SISTEMA DE CONTROLE DE TURBINA EÓLICA DE
BAIXA POTÊNCIA UTILIZANDO TÉCNICA DE
RASTREAMENTO DO PONTO DE MÁXIMA POTÊNCIA
Roberto Augusto Freitas Dias
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Eletrônica e de Computação da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos necessários à
obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Carlos Fernando Teodósio Soares
Rio de Janeiro
Março de 2015
SISTEMA DE CONTROLE DE TURBINA EÓLICA DE
BAIXA POTÊNCIA UTILIZANDO TÉCNICA DE
RASTREAMENTO DO PONTO DE MÁXIMA POTÊNCIA
Roberto Augusto Freitas Dias
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO
DE ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE COMPUTAÇÃO DA ESCOLA
POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO
PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO ELETRÔNICO E DE COMPUTAÇÃO
Autor:
_________________________________________________
Roberto Augusto Freitas Dias
Orientador:
_________________________________________________
Prof. Carlos Fernando Teodósio Soares, D. Sc.
Examinador:
_________________________________________________
Prof Joarez Bastos Monteiro, D. Sc.
Examinador:
_________________________________________________
Prof. Maurício Cardoso Arouca, D. Sc.
Rio de Janeiro – RJ, Brasil
Março de 2015
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Escola Politécnica – Departamento de Eletrônica e de Computação
Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária
Rio de Janeiro – RJ
CEP 21949-900
Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que
poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar
qualquer forma de arquivamento.
É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre
bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja
ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde3 que sem
finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e
do(s) orientador(es).
iii
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho aos meus pais que investiram em mim durante um longo
tempo para que eu pudesse alcançar este momento e sempre me ensinaram a nunca
desistir dos meus objetivos.
A Lívia Rocha Abreu, que sempre me apoiou nos momentos mais difíceis da
minha vida, por ser uma mulher incrível a quem eu amo.
A toda a minha família por confiar na minha capacidade de fazer a diferença.
Ao grande amigo Pedro Henrique Castello Branco Dágola, a quem eu tive o
imenso prazer de conhecer ao abraçar esta jornada.
A todas as forças espirituais que me protegeram e me orientaram para que eu
fizesse as melhores escolhas até este momento.
iv
AGRADECIMENTO
Agradeço ao Professor Carlos Fernando Teodósio pela orientação durante a
confecção deste trabalho, pelo seu exemplo de profissionalismo e por ter sido um dos
melhores professores que tive durante esta graduação.
Ao Professor Carlos José Ribas D’avilla, coordenador do curso de Engenharia
Eletrônica e de Computação, por toda a sua dedicação no cargo público que exerce, pelo
carinho e respeito para com todos os alunos e pelo exemplo de profissionalismo.
Ao Professor Joarez Bastos Monteiro por todo o conhecimento transmitido de
forma clara e objetiva e por todas as orientações profissionais.
Ao Professor Maurício Cardoso Arouca por todo o apoio dado desde o momento
que nos conhecemos.
A Luiz Cezar Sampaio, diretor executivo da Enersud, por disponibilizar os
materiais necessários para a execução dos testes deste projeto e por toda a sua
cordialidade.
A PRV TECH Soluções Eletrônicas, por disponibilizar as suas instalações e
fornecer todos os materiais necessários para o desenvolvimento deste projeto.
v
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo desenvolver um controlador para turbina eólica
de baixa potência (350 W), com baixo custo e que seja capaz de otimizar a eficiência
energética, através do rastreamento do ponto de máxima potência fazendo uso do
método perturba e observa. Para tal, o controlador será dotado de um conversor CC-CC
do tipo buck, para que através da mudança do seu regime de trabalho possa ser
controlado o fluxo de energia entre a turbina eólica e a carga.
Serão apresentados os principais tipos de conversores CC-CC e os principais
métodos de rastreamento do ponto de máxima potência, que têm sido amplamente
adotados em sistemas de geração fotovoltaicos.
Ao final será apresentado o circuito eletrônico resultante deste trabalho e os
resultados alcançados utilizando o método perturba e observa em uma turbina eólica.
Por ter sido concebido utilizando componentes de baixo custo, este projeto
facilitará o acesso à geração de energia renovável para os consumidores comuns.
Palavras-Chave: Turbina eólica, ponto de máxima potência, eficiência energética,
energia renovável, conversor buck.
vi
ABSTRACT
This work aims to develop a controller for low power wind turbine (350 W) with
low cost and is able to optimize the energy efficiency by tracking the maximum power
point making use of the method disturbs and observes. To this end, the controller will
have a dc-dc buck converter type, so by changing their system of work can be
controlled the flow of energy between the wind turbine and the load.
The main types of DC-DC converters and the main methods of tracking the
maximum power point, which have been widely adopted in photovoltaic generation
systems will be presented.
At the end of the electronic circuit resulting from this work will be presented
and the results obtained using the method disturbs and observes on a wind turbine.
Having been designed using low-cost components, this project will facilitate access to
renewable energy generation for ordinary consumers.
Key-words: Wind turbine, maximum power point, energy efficiency, renewable energy,
buck converter.
vii
SIGLAS
A/D – Analógico Digital
AFPMSG – Axial Flux Permanent Magnetic Synchronous Generator
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica
CA – Corrente Alternada
CC – Corrente Contínua
MPPT – Maximum Power Point Tracking
PWM – Pulse Width Modulation
viii
Sumário
1
Introdução
1.1 - Tema
1
...........................................
1.2 - Delimitação
......................................
1
1.3 - Justificativa
......................................
1
........................................
2
......................................
2
........................................
3
1.4 - Objetivos
1.5 - Metodologia
1.6 - Descrição
2
Energia Eólica
2.1 - Histórico
4
.........................................
2.2 - Aerogeradores
3
4
....................................
5
2.3 - Potência Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.4 - Turbina Eólica Escolhida para este Trabalho
7
............
Conversores CC-CC
3.1 - Conceito
8
.........................................
3.2 - O Conversor CC-CC Abaixador ou Buck
3.3 - O Conversor CC-CC Elevador ou Boost
...............
...............
3.4 - O Conversor CC-CC Abaixador-Elevador ou Buck-Boost
4
1
..
Técnicas de Rastreamento do Ponto de Máxima Potência
4.1 - O que é o ponto de Máxima Potência
ix
..................
8
9
10
11
13
13
4.2 - Técnica da Tensão Constante
4.3 - Técnica Perturba e Observa
........................
14
.........................
15
4.4 - Técnica da Condutância Incremental
5
..................
Projeto do Conversor Buck
18
5.1 - Escolha do Conversor CC-CC
................ .......
5.2 - Características do Projeto do Conversor CC-CC
19
.................
19
5.4 - Determinação do Indutor
...........................
19
5.5 - Cálculo Físico do Indutor
...........................
20
5.5.1 - Escolha do Núcleo
...............................
21
5.5.2 - Número de Espiras
...............................
21
5.5.3 - Cálculo da Bitola dos Condutores
...................
5.6 - Dimensionamento do Capacitor de Entrada
5.8 - Escolha do MOSFET
22
...............
23
...............................
24
Implementação da Técnica MPPT
6.1 - Escolha do Microcontrolador
6.2 - Sensor de Corrente
6.3 - Sensor de Tensão
25
.........................
