Minha dissertacao 26-5-09 - intranet.dei.uminho.ptintranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/38019.pdf · Com este projecto pretende-se conceber, desenvolver e testar um sistema

Agradecimentos

iii

Agradecimentos

Aqui deixo o meu agradecimento às pessoas que mais contribuíram para o

sucesso desta dissertação.

Ao meu orientador Professor Manuel João Sepúlveda Freitas, por toda a ajuda,

incentivo e apoio, bem como as sugestões e críticas dadas no decorrer do trabalho as

quais foram determinantes para o sucesso final.

Aos meus colegas de laboratório Carlos Silva, Daniel Santos e Ricardo Sá,

incansáveis na ajuda e no apoio, bem como o bom ambiente sempre presente.

Aos técnicos das oficinas pelos apoios dados ao longo de todo o meu percurso

académico.

Aos demais colegas que, desde o primeiro dia me ajudaram e me deram força

para a chegada ao fim de meu percurso académico.

Aos meus pais, António Gonçalves, Maria Armanda e demais família, pelo

apoio e coragem dadas ao longo de todo este tempo.

À Cândida Lourenço por esperar pacientemente e por me ajudar e estar sempre

ao meu lado nos bons e maus momentos.

Ao meu avô Félix Fernandes, pela coragem e amizade transmitida ao longo de toda a vida.

Agradecimentos

iv

Pensamento

v

“Não são as ervas más que

afogam a boa semente, e sim a

negligência do lavrador.”

Confúcio

Pensamento

vi

Resumo

vii

Resumo

A energia eléctrica provém maioritariamente de grandes centrais térmicas e

hidroeléctricas distanciadas dos pontos onde é consumida, tendo de ser transportada até

aos locais de consumo. Assim sendo, tem havido alguns esforços por várias entidades

para começar a haver uma produção local de energia eléctrica, principalmente para

pequenos consumos ou para locais de difícil acesso onde se torna bastante vantajoso

este tipo de aplicações.

Dia após dia, o consumo energético tem vindo a aumentar devido ao crescente

apoio das tecnologias e dos bens pessoais que cada um adquire. Assim, os governos de

diversos países têm vindo a apostar cada vez mais em fontes de energia renovável, em

detrimento das tradicionais centrais térmicas e termonucleares que são prejudiciais para

o planeta e para o ser humano.

Com este projecto pretende-se conceber, desenvolver e testar um sistema gerador

de energia eléctrica baseado em alternador de velocidade de accionamento variável,

juntamente com um sistema electrónico de potência capaz de converter a tensão de

amplitude e frequência variável do alternador numa tensão compatível com a rede

eléctrica.

O sistema gerador desenvolvido será uma unidade independente capaz de ser

acoplada a uma máquina primária rotativa, como por exemplo, uma turbina hidráulica,

constituindo o conjunto uma central micro-hídrica.

Para o desenvolvimento deste projecto foram efectuados estudos e elaboração de

conversores CC-CC (corrente contínua – corrente contínua) para elevar a tensão de

saída do gerador, bem como inversores CC-CA (corrente contínua – corrente

alternada) comutados para adaptação da tensão de saída. Também foi elaborado um

filtro LC (indutivo e capacitivo) para diminuir a distorção da tensão de saída e utilizado

um transformador para adequar níveis de tensão desejados.

Palavras-chave: Alternador, Conversor CC-CC, Conversor CC-CA, Fontes de

Energia Renovável, Modulação de Largura de Impulso (PWM).

Resumo

viii

Abstract

ix

Abstract

The electric energy is essentialy provided from large hydroelectric and thermal

power stations located at a considerable distance where it is consumed. Because of this

it has to be transported to the places of consumption. Accordingly, there has been some

effort by several entities to start having a local production of electricity, mainly for

consumption in small places of difficult access where such applications are very

advantageous.

Day after day the energy consumption increases because of the growing use of

technology and personal electronic devices that each one acquires. Therefore,

governments of various countries have been betting increasingly on renewable sources

of energy, to the detriment of traditional and thermonuclear power stations that are

harmful to the planet and to human beings.

This project aims to design, develop and test a system to create an electrical power

generator based on the variable speed drive, along with a power electronics system,

capable to convert an alternator voltage which is variable in frequency and amplitude

into a voltage with constant amplitude and frequency compatible with de electric

network.

The developed system, will be an independent unit, capable of being coupled to a

primary rotating machine, such as a hydraulic turbine, constituting the set, a

micro-hydroelectric power station.

