede eléctrica são mais facilmente
rentabilizados, por via da possibilidade da venda da energia excedentária.
Parte dos custos do consumo de energia da rede eléctrica, poderem ser pagos com a
venda de energia eléctrica (ver figura 1.8 e 1.9).
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
20
Capítulo 1 – Introdução
Figura 1.8 – Microgeração em Portugal, tarifário; fonte: www.renovaveisnahora.pt
Figura 1.9 – Microgeração em Portugal, evolução de unidades; fonte: www.renovaveisnahora.pt
A microgeração, conforme pode ser visto na Figura1.10, pode ser utilizada de
forma sustentada no fornecimento energético de edifícios.
Figura 1.10 – Sustentabilidade de edifícios com produção eólica; (fonte: SW Energy ; Positive Energy Solutions)
[13]
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
21
Capítulo 1 – Introdução
As microeólicas apresentam-se também como uma forma descentralizada de
injectar energia nas redes eléctricas.
Estes sistemas são rentáveis quer para injectar energia na rede, quer para alimentar
cargas isoladas da rede eléctrica (consumidores existentes em zonas remotas, como
montanhas, zonas agrícolas, etc.).
O cidadão comum, e também as pequenas empresas, ao recorrer à microprodução,
têm a possibilidade de poder optar pela forma de energia que considerem mais
adequada.
1.1.4 Motivações do Trabalho
A microgeração eólica é vista hoje em Portugal como um recurso energético de
grande interesse. A Universidade do Minho tem vindo a efectuar um alargado conjunto
de trabalhos relacionados com energias renováveis, e a energia eólica no âmbito desses
trabalhos vem se afirmado como um dos pontos de grande interesse. Num trabalho
anterior, uma dissertação de mestrado da Universidade do Minho (da autoria de Luciana
Moreira), foi construída uma bancada de testes para geradores eólicos. Na sequência
desse trabalho foi sentida a necessidade de dotar o referido sistema dos recursos
necessários de forma a permitir a sua utilização (contribuição) no fornecimento
energético para a rede de distribuição eléctrica.
1.1.5 Objectivos do trabalho
O objectivo geral desta dissertação é estudar interfaces entre microgeradores
eólicos e a rede de distribuição eléctrica, tendo como requisito a procura de soluções
com um custo reduzido.
Os objectivos específicos deste trabalho eram os seguintes:
Estudo de soluções de baixo custo para a interface de geradores eólicos com a
rede eléctrica;
Construir um protótipo para interface do gerador eólico de pequena potência
com a rede eléctrica.
Este último objectivo não foi cumprido na totalidade, tento apenas sido montadas e
testadas partes do hardware do referido protótipo.
1.1.6 Organização da Dissertação
Esta dissertação encontra-se dividida em 5 capítulos.
No capítulo 1 faz-se a introdução do tema da dissertação.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
22
Capítulo 1 – Introdução
No capítulo 2 apresentam-se as diferentes topologias de unidades eólicas,
identificam-se as diferentes formas de ligar geradores eólicos à rede eléctrica. É
apresentada uma visão geral dos requisitos necessários para fazer a interface de conexão
dos geradores com a rede. São ainda dados exemplos de microgeradores eólicos
existentes no mercado.
No capítulo 3 descreve-se a electrónica de interface utilizada. Explica-se ainda a
constituição e funcionamento de circuitos MPPT (ponto de máxima extracção de
potência), inversores e interfaces de adaptação.
No capítulo 4 apresentam-se as simulações das interfaces de ligação referidas.
No capítulo 5 apresenta-se os circuitos que foram construídos no âmbito desta
dissertação e os resultados obtidos.
O capítulo 6 apresenta as conclusões.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
23
CAPÍTULO 2
2 Geradores Eólicos
2.1 Características e Condicionantes Gerais dos Geradores Eólicos
Embora os aerogeradores consigam transformar a energia do vento em energia
eléctrica, não conseguem aproveitar a totalidade da massa de ar que os atravessa. A
quantidade máxima de energia que a turbina eólica consegue transformar, em energia
eléctrica, não pode ultrapassar o denominado limite de Betz [14] [15] .
ρ – Massa volúmica do ar nas condições á temperatura de 20 ºC e ao nível do mar
S – Área coberta pelas pás turbina em m²
v – Velocidade do vento em m/s
P – Valor da potência transformada
ρ ≈ 1,25 kg/m3
Este limite é função da velocidade do vento ao cubo.
O limite de Betz indica que o rendimento máximo teórico de uma turbina eólica é
de 59% (Cp máximo = 0,59). Numa aplicação real o Cp é da ordem dos 0,3 a 0,4.
Os elementos necessários na transformação da energia do vento em energia
eléctrica (adequada ao consumo) são:
- Uma turbina eólica.
- Um gerador.
- Um equipamento de interface para promover a interligação à rede eléctrica (ou a
cargas isoladas).
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
24
Capítulo 2- Geradores Eólicos
Estes elementos são (genericamente) ligados entre si conforme mostrado na
Figura 2.1.
Figura 2.1 – Gerador Eólico
Figura 2.2 – Diagrama com componentes de um gerador eólico (fonte: Petrobras)
Os geradores eólicos de eixo horizontal (figuras 2.2 e 2.3), são compostos pelos
seguintes elementos:
- Uma torre para elevar a turbina até ventos adequados ao seu funcionamento;
- A nacele (ou nave) que guarda o sistema mecânico;
- Um veio para transmitir o movimento de rotação das pás ao gerador eléctrico;
- As pás da turbina, responsáveis por absorver a energia cinética do vento;
- Sistema de controlo da potência da turbina;
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
25
Capítulo 2- Geradores Eólicos
Figura 2.3 - Esquema de gerador Eólico (Fonte: Petrobras)
As turbinas mais vulgares têm três pás, no entanto uma turbina com duas pás
poderia ter igual capacidade [16] . Numa turbina o importante é a área varrida pelas pás
e não o número de pás.
Também existem turbinas com apenas uma pá.
A potência das turbinas é limitada pelo seu tamanho (maior potência implica maior
área varrida pelas pás).
Existem turbinas de eixo horizontal e turbinas de eixo vertical (Figura 2.4).
Figura 2.4 – Turbina de eixo vertical (à esquerda) e horizontal (à direita) [17]
Os aerogeradores de eixo horizontal (Figura 2.5), caracterizam-se por disporem as
pás das turbinas de forma a rodarem sobre um eixo horizontal. Estes aerogeradores são
normalmente apoiados em colunas verticais.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
26
Capítulo 2- Geradores Eólicos
Figura 2.5 – Turbina de eixo horizontal [18]
Figura 2.6 – Direcção do vento numa turbina de eixo horizontal
Nas eólicas de eixo horizontal, a turbina deve ser orientada de forma a que o seu
eixo de rotação fique alinhado na direcção do vento. O sentido do vento tanto pode ser o
indicado na Figura 2.6 (Upwind) como o sentido contrário (Downwind) [19]. Os
sistemas Downwind têm uma menor implantação nas grandes eólicas por motivo de
possuírem uma menor durabilidade.
Os geradores de eixo horizontal são mais complexos do ponto de vista mecânico do
que os de eixo vertical, no entanto devido a funcionarem a uma rotação mais elevada
possibilitam a utilização de alternadores de custos mais reduzidos (menos pólos). Os
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
27
Capítulo 2- Geradores Eólicos
sistemas de multiplicação de velocidade têm custos elevados e implicam perda de
rendimento [20].
Os aerogeradores de eixo vertical (Figura 2.7) caracterizam-se por disporem as pás
das turbinas de forma a rodarem sobre um eixo vertical. O eixo de rotação destas
turbinas é perpendicular ao solo e perpendicular à direcção do vento. Estas turbinas não
necessitam de mecanismos para promover a orientação da turbina na direcção do vento.
Também têm a vantagem de os seus componentes poderem ser montados ao nível do
solo. Esta turbina apresenta no entanto o problema de não ter arranque automático, e a
desvantagem de implicar uma manutenção mais complicada (substituir o rolamento
principal implica, desmontar toda a turbina).
Figura 2.7 – Turbina de eixo vertical Darrieus [21]
A maior parte das turbinas existentes hoje em dia são de eixo horizontal e com três
pás.
As potências típicas das turbinas eólicas de eixo horizontal de ligação à rede
situam-se numa gama entre 50 KW e 800 kW. A nova geração situa-se normalmente
nas gamas de potência entre 1000 KW e 5000 kW. Tem havido esforços para encontrar
uma dimensão/potência óptimas para os geradores eólicos. Os resultados são ainda
pontos de grande controvérsia, sendo prematuro afirmar que foi encontrado o melhor
compromisso do ponto de vista económico [22] [23].
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
28
Capítulo 2- Geradores Eólicos
Os aerogeradores para ligação à rede funcionam normalmente em grupos
denominados “parques eólicos” (Figura 2.8). As dimensões destes parques variam desde
os 0,1 MW a dezenas de MW e podem ser ligados à rede em níveis de tensão média
(MT), alta tensão (AT) ou muito alta tensão (MAT).
Figura 2.8 – Parque eólico [24]
Os aerogeradores podem ser de velocidade variável ou de velocidade fixa.
Quando os ventos são demasiado fortes, as turbinas necessitam de sistemas de
controlo de potência de forma a libertar o excesso de energia e evitar danos nas turbinas.
Independentemente das turbinas utilizadas, todas necessitam deste tipo de controlo
[25]. Utilizam o sistema stall, ou reguladores do tipo pitch (controlo de passo).
A quantidade de energia das turbinas tipo stall (stall passivo ou activo) é regulada
de forma natural através das características aerodinâmicas das pás.
No caso do controlo de perda (stall) passivo as turbinas têm as pás num ângulo
fixo em relação ao rotor. A geometria, do perfil das pás do rotor, foi projectada
aerodinamicamente para que, no momento em que a velocidade do vento se torne
demasiado elevada, seja criada turbulência e a pás entrem em perda. Sem sustentação o
binário (que a turbina aplica ao gerador) não pode aumentar. Este sistema tem a
vantagem de não ter partes móveis e por consequência menor complexidade a nível do
seu sistema de controlo. Necessitam contudo de um sistema de travagem para parar o
rotor.
No caso do stall activo (sistema que costuma ser utilizado em turbinas com
potências superiores a 1MW), quando as máquinas atingem a potência especificada,
nomeadamente se o gerador estiver próximo da sobrecarga, o controlador altera o
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
29
Capítulo 2- Geradores Eólicos
ângulo de ataque das pás da turbina, de modo a forçar a perda aerodinâmica. Desta
forma é libertado o excesso de energia do vento. Este sistema tem uma melhor precisão
na regulação da potência, (em relação ao sistema passivo) em situações de rajadas de
vento.
Os aerogeradores com reguladores pitch também são constituídos por pás em que o
ângulo de inclinação também é regulável (à semelhança do stall activo). O controlo de
passo (das pás da turbina) possibilita regular a quantidade de energia que chega ao veio
de transmissão (veio de ligação da turbina ao gerador). O controlo é realizado por um
sistema que mede a potência da turbina e actua nas pás de modo a aumentar ou diminuir
a sustentação aerodinâmica. As pás do gerador têm de ter a capacidade de rodar ao
longo do seu eixo longitudinal durante o seu funcionamento normal.
Também é possível utilizar elerons (flaps) como as asas dos aviões para modificar a
geometria da hélice (da turbina) e assim controlar a potência.
Uma técnica, que já pouco se utiliza, é o desvio do rotor de forma a criar um erro de
azimute, em relação ao vento. Esta técnica só é utilizada por pequenas turbinas (cerca de
1kW). Isto deve-se á fadiga que provoca na estrutura.
Actualmente os reguladores de velocidade do tipo stall são usados em em 2/3
destas máquinas, e os reguladores pitch nos restantes 1/3.
Os aerogeradores mais utilizados (tipicamente aerogeradores de eixo horizontal, de
três pás) utilizam geradores assíncronos. A maior desvantagem dos geradores
assíncronos reside no facto de precisarem absorver energia reactiva da rede. Esta
dependência da rede implica problemas de controlo de tensão e frequência [26].
Os geradores síncronos têm capacidade de controlar, através da excitação, a tensão
e a potência gerada. O mesmo é impossível nos geradores assíncronos.