25
.................................
27
..................................
29
6.4 - Fluxograma do Algoritmo
..........................
Placa de Controle
7.1 - Visão Geral
22
.............
5.7 - Dimensionamento do Capacitor de Saída
7
18
.........
5.3 - Determinação do Regime de Trabalho
6
17
29
31
......................................
x
31
7.2 - Esquemático Eletrônico
............................
7.3 - Layout da Placa de Controle
.........................
7.4 - Circuito de Acionamento das Chaves
8
Placa de Potência
8.1 - Visão Geral
......................................
.............................
8.3 - Layout da Placa de Controle
.........................
Resultados Experimentais
32
34
34
35
36
9.1 - Teste do Conversor Buck
10
32
34
8.2 - Esquemático Eletrônico
9
..................
31
...........................
36
9.2 - Testes do Algoritmo MPPT Realizados na Bancada
Experimental
..........................................
37
9.3 - Testes do Algoritmo MPPT Realizados em Túnel de Vento . .
38
Conclusão e Trabalhos Futuros
40
Bibliografia
41
A
Esquemático da Placa de Controle
43
B
Esquemático da Placa de Controle
44
xi
Lista de Figuras
2.1 – Linha do tempo do desenvolvimento da energia eólica no período do século
XI ao século XIX
4
2.2 – Antigo moinho de vento utilizado na região nordeste do Brasil em uma
salina entre as décadas de 1960 e 1970
5
2.3 – Fazenda eólica para a produção de eletricidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.4 – Turbina eólica Notus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.1 – Modulação PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.2 – Conversor Buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.3 – Conversor Boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.4 – Conversor Buck-Boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
4.1 – Sistemas interconectados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.2 – Gráficos do ponto de máxima transferência de potência . . . . . . . . . . . . . . . .
14
4.3 – Fluxograma do algoritmo perturba e observa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
5.1 – Conversor Proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
5.2 – Núcleo de ferrite, carretel e seus parâmetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
6.1 – Proposta de arranjo para a implementação do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
6.2 – Estrutura interna do microcontrolador PIC16F876A . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
6.3 – Microcontrolador PIC16F876A com encapsulamento DIP-28 . . . . . . . . . . .
26
6.4 – Cristal utilizado para a geração do sinal de clock do microcotrolador . . . . .
27
6.5 – Estrutura interna do circuito integrado sensor de corrente . . . . . . . . . . . . . .
27
6.6 – Aplicação típica sugerida pelo fabricante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
6.7 – Placa comercial com sensor já montado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
6.8 – Sensor de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
6.9 – Fluxograma do algoritmo perturba e observa implementado . . . . . . . . . . . .
30
7.1 – Esquemático eletrônico da placa de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
7.2 – Layout do circuito impresso da placa de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
xii
7.3 – Sugestão de aplicação do driver IR2104 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
7.4 – Arquitetura interna do driver IR2104 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
8.1 – Esquemático eletrônico da placa de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
8.2 – Layout da placa de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
9.1 – Forma de onda da corrente no indutor do conversor Buck . . . . . . . . . . . . . .
36
9.2 – Forma de onda da tensão na saída do conversor Buck . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
9.3 – Gráfico da transferência de potência para diferentes resistências de entrada
37
9.4 – Evolução da potência no tempo para uma carga de 13,6 Ohms . . . . . . . . . .
38
9.5 – Evolução da potência no tempo para uma carga de 2,6 Ohms . . . . . . . . . . .
38
9.6 – Resultado dos testes realizados em túnel de vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
xiii
Capítulo 1
Introdução
1.1 – Tema
O tema do trabalho está centrado no controle de turbinas eólicas de baixa
potência utilizando técnica de rastreamento do ponto de máxima potência,
implementada em um conversor CC-CC do tipo buck .
As turbinas eólicas de baixa potência não possuem sistemas de controle
mecânicos avançados a fim de mantê-las na região de máxima eficiência aerodinâmica,
como ocorre em turbinas de alta potência. Isto ocorre porque a implementação de tais
controles neste tipo de turbina inviabilizaria o seu comércio.
Este trabalho visa desenvolver um sistema de controle, baseado na técnica
perturba e observa , aplicado a um conversor buck para que se possa manter a turbina
eólica com a sua velocidade angular dentro da faixa de máxima geração de potência.
1.2 – Delimitação
O objeto de estudo são turbinas eólicas de baixa potência, na faixa de 0,35 kW a
1,5 kW que fazem uso de alternadores do tipo máquina de tórus (AFPMSG – Axial Flux
Permanent Magnet Synchronous Generator) e que possuem tensão de trabalho de 24V
ou 48 V. Será implementado um algoritmo de controle baseado na técnica Perturba e
observa, com o objetivo de extrair o maior rendimento da turbina. Os sistemas de
frenagem eletromecânica não será abordado neste trabalho.
1.3 – Justificativa
A energia elétrica é uma das energias mais fáceis de ser transmitida e
transformada. Devido a isso, ela é amplamente utilizada em nossa sociedade. Nos
últimos anos, a demanda por eletricidade cresceu acentuadamente, principalmente pelos
avanços e pelo barateamento dos equipamentos eletro-eletrônicos. Tal crescimento
gerou a necessidade de novas fontes de energia elétrica ligadas ao sistema elétrico
1
nacional, a fim de não sobrecarregá-lo e, consequentemente, causar apagões que geram
transtornos e prejuízos a toda sociedade.
A microgeração tem sido uma solução amplamente explorada para solucionar o
problema do aumento da demanda por eletricidade. Fontes alternativas, como a eólica e
a solar, têm sido empregadas em sistemas de microgeração.
Em 17 de Abril de 2012 a ANEEL aprovou a resolução normativa nº 482 que
define as regras para a microgeração em nosso país. Com esta iniciativa governamental,
abre-se um novo mercado na área das energias renováveis, as quais se apresentam com
inúmeros desafios a serem vencidos. Este trabalho visa solucionar alguns destes
desafios.
1.4 – Objetivos
O objetivo deste trabalho é implementar um algoritmo de rastreamento do ponto
de máxima potência para o controle da energia fornecida por uma turbina eólica de
baixa potência, de modo que se possa extrair a maior quantidade de energia possível do
vento. Este algoritmo deverá ser gravado em um microcontrolador que ficará
responsável por controlar um conversor CC-CC do tipo buck.
1.5 – Metodologia
Este trabalho irá utilizar um aerogerador dotado de um alternador do tipo
AFPMSG (Axial Flux Permanent Magnetic Sinchronous Generator) montado com
enrolamentos toroidais e sendo, por isso, conhecido como Máquina de Tórus.
A energia elétrica gerada por alternadores do tipo citado acima é, por essência,
alternada (CA) e neste trabalho ela deverá ser retificada por uma ponte de diodos
trifásica antes de ser injetada no estágio de entrada do conversor buck.
O conversor buck será controlado por um microcontrolador, onde estarão
gravados os algoritmos responsáveis pela aquisição e cálculo das grandezas elétricas
tensão, corrente e potência, e, a partir dessas, ser capaz de rastrear o ponto de máxima
potência através da técnica perturba e observa. O arranjo proposto pode ser observado
na Figura 6.1.