For the development of this project several studies have been made. It was studied,

DC-DC converters to increase the output voltage of the generator, a DC-AC inverter to

adjust the output voltage. It was also prepared an LC filter (inductive and capacitive) to

reduce the distortion of the output voltage. At last it was used a transformer to adjust the

output voltage to the desired levels.

Keywords: Alternator, DC-DC Converter, DC-AC converter, renewable energy,

Pulse Width Modulation (PWM).

Abstract

x

Índice

xi

Índice

Agradecimentos............................................................................................................................. iii Resumo ........................................................................................................................................ vii Abstract ......................................................................................................................................... ix Índice ............................................................................................................................................. xi Índice Figuras ............................................................................................................................... xv Índice de Tabelas ........................................................................................................................ xix Lista de acrónimos e abreviaturas .............................................................................................. xxi

Capítulo 1 Introdução ................................................................................................................. 1

1.1.Identificação do Problema .......................................................................................... 1

1.2.Motivação do Estudo .................................................................................................. 2

1.3.Objectivos do Trabalho .............................................................................................. 3

1.4.Organização da Tese ................................................................................................. 4

Capítulo 2 Fontes de Energia ..................................................................................................... 5

2.1.Introdução .................................................................................................................. 5

2.2.Tipos de Geradores .................................................................................................... 5

2.2.1.Geradores Corrente Alternada ........................................................................... 5

2.2.2.Geradores Corrente Contínua ............................................................................ 9

2.2.3.Gerador assíncrono .......................................................................................... 10

2.2.4.Alternador Automóvel ....................................................................................... 11

2.2.4.1.Principais constituintes de um gerador síncrono ........................................... 11

2.2.4.2.Princípios de funcionamento ......................................................................... 13

2.3.Estudo do Mercado .................................................................................................. 16

2.3.1.Energia Eólica ................................................................................................... 16

2.3.2.Energia Hídrica ................................................................................................. 19

Capítulo 3 Conversores ............................................................................................................ 23

3.1.Introdução ................................................................................................................ 23

3.2.Topologias de Conversores ..................................................................................... 24

3.3.Conversores CC-CC com Isolamento ...................................................................... 24

Índice

xii

3.4.Conversores CC-CC sem Isolamento ...................................................................... 25

3.4.1.Conversor Step-Down ....................................................................................... 25

3.4.2.Conversor Step-Up ........................................................................................... 25

3.4.2.1.Estado de Condução Contínua ...................................................................... 26

3.4.2.2.Limiar de continuidade ................................................................................... 28

3.4.2.3.Estado de Condução Descontínua ................................................................ 30

3.4.2.4.Características da não idealização dos elementos ....................................... 31

3.4.2.5.Ripple da tensão de saída ............................................................................. 32

3.4.3.Conversor Step-Up/Down ................................................................................. 32

3.5.Métodos de Controlo de Conversores CC ............................................................... 33

3.6.Topologias de Inversores ......................................................................................... 34

3.6.1.Topologia VSI 2 níveis ...................................................................................... 35

3.6.2.Topologia multi-nível ......................................................................................... 35

3.6.3.Topologia VSI com Braços Monofásicos .......................................................... 36

3.6.4.Técnicas de comutação dos interruptores ........................................................ 37

3.6.5.PWM sinusoidal ................................................................................................ 37

3.6.5.1.Modulação síncrona de dois níveis ............................................................... 37

3.6.5.2.Modulação síncrona de três níveis ................................................................ 39

3.6.5.3.Modulação assíncrona de dois níveis ............................................................ 40

Capítulo 4 Simulação do Sistema ............................................................................................ 43

4.1.Introdução ................................................................................................................ 43

4.2.Conversor CC-CC .................................................................................................... 44

4.3.Inversor Trifásico ...................................................................................................... 47

4.3.1.Simulação do sistema em malha aberta ........................................................... 49

4.3.2.Simulação malha fechada ................................................................................. 52

Capítulo 5 Montagem Experimental ........................................................................................ 59

5.1.Introdução ................................................................................................................ 59

5.2.Microcontrolador ....................................................................................................... 59

5.3.Conversor CC-CC .................................................................................................... 61

5.3.1.Diodo ................................................................................................................. 62

Índice

xiii

5.3.2.Bobina ............................................................................................................... 63

5.3.3.IGBT .................................................................................................................. 64

5.3.4.Condensador de entrada .................................................................................. 65

5.3.5.Condensador de saída ...................................................................................... 65

5.3.6.Circuito de drive ................................................................................................ 66