2.1.1 Microgeradores eólicos
Tal como sucede para as grandes eólicas, existem microgeradores eólicos de eixo
horizontal e de eixo vertical. Na actualidade os microgeradores de eixo horizontal são os
que mais frequentemente se encontram no mercado. Variam, principalmente, no
tamanho e desenho das pás. As microeólicas de eixo horizontal, alinham-se com a
direcção do vento através de uma “barbatana” (tipo aleta, Figura 2.9) colocada na
extremidade da nacele [27].
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
30
Capítulo 2- Geradores Eólicos
Figura 2.9 – Microaerogerador de eixo horizontal Air Breeze, Southwest Windpower. Fonte: Air Breeze.
A aleta (Figura 2.10) é colocada de maneira a que as forças aerodinâmicas, criadas
com a passagem do vento, encontrem o ponto de equilíbrio quando o eixo da turbina se
encontra alinhado na direcção do vento.
Figura 2.10 – Microgerador Bergey BWC XL. 1kW, Fonte: Bergey
Na Figura 2.11 é apresentado um exemplo de uma microeólica disponível no
mercado, são apresentadas as suas especificações e características.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
31
Capítulo 2- Geradores Eólicos
Figura 2.11 – Sistema microaerogerador, eixo horizontal, Fonte: SelfEnergy
2.1 Sistema microgerador, Fonte: SelfEnergy
MyWind 3,7kW
Kit microeólico de 3,7 kW de potência
Aerogerador Siliken
Velocidade do vento ideal para funcionamento: 11,5 m/s
Velocidade mínima do vento para funcionamento: 3,3 m/s
Número de pás: 3
Diâmetro das pás: 3,5 m
Pás em fibra de vidro reforçado
Altura da torre espiada 10 a 15 m
Inversor 3800
Cabo eléctrico
Seccionador
Disjuntor diferencial
Contador (SL 7000 SMART)+ modulo GSM
As turbinas de eixo vertical (Figuras 2.12 e 2.13) podem, em média, produzir mais
50% de energia eléctrica por ano, quando comparadas com as microgeradores
convencionais, com a mesma superfície varrida. Podem gerar energia com velocidades
do vento inferiores as necessárias nos outros tipos de microturbinas (tão baixas como
1,5m/s). Também conseguem gerar energia com ventos de alta velocidade, ate 130km/h.
Figura 2.12 – Microgerador eólico Biotrust, Potências entre os 3,5kW e os 7,5 kW (eixo vertical) [28]
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
32
Capítulo 2- Geradores Eólicos
Estas turbinas mostram-se mais adequadas na protecção da vida selvagem,
nomeadamente nos acidentes com aves. As turbinas Turby (figura 2.14) são concebidas
para a utilização em meios urbanos, mais concretamente no topo dos edifícios, para
aproveitar os ventos ascendentes.
Estas turbinas (de eixo vertical) têm uma potência
de 2,5kW a 14m/s, e têm 2 metros de diâmetro.
Figura 2.13 – Microgerador de eixo vertical [29]
Figura 2.14 – Turbina eólica Turby (eixo vertical) [30]
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
33
Capítulo 2- Geradores Eólicos
Em seguida apresentam-se exemplos de fabricantes e modelos de diversas
microeólicas.
2.2 Exemplo de modelos e características de microeólicas [31]
As potências destes geradores variam entre alguns watts a algumas dezenas de
Quilowatts. São utilizados para consumo doméstico (exemplo Figura 25), em pequenas
empresas e em microparques eólicos. Podem, não estar ligadas directamente à rede
eléctrica.
Figura 2.15 – Aplicação doméstica de um aerogerador [32]
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
34
Capítulo 2- Geradores Eólicos
As microeólicas têm uma constituição mais simples do que as grandes eólicas.
Estes aerogeradores não dispõem de caixa de velocidades, nem sistema de medição da
velocidade do vento.
A seguir são dados exemplo de alguns microgeradores da empresa Biotrust, e o seu
preço:
Biotrust Eco Energy
650 Watts ....................................................... 699 € c/ I.V.A.
1 kWatts ....................................................... 1.150 € c/I.V.A.
2 kWatts ...................................................... 1.990 € c/I.V.A.
3 kWatts ....................................................... 3.250 € c/I.V.A.
Figura 2.16 - Microgerador eólico em Portugal, Póvoa do Varzim (eixo horizontal) [28]
Em Portugal existem em funcionamento microgeradores eólicos de eixo horizontal
(Figura 2.17) e de eixo vertical (Figura 2.18). No entanto os mais vulgares são os
microgeradores de eixo horizontal [28] .
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
35
Capítulo 2- Geradores Eólicos
Figura 2.17 – Microgerador eólico, Setúbal 7,5kW (eixo vertical) [28]
2.1.2 Interfaces de Máquinas Geradoras com a Rede Eléctrica
Para se ligar um gerador eléctrico à rede eléctrica tem que existir um sistema que
garanta a compatibilidade da energia gerada com as características eléctricas da rede
eléctrica.
2.1.2.1 Máquina assíncrona de rotor em gaiola
A máquina assíncrona, de rotor em gaiola, é uma máquina de indução (Figura 2.18)
que funciona como gerador nas situações em que a velocidade angular, do rotor, é
superior à do campo girante. Isto implica escorregamentos negativos [33] [34] [35].
A máquina funciona entre o escorregamento nulo, e o escorregamento
correspondente à máxima intensidade de corrente do estator.
Esta máquina absorve sempre potência reactiva da rede. Dessa forma necessário
compensar o factor de potência (ex. colocação baterias de condensadores). Esta
dependência prende-se com a necessidade de criar um campo magnético no estator.
Esse campo é imprescindível, nestes geradores, para a conversão da energia mecânica
em energia eléctrica. A conexão directa (exemplo, figura 2.18 (a),) tem a vantagem de
ter uma instalação e manutenção simples e barata. No entanto esta configuração tem a
desvantagem de ter um desempenho muito dependente dos seus subsistemas mecânicos.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
36
Capítulo 2- Geradores Eólicos
Qualquer perturbação nas características do vento é reflectida na potência de saída. Esta
configuração tem uma menor durabilidade (em relação à ligação indirecta) devido ao
maior stress que esta configuração apresenta. Alem disso não é possível garantir a
operação no ponto de máxima extracção de potência (MPP).
A conexão indirecta (Figura 2.18 (b)) apresenta menores esforços mecânicos e
melhor qualidade de energia eléctrica (em relação à conexão directa). Esta configuração
pode ser ajustada de forma a maximizar a produção de energia (pode ser ajustada de
forma a operar no ponto MPP). A conexão com conversor de potência apresenta
contudo uma maior complexidade e um consequente maior custo.
Figura 2.18 – Ligação de gerador eólico, conexão directa, conexão por conversor de potência
A máquina assíncrona duplamente alimentada (rotor bobinado, Figuras 2.19 (a) e
2.20) utiliza, se necessário, a possibilidade de variar a resistência do rotor para alterar a
sua velocidade [36]. Se em vez de uma resistência ligarmos ao rotor um conversor CACC-CA pode-se extrair potência do rotor. Isto faz diminuir a velocidade da máquina.
A potência extraída pelo rotor é controlada de forma a optimizar a velocidade
específica da turbina. O método permite maximizar o coeficiente de potência da
máquina. Este método de controlo de velocidade permite que a máquina possa funcionar
como gerador para escorregamentos positivos (se fornecermos potência activa ao rotor
garantimos escorregamentos positivos).
A configuração com conexão CA-CA (Figura 2.19 (b)) permite a utilização de
geradores de indução com rotor em gaiola que são geradores robustos e fiáveis. Nesta
configuração toda a potência flui pelo conversor electrónico o que implica um conversor
de maior potência. Para anular a potência reactiva poderá ser necessário utilizar bancos
de condensadores. Esta configuração, tem uma conexão indirecta, e apresenta por isso
todas as características referidas para este tipo de configuração.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
37
Capítulo 2- Geradores Eólicos
Figura 2.19 – Formas de ligação de geradores eólicos assíncronos, conexão directa com controlo de torque ,
conexão CA-CA
A configuração da Figura 2.20 permite o controlo da frequência e da forma de onda
aplicada ao rotor. Simultaneamente permite o controlo da intensidade de corrente no
rotor (através do conversor CC/CA ligado ao rotor da máquina de indução). O
conversor CC/CA ligado ao transformador elevador permite regular a tensão contínua
presente aos terminais do outro bloco CC/CA (os dois blocos funcionam como um
único conversor do tipo CA/CA). A frequência da onda de corrente alternada é igual à
frequência da rede eléctrica, o controlo de fase impõem o factor de potência.
Figura 2.20 – Ligação de gerador eólico assíncrono com rotor bobinado em conexão directa
2.1.2.2 Geradores síncronos
Os geradores da Figura 2.21 têm uma conexão indirecta com a rede, apresentando
por isso todas as características inerentes a esse tipo de conexão. Alem dessas
características têm um rendimento elevado, permitem ajustar o factor de potência e
podem ser construídas com um grande número de pólos. Infelizmente estas
configurações implicam que toda a potência entregue à rede tenha que passar por um
conversor electrónico.
Estes sistemas permitem aos geradores funcionar num ponto que se denominou
“Maximum Power Point ”.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
38
Capítulo 2- Geradores Eólicos
Os aerogeradores com geradores de velocidade variável podem funcionar numa
alargada gama de velocidades [36]. O funcionamento a velocidade variável, implica
uma amplitude e uma frequência (das tensões geradas) dependentes da velocidade de
rotação do gerador. É pelo motivo referido que para ligar estes sistemas à rede de
distribuição eléctrica é necessária a utilização de um conversor de potência. Este
conversor compatibiliza as características eléctricas do gerador às da rede eléctrica.
Figura 2.21 – Ligação de geradores eólicos síncronos
As configurações da Figura 2.22 possuem conexão indirecta com a rede
apresentando assim as suas características. Os geradores com rotor de ímanes
permanentes (Figura 2.22) permitem uma construção mais compacta. A sua ligação à
rede eléctrica é feita através de um conversor electrónico. Este conversor adapta a
frequência e amplitude da tensão gerada às da rede.
Figura 2.22 – Ligação gerador eólico de íman permanente
Com a configuração da Figura 2.23 é possível controlar directamente o factor de
potência da máquina, ajustando a corrente de excitação.
A configuração da Figura 2.23, apresenta uma configuração em conexão directa,
como tal apresenta as vantagens e os inconvenientes já referidos para este tipo de
conexão.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
39
Capítulo 2- Geradores Eólicos
Figura 2.23 – Gerador eólico com conexão directa (circuito de excitação)
2.1.2.3 Modos de operação dos geradores
Os geradores podem ser ligados de forma a operar de três maneiras distintas [37]
[38]: exportação, importação e carga fixa.
No caso de exportação, a potência que o gerador injecta na rede é constante. Isto
provoca na rede um alívio de carga.
Quando o gerador opera no modo de importação, a rede fornece uma potência
constante a uma carga. O gerador varia a potência de maneira a que a potência injectada
seja a diferença entre a potência que a carga absorve e a que a rede fornece. A rede vê a
carga como fixa e menor do que a original. O gerador vê a carga como variável.
Operando como carga fixa, a potência que o gerador fornece é totalmente absorvida
por uma carga ligada a ele, sem que nenhum excedente circule pela rede. Para a rede
será o equivalente a uma redução fixa de carga.
Interfaces de microgeradores comerciais
Actualmente a maioria dos sistemas de interface, comercialmente disponíveis (para
microgeradores) destina-se a funcionar em ilha (como sistemas isolados da rede
eléctrica). Contudo são desenhados para ter características eléctricas, tanto quanto
possível, compatíveis com as da rede eléctrica.
A título de exemplo, apresenta-se no Anexo B as características dos equipamentos
para interface de microgeradores da Magnum.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
40
CAPÍTULO 3
3 Electrónica de Interface
3.1 Chopper CC/CC - Princípio de Funcionamento
Um chopper CC-CC tem como constituição básica um interruptor electrónico que é
ligado em serie entre uma fonte CC e uma carga (Figura 3.1). O interruptor pode ser um
IGBT, GTO, MOSFET ou TBJ [39]. A Figura 3.2 mostra a forma de onda de tensão na
resistência.
Figura 3.1 – Princípio de funcionamento do chopper CC-CC
Se considerarmos os componentes ideais, as perdas de potência no chopper são
zero. Isto implica que a potência de saída é igual á de potência de entrada.