2
1.6 – Descrição
No capítulo 2 serão apresentados os principais usos da energia eólica pela
sociedade ao longo da sua história e a importância desta energia para o desenvolvimento
de cidades e atividades econômicas. Também serão apresentadas neste capítulo as
modernas turbinas usadas para a geração de energia elétrica, a Teoria de Betz sobre a
máxima extração de energia do vento e a turbina eólica escolhida para o
desenvolvimento deste trabalho.
O capítulo 3 introduz a técnica de modulação PWM, os principais tipos de
conversores CC-CC, suas relações matemáticas de transferência de energia e seus
respectivos esquemáticos eletrônicos.
O conceito de máxima transferência de potência e os principais métodos para
rastreamento do ponto de máxima potência, comumente usados em sistemas
fotovoltaicos, são apresentados no capítulo 4. Nele serão explicitadas as vantagens e as
desvantagens do emprego de cada método e apresentado o fluxograma do algoritmo
proposto para este projeto.
No capítulo 5 são desenvolvidos os cálculos do projeto do conversor Buck.
A implementação da técnica perturba e observa em um microcontrolador é
explicada no capítulo 6. Também são apresentados nesse capítulo os sensores de tensão
e corrente, fundamentais para o funcionamento da técnica de rastreamento de máxima
potência.
No capítulo 7 é apresentada a placa de controle desenvolvida neste trabalho e
responsável por receber os sinais dos sensores, processá-los e controlar o ciclo de
trabalho do conversor CC-CC.
A placa que comportará o conversor Buck bem como o seu esquemático
eletrônico será mostrado no capítulo 8.
No capítulo 9 são apresentados os resultados experimentais obtidos no
laboratório e em testes realizados em túnel de vento.
Finalmente no capítulo 10 são evidenciadas as conclusões obtidas com o
trabalho e propostos futuros estudos.
3
Capítulo 2
Energia Eólica
2.1 – Histórico
Com a expansão da agricultura, o homem passou a ter a necessidade de
beneficiar os produtos agrícolas em uma escala cada vez maior e, para isso, criou
inicialmente processos de moagem e bombeamento de água para a irrigação de
lavouras, utilizando tração animal ou até mesmo humana. Porém, com o aumento da
produção, este tipo de tração passava a ser cada vez mais insuficiente. Então, em locais
onde havia a disponibilidade de rio ou córregos foi implantada um novo tipo de tração
através da utilização de rodas d’água. No entanto, havia regiões onde não existiam
cursos de água que poderiam ser aproveitados para este fim. Nestas regiões houve a
percepção da utilização do vento como fonte de energia para a execução dos processos
já citados anteriormente.
Os primeiro moinhos de vento datam de 200 A.C. na região da Pérsia. Este tipo
de energia foi amplamente difundida nos séculos seguintes no mundo islâmico. Porém,
acredita-se que a invenção do cata-vento se deu em um momento bem anterior a esse,
na China por volta de 2000 A.C. e no Império Babilônico em 1700 A.C., onde eram
utilizados para o bombeamento de água usada na irrigação de lavouras (CHESFBRASCEP, 1987) [1].
Figura 2.1 – Linha do tempo do desenvolvimento da energia eólica no período do
Século XI ao Século XIX (Fonte: Dutra, 2001)[2]
4
Já na Europa, os moinhos de vento tiveram a sua introdução com o retorno das
Cruzadas há 900 anos, onde o tipo predominante usado foi o de eixo horizontal. Nesta
época a Europa possuía o sistema de governo Feudal e os camponeses eram obrigados a
usar o moinho de vento dos senhores feudais e, para isso, tinham que pagar tributos.
No Brasil, os moinhos também foram utilizados na moagem de grãos e, mais
recentemente, foram usados para bombear água do mar para as salinas, principalmente
da Região dos Lagos, no Rio de Janeiro, e na Região Nordeste do país.
Atualmente, com a disponibilidade de energia elétrica nessas regiões, faz-se uso
de bombas elétricas convencionais para a retirada de água do mar, não ficando mais
dependente das condições do vento para realizar esta tarefa.
Figura 2.2 – Antigo moinho de vento utilizado na Região Nordeste do Brasil em uma
salina entre as décadas de 1960 e 1970 (Fonte: Museu virtual UERN) [ 3]
2.2 – Aerogeradores
Com a invenção da lâmpada incandescente por Thomas Edson em 1880 [4], a
energia elétrica, que até então somente era usada em experiências de laboratório, passou
a fazer parte da vida cotidiana das pessoas comuns. A partir desta época até a data atual,
a demanda por eletricidade vem crescendo a cada ano em um ritmo acelerado.
A primeira adaptação de cata-ventos para a geração de eletricidade foi feita oito
anos após a descoberta de Thomas Edson pelo industrial Charles F. Bruch, onde o catavento adaptado tinha a capacidade de fornecer 12 kW na forma de corrente contínua.
Esta energia gerada era usada, principalmente, para a iluminação através de lâmpadas
incandescentes (SCIENTIFIC AMERICAN, 1890 apud SHEFHERD, 1994) [5].
5
Esta primeira adaptação criou as bases tecnológicas para a construção dos atuais
aerogeradores que conhecemos.
Figura 2.3 – Fazenda eólica para a produção de eletricidade (Autor: Desconhecido)
2.3 – Potência Eólica
A função de um aerogerador é extrair a energia contida no ar em movimento na
forma de energia cinética. A quantidade de energia que um aerogerador é capaz de
extrair do vento é diretamente proporcional à área varrida por suas pás e a massa de ar
que as atravessa de forma perpendicular. A potência contida no ar em movimento é
dada por:
Pdisp =
1
ρ AV 3
2
(2.1)
Onde:
ρ – Densidade do ar (kg/m3)
A – Área varrida pelas pás da turbina eólica (m2)
V – Velocidade do vento (m/s)
A equação (2.1) representa a potência disponível no vento na ausência da turbina
eólica. No entanto, esta potência não pode ser totalmente convertida em energia
rotacional pela turbina eólica, uma vez que, ao atravessar o plano das pás, o vento
deverá sair com velocidade não nula. Caso o vento, após atravessar o plano das pás,
tivesse velocidade nula, uma nova massa de ar não conseguiria ultrapassar o plano das
6
pás. No outro extremo, se, ao ultrapassar o planos das pás, o vento mantivesse a sua
velocidade, nenhuma energia seria extraída.
Segundo [6], existe um máximo teórico para a conversão eólica-mecânica,
conhecido como Limite de Betz e este possui o valor de 59,3%. Desta forma, podemos
reescrever a equação (2.1) de modo a considerarmos a presença da turbina eólica.
Pmec =
1
ρ AV 3C p
2
(2.2)
Onde:
Cp – Coeficiente de rendimento da turbina eólica
Concluímos, então, que o máximo rendimento de uma turbina eólica é de 59,3%,
Limite de Betz.
2.4 – Turbina Eólica Escolhida para este Trabalho
Este trabalho tem como foco a turbina eólica Notus cuja fábrica está localizada
no município de Maricá no Rio de Janeiro. A escolha deste modelo de turbina se deve
ao fato de ser um equipamento de baixo custo, cerca de R$ 3.500,00, sendo acessível a
um número maior de consumidores.