5.3.7.Controlo Step-Up .............................................................................................. 66

5.4.Snubber .................................................................................................................... 67


5.6.Malha Fechada ......................................................................................................... 69

5.7.Circuito de drive ....................................................................................................... 72

5.8.Filtro .......................................................................................................................... 73

5.9.Transformador e Variac ............................................................................................ 75

Capítulo 6 Resultados Experimentais ..................................................................................... 77

6.1.Introdução ................................................................................................................ 77

6.2.Alternador de Automóvel .......................................................................................... 77

6.3.Conversor CC-CC .................................................................................................... 78

6.4.Snubber do Conversor CC ....................................................................................... 80


Capítulo 7 Conclusões e Trabalho Futuro .............................................................................. 89

7.1.Conclusões ............................................................................................................... 89

7.2.Trabalho futuro ......................................................................................................... 90

Bibliografia ................................................................................................................................... 92 Anexos I ....................................................................................................................................... 95

Índice

xiv

Índice Figuras

xv

Índice Figuras

Fig. 1-1 Moinhos de água[1] ............................................................................................ 2

Fig. 1-2 Moinho de vento[2] ............................................................................................ 3

Fig. 2-1 Deslizamento do motor/gerador[5] ..................................................................... 9

Fig. 2-2 Gerador Síncrono [10] ...................................................................................... 11

Fig. 2-3 Pólos do Rotor Salientes (a), Lisos (b)[10] ....................................................... 12

Fig. 2-4 Circuito Equivalente Maquina Síncrona[8] ...................................................... 15

Fig. 2-5 Gerador Eólica Southwest Windpower ............................................................. 16

Fig. 2-6 Gerador Eólica Air ............................................................................................ 17

Fig. 2-7 Gerador Eólica R 2,4-ZW600 ........................................................................... 18

Fig. 2-8 Gerador Eólico AMPAIR[12] ........................................................................... 18

Fig. 2-9 Gerador FCD-XJ25-3.0DGCTF4-Z .................................................................. 20

Fig. 2-10 Gerador XJ14-0.3DCT4-Z .............................................................................. 20

Fig. 2-11 Gerador EV-LPE 500-100 CC ........................................................................ 21

Fig. 3-1 Conversor Step-Down[17] ................................................................................ 25

Fig. 3-2 Conversor Step-Up[17] ..................................................................................... 26

Fig. 3-3 Corrente na Bobine do Step-Up [17] ................................................................ 26

Fig. 3-4 Conversor com Interruptor Desligado .............................................................. 27

Fig. 3-5 Conversor com Interruptor Ligado ................................................................... 27

Fig. 3-6 Limiar Continuidade Corrente Bobina (a); Representação Corrente (b) [17] .. 29

Fig. 3-7 Modo Descontinuo [17] .................................................................................... 30

Fig. 3-8 Característica da saída em condução contínua e descontínua. [17] .................. 31

Fig. 3-9 Limitação dos elementos usados [17] ............................................................... 31

Fig. 3-10 Ripple da tensão de saída [17] ........................................................................ 32

Fig. 3-11 Conversor Step-Up/Down[17] ........................................................................ 33

Fig. 3-12 Método PWM ................................................................................................. 34

Fig. 3-13 Topologia VSI (a) Topologia CSI (b) [18] ..................................................... 35

Fig. 3-14 Principio funcionamento [18] ......................................................................... 36

Fig. 3-15 Topologia VSI com braços monofásicos[18] ................................................. 36

Fig. 3-16 Modulação síncrona de dois níveis [19] ......................................................... 38

Fig. 3-17 Modulação Linear (a), Modulação Síncrona (b)[19] ...................................... 38

Índice Figuras

xvi

Fig. 3-18 Modulação síncrona de três níveis[19] ........................................................... 39

Fig. 3-19 Modulação Linear (a), Modulação Sinusoidal (b)[19] ................................... 40

Fig. 3-20 Modulação Assíncrona[19] ............................................................................. 41

Fig. 4-1 Simulink/SimPowerSystems ............................................................................. 44

Fig. 4-2 Step-Up simulado ............................................................................................. 44

Fig. 4-3 Tensão e Corrente de entrada ............................................................................ 45

Fig. 4-4 Corrente no condensador .................................................................................. 46

Fig. 4-5 Características da saída ..................................................................................... 46

Fig. 4-6 Queda de tensão no semi-condutor Vce............................................................ 47

Fig. 4-7 Diagrama de Blocos .......................................................................................... 47