Vi – Tensão de entrada
Ii – Corrente média de entrada
Vo – Tensão média de saída
Io – Corrente média de saída
T – Periodo
Figura 3.2 – Forma de onda na resistência
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
41
Capítulo 3- Electrónica de Interface
As equações que se seguem descrevem o funcionamento do referido chopper.
Se o interruptor do chopper estiver a ligar e a desligar, periodicamente, então a
tensão média de Vo (saída) é:
onde D se designa por “ciclo de trabalho” (ou duty-cycle).
A frequência em que o interruptor liga e desliga é:
Numa montagem deste tipo é possível controlar a tensão média de saída desde zero
até Vi. [40] [41]
R- Resistência de saída
O valor eficaz da tensão é:
Conversor Step - down (buck)
Figura 3.3 – Esquema Step-down
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
42
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Incluindo uma indutância L e um díodo no esquema elementar da Figura 3.1,
obtemos o Chopper Step Down da Figura 3.3 (o transístor faz a função de interruptor).
O condensador foi utilizado para filtrar a tensão de saída.
Estes componentes extra foram acrescentados para eliminar as pulsações de
corrente.
Quando o transístor (interruptor electrónico) é ligado o díodo fica desligado. A
corrente na bobine sobe de forma exponencial.
Quando o transístor é desligado a corrente vem da bobine e começa a diminuir até
se anular (circula pelo díodo). Isto provoca uma polaridade invertida na bobine.
A finalidade do díodo é fornecer um caminho para a corrente da bobine quando o
interruptor é desligado. Durante o tempo em que o interruptor electrónico está desligado
a energia armazenada na indutância é entregue à carga.
Se a frequência de comutação for alta, uma indutância pequena é suficiente para
reduzir a ondulação a um nível aceitável (Figura 3.4).
Figura 3.4 – Gráfico de sinais do Step -down
A tensão de saída é menor do que a tensão de entrada (alimentação).
O duty-cycle desta montagem é controlado pelo comparador do esquema da
Figura 3.5. Este elemento compara uma onda triangular com uma tensão contínua de
referência.
Figura 3.5 – Circuito gerador de duty-cycle
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43
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Quando a onda triangular apresenta uma tensão superior à de referência o
comparador apresenta uma tensão positiva. Quando a onda triangular apresenta uma
tensão inferior à de referência, o comparador apresenta uma tensão negativa (ou zero,
dependendo da alimentação). Variando a tensão de referência, varia-se o duty-cycle. O
transístor da Figura 3.3 funciona como chave, controlado pelos sinais PWM (Pulse
Width Modulation) – os transístores funcionam entre o corte e a saturação, gerando uma
forma de onda por modelação de largura de impulso.
Este conversor pode funcionar no modo de condução contínua ou no modo de
condução descontínua.
As equações que se seguem descrevem o funcionamento do circuito Step-Down
(Figura 3.3) no modo de condução contínua.
Imin – corrente mínima na bobine
Toff – Tempo interruptor desligado
T – Período
Vo – Tensão de saída
Imax – Corrente máxima na bobine
Ipp – Corrente de ondulação de pico
Io – corrente de saída
D – ciclo de trabalho (duty-cycle)
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44
Capítulo 3- Electrónica de Interface
IL – corrente na bobine
Figura 3.6 – Conversor Step-Down, condução contínua [42]
No caso da condução descontínua utilizam-se as equações que se seguem (circuito Step
Down).
I min = 0
Figura 3.7 – Step-Down, condução descontínua [42]
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45
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Conversor Step - Up (boost)
Figura 3.8 – Esquema de Step-Up
Este chopper, Figura 3.8, tem uma tensão de saída que pode variar desde a tensão
de alimentação até varias vezes esse valor.
Neste circuito a bobine provoca uma corrente linear na entrada.
Se a frequência de comutação for elevada a oscilação da corrente na bobine é
pequena.
Quando o transístor passa para o estado ligado a bobine fica ligada à fonte de
alimentação. Nesta condição a corrente na bobine sobe linearmente armazenando
energia no seu campo magnético. Quando o transístor vai ao corte a energia armazenada
na bobine é transferida para o condensador através do díodo. A tensão na bobine muda
de polaridade e é somada à fonte de tensão. Quando o transístor for novamente ligado o
díodo vai ao corte, o condensador fornece energia à carga, o ciclo repete-se.
O duty-cycle do Step-Up (boost) pode ser gerado por um circuito como o da
Figura 3.5.
Este conversor pode funcionar no modo de condução contínua ou no modo de
condução descontínua.
As equações que se seguem descrevem o funcionamento do circuito Step-Up no
modo de condução contínua.
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46
Capítulo 3- Electrónica de Interface
D – ciclo de trabalho
Io – corrente de saída
Ii – corrente de entrada
Vo – Tensão de saída
Vi – Tensão de entrada
Ton – Tempo de interruptor ligado
Toff – Tempo de interruptor desligado
L – Valor mínimo da indutância para garantir funcionamento em condução
continua.
Figura 3.9 – Step-UP, condução contínua [42]
As equações que se seguem descrevem o funcionamento do circuito Step-Up no
modo de condução descontínua.
Imax – corrente de saída máxima
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47
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Figura 3.10 – Step-Up, condução descontínua [42]
Conversor Buck -Boost
Figura 3.11 Esquemático de Step-Up/Step Down Buck - Boost
O circuito Buck –Boost, Figura 3.11, pode apresentar na sua saída uma tensão
superior, inferior ou igual à tensão de entrada, dependendo da regulação do duty-cycle .
Este chopper combina os conceitos dos choppers Buck e Boost.
Quando o transístor (interruptor) está ligado o díodo está inversamente polarizado
(está ao corte) e tem uma corrente nula. A tensão na bobine é igual á tensão de entrada
(vi), a corrente na bobine aumenta linearmente. Quando o transístor vai ao corte
(interruptor desliga) a tensão de entrada é desligada da bobine. A corrente na bobine não
poder variar instantaneamente. A sua polaridade inverte e o díodo fica directamente
polarizado. A tensão de saída fica igual à da bobine.
A regulação do duty- cycle deste circuito é feita de forma semelhante à descrita para
os circuitos step up e step down (Figura 3.5).
As equações seguintes descrevem o funcionamento do circuito Step -Up/Step Down
Buck – Boost no modo de condução continua.
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48
Capítulo 3- Electrónica de Interface
L – valor mínimo da indutância para garantir condução continua
Figura 3.12– Step up/step down, condução continua [42]
Quando o circuito Step-Up/Step Down Buck–Boost opera modo de condução
descontínua é descrito matematicamente pelas equações que se seguem.
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49
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Figura 3.13 – Step up/step down, condução descontínua [42]
3.2 Inversores (conversores CC-CA)
Os inversores são equipamentos que geram tensões alternadas a partir de fontes de
alimentação em tensão contínua.
Os inversores podem ser monofásicos ou trifásicos e podem ser construídos de
diversas formas.
Inversor em meia ponte
Figura 3.14 – Inversor em meia ponte
O inversor da Figura 3.14 é um inversor monofásico em meia ponte.
A série de condensadores divide a tensão Vd para metade. Esta tensão (metade da
tensão Vd) passará a ser a tensão de referência do inversor.
Quando o interruptor superior da Figura 3.14 esta ligado e o interruptor inferior esta
desligado, a tensão na saída do inversor (vo) apresenta uma tensão positiva.
Quando o interruptor superior da Figura 3.14 está desligado e o interruptor inferior
ligado, a tensão vo é negativa.
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50
Capítulo 3- Electrónica de Interface
A comutação cíclica dos interruptores, nas condições referidas, (nos dois parágrafos
anteriores) produz uma tensão alternada na saída vo.
3.2.1
Inversor em ponte completa (monofásico)
Figura 3.15 – Inversor em ponte completa
Os interruptores em diagonal do circuito da Figura 3.15 comutam aos pares, do
estado ligado para o estado desligado (ver tabela 1). Quando os interruptores S1 e S4
estão ligados os interruptores S2 e S3 estão desligados. Quando S1 e S4 comutam para
desligado, os interruptores S2 e S3 comutam para o estado ligado [43].
Desta forma a fonte Vd fica alternadamente ligada à carga com polaridades opostas.
Para evitar um curto-circuito, quando um pare de interruptores comuta do estado
ligado para o desligado, o outro pare de interruptores deve permanecer no estado
desligado durante um curto intervalo de tempo. Este intervalo de tempo deve garantir o
desligamento do primeiro par de interruptores, antes da ligação do segundo par de
interruptores.
3.1 sequência de comutação
Estado
S1
S2
S3
S4
Tensão
saída
1
LIG.
DES.
DES.
LIG.
+E
2
DES.
LIG.
LIG.
DES.
-E
3
LIG.
DES.
DES.
LIG.
+E
4
DES.
LIG.
LIG.
DES.
-E
.
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51
Capítulo 3- Electrónica de Interface
3.2.2 Inversor Push-Pull
Figura 3.16 – Inversor Push-Pull
A Figura 3.16 apresenta o esquemático de um inversor Push-Pull.
O interruptor T1 controla um dos méis ciclos da onda de saída, o interruptor T2,
controla o outro meio ciclo da onda de saída. Os interruptores T1, T2 ligam e desligam
alternadamente.
Quando T1 liga a corrente passa por um dos enrolamentos do primário do
transformador (circula pelo ponto central do transformador num determinado sentido).
Quando T2 liga a corrente passa pelo outro enrolamento do primário do transformador
(circula pelo ponto central do transformador no sentido contrário ao percorrido quando
T1 liga) [44].
Isto gera uma tensão alternada no secundário do transformador.
3.2.3 Conexão diferencial de cargas
Figura 3.17 – Conexão diferencial de cargas (esquema genérico)
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52
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Se a uma onda, apenas positiva, subtrairmos uma tensão CC de amplitude igual à
sua componente contínua (Figura 3.17) obtemos uma onda alternada.
Uma onda apenas positiva, pode ser obtida aplicando sinais (de controle) pwm
sinusoidais positivos a um chopper (neste caso o chopper apresenta uma tensão de saída
oscilante positiva).
A subtracção pode ser feita no primário de um transformador (ou numa carga,
Figura 3.17). O primário do transformador é ligado entre uma fonte CC e a saída do
chopper (a tensão da fonte CC deve ser igual a metade da amplitude da onda aos
terminais do chopper referido).
3.2.4 Inversor Flyback
Figura 3.18 – Inversor Flyback [45]
O funcionamento do circuito da Figura 3.18 pode ser dividido em cinco partes [45]
.
Parte 1
Refere-se à transição entre o semiciclo positivo e semiciclo negativo. Os
interruptores S3 e S4 estão abertos e neste momento é feita a comutação dos
interruptores S1 e S3.Nesta parte é o condensador C4 que alimenta a carga.
Parte 2
A parte 2 tem início quando os interruptores S1 e S2 são ligados e termina quando
os mesmos são desligados. O interruptor S3 também está ligado.
Parte 3
Tem o seu início quando os interruptores S1 e S2 desligam (D1 e D2 estão
directamente polarizados). O interruptor S3 continua ligado.
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53
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Parte 4
A parte 4 tem o seu inicio com a ligação dos interruptores S1 e S2, o seu fim
acontece quando os mesmos interruptores desligam. O interruptor S4 é mantido ligado.
Parte 5
Tem início com a abertura dos interruptores S1 e S2 (os díodos D2 e D4 estão
directamente polarizados). O interruptor S4 é mantido ligado.
3.2.5 Inversor Trifásico
Figura 3.19 – Inversor Trifásico
Este inversor, Figura 3.19, é controlado de maneira a que cada interruptor conduza
apenas por um período de 120º. Esta forma de controlo implica que apenas dois
interruptores possam estar a conduzir num dado momento. Um desses interruptores
pertence ao grupo ligado ao pólo positivo, o outro interruptor pertence ao grupo ligado
ao pólo negativo [46].
Existem seis intervalos em cada ciclo da forma de onda. Os interruptores comutam
do estado ligado para o estado de desligado em intervalos de 60º.
A velocidade de comutação dos interruptores determina a frequência da tensão de
saída [47].
De forma a impedir curto-circuitos nos interruptores, há um intervalo de 60º entre o
fim de condução de um interruptor e inicio de condução do interruptor no mesmo
caminho (intervalo de 60º entre S1 e S4).