Tendo uma potência de 350 W, tensão de trabalho de 24 V e um tamanho
compacto, essa turbina é uma ótima opção para ser instalada em residências.
Figura 2.4 – Turbina Eólica Notus (Cortesia Enersud)
7
Capítulo 3
Conversores CC-CC
3.1 – Conceito
Os conversores CC-CC são dispositivos que recebem um determinado nível de
tensão ou de corrente contínua em seus terminais de entrada e o transforma em outro
nível de tensão ou de corrente contínua de acordo com o tipo de conversor que está
sendo utilizado e o seu respectivo regime de trabalho.
Os principais conversores CC-CC não isolados são: o conversor abaixador de
tensão, conhecido como buck, o conversor elevador de tensão, conhecido como boost e
o conversor abaixador-elevador de tensão, conhecido como buck-boost. [7]
Os conversores CC-CC possuem dois modos de funcionamento de acordo com a
corrente que circula pelo indutor L, que são: modo de condução contínua, onde a
corrente que circula o indutor L é sempre maior que zero durante um período completo
de chaveamento, e o modo de condução descontínua, onde a corrente que circula pelo
indutor L assume valor nulo em um determinado momento durante o período de
chaveamento.
Estes tipos de conversores são também conhecidos como conversores
chaveados, pois possuem uma chave eletrônica responsável por dosar o quanto o indutor
é carregado e que é controlada através da modulação por largura de pulso, PWM (Pulse
Width Modulation).
Figura 3.1 – Modulação PWM
8
3.2 – O Conversor CC-CC Abaixador ou Buck
O conversor Buck tem como característica fornecer um valor médio de tensão
em sua saída menor do que o da entrada, e um valor médio de corrente de saída maior
que o da entrada, isso devido à alta eficiência destes conversores e ao princípio da
conservação da energia. Por exemplo, se existe na entrada uma tensão de 12 Volts, e
uma corrente de 1 Ampère, totalizando 12 Watts, enquanto que na saída temos um valor
de tensão igual a 6 Volts, é natural que, para termos na saída os mesmos 12 Watts da
entrada, tenhamos que ter a corrente de saída com valor de 2 Ampères, pois P = V x I.
Este tipo de conversor permite que tenhamos na saída tensões que vão de
0 Volts até o valor da tensão de entrada do conversor, apenas variando o ciclo de
trabalho, duty cycle, do seu PWM. Na Figura 3.2 é apresentado o diagrama de um
conversor do tipo Buck.
Figura 3.2 – Conversor Buck
A relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada neste tipo de conversor
operando no modo de condução contínua é dada pela seguinte equação [7]:
Vo = Vi D
(3.1)
Onde:
Vo – Tensão de saída do conversor
Vi – Tensão de entrada do conversor
D – Ciclo de trabalho (duty cycle)
Através da equação (3.1), podemos comprovar que a tensão de saída pode
assumir valores que vão desde o valor zero até o valor da tensão de entrada, uma vez
que a razão cíclica pode variar de 0% a 100%.
9
3.3 – O Conversor CC-CC Elevador ou Boost
O conversor Boost, ao contrário do conversor Buck, tem como característica a
entrega de um valor de tensão em sua saída maior ou igual ao valor da tensão de entrada
e, sendo assim, baseado novamente no princípio da conservação da energia, temos que o
valor da corrente de entrada sempre será igual ou superior ao valor da corrente de saída.
A Figura 3.3 mostra um arranjo padrão usado na construção de um conversor do tipo
Boost.
Figura 3.3 – Conversor Boost
A relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída para o conversor Boost
operando no modo de condução contínua, em função do ciclo de trabalho é dada pela
equação abaixo [7]:
Vo =
Vi
1− D
Onde:
Vi – Tensão de entrada do conversor
Vo – Tensão de saída do conversor
D – Ciclo de trabalho (duty cycle)
10
(3.2)
3.4 – O Conversor CC-CC Abaixador-Elevador ou Buck-Boost
O conversor do tipo Buck é utilizado em situações onde desejamos conectar uma
fonte de energia com características de fonte de tensão a uma carga que possui
características de fonte de corrente.
Já o conversor do tipo Boost é utilizado quando desejamos conectar uma fonte
de energia com características de fonte de corrente a uma carga com características de
fonte de tensão.
Todavia, existem casos em que necessitamos conectar uma fonte de tensão a
outra fonte de tensão e controlar o fluxo de energia entre as duas. Nestes casos
utilizamos o conversor do tipo Buck-Boost.
A principal característica deste tipo de conversor está no fato de que a tensão
entregue a carga pode ter um valor maior, menor ou igual ao valor da tensão na entrada
deste conversor.
A Figura 3.4 mostra o arranjo básico para a confecção deste tipo de conversor.
Figura 3.4 – Conversor Buck-Boost
A relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída para o conversor BuckBoost operando no modo de condução contínua, em função do ciclo de trabalho, é dada
pela seguinte equação [7]:
Vo =
Vi D
1− D
Onde:
Vi – Tensão na entrada do conversor
Vo – Tensão na saída do conversor
D – Ciclo de trabalho (duty cycle)
11
(3.3)
Observando a equação (3.3) notamos que quando a razão cíclica tende a zero, a
tensão na saída do conversor também tende a zero e quando a razão cíclica tende a um,
a tensão na saída do conversor tende a infinito, pois teríamos uma divisão por zero. Na
prática, a tensão nunca alcançará um valor infinito, pois se a razão cíclica atingir o valor
unitário, o núcleo do indutor presente no conversor saturaria, curto-circuitando a fonte
de entrada e não transferindo nenhuma energia para a carga. Valores cuja a razão cíclica
são da ordem de 70% são frequentemente utilizados na prática.
12
Capítulo 4
Técnicas de Rastreamento do Ponto de
Máxima Potência
4.1 – O que é o ponto de máxima potência
Em sistemas eletrônicos interconectados, a transferência de potência entre eles
obedece à relação existente entre as impedâncias de entrada e saída desses sistemas [8].
Na maioria dos sistemas, em que suas características não variam, existe um
único ponto de máxima transferência de potência entre dois ou mais sistemas
interconectados. Esse ponto de máxima transferência de potência ocorre quando a
impedância de saída do primeiro sistema é igual ao complexo conjugado da impedância
de entrada do segundo. A Figura 4.1 mostra um exemplo de sistemas interconectados.
Neste exemplo a máxima transferência de potência entre eles ocorre quando o valor da
impedância Z2 é igual ao complexo conjugado da impedância Z1.
Figura 4.1 – Sistemas interconectados
No entanto, existem casos onde as características dos sistemas mudam em
função de outras variáveis internas ou externas e, consequentemente, não maximizamos
a transferência de potência entre eles. Para solucionar esse problema, algumas técnicas
de rastreamento do ponto de máxima potência foram criadas. Essas técnicas são
comumente conhecidas como Técnicas de MPPT (MPPT – Maximum Power Point
Tracking). A Figura 4.2 mostra o deslocamento do ponto de máxima potência em
função da variação das características do sistema.
13
Figura 4.2 – Gráficos do ponto de máxima transferência de potência.