Fig. 4-8 Divisão do conversor CC/CA ........................................................................... 48

Fig. 4-9 Conversor trifásico ............................................................................................ 49

Fig. 4-10 Controlo malha aberta ..................................................................................... 50

Fig. 4-11 Diagrama de blocos malha aberta ................................................................... 50

Fig. 4-12 Tensão (a) e Corrente (b) numa carga de R=1000Ω ....................................... 51

Fig. 4-13Tensão (a), Corrente (b) numa carga de R=500Ω ............................................ 51

Fig. 4-14 Tensão (a), Corrente (b) numa carga de R=100Ω ........................................... 52

Fig. 4-15 Divisão circuito conversor CC-CA ................................................................. 52

Fig. 4-16 Circuito representativo do controlador P ........................................................ 53

Fig. 4-17 Tensões base de um controlador P .................................................................. 54

Fig. 4-18 Tensão, Corrente numa carga de R=1000Ω .................................................... 54

Fig. 4-19 Tensão, Corrente numa carga de R=500Ω ...................................................... 55



Fig. 4-22 Potência consumida por cada fase .................................................................. 56

Fig. 4-23 Tensão e Corrente numa carga 0,8indutiva..................................................... 57

Fig. 4-24 Desfasamento entre corrente e tensão na Fase ................................................ 57

Fig. 4-25 Tensão (a), Corrente (b) em rectificadores com filtro capacitivo. .................. 58

Fig. 5-1 Diagrama de blocos do sistema implementado ................................................. 59

Fig. 5-2 Esquema de ligações do PIC18F4431 [28] ....................................................... 60

Fig. 5-3 Circuito programador ........................................................................................ 61

Fig. 5-4 Diodo do Step-Up [20] ..................................................................................... 62

Fig. 5-5Comparação entre vários semi-condutores [17] ................................................ 64

Fig. 5-6 Símbolo IGBT [21] ........................................................................................... 64

Índice Figuras

xvii

Fig. 5-7 Circuito drive [22] ............................................................................................ 66

Fig. 5-8 Fluxograma do controlo .................................................................................... 67

Fig. 5-9 Snubber RCD [17] ............................................................................................ 68

Fig. 5-10 Circuito inversor implementado ..................................................................... 69

Fig. 5-11 Esquema de LV25-P [23]................................................................................ 70

Fig. 5-12 Circuito somador [24] ..................................................................................... 71

Fig. 5-13 Malha fechada ................................................................................................. 72

Fig. 5-14 Saída do somador ............................................................................................ 72

Fig. 5-15 Circuito drive de um braço do conversor[25] ................................................. 73

Fig. 5-16 Filtro trifásico sem neutro ............................................................................... 74

Fig. 5-17 Filtro trifásico com neutro .............................................................................. 74

Fig. 6-1 Alternador de Automóvel [26] .......................................................................... 77

Fig. 6-2 Relação RPM/Corrente ..................................................................................... 78

Fig. 6-3 Relação entrada/saída........................................................................................ 79

Fig. 6-4 Tensão na saída do conversor ........................................................................... 80

Fig. 6-5 Tensão de saída bateria ..................................................................................... 80

Fig. 6-6 Forma de onda Vce sem snubber ...................................................................... 81

Fig. 6-7 Forma de onda Vce com snubber ..................................................................... 81

Fig. 6-8 Saída do filtro .................................................................................................... 82

Fig. 6-9 Conteúdo harmónico ......................................................................................... 83

Fig. 6-10 Tensão aplicada a uma carga R=2200Ω ......................................................... 83

Fig. 6-11 Tensão aplicada a uma carga R=320Ω ........................................................... 84

Fig. 6-12 Tensão aplicada a uma carga R=32Ω ............................................................. 84

Fig. 6-13 Saída do transformador em vazio ................................................................... 85

Fig. 6-14 Conteúdo harmónico na saída do transformador ............................................ 86

Fig. 6-15 Tensão aplicada a lâmpadas 40W ................................................................... 86

Fig. 6-16 Conteúdo harmónico lâmpadas de 40W ......................................................... 87

Fig. 6-17 Tensão aplicada a carga 320Ω ........................................................................ 88

Fig. 6-18 Conteúdo harmónico de carga 320Ω .............................................................. 88

Índice Figuras

xviii

Índice Tabelas

xix

Índice de Tabelas

Tabela 2-1 Ligação de geradores CA[4] .......................................................................... 6

Tabela 2-2 Características Geradores AMPAIR [12] ..................................................... 19