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54
Capítulo 3- Electrónica de Interface
3.2 Combinações das comutações dos interruptores
Intervalo
0º a 60º
S1
LIG.
S2
DESL.
S3
S4
DESL.
DESL.
S5
DESL.
U
U
U
A-N
B-N
C-N
+
-
Vd/2
Vd/2
S6
0
LIG.
+
60º a
120º
LIG.
120º a
180º
DESL.
180º a
240º
DESL.
240º a
300º
DESL.
300º a
360
DESL.
LIG.
DESL.
DESL.
DESL.
DESL.
0
Vd/2
LIG.
DESL.
LIG.
LIG.
DESL.
LIG.
DESL.
DESL.
DESL.
Vd/2
+
-
Vd/2
Vd/2
0
-
+
Vd/2
Vd/2
0
DESL.
DESL.
DESL.
LIG.
LIG.
DESL.
+
0
Vd/2
DESL.
DESL.
DESL.
LIG.
LIG.
Vd/2
-
+
Vd/2
Vd/2
0
.
3.2.6 Inversor em Z
Figura 3.20 – Inversor em Z
A configuração em Z, (Figura 3.20) permite efectuar a função de inversão e
elevação de tensão na mesma estrutura. Esta estrutura dispensa a utilização de um
estágio intermédio para a elevação de tensão.
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55
Capítulo 3- Electrónica de Interface
A característica elevadora de tensão do, inversor em Z, é devida à combinação de
condensadores e indutâncias que funcionam como uma única impedância (ligada entre a
fonte e a entrada do inversor).
O estudo das etapas características da parte elevadora de tensão, é igual ao estudo
das etapas do inversor Z propriamente dito. Por este motivo, e por uma questão de maior
clareza, nesta fase, é analisada apenas a característica elevadora de tensão (Figura 3.21).
Figura 3.21 – Parte elevadora de tensão (conversor Z, parte inversora substituída por um IGBT)
O conversor Z (CC-CC) tem dois modos de funcionamento, o modo de
funcionamento contínuo e o modo de funcionamento descontínuo [48] [49].
3.2.6.1 Modo contínuo
O funcionamento no modo contínuo pode ser dividido em duas etapas, a etapa 1
(Figura 3.22) e a etapa 2 (figura 3.23).
Etapa 1:
No instante inicial (t0) o interruptor (IGBT) começa a conduzir, a tensão nos
condensadores (C1 e C2) começa a diminuir. As correntes sobre as bobines L1 e L2
aumentam. O díodo está ao corte e permanece neste estado ate ao fim desta etapa.
Figura 3.22 – Sentido das correntes na etapa 1 do conversor Z
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56
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Etapa 2:
No instante inicial desta etapa, o interruptor (IGBT) vai ao corte. Neste instante o
díodo entra em condução. Os condensadores começam a aumentar a sua tensão. As
correntes sobre as bobines L1 e L2 começam a diminuir. Nesta etapa é transferida
potência da fonte para o circuito.
Figura 3.23 – Sentido das correntes na etapa 2 do conversor Z
Característica de transferência estática
A característica de transferência estática (ideal) pode ser obtida através do balanço
energético do indutor.
Neste cálculo considerou-se a tensão nos condensadores constante, facto que
permite simplificar os cálculos sem significativa perda de precisão.
UL – Tensão media na indutância num período
T – Período
T0 – período crescente (da corrente nas indutâncias L)
T1 – período decrescente (da corrente nas indutâncias L)
Vint – tensão de entrada
Vc – tensão nos condensadores
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57
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Vo – tensão na saída
Se Ubobine = 0 e Vc= Vo
A tensão e a corrente têm o aspecto do gráfico da Figura 3.25.
Figura 3.24 – Formas de onda na indutância
To – parte do período com tensão positiva
Ta – Parte do período com tensão negativa
Tb – parte do período a zero
T – Um período de comutação
3.2.6.2 Modo descontínuo de funcionamento
No modo descontínuo, este conversor pode ser dividido em três etapas.
As duas primeiras etapas são iguais às duas etapas referidas para o modo contínuo.
A terceira etapa, deste modo de funcionamento é a seguinte:
No inicio desta etapa, o interruptor (IGBT) permanece ao corte. A corrente sobre o
díodo anula-se colocando o díodo ao corte. A corrente que vai para o circuito é a soma
das correntes sobre as indutâncias (cada bobine tem metade do valor da corrente). A
tensão nos condensadores vai diminuindo.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
58
Capítulo 3- Electrónica de Interface
3.2.6.3 Cálculo de tensão e correntes médias das Indutâncias
Como a tensão média das indutâncias, ao longo de um período, (em regime
permanente) deve ser zero pode-se escrever a equação que se segue.
To – Parte do período com tensão positiva
Ta – Parte do período com tensão negativa
Tb – Parte do período a zero
T – Um período de comutação
Vc – Tensão nos condensadores
Io – Corrente de saída
Potência de entrada = Potência de saída
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59
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Fazendo:
A condução descontínua, tem a desvantagem de ter uma tensão média de saída
dependente da corrente média de saída. Esta dependência dificulta o controlo, razão pela
qual se prefere o modo contínuo de funcionamento.
3.2.6.4
Garantir a condução contínua
Para garantir o modo de operação contínuo, o valor das indutâncias é muito
importante. À que garantir um valor mínimo nas indutâncias, valores superiores a este
mínimo possibilitam o funcionamento no modo contínuo.
Este valor mínimo (L critico) pode ser obtido pelas seguintes equações:
Em condução continua, o ganho de tensão (A) é igual a:
Potência de saída do conversor
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60
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Psaída – Potência de saída
Rcarga – Resistência da carga ligada ao conversor
Durante a primeira etapa de conversão, a tensão na indutância é de Vc.
Cálculo das capacidades:
Durante a primeira etapa a corrente nas indutâncias é igual à corrente nos
condensadores.
A corrente no indutor (considerada constante) pode-se calcular pela equação 3.48.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
61
Capítulo 3- Electrónica de Interface
A corrente eficaz no condensador calcula-se pela equação 3.50.
A corrente de saída do conversor pode ser obtida utilizando a equação 3.52.
Na Figura 3.26 é apresentado um circuito completo do conversor em Z (parte CC).
Os sinais presentes num circuito deste tipo podem ser vistos no gráfico da Figura 3.27.
Figura 3.25 – Parte elevadora de tensão, conversor Z
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62
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Figura 3.26 – Gráfico de tensões, conversor z
3.3 Controlo da tensão de saída do inversor
Para a aplicação em causa a tensão à saída dos inversores tem de ser controlada. Os
métodos utilizados para efectuar esse controlo podem ser agrupados em três categorias.
3.3.1
Controlo através da manipulação da tensão CC fornecida ao inversor (tensão de
entrada do inversor)
A tensão de saída do inversor é directamente proporcional à tensão de entrada. Se a
tensão de entrada for CC o uso de chopper è o método predominante para obter uma
tensão CA variável. Se a tensão de entrada advém de uma tensão CA rectificada, então
um método alternativo pode ser utilizar rectificadores controlados para se conseguir a
tensão CA variável.
3.3.2 Controlo através da manipulação da tensão alternada à saída do Inversor
Colocando um regulador CA entre o inversor e a carga é possível controlar a tensão
que chega à carga.
3.3.3
Controlo de tensão no próprio inversor
O método mais comum para controlar a tensão no inversor è a modelação PWM.
Com este método a tensão de saída è uma onda modelada por largura de impulso. O
controlo é feito através da duração da largura dos impulsos.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
63
Capítulo 3- Electrónica de Interface
A modelação PWM é feita normalmente recorrendo a uma das seguintes técnicas:
- Modelação de largura de impulso simples.
- Modelação de largura de impulso múltipla.
- Modelação de largura de impulso sinusoidal.
3.3.3.1 Modelação de largura de impulso simples
O controlo da tensão com este método consiste em apresentar um único impulso em
cada semi-ciclo da tensão de saída pretendida. A largura de estes impulsos
relativamente à frequência da onda determina a tensão de saída.
3.3.3.2 Modelação por largura de impulso múltipla
Cada semi-ciclo da tensão de saída pretendida é composto por um trem de “m”
impulsos de amplitude constante.
Considerando que “f” é a frequência do inversor então a frequência dos impulsos
(“fp”) é dada por:
O numero de impulsos por em cada ciclo é dado por:
Em alternativa, pode-se manter “m” constante e variar a largura do impulso.
3.3.3.3
Modelação PWM
A tensão de uma onda triangular (de frequência muito maior do que a que se
pretende obter) é comparada com uma onda sinusoidal com a frequência pretendida. A
largura do pulso “tw” é determinada pelo tempo, durante o qual a onda triangular é
menor que a sinusoidal no se mi ciclo positivo, no se mi ciclo negativo, os tempos são
determinados através do tempo em que a onda triangular é maior que a sinusoidal
(Figura 3.28).
A referência sinusoidal deve estar sincronizada com a portadora triangular para que
não sejam produzidos sub harmónicos.
Para que não sejam criados harmónicos pares, e para uma frequência de saída de 50
Hz a frequência da onda triangular sobre 50 deve dar impar.
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64
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Figura 3.27 – Geração de sinais PWM sinusoidais [50]
A onda triangular deve ter uma frequência pelo menos 23 vezes a da onda
sinusoidal (modeladora).
A Figura 3.29, ilustra o tipo de sinais PWM sinusoidais presentes num sistema
trifásico.
Figura 3.28 – Sinais PWM sinusoidais trifásicos
A primeira onda é a fase 1, a segunda é a fase 2 e a terceira é a fase 3. Cada uma
das ondas tem que estar desfasada 120 º em relação às restantes (no caso de sistemas
trifásicos).
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
65
Capítulo 3- Electrónica de Interface
Na figura anterior, por questão de clareza, cada período das ondas está dividido em
apenas 14 partes rectangulares (7 no semicírculo positivo e 7 no semicírculo negativo).
(deveriam ser divididas em 23 partes).
Vinte e três é o mínimo para que se obtenha á saída uma onda sinusoidal aceitável.
Não convém exagerar o número de comutações, num período, porque isso aumenta as
perdas por comutação.
3.4 MPPT (Maximum Power Point Tracking)
Não se consegue retirar mais energia, por unidade de tempo (o que corresponde a
potência), de um dado recurso do que aquela que o recurso ou sistema podem
disponibilizar. Se este ponto não for tido em consideração acaba-se por extrair menos
energia do que a que se poderia extrair.
Quando se liga uma fonte a uma carga nem sempre se está a operar no ponto de
máxima transferência de potência. O ponto de funcionamento é obtido pela intersecção
da característica tensão corrente da fonte, com a característica da carga. Este ponto,
depende da carga.
O circuito MPPT é o circuito responsável por maximizar a potência que um dado
recurso, e um dado sistema podem fornecer.
Existem vários tipos de controladores MPPT [51]. O desenvolvimento de cada um
destes tipos de MPPT depende dos seguintes factores:
- Do rendimento global pretendido.
- Do tipo de conversor (CC-CA ou CC-CC) necessário para a ligação à rede
eléctrica ou à carga.
- Se a implantação é do tipo analógico digital ou combinação de ambos
- Da velocidade versus qualidade do MPPT.
- Da aplicação pretendida.
3.4.1 Funcionamento
Tipicamente o MPPT procura o ponto de máxima extracção de potência utilizando
algum dos seguintes algoritmos:
3.4.1.1 Método de Hill Climbing
O MPPT mede sucessivamente a potência à saída do gerador.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
66
Capítulo 3- Electrónica de Interface
A potência medida no instante actual é comparada com a potência medida no
instante anterior. Dependendo do valor desta comparação o MPPT decide qual o índice
de modelação mais adequado.
O índice de modelação é alterado somando ou subtraindo uma quantidade fixa ou
dependente da diferença na potência entre duas interacções consecutivas [52].
Exemplo de algoritmo:
Os pontos de potência possíveis para um dado sistema descrevem uma curva
(Figura 3.30).
O MPPT mede a corrente e a tensão para saber em que ponto da curva de potência
se encontra.