Comparando as principais técnicas de rastreamento do ponto de máxima
potência podemos citar que os principais métodos usados atualmente são: Tensão
Constante (CV – Constant Voltage), Perturba e Observa (P&O – Pertubation &
Observation) e Condutância Incremental (IncCond – Incremental Conductance) [9] [10]
[11] [12].
As técnicas de rastreamento do ponto de máxima potência são utilizadas,
atualmente e principalmente, em sistemas fotovoltaicos.
4.2 – Técnica da tensão constante
Esta técnica é muito utilizada em arranjos fotovoltaicos devido à sua
simplicidade de implementação, a não necessidade de utilização de sensores de corrente
e não necessitar de processamentos complexos por parte do microcontrolador.
Este método se baseia no fato de existir uma relação constante entre a tensão de
circuito aberto (Voc) e a tensão do ponto de máxima potência (Vmppt),
independentemente das variações de temperatura e irradiação [9] [10] [11] [12]. A
equação (4.1) mostra a relação existente entre a tensão de circuito aberto e a tensão do
ponto de máxima potência.
Vmppt = kVoc
Onde:
Vmppt – Tensão do ponto de máxima potência.
k – Constante de proporcionalidade.
Voc – Tensão de circuito aberto.
14
(4.1)
Em arranjos fotovoltaicos o valor da constante k assume valores da ordem de 0,7
a 0,8.
Esta técnica, apesar de possuir as vantagens já citadas, possui uma série de
desvantagens, como por exemplo, o uso adicionais de chaves para a desconexão
momentânea do conversor eletrônico, para que a tensão de circuito aberto possa ser
medida; a falta momentânea de geração, devido à desconexão do sistema para a
medição da tensão de circuito aberto, e também o fato da constante k, que é definida
empiricamente, não garantir que o sistema opere exatamente sobre o ponto de máxima
potência.
4.3 – Técnica perturba e observa
A técnica de rastreamento perturba e observa, assim como a técnica da tensão
constante, também é muito utilizada devido a não requerer um grande poder
computacional por parte do microcontrolador.
Este método de rastreamento perturba frequentemente o sistema de geração,
através do incremento ou do decremento do ciclo de trabalho do conversor eletrônico
(duty cycle), e após essa ação observa se a potência gerada aumentou ou diminuiu. Caso
a potência tenha aumentado, por exemplo, o algoritmo irá perturbar o sistema
novamente na mesma direção e, caso a potência tenha diminuído após a perturbação, o
sistema adotará a ação contrária.
A Figura 4.3 mostra o fluxograma do algoritmo da técnica perturba e observa
[26].
15
Figura 4.3 – Fluxograma do algoritmo perturba e observa.
Para a implementação desta técnica é necessária, além da utilização de um
sensor de tensão, a utilização de um sensor de corrente. Temos como principal
vantagem, em relação a técnica anterior, não termos que interromper a geração para
rastrearmos o ponto de máxima potência. Outra vantagem está no fato desta técnica
estar sempre buscando o real ponto de máxima potência, uma vez que a mesma se
baseia nos valores de tensão e correntes advindos do sistema de geração.
Podemos citar como sendo a principal desvantagem desta técnica o fato de que
nunca obtermos o ponto de máxima, pelo menos durante todo o tempo, pois o resultado
deste tipo de rastreamento faz com que o sistema oscile ao redor do ponto, mas nunca
permaneça sobre ele, resultando assim em um erro de regime permanente.
Para o bom funcionamento deste algoritmo, duas variáveis têm que ser bem
definidas, são elas: o tamanho da perturbação aplicada ao sistema e o tempo de
aquisição da tensão e da corrente.
16
4.4 –Técnica da Condutância Incremental
Esta técnica está baseada na busca do ponto de máxima potência através do
cálculo da derivada da curva potência x tensão. Podemos escrever a derivada da
potência do sistema de geração da seguinte forma.
dP d (VI )
=
dV
dV
(4.2)
Realizando algumas manipulações em (4.2), obtemos:
1 dP I dI
= +
V dV V dV
(4.3)
Através da equação (4.3), e sabendo que V sempre assumirá valores positivos,
temos como resultado que o sinal da derivada da potência em relação à tensão é dado
por (I / V + dI / dV), sendo a condutância instantânea (I / V) e a condutância
incremental (dI / dV). Com esses resultados torna-se fácil determinar se estamos no
ponto de máxima potência, já que a derivada da potência em relação a tensão será igual
a zero no ponto de máxima potência[10].
A vantagem desta técnica em relação as anteriores encontra-se no fato de
conseguirmos determinar com exatidão o ponto de máxima potência do sistema de
geração e, uma vez sendo este encontrado, torna-se desnecessária a mudança do ciclo de
trabalho do conversor, evitando, assim, oscilações no sistema como acontece com a
técnica perturba e observa. Todavia, para a realização dos cálculos da derivada, é
necessário um maior poder de processamento por parte do microcontrolador.
17
Capítulo 5
Projeto do Conversor Buck
5.1 – Escolha do Conversor CC-CC
Para este trabalho, foi escolhida a topologia de conversor CC-CC do tipo Buck,
com o intuito de reduzir a corrente demandada da turbina eólica, a fim de reduzir as
perdas nos enrolamentos, diminuindo a densidade de corrente.
A fim de reduzir as perdas durante a conversão CC-CC, o arranjo escolhido para
o conversor foi o Buck síncrono. Neste tipo de arranjo, o diodo schottky é substituído
por um transistor do tipo MOSFET, sendo que este segundo transistor recebe o
comando de acionamento complementar em relação ao outro transistor, ou seja, quando
um transistor recebe o comando para ligar o outro está recebendo o comando para
desligar e assim sucessivamente.
As equações necessárias para o projeto do conversor foram retiradas de [7] e
[16].
Os componentes que deverão ter seus valores calculados são apresentados na
Figura 5.1.
Figura 5.1 – Conversor proposto.
18
5.2 – Características do Projeto do Conversor CC-CC
O modelo de turbina eólica escolhido foi o Notus 138 24 V, do fabricante
Enersud. Esta turbina tem uma capacidade de geração de 350 W. A partir destas
informações, as características do conversor foram definidas como se segue. Por medida
de segurança, o conversor foi dimensionado para fornecer uma potência de 500 W.
Tensão nominal de entrada do conversor: 24 Volts
Tensão máxima de entrada: 28 V
Potência do conversor: 500 W
Corrente nominal de entrada: 21 A
Tensão nominal de saída: 13,8 V ± 0,05 V (Tensão de flutuação de baterias do tipo
Chumbo-Ácidas) [21].
Potência nominal de saída: 500 W – perdas
Corrente máxima de saída: 48 A ± 9,6 A (A corrente máxima ocorre quando a bateria
encontra-se descarregada, ou seja, com uma tensão de 10,5 V).
5.3 – Determinação do regime de trabalho.
Dmin =
Vo m í n 10,5
=
= 0,375 = 38%
Vimáx
28
(5.1)
Onde:
Dmín – Mínimo ciclo de trabalho (duty cycle).
Vomín – Tensão mínima de saída.
Vimáx – Tensão máxima de entrada.
5.4 – Determinação do Indutor
(Vi m áx − Vo m í n ) ⋅ Dmín ⋅ (
L=
1
)
fs
∆I Lmáx
1
(28 − 10,5) ⋅ 0,375 ⋅ (
)
18000
=
= 37.98µ H
9, 6
Onde:
fs – Frequência de chaveamento.