Tabela 5-1 Características do Step-Up ........................................................................... 62

Tabela 5-2 Características das bobines ........................................................................... 63

Tabela 5-3 Principais características IGBT [21] ............................................................ 65

Tabela 5-4 Características Sensor LV25-P [23] ............................................................. 70

Tabela 6-1 Rendimento do conversor ............................................................................. 79

Índice Tabelas

xx

Acrónimos e Abreviaturas

xxi

Lista de acrónimos e abreviaturas

V Volt

Hz Hertz

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contínua

CA-CA Corrente Alternada - Corrente Alternada

CC-CA Corrente Alternada – Corrente Contínua

CA-CC Corrente – Contínua – Corrente alternada

CC-CC Corrente – Contínua – Corrente Contínua

LC Indutivo e Capacitivo

PWM Pulse Width Modulation

Ea Tensão armadura

If Corrente de campo

Velocidade rotação

Frequência

Número de pólos

Tensão induzida aos terminais do condutor

Número de enrolamentos do condutor

Variação do fluxo

Variação do tempo

Potencia Aparente

Tensão de Linha

Corrente de Linha

Potência Activa

cos Factor de Potência

Rendimento

Potência Mecânica fornecida ao gerador pela turbina.

Potência das perdas no motor

Frequência

Velocidade da Máquina Síncrona


xxii

Número de Pólos da Máquina Síncrona

Tensão induzida no estator

Reactância devido ao efeito de reacção de armadura.

Reactância de dispersão do enrolamento da fase

Tensão aos terminais do gerador por fase

Corrente

Resistência do enrolamento

UPS Uninterruptible Power Supply

Tensão de alimentação

Tensão de Saída

Parcela de tempo em que o interruptor se encontra no estado desligado

Parcela de tempo em que o interruptor se encontra no estado ligado

Inverso da frequência de comutação

Duty-Cycle

Potência de Saída

Potência de Entrada

Corrente de Saída

Corrente de Entrada

Corrente na Bobina

. Valor Máximo da Corrente

Coeficiente de auto-indução da bobina

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

Mosfet Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

Constante de tempo

FM Modulação por frequência

VSI Voltage Source Inverter

CSI Current Source Inverter

DVR Dynamic Voltage Restorer

Tensão do barramento CC

Tensão fase neutro

MLI Modulação da largura do impulso

Valor eficaz da tensão composta

Índice de modulação


xxiii

A Ampere

R Resistência

Tensão de pico

ms milissegundos

W Watt

ADC Analog Digital Converter

F Farad

Tensão colector emissor

Capacidade

Tempo que o interruptor demora a sair de condução

Relação de transformação

Enrolamentos do lado primário e secundário

Tensões de entrada e de saída

THD Total Harmonic Distortion

RPM Rotações por minuto

Fig. Figura

Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos 2009

Universidade do Minho 1

Capítulo 1 Introdução

1.1. Identificação do Problema

Com o crescimento da população e da utilização de equipamentos para os diversos

sectores de trabalho e conforto pessoal, vem sendo cada vez mais necessária a criação

de novas fontes de energia, bem como o bom aproveitamento das fontes já existentes.

A maior parte da actual produção de energia eléctrica é proveniente de grandes

centrais hidroeléctricas, centrais térmicas e centrais nucleares que estão, na maior parte

dos casos, bastante longe dos locais de consumo, sendo transportada até esses locais

através de linhas de transporte. Assim sendo, pequenos locais onde é difícil a alocação

de energia, vinda dessas grandes centrais, estão até ao momento dependentes de outras

formas de energia (geradores, baterias e demais fontes). Uma das fontes de energia mais

comuns são os geradores de combustão pois são aparelhos bastante fiáveis e são

conseguidos a preços bastantes reduzidos. O maior problema desses aparelhos é que

consomem produtos petrolíferos os quais, nos últimos tempos, têm vindo a sofrer

grandes aumentos e são poluentes para o ambiente, o que leva a que cada vez mais este

tipo de aplicações caia em desuso e sejam procurados novas formas de produção.

Actualmente, estão em implementação várias formas de produção de energia amiga

do ambiente, chamadas energias renováveis. Este tipo de energia está cada vez mais em

expansão por diversos motivos. Primeiro, porque não pioram a situação do planeta em

termos de poluição ambiental pois para a produção de energia não existe qualquer tipo

de poluição atmosférica. Além disso, são renováveis, ou seja, a sua produção é

facilmente reposta à escala humana. Outra das grandes vantagens actuais são os

incentivos dados pelos governos de diversos países que tem vindo a apoiar este tipo de

iniciativas. Com este propósito já existem no mercado várias soluções possíveis: micro

eólicas, painéis fotovoltaicos, etc.