Seguidamente aumenta o valor de corrente. Se o novo ponto de funcionamento,
fornecer uma potência mais elevada do que a existente no ponto de referência o novo
ponto passa a ser o ponto de referência. Este procedimento è repetido ate que o ponto
testado apresente uma potência inferior à do ponto de referência. Nesta circunstância
reduz o intervalo entre amostras e recomeça-se o processo a partir do ponto de
referência. Quando for atingido um determinado intervalo entre amostras, o MPPT
verifica o ponto anterior ao ponto de referência (ponto abaixo). Se este ponto apresentar
uma potência superior à do ponto de referência este ponto passa a ser o ponto de
referência. Seguidamente aumenta o intervalo entre amostras e continua a verificar o
ponto abaixo do ponto de referência. Repete este procedimento até que a potência do
ponto testado seja menor do que a potência do ponto de referência. Repete-se o ciclo
desde o inicio.
Esta verificação com o ponto anterior pretende responder a diminuições súbitas das
características energéticas dos recursos utilizados.
Exemplo a diminuição da intensidade do vento na (no caso da energia eólica).
Figura 3.29 – Gráfico da posição de MPPT
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67
Capítulo 3- Electrónica de Interface
O ponto de MPP (ponto de máxima potência) do gráfico da figura 64 è o ponto A4.
O controlador MPPT compara a potência do ponto A2 com a do ponto A1. Como o
ponto A2 tem uma potência superior à do ponto A1, A2 passa a ser o ponto de
referência. Seguidamente compara A3 com A2, como a potência em A3 è maior do que
a de A2, A3 passa a ser o ponto de referência. Repete o procedimento comparando A3
com A4, resultando que A4 passa a ser o ponto de referência. Neste momento o MPPT
vai comparar A4 Com A5, como o ponto A5 resulta numa potência inferior à de A4,
resulta que o ponto A4 è o ponto de máxima extracção de potencia (MPP), o
controlador coloca a referencia no ponto A4. Desta forma o MPPT identificou o ponto
MPP.
O circuito MPPT controla a potência através da manipulação de um interruptor
electrónico de potência.
3.4.1.2 Método da Condutância Incremental
Este método baseia-se no facto de a máxima transferência de potência acontecer
quando a impedância equivalente do gerador igualar a impedância da carga.
O circuito MPPT iguala a impedância do gerador com a da carga através do
aumento ou diminuição de um valor fixo no índice de modulação.
3.4.1.3 Método da Tensão Constante
Este método implica o conhecimento da tensão do gerador em circuito aberto.
O MPPT mede a tensão no gerador. Calcula o erro subtraindo a esta medida o valor
da tensão em circuito aberto. Através do erro calcula o índice de modelação, de forma a
tentar igualar a tensão medida com a tensão em aberto.
3.4.1.4 Método da Correlação de Ondulação
Mede-se a potência e a tensão na saída do gerador. Filtra-se o valor da potência e da
tensão com filtros passa alto (apenas se deseja as componentes de alta frequência). O
controlador deduz a zona de funcionamento através do sinal de dP/dv. Esta variável é
integrada originando o valor da tensão de referência. A tensão de referência é
comparada com a tensão do gerador originando o sinal de erro que controla o índice de
modelação.
3.4.2 Constituição do MPPT
Normalmente o circuito MPPT pode ser dividido em dois blocos, o bloco de
controlo e o bloco de potência.
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68
Capítulo 3- Electrónica de Interface
O bloco de controlo, no caso de ser digital, é constituído por um microcontrolador,
no caso de ser analógico é constituído ou por um circuito de controlo analógico. O
circuito MPPT dispõe também de sensores de medida.
O bloco de potência é normalmente constituído por fontes comutadas (chopper
CC-CC).
3.5 Controlo de IGBTS
Um possível circuito para accionamento de IGBT é apresentado na Figura 3.31.
Para fazer conduzir um IGBT ou Mosfet (canal N) é necessário aplicar uma tensão
positiva, superior a um determinado valor, entre a Porta e o Fonte. A utilização destes
componentes, na construção de inversor em ponte completa, acarreta particularidades
para os componentes (IGBT) com as fontes não aterradas. Assim, se os sinais de
controlo, para os componentes nesta situação, vierem de uma fonte de alimentação
independente, consegue-se sistemas de controlo mais simples.
No esquema da figura seguinte, a placa de interface para a ligação de um Igbt (ou
Mosfet) tem a sua própria fonte de alimentação.
A ligação dos circuitos de controlo a estas placas de interface é feita através de
optoacopladores. Isto significa que o controlo destes interfaces pode ser realizado, por
circuitos alimentados por fontes independentes. (alem de permitir o isolamento
eléctrico). A utilização do comparador garante uma resistência de saída baixa, condição
necessária para a utilização dos componentes a frequências elevadas.
Figura 3.30 – Interface para controlo de IGBT em inversores
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
69
CAPÍTULO 4
4
Simulações
4.1 Simulações de circuitos para interface
Neste capítulo são descritas as simulações efectuadas no âmbito deste trabalho.
Foram simulados vários sistemas de interface entre o gerador eléctrico e rede de
distribuição eléctrica.
O simulador utilizado nestas simulações foi o “PSIM”.
Estas simulações tiveram por objectivo testar configurações, procurando a
eficiência e o baixo custo.
Testou-se inicialmente a configuração em Push-Pull com algumas variantes.
Seguidamente simulou-se configurações em conexão diferencial de cargas,
configurações em Z e conexão em ponte completa (com sincronismo por controlador de
fase e onda quadrada filtrada).
4.1.1 Simulação de interface tipo Push-Pull
Figura 4.1 – Circuito Push-Pull genérico
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
70
Capítulo 4 – Simulações
Nesta configuração utilizou-se o sinal da rede (filtrado) e uma onda triangular para
gerar os sinais PWM.
O sinal da rede (sinusoidal 50 Hz) é rectificado gerando dois sinais de meia onda
sinusoidal (figuras 4.1 e 4.2). Estes sinais, são comparados com uma onda triangular
positiva de frequência elevada, gerando dois grupos de sinais PWM (um referente ao
semiciclo positivo e o outro ao semiciclo negativo). Um grupo de sinais PWM gera a
parte positiva da onda de saída, o outro grupo de sinais PWM gera a parte negativa da
onda de saída. Estes sinais são reunidos nos enrolamentos do primário de um
transformador (um em cada enrolamento) gerando uma onda alternada em fase com a
tensão da rede (no secundário do transformador).
4.1.1.1
Ligação de Push-Pull à rede/ configuração simples
Figura 4.2 – Simulação de Push-Pull , sem bloco de adiantamento de sinal, desligado da rede
Nesta montagem (Figura 4.2) a fonte sinalizada como “sinal_rede”, refere-se a um
sinal vindo da rede através de um transformado e filtro passa baixo (conforme referido
na Figura 4.40). Este sinal é aplicado simultaneamente a dois amplificadores
diferenciais (Figura 4.3) [53]. A entrada positiva de cada um dos amplificadores é
ligada á entrada negativa do outro amplificador.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
71
Capítulo 4 – Simulações
Figura 4.3 – Amplificadores diferenciais
Estas ligações (Figura 4.3) fazem com que apenas um amplificador tenha saída
positiva em cada meio ciclo do sinal da rede (são positivas alternadamente). Os díodos e
as resistências de pull down, (R1 e R2) ligadas as saídas dos amplificadores (Figura 4.2)
limitam os ciclos negativos, criando duas meias ondas sinusoidais (positivas) [54]. Os
sinais assim tratados são comparados com uma onda triangular positiva de frequência
elevada. São gerados desta forma dois sinais PWM (figuras 4.4 e 4.38) que vão actuar
sobre as bases de dois transístores (um sinal para cada transístor).
Em cada meio ciclo, do sinal da rede, as bases dos transístores recebem
alternadamente sinais do tipo PWM (a base de um transístor recebe sinais respeitantes
ao ciclo positivo, a base do outro transístor recebe sinais respeitantes ao ciclo negativo).
Os transístores aplicam tensões modeladas PWM nos enrolamentos do primário do
transformador, um transístor por cada enrolamento do primário do transformador. Os
dois grupos de sinais PWM, são assim reunidos no primário transformador originando
uma tensão alternada no seu secundário.
A figura 4.4 ilustra sinais do tipo PWM. Nessa figura, os sinais PWM apresentados
foram gerados comparando uma onda sinusoidal com uma triangular. A onda triangular
utilizada (na geração desses sinais) tinha uma frequência inferior à usada nas simulações
por motivo de maior clareza gráfica.
Figura 4.4 – Sinais PWM (imp1) aplicados a um dos primários do transformador, “ret1” sinal usado para
comparação com a onda triangular (sinais em tensão)
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72
Capítulo 4 – Simulações
Nas simulações os sinais PWM foram gerados pela comparação de um sinal de
meia onda sinusoidal (ret1), com uma onda triangular com 5000 Hz de frequência [39].
O gráfico seguinte relaciona a tensão da rede eléctrica (sinal de entrada,
“sinal_rede”) com a saída em tensão do inversor.
Figura 4.5 – Resultado da simulação, Push-Pull sem sistema de adiantamento de sinal. (entrada,
“sinal_rede”; saída, ”saída”; sinais em tensão)
Como se pode ver na Figura 4.5, a tensão na saída do esquema do circuito anterior
(Figura 4.2) apresenta um atraso em relação à tensão da rede.
4.1.1.2 Ligação de Push-Pull , sem bloco de adiantamento de sinal com
superdíodos
Com o propósito de analisar eventuais vantagens na substituição dos díodos (nas
saídas dos amplificadores da Figuras 4.2 e 4.3) por superdíodos (rectificador de
precisão) [55], procedeu-se à simulação do circuito que se segue.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
73
Capítulo 4 – Simulações
Figura 4.6 – Push-Pull com superdíodos sem bloco de adianto de sinal, desligado da rede eléctrica
O circuito da Figura 4.6, resultou da substituição dos díodos (nas saídas dos
amplificadores) do circuito da Figura 4.2, por superdíodos.
Verificou-se que a utilização de superdíodos em vez de díodos normais
(componentes passivos) não elimina o atraso na saída, ( ver Figura 4.7) mas permite um
índice de modelação maior do que o da configuração da Figura 4.2.
Figura 4.7 – Resultado da simulação Push-Pull com superdíodos, sem bobine no sinal de entrada (sinais
em tensão; “sinal_rede” é a tensão da rede filtrada, “saída” é a tensão na saída do inversor)
De forma a corrigir o atraso que a onda de saída apresentar em relação à onda de
entrada, adiantou-se o sinal de entrada, em relação à rede. O tempo que se adiantou este
sinal foi igual, em módulo, ao atraso que a onda de saída apresentava em relação à onda
de entrada.
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74
Capítulo 4 – Simulações
Figura 4.8 – Circuito deslocador de fase
Para adiantar um sinal, normalmente utiliza-se um circuito deslocador de fase como
o da Figura 4.8 [56]. Em alternativa, pode-se colocar uma indutância em série com uma
resistência. Neste caso, o sinal em tensão é obtido na indutância. Variando o valor da
resistência, ou da bobine, é possível ajustar o ângulo de avanço que o sinal tem em
relação à frequência da rede (ver Figuras 4.9 e 4.10).
Figura 4.9 – Diagrama de fasores relacionando o sinal de entrada e o da rede (no caso da bobine em série
com resistência)
UL – Sinal na bobine
UR – Sinal na resistência
4.1.1.3
Push-Pull com bloco de adiantamento de sinal
A técnica de adiantar o sinal, com a série de bobine e resistência, foi simulada
utilizando o esquema da Figura 4.11 e cujo diagrama geral se pode ver na Figura 4.10.
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75
Capítulo 4 – Simulações
Figura 4.10 – Diagrama do sistema de adiantamento de sinal
Figura 4.11 – Esquema da simulação de Push-Pull com bloco de adiantamento de sinal, desligado da
rede
O resultado da simulação apresenta-se na Figura 4.12. Este gráfico relaciona a
tensão da rede (sinal_rede) com a tensão na saída do inversor (saída). Pode-se ver que a
tensão de entrada (sinal_rede) está em fase com a tensão de saída.
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76
Capítulo 4 – Simulações
Figura 4.12 – Resultado da simulação de Push-Pull com bloco de adiantamento de sinal (“sinal_ rede”
em tensão, “saída” em tensão)
Push-Pull com bloco de adiantamento de sinal e superdíodos
Para avaliar a vantagem da utilização de superdíodos, na configuração com malha
de adiantamento de sinal substituiu-se os díodos (nas saídas dos amplificadores
diferenciais, Figura 4.3) por superdíodos (circuito equivalente ao da Figura 4.2
acrescido do bloco para adiantar o sinal de entrada). Esta modificação está
exemplificada na Figura 4.13.