∆ILmáx – Variação máxima da corrente no indutor.
19
(5.2)
5.5 – Cálculo Físico do Indutor
Para este projeto foi escolhido o modelo de núcleo em formato de duplo “E”,
tendo como composição o material conhecido como ferrite ou ferrita. Para que
possamos fazer a escolha de um modelo de núcleo comercial devemos calcular alguns
parâmetros que são mostrados na Figura 5.2.
Figura 5.2 – Núcleo de ferrite, carretel e seus parâmetros [16].
Os seguintes cálculos podem ser realizados para a determinação dos parâmetros
do núcleo e do carretel [16].
Ae ⋅ Aw =
L ⋅ I Lpico ⋅ I LRMS ⋅104
Bmáx ⋅ J máx ⋅ Fu
Onde:
Ae – Área da seção central do núcleo.
Aw – Área da janela do carretel.
ILpico – Corrente de pico no indutor.
ILRMS – Corrente média quadrática no indutor.
Bmáx – Densidade de fluxo magnético máximo.
Jmáx – Densidade de corrente nos condutores do enrolamento.
Fu – Taxa de ocupação dos condutores.
Temos:
Para o ferrite: Bmáx = 0,25T
Densidade de corrente usual: Jmáx = 450 A/cm2
Taxa de ocupação típica: Fu = 0,7 (70%)
20
(5.3)
Temos também:
I Lpico = I o +
∆I L
9, 6
= 48 +
= 52,8 A
2
2
1 ∆I
1 9, 6 2
I LRMS = I o ⋅ 1 + ( L )2 = 48 ⋅ 1 + (
) ≅ 48 A
3 2Io
3 2 ⋅ 48
(5.4)
(5.5)
Aplicando os resultados (5.4) e (5.5) em (5.3) temos:
37,98 ⋅10−6 ⋅ 52,8 ⋅ 48 ⋅104
Ae ⋅ Aw =
= 12, 22cm 4 = 122200mm 4 (5.6)
0, 25 ⋅ 450 ⋅ 0, 7
5.5.1 – Escolha do Núcleo
Agora que já obtivemos o valor do produto da área da seção central do núcleo
pela área da janela do carretel estamos aptos a selecionar um núcleo comercial. Para
este projeto foi selecionado o fabricante nacional de núcleos de ferrite, THORNTON.
Esse fabricante possui um núcleo com Ae = 532 mm2 e um carretel com Aw = 370 mm2.
Sendo assim, o núcleo selecionado foi o NEE-65/33/26 e o carretel escolhido foi CE65/33/26-1/0-POM.
5.5.2 – Número de Espiras
Considerando que o valor mínimo do indutor para o conversor operar no modo
de condução contínua é de 37,98 µH e tendo em vista que o núcleo selecionado possui
um considerável espaço vago no carretel, vamos considerar, por precaução, o valor de
50 µH para o indutor a fim de garantir que ele estará sempre operando no modo de
condução contínua. Foi verificado em (5.6) que o núcleo escolhido comporta este valor
de indutor.
Calculando o número de espiras temos [16]:
L ⋅ I Lpico
50 ⋅10−6 ⋅ 52,8 4
N=
⋅10 =
⋅10 = 19,85
Bmáx ⋅ Ae
0, 25 ⋅ 5,32
4
Vamos considerar N = 20 espiras.
21
(5.7)
5.5.3 – Cálculo da Bitola dos Condutores
Levando-se em consideração o efeito pelicular devemos colocar um certo
número de condutores em paralelo para não aumentarmos as perdas no indutor, ou até
mesmo danificá-lo devido à elevação da densidade de corrente. Sendo assim, aplicamos
a equação do efeito pelicular [16], que evidencia até que profundidade a corrente
penetrará no condutor.
∆=
7,5
7,5
=
= 0, 0559cm
fs
18000
(5.8)
O diâmetro do condutor não deverá ser menor do que 2∆ = 0,112 cm.
A área mínima que o condutor deverá ter é [16]:
Acond =
I LRMS
48
=
= 0,1067cm 2
J máx 450
(5.9)
Dados os resultados anteriores, o condutor escolhido foi o AWG19, que possui
um diâmetro d = 0,091 cm e uma área de cobre igual a A = 0,006527 cm2. Através da
equação (5.10) podemos calcular o número de condutores que devem ser postos em
paralelo.
ncondutores =
Acond
0,1067
=
= 16,34
A
0, 006527
(5.10)
Considerar que o número de condutores a serem colocados em paralelo é igual a 17.
5.6 – Dimensionamento do Capacitor de Entrada
A corrente na entrada do conversor é de característica pulsada [7], possuindo
elevado conteúdo harmônico que pode causar interferência em outros equipamentos. O
fato importante a ser levado em consideração é que a indutância parasita existente entre
a turbina eólica e o conversor, causada pelas grandes distâncias de cabos utilizadas,
pode acarretar na geração de sobretensões que poderão danificar o circuito.
22
Para evitar esses problemas durante a operação do sistema, será utilizado um
capacitor eletrolítico como filtro de entrada no conversor. Este capacitor será
dimensionado tomando como referência a equação (5.11).
C1 =
Io
4 f ∆Vc1
(5.11)
Onde:
Io – Corrente média na carga.
f – Frequência de chaveamento.
∆VC1 – Variação da tensão no capacitor de entrada. (Considerar ∆VC1 = 2 V).
Efetuando os cálculos temos:
C1 =
48
= 240 µ F
4 ⋅ 25000 ⋅ 2
5.7 – Dimensionamento do Capacitor de Saída
Para que possamos obter uma corrente constante na carga, é necessário que
façamos uso de um capacitor eletrolítico na saída do conversor, por onde circulará a
componente alternada da corrente que passa através do indutor [7].
Podemos, através da equação (5.12), dimensionar o valor do capacitor
necessário para atender às especificações iniciais do projeto.
C2 =
∆iL
2π f ∆V
(5.13)
Onde:
∆iL – Variação da corrente no indutor L1, definida no início do projeto com o valor de
9,6 A.
f – Frequência de chaveamento.
∆V – Variação da tensão de saída, definida no início do projeto com o valor de 0,05 x
Vomin.
Efetuando os cálculos temos:
C2 =
9, 6
≅ 116 µ F
2π ⋅ 25000 ⋅ 0, 05 ⋅10,5
23
(5.14)
5.8 – Escolha do MOSFET
Sendo a potência máxima do conversor igual a 500 W e a tensão máxima
presente na entrada do circuito igual a 28 V, foi escolhido o MOSFET IRFZ44 por ser
um componente de fácil aquisição e custo reduzido. Este componente possui
VDS = 60 V e IDmáx = 50 A.
24
Capítulo 6
Implementação da Técnica MPPT
Para a construção do sistema foi utilizada a proposta de arranjo apresentada na Figura
6.1.
Figura 6.1 – Proposta de arranjo para a implementação do sistema.
6.1 – Escolha do microcontrolador.
O microcontrolador escolhido possui internamente todos os módulos necessários
para a implementação da técnica escolhida e também tem como atrativo o seu baixo
preço de mercado.