2009 Sistema de Geração de Energia Eléctrica Aplicável a Sistemas Rotativos

2 Universidade do Minho

1.2. Motivação do Estudo

Cada vez mais a população está dependente da energia vinda das diversas fontes de

energia eléctricas, para aplicação em diversos aparelhos que a ajudam dia após dia, quer

em termos profissionais quer no conforto pessoal. Assim sendo, é de extrema

importância que na maioria dos locais de trabalho existam fontes de energia

independentemente do local de produção. Por estas razões torna-se importante que, em

locais de difícil acesso, existam fontes de energia própria para assim facilitar a sua

utilização aproveitando alguns recursos já existentes, como por exemplo os moinhos a

vento e moinhos de água, onde já existem veios de rotação que podem ser aproveitados

para produção de energia mecânica.

Os moinhos de água podem ser de eixo horizontal ou de eixo vertical como

demonstra a Fig. 1-1. Em ambos os casos pode-se acoplar um sistema gerador de

energia ao eixo do moinho. Um pouco à imagem dos moinhos de água, os moinhos de

vento têm um funcionamento semelhante tendo características semelhantes Fig. 1-2.

Fig. 1-1 Moinhos de água[1]



Fig. 1-2 Moinho de vento[2]

A escolha do tipo de gerador a ser utilizado tem de ter em atenção os seguintes

aspectos: a velocidade de rotação, amplitude da tensão gerada, tipo de carga a alimentar,

potência gerada, ambiente da instalação, etc.

Baseado nos sistemas atrás referidos ou em sistemas novos, onde existe um veio de

rotação para ser aplicado o sistema gerador, foi estudado e desenvolvido um protótipo

para possível aplicação num sistema rotativo. O sistema a desenvolver irá fornecer uma

tensão equivalente à rede eléctrica nacional (230V 50Hz).

1.3. Objectivos do Trabalho

Este trabalho tem como principais objectivos:

Efectuar um estudo de diferentes tipos de gerador de energia e principais

características.

Efectuar o estudo de várias topologias de conversores CC-CC e CC-CA

existentes e suas características, com especial relevo para a topologia

elevadora de tensão (Step-Up) e para a topologia VSI a 2 níveis.

Simular computacionalmente o conversor CC-CC elevador e o inversor

trifásico em diversas condições de operação.

Implementar os sistemas de controlo para o conversor e para o inversor

trifásico bem como os respectivos interfaces.



Comparar os resultados simulados com os resultados obtidos no protótipo

desenvolvido.

1.4. Organização da Tese

Esta tese de Dissertação encontra-se dividida em 7 capítulos.

O Capítulo 1 faz uma breve apresentação do trabalho e os motivos que levaram a

realização do mesmo. Também são apresentadas as tarefas que vão ser estudadas e

implementadas.

O Capítulo 2 é constituído pelo estudo de geradores de energia eléctrica, seus

princípios de funcionamentos e principais características. É feita uma análise mais

aprofundada sobre o alternador de automóvel visto ser o gerador utilizado neste

trabalho.

O Capítulo 3 retrata as principais topologias de conversores CC-CC bem como as

topologias de inversores trifásicos e suas principais características. Tem como

finalidade a demonstração dos conversores que existem, evidenciando com mais rigor o

Step-Up e Inversor trifásico com neutro.

O Capítulo 4 faz uma pequena apresentação do simulador utilizado (MATLAB) e

apresenta as várias simulações efectuadas neste trabalho, não só do conversor CC-CC

mas também do inversor trifásico.

O Capítulo 5 apresenta as montagens efectuadas e os cálculos dos componentes

utilizados ao longo do trabalho.

O Capítulo 6 apresenta os resultados dos trabalhos propostos e uma breve

conclusão dos resultados obtidos.

O Capítulo 7 apresenta as conclusões deste trabalho e algumas sugestões de

trabalhos futuros.



Capítulo 2 Fontes de Energia

2.1. Introdução

Para se obter energia eléctrica é necessário haver outra fonte de energia,

nomeadamente a hídrica, térmica, eólica, entre outras. Através delas é possível fazer

girar uma turbina a qual se encontra ligada a um gerador de energia eléctrica.

Um gerador é classificado pelo tipo de energia eléctrica que vai gerar.