Figura 4.13 - Bloco para adiantar o sinal (caixa verde) do esquema de simulação Push-Pull, com
superdíodos
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77
Capítulo 4 – Simulações
Figura 4.14 – Resultado da simulação, Push-Pull com superdíodos e bobine de avanço de sinal, sinais em
tensão
Adiantando o sinal de entrada, com a série de bobine e resistência, o sistema
estabiliza mais rapidamente na configuração com superdíodos (ver Figura 4.14).
No esquema seguinte, simulou-se as características da corrente injectada na rede
(para vários valores de tensão no aerogerador).
O aerogerador, foi simulado através de uma fonte CC com uma resistência em
série.
A rede de distribuição eléctrica, para a qual o sistema deve fornecer energia, foi
simulada por um gerador de ondas alternadas sinusoidais com uma resistência em
paralelo. Em seguida apresentam-se os resultados da simulação do sistema completo
(incluindo a ligação à rede eléctrica).
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78
Capítulo 4 – Simulações
Figura 4.15 – Esquemático da simulação da ligação do interface à rede eléctrica (Push-Pull)
No gráfico seguinte relacionou-se a corrente injectada na rede electrica (I_saida)
com a tensão na saída do inversor (v_saida) e na rede eléctrica (sinal_rede)
Figura 4.16 – Resultado da simulação da ligação do aerogerador á rede (via interface), para uma tensão
no aerogerador de 70V CC
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79
Capítulo 4 – Simulações
Para verificar a independência da amplitude da tensão de saída com a potência
injectada na rede analisou-se o circuito para vários valores de tensão no aerogerador
(figuras 4.16 a 4.18).
Figura 4.17 – Resultado da simulação da ligação do aerogerador á rede (via interface), para uma tensão
no aerogerador de 40V CC
Figura 4.18 – Resultado da simulação da ligação do aerogerador á rede (via interface) para uma tensão
no aerogerador de 20 V CC
As formas de onda das figuras 4.16 a 4.18 forram obtidos da seguinte forma:
- Ligou-se o circuito de interface à rede (em condições reais esta operação seria
feita com a tensão da interface em equilíbrio com a da rede).
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
80
Capítulo 4 – Simulações
- Após a ligação á rede, regulou-se o circuito de interface, de forma semelhante a
que seria utilizada para a obtenção de uma tensão superior á da rede.
Pela análise das formas de onda das figuras 4.16, 4.17 e 4.18, verifica-se que, nas
condições referidas, o aumento de tensão no aerogerador (com a interface ligada à rede),
não origina o aumento da tensão na saída da interface. A corrente pelo contrário é
directamente proporcional à tensão do aerogerador. A corrente injectada tem a forma de
uma onda alternada sinusoidal, desfasada 180º em relação à tensão da rede.
4.1.2 Conexão diferencial de cargas
A simulação que se segue, pretende verificar a existência de vantagens em basear o
circuito de interface num sistema de conexão diferencial de cargas (quando comparado
com o sistema do circuito anterior). Pretende analisar a qualidade das ondas geradas em
face da complexidade técnica do circuito de interface.
Este sistema, é baseado no princípio da obtenção de ondas alternadas sinusoidais,
através da subtracção da componente contínua a ondas sinusoidais positivas (figura 84).
A subtracção da tenção contínua, da onda positiva, é feita (neste caso) no primário
de um transformador (ou da carga).
O oscilador é composto por um chopper com sinais de controlo do tipo PWM
sinusoidal (ver Figura 4.19 e Figura 4.20).
A tensão a subtrair é obtida de uma fonte CC com amplitude igual a metade da
tensão de pico da onda positiva.
Figura 4.19 – Conexão diferencial de cargas com fontes comutadas (esquema genérico)
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
81
Capítulo 4 – Simulações
4.1.2.1 Conexão diferencial de cargas/circuito simplificado
Figura 4.20 – Esquemático da simulação de fonte CC-CC modelada com fonte ideal, conexão diferencial
de cargas.
Nesta montagem, a fonte sinalizada como “Rede eléctrica”, refere-se a um sinal
vindo da rede através de um transformador e filtro passa baixo (conforme referido na
Figura 4.40). O sinal referenciado por “Gerador” é o gerador eólico, de onde vem a
energia.
O sinal vindo da rede eléctrica é aplicado a um fixador de pico (malha composta
pelo condensador de 10 n F, díodo e o sinal “Rede eléctrica”). O fixador tem a
finalidade de criar uma onda apenas positiva através do sinal “Rede eléctrica” [53].
O transístor PNP funciona como interruptor electrónico (funciona no corte e na
saturação). A base do transístor é ligada a uma resistência de pull-up (ligada a uma fonte
de 12V). Esta ligação destina-se a manter o transístor PNP no corte quando não recebe
sinais do amplificador. O díodo na saída do amplificador (amplificador operacional)
impede a base do transístor de receber tensões inversas (caso a tensão na saída do
amplificador ultrapasse a tensão no emissor do transístor). Os sinais PWM obtêm-se
comparando uma onda triangular positiva de frequência alta com a onda sinusoidal
positiva (referida anteriormente). O chopper é do tipo step down.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
82
Capítulo 4 – Simulações
Figura 4.21 – Resultado da simulação, fonte cc – cc com fonte ideal, conexão diferencial de cargas
(tensão de saída, “t_saida” por da tensão da rede, “rede”).
A Figura 4.21 ilustra o resultado da simulação do circuito da Figura 85. Pela análise
do gráfico conclui-se que o circuito da Figura 4.20 produz uma onda sinusoidal de boa
qualidade, mas atrasada em relação ao sinal da rede eléctrica.
4.1.2.2 Conexão diferencial - circuito completo
Substituindo a fonte CC genérica (Figura 4.20) por uma fonte comutada, tipo step
down, e colocando uma malha de adiantamento de sinal, na entrada, obtém-se o circuito
da Figura 4.22.
A malha de adiantamento de sinal destina-se a sincronizar a onda gerada com a
tensão da rede. O sinal de entrada passa a ter um avanço no tempo, em relação à rede,
igual ao atraso que o sistema provocava nesse sinal. Aqui, de forma idêntica à utilizada
no circuito push-pull, atrás mencionado, adiantou-se o sinal de entrada através de uma
indutância em serie com uma resistência (o sinal de entrada, em tensão, é obtido na
indutância).
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
83
Capítulo 4 – Simulações
Figura 4.22 – Esquemático da simulação de fonte comutada modelada em conexão diferencial e rede de
avanço de sinal de entrada, desligada da rede eléctrica
Um circuito fixador transforma o sinal vindo da rede numa onda sempre positiva.
O circuito da Figura 4.22 é composto por dois choppers tipo step-down.
Um dos choppers (chopper 1) funciona de forma semelhante a um oscilador. Gera
uma onda positiva (ligada a um dos terminais do transformador).
O outro chopper (chopper 2), é responsável por gerar a tensão CC que é subtraída à
onda positiva (é ligado ao outro terminal do transformador).
De forma a regular, automaticamente, a tensão CC do chopper 2 (para metade da
amplitude da onda positiva, gerada no chopper 1) relacionou-se o índice de modelação
do chopper 2 com o pico da onda positiva.
Um detector de pico foi ligado à saída do chopper 1, através de um amplificador
buffer. A saída do detector de pico (com tensão igual ao pico da onda positiva) é ligada
a um divisor de tensão. Regula-se a tensão neste divisor de tensão por forma a que o
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
84
Capítulo 4 – Simulações
índice de modelação, no chopper 2, origine uma tensão CC (na sua saída) igual a
metade da tensão de pico da onda positiva).
Pela análise da figura seguinte, e comparando-a com o gráfico da Figura 4.21,
referente ao circuito com fonte CC ideal, (conexão diferencial de cargas com fonte
ideal) verifica-se que a forma de onda da tensão de saída, é muito dependente da
qualidade da fonte de tensão usada para subtrair a componente continua no
transformador.
Figura 4.23 – Gráfico de sinais do circuito Conexão Diferencial, interface desligado da rede (com
circuito de compensação de atraso no entrada)
Se for retirado o circuito de adiantamento de sinal, na entrada, a tensão de saída
deixa de estar em fase com a tensão de entrada, além de permanecer distorcida
(Figura 4.24).
Figura 4.24 – Gráfico de sinais de Conexão diferencial, desligado da rede sem bloco de adiantamento de
sinal de entrada
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
85
Capítulo 4 – Simulações
4.1.3 Inversor em Z
Foi testado o inversor em Z, tendo em vista os propósitos dos anteriores circuitos.
Para simular este circuito foi primeiro necessário efectuar um conjunto de cálculos
auxiliares (a teoria subjacente a estes cálculos pode ser consultada no capitulo 3), que
em seguida se apresenta.
Potência = 2000W
Tensão de pico de saída = 50V
Frequência de comutação = 40 kHz
Tensão de entrada entre 30V CC e 60VCC
Considerou-se para efeitos de cálculo o valor mais baixo da tensão de entrada, este
valor origina as correntes mais altas para a potência considerada.
Indutância crítica:
Para uma ondulação de corrente de 10%
Condensadores:
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
86
Capítulo 4 – Simulações
Para uma variação de tensão de 5%:
Corrente eficaz nos condensadores (ic eficaz):
A figura 4.25 ilustra a parte elevadora de tensão do conversor em Z.
Figura 4.25 – Parte elevadora de tensão do conversor em Z
4.1.3.1 Simulação do circuito em Z
O gráfico seguinte ilustra a resposta do circuito da Figura 4.27, quando este é
desligado da rede eléctrica (o circuito da figura 4.27 está ligado á rede eléctrica). Este
gráfico relaciona a tensão de saída (Saída_CA) com o sinal de entrada (em tensão)
vindo da rede eléctrica. Quando se liga o circuito à rede eléctrica (Figura 4.27) obtém-se
o resultado descrito pelo gráfico da Figura 4.26.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
87
Capítulo 4 – Simulações
Figura 4.26 Relação de tensão de saída por tensão da rede eléctrica do inversor em Z desligado da rede
eléctrica
Figura 4.27 - Inversor em Z ligado á rede de distribuição eléctrica
O gráfico seguinte relaciona a corrente injectada na rede (Corrente_saida) com a
tensão na saída da interface (REDE) do circuito da Figura 4.27.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
88
Capítulo 4 – Simulações
Figura 4.28 – Gráfico de corrente (CORRENTE_SAÍDA) e tensão (REDE) do inversor em Z ligado à
rede eléctrica
A corrente de saída, nesta simulação (CORRENTE_SAÍDA), tem a forma de uma
onda sinusoidal (com “ruído”), e está desfasada cerca de 130º em relação à tensão da
rede eléctrica (REDE).
4.1.4 Inversor monofásico em ponte completa
Esta simulação utiliza uma interface baseada num inversor em ponte completa
monofásico.
O circuito simulado obtém uma onda sinusoidal (para comparar com uma triangular
e gerar PWM) filtrando uma onda quadrada. A onda quadrada é sincronizada com a
rede por um circuito controlador de fase (usado para o controlo de tirístores).
A onda quadrada do diagrama da Figura 4.29 é obtida pela ligação de um circuito
controlador de fase (como o TCA 785) ao disparador de um circuito gerador de
impulsos (integrado 555 em montagem monoestável). O TCA 785 gera um impulso
quando a tensão da rede passa por um ângulo definido (escolhido de forma a sincronizar
a saída do sistema com a rede). Este impulso é utilizado para disparar o referido gerador
de impulsos (“timer 555” monoestável). Os impulsos gerados têm a duração de 1/100
segundos. Isto gera uma onda quadrada de 50 Hz sincronizada com a rede.
Um filtro passa banda recebe esta onda quadrada e produz uma onda sinusoidal na
sua saída [57]. A onda assim obtida é rectificada por dois rectificadores de meia onda
gerando duas meias ondas sinusoidais desfasadas 180º. A meia onda negativa é ligada a
um amplificador inversor de forma a ficar positiva.
Dois sinais PWM, são gerados pela comparação de cada uma das referidas meias
ondas sinusoidais positivas, com uma onda triangular positiva de frequência elevada
(5000 Hz).