Para este trabalho, o microcontrolador escolhido foi o PIC16F876A, da
fabricante Microchip. Este dispositivo eletrônico possui em seu interior, além da CPU,
uma memória EEPROM de 256 x 8 bits, dois módulos PWM com resolução de 8 bits e
um conversor A/D de 10 bits [13]. A Figura 6.1 apresenta a estrutura interna do
microcontrolador PIC16F876A, fornecida pela fabricante.
25
Figura 6.2 – Estrutura interna do microcontrolador PIC16F876A [22].
A frequência de trabalho escolhida para o microcontrolador foi de 20 MHz,
utilizando um oscilador externo a cristal. Esta frequência foi escolhida por simples
conveniência, tendo em vista que este cristal já estava disponível para a utilização no
momento do desenvolvimento deste trabalho. Frequências menores podem ser utilizadas
sem problema, pois o sistema a ser controlado, uma turbina eólica, possui constante de
tempo de segundos, devido à inércia da máquina elétrica.
Figura 6.3 – Microcontrolador PIC16F876A com encapsulamento DIP-28
26
Figura 6.4 – Cristal utilizado para a geração do sinal de clock do microcontrolador
6.2 – Sensor de corrente.
Para o cálculo da potência durante o rastreamento do ponto de máxima potência
é necessária a aquisição do valor da corrente fornecida pela turbina eólica. Para medir
este valor de corrente foi utilizado um sensor de corrente por efeito Hall integrado,
fabricado pela Allegro MicroSystems. Este sensor pertence a linha de sensores ACS712
e o modelo escolhido tem a capacidade de medir correntes na faixa de -20 A a +20 A
[14].
A utilização deste sensor foi escolhida porque é um sensor de baixo custo, se
comparado com sensores de outros fabricantes, é facilmente encontrado no mercado e já
vem montado em uma pequena placa de circuito impresso, o que torna sua manipulação
e instalação mais fácil.
A Figura 6.4 mostra a estrutura interna deste sensor integrado com os seus
respectivos blocos de filtragem e condicionamento de sinal.
Figura 6.5 – Estrutura interna do circuito integrado sensor de corrente [23].
27
Figura 6.6 – Aplicação típica sugerida pelo fabricante [23].
Figura 6.7 – Placa comercial com sensor já montado.
A saída do módulo sensor de corrente foi conectada diretamente à entrada de um
dos canais do conversor A/D do microcontrolador. O módulo apresenta em sua saída
uma tensão de 2,5 V, quando a corrente que o atravessa é igual a zero; 0 V de saída,
quando a corrente que o atravessa é igual a -25 A e 5 V de saída, quando a corrente que
o atravessa é igual a 25 A. Apesar do sensor ser especificado pelo fabricante como
tendo a capacidade me medir correntes de -20 A a +20 A sua escala está dividida dentro
do intervalo -25 A a +25 A, esta divisão resulta em 100 mV/A em sua saída.
O conversor A/D do microcontrolador foi configurado para ter como referência
a sua própria tensão de alimentação, ou seja, 5 V. Com esta configuração temos uma
resolução na conversão aproximadamente igual a 5 mV. Assim, temos que a menor
corrente que pode ser medida será de 50 mA. Sendo esta a menor corrente que podemos
medir nestas condições, torna-se importante escolhermos um valor para a perturbação
do sistema que gere correntes iguais ou maiores que este valor, para que o algoritmo
possa avaliar a posição do sistema em relação ao ponto de máxima potência.
28
6.3 – Sensor de tensão.
O sensor de tensão utilizado neste trabalho foi implementado através de um
divisor resistivo e fazendo uso de dois resistores de precisão, um com valor de 56 kΩ e
outro com valor de 5,1 kΩ, sendo a tensão sobre este segundo resistor direcionada para
um dos canais do conversor A/D do microcontrolador.
A partir destes valores de resistor, foi definido um fundo de escala de 60 V, para
a medição da tensão da turbina eólica. Sendo a referência do conversor A/D igual a 5 V,
teremos uma resolução na medição da tensão de aproximadamente 60 mV. A Figura 6.7
mostra o circuito divisor de tensão implementado como sensor de tensão.
Figura 6.8 – Sensor de tensão.
6.4 – Fluxograma do algoritmo.
Uma vez que já temos realizado a aquisição dos valores instantâneos da tensão e
da corrente geradas pela turbina eólica, podemos realizar, dentro do microcontrolador,
os cálculos necessários para obtermos o valor da potência gerada e o sentido da
perturbação a ser aplicado no conversor eletrônico. A Figura 6.8 mostra o fluxograma
(BRITO et al., 2010) [15] do algoritmo implementado no software que irá embarcado
no microcontrolador.
29
Figura 6.9 – Fluxograma do algoritmo Perturba e Observa implementado.
30
Capítulo 7
Placa de Controle
7.1 – Visão geral.
Para o controle do sistema, foi desenvolvida uma placa de controle para a
instalação do microcontrolador e do circuito driver de acionamento das chaves
eletrônicas. Esta placa pode ainda ser usada para o controle do descarte do excesso da
energia gerada pela turbina eólica, também conhecido como dump load, e acionamento
do sistema de frenagem de emergência, em situações anormais de vento. Por hora, serão
citadas apenas as características da placa utilizadas para o desenvolvimento deste
trabalho.
7.2 – Esquemático eletrônico.
A Figura 7.1 apresenta o esquemático do circuito eletrônico desenvolvido para o
controle e acionamento do sistema. Como mencionado anteriormente, este circuito foi
concebido para desempenhar funções que vão além do foco deste trabalho. Para melhor
visualização consulte o Apêndice A.
Figura 7.1 – Esquemático eletrônico da placa de controle.
31
7.3 – Layout da placa de controle.
O resultado do roteamento da placa, a partir do esquemático eletrônico, pode ser
observado na Figura 7.2. As duas cores presentes nas trilhas do layout são referentes às
camadas superior e inferior do circuito impresso. Esta placa foi fabricada em um
substrato de fibra com espessura de 1,6 mm.
Figura 7.2 – Layout do circuito impresso da placa de controle.
7.4 – Circuito de acionamento das chaves.
Como os sinais advindos do microcontrolador têm valores próximos a 5 V, fazse necessária a utilização de um driver para que o transistor responsável pelo
chaveamento no conversor buck seja corretamente acionado, evitando, assim, danos por
superaquecimento gerado pelas perdas do chaveamento. O circuito driver deverá ser
capaz de fornecer ao gate do MOSFET uma tensão mínima de 10 V e máxima de 15 V.
Para este desenvolvimento, foi escolhido o circuito integrado IR2104, fabricado
pela International Rectifier, por atender às necessidades deste projeto e ser de fácil
aquisição no mercado nacional. A Figura 7.3 mostra uma sugestão de utilização
fornecida pelo fabricante.
32
Figura 7.3 – Sugestão de aplicação do driver IR2104 [24].
Uma das grandes vantagens de se utilizar este tipo de circuito integrado está no
fato dele já possuir proteções, como por exemplo, contra baixa tensão de alimentação e
contra chaveamento simultâneo entre o transistor superior e o inferior, já implementadas
internamente.
A Figura 7.4 mostra a arquitetura interna do circuito integrado, onde podemos
observar uma das proteções citadas, contra baixa tensão de alimentação, representada
pelo bloco UV DETECT – Undervoltage Detect.