Fundamentalmente existem 2 tipos de geradores eléctricos: geradores de corrente

contínua usualmente conhecidos por dínamos, e geradores de corrente alternada

usualmente chamados de alternadores.

2.2. Tipos de Geradores

Desde a descoberta da primeira máquina eléctrica muitas outras foram

desenvolvidas e aperfeiçoadas, sendo que nos dias de hoje existe uma série diversificada

de motores e geradores eléctricos.

2.2.1. Geradores Corrente Alternada

Devido à facilidade de utilização, facilidade de ligação à rede, fiabilidade,

comodidade, baixo ruído de operação, os motores e os geradores CA têm uma utilização

mundial muito elevada. Os geradores CA podem ser divididos principalmente em dois

tipos: assíncronos e síncronos.

Gerador CA

Assíncrono (de indução)

Trifásico

Monofásico

Síncrono

Trifásico

Monofásico

Um tipo de máquina muito importante é o gerador síncrono, pelas suas

características de funcionamento, nomeadamente o rendimento. Actualmente trata-se da



máquina mais utilizada em centrais hídricas e mini-hídricas embora possa muitas vezes

não ser a solução adoptada.

O aparecimento das centrais hídricas e mini-hídricas levaram ao desenvolvimento

do gerador síncrono e da sua utilização, sendo o que melhor se adequava, pois nessa

altura o gerador assíncrono e as formas de o controlar, não estavam tão desenvolvidas

como actualmente. Assim sendo, tornava-se numa solução não muito viável, em

comparação com o gerador síncrono.[3]

Para escolher um gerador eléctrico é necessário ter em atenção vários factores

(velocidade rotação, potência, tensão gerada, entre outras), sendo que um dos principais

é a velocidade de rotação da turbina pois vai influenciar directamente a frequência da

tensão gerada. Dependendo da fonte de energia alternativa que se possa estar a usar,

pode-se ou não controlar esse factor. Controlando a velocidade de rotação da turbina

está-se a interferir na velocidade de rotação do gerador e assim afectar a frequência de

saída. Em caso de utilização de energia hídrica, esse problema pode ser facilmente

resolvido, controlando o caudal de água que faz mover a turbina. No entanto, se a

energia que está a ser utilizada for a eólica não se pode dominar a velocidade do vento

nem quando aparece, logo é necessário utilizar outra estratégia. Para resolver este tipo

de problemas sem ter de recorrer ao controlo directo da energia que vai ser usada como

fonte, pode-se recorrer à Electrónica de Potência e seguir um dos métodos apresentados

na Tabela 2-1, podendo estes ser usados em geradores síncronos ou assíncronos.

Principais constituintes do sistema:

Gerador assíncrono

Gerador síncrono

Gerador de ímans permanentes

Desmultiplicador de velocidade

Turbina eólica ou hídrica

Tabela 2-1 Ligação de geradores CA[4]



Os métodos apresentados na tabela apresentam vantagens e desvantagens na

utilização dos mesmos. Assim sendo, vão ser enumeradas as principais características:

Situação 1: ligação directa à rede

Neste tipo de ligação o gerador é ligado directamente à rede eléctrica. Trata-se de

um sistema muito comum o qual precisa de ter compensação da energia reactiva. Tem

como principal vantagem a não inserção de harmónicos na rede eléctrica. Também se

trata de um sistema robusto, mas pouco flexível. A turbina tem de girar a uma



velocidade aproximadamente constante. È constituído por um gerador assíncrono com

rotor em gaiola de esquilo.[4]

Situação 2 e 3: ligação à rede eléctrica através de conversores

Esta ligação simplifica o desenvolvimento da turbina e a velocidade a que esta pode

operar, pois pode ser variável. A ligação à rede eléctrica é conseguida através de

conversores, os quais podem ser do tipo CA-CA ou CA-CC e CC-CA, podendo ter

assim na saída tensões e frequências variáveis. Tem a desvantagem de poder injectar

harmónicos na rede. Podem também inserir na rede componentes de energia reactiva

variável e programada. È utilizado um gerador assíncrono com rotor em gaiola de

esquilo.[4]

Situação 4 e 5: ligação directa à rede eléctrica

São utilizados geradores assíncronos com rotor bobinado que estão directamente

ligados à rede eléctrica. Na situação 4, o controlo é feito no rotor, ajustando o

deslizamento do gerador com electrónica de potência. Quando se obtém um

deslizamento negativo o motor passa a funcionar como gerador, como se pode ver na

Fig. 2-1. Na situação 5, trata-se de um circuito de extracção de potência pelo rotor

conhecido como doudle fed generator. Ambas as situações podem injectar na rede

potência reactiva variável e programada.[4]

Situação 6: ligação directa à rede eléctrica

É formado por um gerador síncrono com ligação directa à rede eléctrica, é usada

uma caixa de velocidades. É comum o uso desta ligação em pequenos geradores. É uma

ligação robusta, bastante fiável e não injecta harmónicos na rede.[4]

Situação 7 e 8: ligação à rede através de conversor

Nestas ligações, o gerador tem entre ele e a rede eléctrica um ou mais conversores.