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
89
Capítulo 4 – Simulações
Timer
monoestavel
(C. I. 555)
impulsos
quadrados de
1/100 segundos
saída onda
quadrada
Controlador de
fase
TCA 785
Rede eléctrica
onda quadrada
Filtro
passa banda
onda sinusoidal
Amplificador
inversor,
rectificador de
meia onda
Rectificadore
de meia onda
Onda
triangular
5K Hz
meia onda positiva
meia onda positiva
Comparador
Comparador
PWM
PWM
Ponte
inversora
Figura 4.29 – Diagrama geral do interface com inversor em ponte completa
Estes sinais (PWM) destinam-se a ser aplicados às gates dos IGBTS de um inversor
em ponte completa. Um sinal PWM é ligado as gates numa das diagonais do inversor
em ponte completa, o outro grupo de sinais PWM é ligado as gates da outra diagonal do
inversor. Na prática haverá a inclusão de um tempo morto, no inicio da condução,
desses pares de IGBT (para evitar situações de curto circuito).
O circuito de “timer” deverá ser alimentado por uma fonte de tensão sem regulador
de tensão. Desta forma a amplitude da tensão, da onda quadrada (de que dependem as
ondas geradas e por consequência a modelação PWM), é dependente da amplitude da
tensão da rede, isto é importante para o ajuste automático da amplitude da tensão do
interface (se a amplitude da tensão da rede é alterada o índice de modelação altera
proporcionalmente).
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
90
Capítulo 4 – Simulações
O esquema da Figura 4.30 apresenta o esquemático geral do sistema electrónico
utilizado nesta simulação. As partes seleccionadas, por caixas a tracejado, indicam os
vários sub circuitos constituintes deste sistema.
Figura 4.30 – Esquema geral da ligação do interface, em ponte completa, entre o gerador e a rede
eléctrica.
Nesta simulação a rede de alimentação eléctrica, a qual o circuito de interface
deverá fornecer energia foi simulada pelo circuito da Figura 4.31 (bloco a azul da
Figura 4.30).
Figura 4.31 – Circuito de simulação da rede de distribuição eléctrica
O aerogerador e o circuito MPPT (parte de potência) ao qual os circuitos simulados
são ligados foram simulados pelo circuito que se segue (referente ao bloco a rosa da
Figura 4.30).
Figura 4.32 – Aerogerador e circuito MPPT usado nas simulações
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
91
Capítulo 4 – Simulações
Obtenção de uma onda quadrada a partir de uma sinusoidal
O circuito que se segue (filtro) tem por objectivo a obtenção uma onda sinusoidal a
partir de uma onda quadrada (referente ao bloco a preto da Figura 4.30).
Figura 4.33 – Circuito filtro passa banda (passa baixo de 4 pólos seguido de filtro passa alto)
Pela análise da figura seguinte, referente à simulação do circuito da Figura 4.33,
verifica-se que a onda à saída do filtro é sinusoidal ligeiramente atrasada em relação à
onda quadrada de entrada.
Figura 4.34 – Resultado da simulação do circuito com onda quadrada (positiva) na entrada e sinusoidal
na saída
Rectificação
O circuito da Figura 4.35, (bloco a castanho da Figura 4.30) foi utilizado na
simulação, para rectificar a onda sinusoidal presente na saída do filtro da Figura 98. As
ondas rectificadas por este circuito serão usadas no circuito da Figura 4.37 para gerar
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
92
Capítulo 4 – Simulações
dois grupos de sinais PWM. Um correspondente ao semiciclo positivo do inversor e o
outro ao semiciclo negativo do inversor.
Figura 4.35 – Rectificadores
A parte negativa da onda sinusoidal foi invertida com um amplificador inversor de
forma a obter duas meias ondas sinusoidais positivas desfasadas 180º (Figura 4.36).
A Figura 4.36 relaciona os sinais de saída (em tensão) dos rectificadores da
figura 4.35.
Figura 4.36– Resultado da simulação do circuito de rectificação (ret1 é a saída de um dos rectificador,
ret2 é a saída do outro rectificador)
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
93
Capítulo 4 – Simulações
4.1.4.1 Gerador de PWM
Figura 4.37 – Circuito para gerar dois pares de sinais PWM (para o inversor em ponte), um para o ciclo
positivo, o outro para o ciclo negativo
O circuito da Figura 4.37 é o sistema responsável pela geração dos sinais PWM
(Figura 4.38).
Figura 4.38 – Sinais PWM aplicados ao circuito inversor
Os sinais pwm1 geram o ciclo positivo do inversor da Figura 4.30, os sinais pwm2
geram o ciclo negativo do inversor da Figura 4.30.
4.1.4.2 Simulação da corrente injectada na rede
O gráfico seguinte relaciona a tensão na saída do interface (ligado à rede), com a
corrente injectada na rede. A entrada, de sincronismo, é uma onda quadrada
sincronizada com a tensão da rede. Nesta simulação a tensão na saída do filtro está
ligeiramente atrasada em relação à tensão da rede. Adiantando a onda quadrada de
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
94
Capítulo 4 – Simulações
forma a obter, na saída do filtro, uma onda sinusoidal sincronizada com a rede (começar
e acabar no mesmo instante), obtém-se uma corrente sinusoidal 180º atrasada em
relação à tensão.
A amplitude da corrente injectada na rede é directamente proporcional a tensão no
aerogerador. A tensão do aerogerador é independente da tensão presente aos terminais
do interface, quando ligado á rede eléctrica.
Figura 4.39 – Resultado da simulação da ligação da interface à rede
4.1.4.3 Ajuste da tensão de saída com a amplitude da tensão da rede
Nestas simulações verificou-se que a amplitude da tensão, na saída do circuito de
interface, é directamente proporcional à amplitude do sinal de entrada (vindo da rede e
responsável pela geração das ondas, em fase com a tensão da rede). Um aumento, ou
diminuição na amplitude da tensão da rede, originará um aumento ou diminuição deste
sinal (entrada). Disto resulta uma alteração no índice de modelação no circuito gerador
de PWM. O resultado da alteração do índice de modelação é a alteração proporcional da
tensão na saída (da interface) com a tensão da rede (quando o interface está desligado da
rede). É necessária a utilização de um amplificador, cujo ganho ajuste a variação do
índice de modelação com a variação da tensão da rede (este amplificador pode ser
colocado na saída do filtro activo de sinal).
Assim, uma vez igualadas as tensões (tensão da rede igual á tensão na saída do
interface) uma alteração na tensão da rede origina uma compensação automática na
saída do interface.
Para que a tensão aos terminais dos circuitos de interface (quando desligado da
rede) iguale a tensão da rede, é necessário que o circuito MPPT, responsável pela tensão
contínua no barramento CC do alternador, aplique uma tensão fixa, e pré determinada,
(enquanto o circuito de interface não está ligado á rede).
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
95
Capítulo 4 – Simulações
Viu-se que ajustando a onda quadrada, de forma a obter na saída do filtro uma
onda sinusoidal sincronizada com a rede (inicio e final no mesmo instante), se obtinha
uma onda de corrente sinusoidal 180º atrasada em relação à tensão da rede.
Pressupostos do ambiente de simulação.
O objectivo do circuito da Figura 4.40 (filtro) é obter uma onda sinusoidal de
qualidade a partir da rede eléctrica. As simulações dos circuitos em push pull, conexão
diferencial de cargas, e Z, foram feitas no pressuposto de que o sinal referido como,
“sinal da rede”, vinha da rede através do circuito da Figura 4.40.
Figura 4.40 – Circuito de obtenção de sinal da rede (“sinal da rede”)
Substituindo:
fc = 50 Hz
Ganho =1,586
Ganho =1+R1/R2
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
96
CAPÍTULO 5
5 Estudo experimental
5.1 Teste de circuitos
Este capítulo pretende aferir a exactidão de alguns dos resultados obtidos nas
simulações efectuadas no capítulo anterior e estudar a complexidade da sua montagem
experimental. São comparados resultados experimentais com dados obtidos através das
simulações (capítulo 4).
No Departamento de Electrónica Industrial (DEI) da Universidade do Minho já
existia uma estrutura para testes de microgeradores eólicos, fruto de um trabalho de
dissertação anterior, da autoria da aluna do MIEEIC, Luciana de Oliveira Moreira.
Nesse trabalho não foi implementada a ligação à rede eléctrica, tendo a aluna se
debruçado, sobretudo, na construção de todo o hardware para ligação ao gerador e
implementação de um esquema de MPPT, que foi testado ligando diferentes cargas no
barramento de CC [58] . Essa estrutura foi aproveitada para teste das diferentes partes
do circuito de interface com a rede, descritas anteriormente. Em seguida apresenta-se os
circuitos que foram montados em laboratório, bem como os resultados dos testes.
Os circuitos montados fazem parte do interface em ponte completa. Escolheu-se
este sistema, entre os outros interfaces, por se adequar melhor á referida estrutura de
testes de microgeradores.
O circuito seguinte é basicamente um filtro passa-banda, tem por objectivo a
obtenção de uma onda sinusoidal a partir de uma onda quadrada (tal como foi referido
nas simulações do capítulo 4), sendo necessário para sincronização com a tensão da
rede.
Figura 5.1 – Filtro passa banda
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
97
Capitulo 5 – Estudo experimental
Figura 5.2 Filtro, bloco passa baixo, montado
A montagem do circuito da figura 5.1, revelou-se fácil de montar. Exigiu no entanto
a colocação do buffer de entrada para separar o filtro do circuito anterior (caso contrário
havia problemas de distorções). Apresentava uma onda alternada sinusoidal de 50 Hz
quando na sua entrada era colocada uma onda quadrada (positiva) de 50 Hz. Os
resultados experimentais revelaram-se semelhantes aos obtidos nas simulações.
O circuito da figura seguinte tem por objectivo a obtenção de duas meias ondas
sinusoidais positivas, tendo por entrada a onda sinusoidal do circuito anterior.
Figura 5.3 – Rectificadores de meia onda desfasados
Figura 5.4 Montagem do circuito rectificador
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
98
Capitulo 5 – Estudo experimental
A montagem do circuito da Figura 5.3 não apresentou dificuldades, sendo possível
observar na sua saída 1, uma meia onda sinusoidal. Na sua “saída 2” observa-se uma
onda semelhante à da “saída 1”mas desfasado 180º em relação a esta, como pretendido
e confirmando os resultados obtidos nas simulações.
As duas meias ondas sinusoidais são depois comparadas com uma onda triangular,
tendo em vista a geração dos sinais PWM para comando do inversor (Figura 5.5).
Figura 5.5 – Geração de sinais PWM
Figura 5.6 Montagem do circuito de geração de sinais PWM
A “saída 1” (Figura 5.5) apresentava uma onda PWM durante o tempo em que a
entrada “A” apresentava tensão positiva. No tempo em que a entrada “A” tinha tensão
nula a “saída 1” apresentava tensão nula. Os sinais presentes na “saída 2” do circuito da
Figura 5.5, eram semelhantes aos da “saída 1” com a diferença de estarem desfasados
180º em relação aos sinais da “saída 1”.
Foi utilizada uma onda triangular positiva de 5000 Hz para comparar com as meias
ondas sinusoidais (para gerar os sinais PWM).
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
99
Capitulo 5 – Estudo experimental
Os resultados obtidos com esta montagem foram idênticos aos obtidos por via da
simulação.
Os sinais PWM gerados na “saída 1” e “saída 2” da Figura 5.5 foram ligados à
ponte inversora conforme a Figura 5.7 (através de circuitos adaptadores Figuras 5.9 e
5.11).
Figura 5.7 – Forma de ligação dos sinais PWM à ponte inversora
A ponte inversora utilizada foi bloco PM25RSB120 da Mitsubishi, (ver Anexo A ,
Figura 8.1) comandada pelo circuito da Figura 8.2 do Anexo A (placa recomendada
pelo fabricante, montada pelo grupo de electrónica de potência do DEI e usada em
trabalhos anteriores).
Figura 5.8– Fontes CC independentes do circuito M57140-01 Fonte: Mitsubishi
O circuito integrado M57140-01 (Figura 5.8) inclui 4 fontes CC independentes. Os
opto acopladores do circuito da Figura 5.11, fazem a ligação entre o circuito de
controlo, e a parte lógica do circuito da Figura 8.1 (Anexo A). O circuito PM25RSB120
(Figura 8.1 do Anexo A) recebe esses sinais na sua parte lógica e promove a ligação
correspondente entre as fontes CC independentes (Figuras 5.8 e 8.2 Anexo A) e as
portas dos IGBT (presentes no módulo PM25RSB120).