Figura 7.4 – Arquitetura interna do driver IR2104 [24].
33
Capítulo 8
Placa de Potência
8.1 – Visão geral.
Os principais componentes formadores do conversor Buck estão instalados na
placa de potência. Nela estão presentes os transistores, responsáveis pelo chaveamento,
os capacitores de entrada e de saída do conversor e os terminais de conexão do indutor.
Através de um conector IDC de 10 vias, presente tanto na placa de controle
como também na placa de potência, trafegam as informações e os sinais necessários
para o devido funcionamento do conversor e do algoritmo.
8.2 – Esquemático eletrônico.
Na Figura 8.1 é apresentado o esquemático eletrônico da placa de potência, onde
podem ser observados os principais componentes integrantes do conversor CC-CC.
Figura 8.1 – Esquemático eletrônico da placa de potência.
É possível observar no esquemático a presença de dois pares de transistores (Q1,
Q2, Q3 e Q4) em ligação de meia ponte (half bridge) responsáveis pela configuração
síncrona do conversor CC-CC. Este tipo de configuração garante maior eficiência
energética, uma vez que a queda de tensão sobre um transistor MOSFET é menor do
que sobre um diodo Schottky. Para uma melhor visualização do esquemático consulte o
Apêndice B.
34
8.3 – Layout da placa de controle.
A partir do esquemático eletrônico apresentado na Figura 8.1, foi possível a
concepção do layout do circuito impresso para a fabricação da placa protótipo usada
neste trabalho. O layout da placa de potência é mostrado na Figura 8.2.
Figura 8.2 – Layout da placa de potência.
Podemos observar, no lado direito da placa, a presença do conector IDC por
onde trafegam os sinais responsáveis pelo controle do conversor CC-CC.
As trilhas mais espessas foram reforçadas com uma camada de solda durante a
fabricação para que pudessem suportar as correntes que deveriam conduzir.
35
Capítulo 9
Resultados Experimentais
9.1 – Testes do conversor Buck.
Antes da verificação do funcionamento do algoritmo MPPT, faz-se necessário o
teste do conversor Buck para comprovar se os cálculos realizados anteriormente
correspondem à realidade.
O primeiro teste é a verificação da operação do conversor no modo contínuo,
através da observação do formato de onda da corrente que circula no indutor. A Figura
9.1 mostra a forma de onda observada em um osciloscópio durante o funcionamento do
conversor.
Figura 9.1 – Forma de onda da corrente no indutor do conversor Buck.
A escala utilizada para a medição foi de 400 mV/A, sendo assim, foi observada
uma variação na corrente do indutor com valores próximos a 2,4 A, quando o conversor
fornecia uma corrente de 24 A para a carga. Este valor está dentro do esperado.
Segundo [7] o conversor CC-CC não deverá apresentar variações de corrente maiores
que o intervalo de 20% - 40% da corrente máxima. Com esta medida concluímos que o
conversor está operando no modo contínuo.
A Figura 9.2 mostra o resultado do teste realizado com o conversor Buck, a fim
de verificar a sua capacidade de regulação da tensão de saída em 13,8 Volts.
36
Figura 9.2 – Forma de onda da tensão na saída do conversor Buck.
Para a realização deste teste o conversor foi alimentado com uma tensão de 24
Volts. Em sua saída foi conectada uma carga com capacidade de drenar uma corrente de
5 Ampères.
9.2 – Testes do algoritmo MPPT realizados na bancada experimental.
Para a realização do teste em bancada, resistores de valores diferentes em série
foram conectados a uma fonte de alimentação, simulando a resistência interna da
turbina eólica, para que o funcionamento do algoritmo em diferentes circunstâncias
fosse verificado. A Figura 9.1 apresenta um gráfico com os diferentes pontos de
máxima transferência, obtidos por experimentação para os diferentes valores de
resistores.
Figura 9.3 – Gráfico da transferência de potência para diferentes resistências de entrada.
37
Os gráficos obtidos através de medições realizadas com osciloscópio, utilizando
duas resistências diferentes na entrada, podem ser observados nas Figuras 9.3 e 9.4.
Nelas estão demonstrados os casos em que o algoritmo MPPT atua até alcançar a
máxima potência. Estes gráficos apresentam uma análise qualitativa do funcionamento
do algoritmo implementado. A escala do eixo vertical é de 6 W/div. Os resultados
demonstram que o ponto de máxima potência está localizado próximo a 20 W, como era
esperado.
Figura 9.4 – Evolução da potência no
tempo para uma carga de 13,6 Ohms.
Figura 9.5 – Evolução da potência no
tempo para uma carga de 2,6 Ohms.
9.3 – Testes do algoritmo MPPT realizados no túnel de vento.
Para a verificação do sistema completo, foi necessária a utilização do túnel de
vento existente na empresa Enersud. A realização dos testes em um túnel de vento fazse justa devido a este ser um ambiente controlado, permitindo assim a análise do
funcionamento do sistema em diferentes regimes.
Este teste ficou limitado até a velocidade de 6 m/s, devido às características do
próprio túnel de vento. Túneis de vento com velocidades mais altas são grandes e
dispendiosos e não têm aplicabilidade para os fins da Enersud.
Três testes diferentes foram realizados: carregamento direto de uma bateria 12 V
75 Ah, carregamento direto de uma bateria 24 V 75 Ah e carregamento de uma bateria
de 12 V 75 Ah usando o rastreamento do ponto de máxima potência.
Mesmo com a velocidade máxima limitada em 6 m/s, podemos observar, através
da Figura 9.5, a melhora na eficiência da turbina quando utiliza o algoritmo de
rastreamento de máxima potência. Durante a operação de carregamento de bateria,
38
notamos que a medida que a velocidade do vento aumenta, zonas mais interessantes
para geração, a turbina perde eficiência.
A menor geração alcançada pelo sistema, em baixa velocidade, é devido à baixa
sensibilidade do sensor de corrente utilizado a valores de corrente menores que 1 A.
Figura 9.6 – Resultado dos testes realizados em túnel de vento.
39
Capítulo 10
Conclusão e Trabalhos Futuros
Os objetivos propostos para este trabalho foram alcançados e sendo assim, conclui-se
que:
- A placa de controle desenvolvida funcionou corretamente, sem apresentar falhas ou
reinicializações do microcontrolador.
- O conversor Buck atendeu às expectativas do projeto. Durante os testes não apresentou
mau funcionamento e nem aquecimento dos componentes.
- O algoritmo demonstrou ser eficiente para aumentar o rendimento da turbina eólica e
apresentou pequenas variações de potência durante o rastreamento do ponto de máxima
potência.
Como estudos futuros fica a proposta de implementar, junto ao algoritmo MPPT,
um determinado procedimento de carga para bateria, podendo ser este: carregamento
com corrente constante, carregamento com tensão constante ou uma mistura de ambos.
Também é proposta a experimentação de novos parâmetros do algoritmo e da
fabricação da turbina eólica e a utilização de outros tipos de turbina, como a de eixo
vertical, por exemplo.
40
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[24] http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2104.pdf
42
Apêndice A
Esquemático da Placa de Controle
43
Apêndice B
Esquemático da Placa de Potência
44