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
100
Capitulo 5 – Estudo experimental
O interface de controlo de IGBT (Figura 8.2 Anexo A), liga os IGBT com sinais de
controlo de 0V. Desliga os IGBT com sinais de 15 V. Como os sinais PWM do circuito
da figura 5.5 têm uma lógica inversa desta, foi construído o circuito adaptador da Figura
seguinte.
Figura 5.9 – Circuito adaptador de tensões para interface de IGBT
Figura 5.10 Montagem de adaptador de tensões para IGBT
Houve alguns problemas com a inclusão de um tempo morto no início de condução
dos IGBT (no circuito de interface para IGBT Anexo A, figura 8.1).
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
101
Capitulo 5 – Estudo experimental
Foi sentida a necessidade de alterar este circuito de interface conforme a figura
5.11.
Quando as entradas recebem um sinal de 0 V o condensador carrega
exponencialmente através da resistência de 10 k . Quando as entradas recebem uma
tensão de 15 V o condensador fica em curto-circuito, através do díodo, e descarrega
rapidamente. Assim este circuito demora mais tempo a ligar os IGBT do que a desligar
os mesmos.
Figura 5.11 – Inclusão de um tempo morto no inicio do disparo dos IGBT (parte do circuito)
Os sinais de sincronismo foram obtidos com a utilização de um circuito dedicado
ao disparo de tirístores como o TCA785 (ver Figura 5.12).
Figura 5.12 – Gerador de onda quadrada com desfasamento em relação á rede regulável
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
102
Capitulo 5 – Estudo experimental
Figura 5.13 Montagem de gerador de onda quadrada com desfasamento em relação à rede regulável
O circuito baseado no circuito integrado TCA 785 gera um impulso quando a
tensão da rede passa por um determinado ângulo definido (escolhido de forma a
sincronizar a saída do sistema com a rede). Este impulso é utilizado para disparar um
“timer 555” monoestável (gerador de impulsos quadrados). O ”timer 555” gera um
impulso quadrado com a duração de 1/100 segundo a cada impulso do TCA 785. Isto
gera uma onda quadrada de 50 Hz com o desfasamento em relação á tensão da rede que
desejarmos.
Para obter uma onda adiantada, em relação à rede eléctrica, o disparo dá-se no
semiciclo negativo (nos fiais deste ciclo, próximo dos 180º).
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
103
CAPÍTULO 6
6 Conclusão
Esta dissertação teve o seu início com o estudo da problemática das energias
renováveis e do seu enquadramento no panorama económico e ambiental da
actualidade. Percebeu-se que a energia eólica, dentro das energias renováveis, apresenta
um crescente interesse económico, sendo já uma importante aposta dos governos em
quase todo o mundo. Concluiu-se que estas formas de energia, são encaradas
actualmente como uma forma credível de reduzir a emissão de poluentes, e diminuir a
dependência de combustíveis fósseis.
Comparativamente com outras formas de energias renováveis, a energia eólica
destaca-se por exigir menores custos de implementação.
Foi abordado o conceito da microgeração e analisada a viabilidade económica da
microgeração em Portugal, concluiu-se que a microgeração eólica é economicamente
viável em Portugal.
Estudou-se vários tipos de geradores eólicos e seus elementos constituintes.
Referiu-se que existem geradores de eixo horizontal e de eixo vertical, prevalecendo os
geradores de eixo horizontal e de três pás. Avaliou-se as várias técnicas de controlo de
potência dos aerogeradores. Concluiu-se que aproximadamente 2/3 das máquinas usa
reguladores de velocidade tipo stall e 1/3 das máquinas usa reguladores pitch.
Verificou-se que os geradores eólicos são geralmente de 2 tipos: geradores
assíncronos (de rotor em gaiola ou bobinado) e geradores síncronos (com enrolamento
indutor ou de ímanes permanentes). Os geradores assíncronos absorvem potência
reactiva da rede, enquanto os síncronos permitem ajustar mais facilmente a potência
reactiva injectada na rede. Ambos os geradores necessitam normalmente de conversores
electrónicos de potência para adaptar as suas características eléctricas às da rede
eléctrica.
Concluiu-se, que as principais diferenças entre os grandes geradores eólicos e os
microgeradores eólicos, se situam ao nível do tamanho dos aerogeradores, e de os
microgeradores não disporem normalmente de caixa de velocidades nem sistema de
medição da intensidade do vento.
Concluiu-se que a maioria dos fabricantes de conversores electrónicos (adaptadores
das características eléctricas), quando destinados à microprodução, projecta os seus
sistemas prevendo o funcionamento isolado da rede eléctrica.
Abordou-se, basicamente, 4 sistemas de interface para a rede eléctrica: Push-Pull,
“Conexão Diferencial de Cargas”, inversor em Z e Inversor em ponte completa, tendo
sido simuladas as várias alternativas.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
104
Conclusão
No caso da configuração com Push-Pull concluiu-se que é possível obter uma
tensão de saída em fase com a tensão da rede eléctrica. A corrente é sinusoidal, com um
atraso de 180º em relação à tensão. Concluiu-se que este sistema produz um atraso na
onda de saída. Contudo este atraso pode ser facilmente compensado com um circuito de
adiantamento de sinal na entrada. Mostrou-se que se nesta montagem o bloco
rectificador (na parte respeitante à comparação com a onda triangular) for composto por
superdíodos, o sistema fica mais estável e o índice de modelação pode tomara valores
mais elevados.
No caso da configuração em “Conexão Diferencial” conclui-se que a qualidade da
forma de onda, (alternada sinusoidal) da tensão de saída, é muito dependente da
qualidade da fonte CC usada na subtracção da componente contínua no transformador.
Quanto melhor for esta fonte mais perfeita é a forma de onda (de tensão) na saída.
Concluiu-se que este sistema produz um atraso na onda (de tensão) de saída. Este atraso
pode ser corrigido com um circuito de adiantamento de sinal na entrada.
No circuito com inversor em Z, verifica-se que a tensão de saída é sinusoidal e está
em fase com a tensão da rede eléctrica. Necessita de um sistema para compensar os
atrasos da resposta do sistema. A corrente injectada na rede é sinusoidal com um ruído
(aceitável) e está desfasada 130º (aproximadamente) em relação à tensão da rede de
distribuição eléctrica.
Foram montados os subcircuitos constituintes do inversor em ponte completa
(escolhido por se adequar melhor a estruturas já existentes). Esta configuração, tem um
sistema de sincronismo, baseado nos impulsos do circuito integrado TCA 785 (gera uma
onda quadrada por intermédio de um gerador de impulsos, posteriormente tornada
sinusoidal pela acção de um filtro). Este sistema revelou um ajuste de sincronismo (em
relação à rede) fácil de regular. O disparo do TCA785 (para sincronizar com a rede) foi
regulado para disparar próximo do fim do ciclo negativo do sinal da rede.
Para todas as configurações, conclui-se que a corrente injectada na rede é sinusoidal
e directamente proporcional à tensão do aerogerador. A tensão nos terminais de saída da
interface, quando ligado à rede, não é afectada pela tensão do aerogerador.
Pela análise global desta dissertação, conclui-se que é possível construir circuitos
de interface para ligação à rede eléctrica, de microgeradores, com componentes simples,
facilmente encontrados no mercado e a um custo aceitável.
Proposta para trabalhos futuros
Os resultados das simulações indiciam que as configurações em Z e ponte completa
poderão ter interesse prático.
Propõem-se para trabalhos futuros a terminação da construção da interface em
ponte completa. Sugere-se a construção da interface em Z, por se considerar ser
provavelmente o sistema de interface com a melhor relação custo/desempenho.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
105
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Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
109
Anexo A
8
Anexo A
Módulo de potência Mistubishi e respectivo circuito de interface
Figura 8.1 – PM25RSB120 Fonte: Mitsubishi
Figura 8.2 – Circuito de interface para controlo de IGB
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
110
Anexo B
9 Anexo B
I n v e r te r
ME 1 5 1 2
Power Rating
Input Breaker
Input Wiring
Output Wiring
1800 Watt
s 2800 Watts
30 A
30 A
30 A
# 10 AWG
# 10 AWG
# 10 AWG
# 10 AWG
ME 2 0 1 2
ME 2 5 1 2
4000 Watts
# 10 AWG
# 10 AWG
Figura 9.1 – Interface ME2512
Figura 9.2– Tabela de inversores RD Magnum
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
111
Anexo C
10 Anexo C
Decreto-Lei n.º 312/2001.
DR 284 SÉRIE I-A de 2001-12-10
Ministério da Economia
Define o regime de gestão da capacidade de recepção de energia eléctrica nas redes do
Sistema Eléctrico de Serviço Público proveniente de centros electroprodutores do
Sistema Eléctrico Independente
A organização do Sistema Eléctrico Nacional (SEN) assenta na coexistência de um Sistema
Eléctrico de Serviço Público (SEP) e de um Sistema Eléctrico Independente (SEI) e no princípio
da partilha dos benefícios que podem ser extraídos da exploração técnica conjunta dos dois
sistemas.
O Decreto-Lei n.º 182/95, de 27 de Julho, que estabeleceu as bases do exercício da actividade
de produção, transporte e distribuição de energia eléctrica do SEN, contemplou, no seu
artigo 2.º, os princípios da utilização racional dos recursos naturais, da sua preservação e da
manutenção do equilíbrio ecológico, bem como a igualdade de tratamento e de oportunidades
de todos os interessados. Aliás, já a Directiva n.º 96/92/CE, do Parlamento Europeu e do
Conselho, de 19 de Dezembro, que estabeleceu as regras comuns relativas à produção,
transporte e distribuição de energia eléctrica, apontava para a prevalência da mobilização das
instalações de produção utilizadoras de fontes endógenas de energia primária, especialmente
de fontes de energia renováveis ou resíduos e através do processo de co-geração.
O enquadramento legal da produção de energia eléctrica a partir de energias renováveis e por
processos de co-geração está presentemente vertido no Decreto-Lei n.º 189/88, de 18 de Maio,
com a redacção dada pelo Decreto-Lei n.º 168/99, de 18 de Maio, e pelo Decreto-Lei n. 538/99,
de 13 de Dezembro.
Contudo, a prossecução dos objectivos destes diplomas tem-se defrontado com o
constrangimento de capacidade das redes do SEP para recepção da energia eléctrica
proveniente dos centros electroprodutores do SEI, dificuldade que conduz frequentemente à
inviabilização dos projectos apresentados pelos promotores. Assim, também várias disposições
destes diplomas deverão ser revistas.
Acresce que a política comunitária expressa na directiva designada das energias renováveis,
destinada a promover o aumento da contribuição destas fontes de energia na produção de
energia eléctrica, fixa para o horizonte de 2010 metas ambiciosas que não poderão ser
atingidas sem um novo equacionamento desta problemática.
É assim que o Governo considera necessário consagrar, para se alcançar maior garantia de
acesso às redes do SEP dos produtores em regime especial, procedimentos administrativos
eficientes que assegurem a igualdade de tratamento, a objectividade e a transparência das
decisões.
Deverá entretanto ser tida também em consideração, nos planos de expansão da capacidade
das redes, a produção não vinculada, que tenderá a assumir maior relevo no actual contexto
europeu de promoção de um mercado interno de electricidade aberto e concorrencial.
O presente diploma visa, portanto, estabelecer os instrumentos legais e os mecanismos que
possibilitem o aproveitamento dos referidos recursos mediante uma gestão racional e
transparente da rede pública, proporcionando uma capacidade de recepção que responda
adequadamente aos pedidos de entrega da energia eléctrica proveniente dos centros
electroprodutores do SEI.
Nestes termos, a gestão da capacidade de recepção das redes do SEP deverá processar-se
de acordo com os seguintes mecanismos:
Transparência e equidade na atribuição das capacidades de recepção disponíveis da rede;
Planeamento do reforço das redes pelos operadores do SEP numa perspectiva integradora do
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
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Anexo C
desenvolvimento do SEI e consideração do investimento correspondente para efeitos da
fixação das tarifas reguladas, ao abrigo do Regulamento Tarifário;
Disponibilização aos promotores de projectos de produção de energia eléctrica de informação
actualizada que enquadre as suas opções de investimento.
Interface de um Gerador Eólico de Pequena Potência com a Rede Eléctrica
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