Na situação 7 é usado o desmultiplicador de velocidade sendo o restante esquema igual

ao da situação 8. Pode funcionar a velocidade variável, são ligações que podem

introduzir harmónicos na rede eléctrica devido as uso de conversores do tipo AC-

CC/CC-CA ou somente CA-CA.[4]

Situação 9 e 10: Ligação directa à rede

São utilizados geradores síncronos com ímans permanentes que se encontram

ligados à rede eléctrica por conversores. Estes podem ser do tipo CA-CC/CC-CA ou

CA-CA. Normalmente não usa desmultiplicador de velocidade e não tem excitador pois

são máquinas de ímans permanentes. São sistemas para baixa potência, uma vez que são

raros e é dispendioso usar ímans para máquinas de potência elevada. [4]



A Fig. 2-1 mostra a curva de deslizamento de um motor/gerador.

Fig. 2-1 Deslizamento do motor/gerador[5]

2.2.2. Geradores Corrente Contínua

Foi no ano de 1886 que foi inventado o primeiro gerador CC auto-induzido através

do cientista alemão Werner von Siemens, designando-se esse como o ano da descoberta

da máquina eléctrica. Desde aí foi objecto de estudo de muitos outros cientistas durante

vários anos.[6]

O motor/gerador de corrente contínua foi um marco importante na história da

electricidade. Aquando da sua descoberta e desenvolvimento, nasceram outros

equipamentos CC e a descoberta do motor/gerador CA.[6]

Actualmente, o gerador CC é cada vez menos usado. Face aos grandes

desenvolvimentos do gerador CA, pode-se considerar que o gerador CC está limitado a

pequenas aplicações como instantes de frenagem e inversão de motores.[7]

O gerador CC possui várias configurações de excitação que estão presentes de

seguida.

Geradores CC (corrente contínua)

Série

Independente

Shunt ou paralelo

Composto



As configurações série, shunt ou paralelo e composto precisam de algum

magnetismo residual para poderem funcionar como geradores. Com esse magnetismo, é

criada uma pequena tensão inicial (Ea) que permite a produção de uma corrente de

campo (If), fazendo aumentar o fluxo, permitindo a geração de uma tensão Ea maior até

ser atingido o ponto de equilíbrio. Um ponto importante é o sentido dos fluxos (fluxo

residual e fluxo criado por If). Estes têm de possuir o mesmo sentido para se somarem e

assim a máquina gerar mais tensão Ea. Caso os fluxos tenham sentidos diferentes não é

gerada qualquer tensão (Ea).

A configuração independente depende somente da alimentação do enrolamento

independente através de uma fonte externa.[8]

2.2.3. Gerador assíncrono

A máquina de indução é um equipamento muito utilizado, sendo de grande

fiabilidade e robustez. É de construção simples (pelo menos os de rotor em gaiola de

esquilo) e o preço é inferior ao das outras máquinas rotativas. A sua utilização até há

uns anos atrás era somente como motor CA por se tratar de um sistema bastante

simples.

O gerador assíncrono começou há poucos anos a ser utilizado em grande escala na

geração de energia eléctrica. Este facto deve-se à dificuldade de manter o gerador a

gerar tensão em amplitude e frequência constante para velocidades de rotação variáveis.

Com o desenvolvimento da electrónica de potência e de controlo, estes problemas

tendem a ser ultrapassados, pois cada vez mais são desenvolvidos novos métodos e

apurados os métodos mais usados obtendo-se melhores resultados e rendimentos mais

elevados. Além disso, para poder fornecer potência activa, o gerador assíncrono sendo

indutivo, necessita de condensadores externos.

O crescente aproveitamento da energia eólica leva a melhorar os equipamentos de

geração de energia eléctrica. A energia eólica é proveniente dos ventos, os quais são

maioritariamente variáveis em velocidade e direcção, factos que levam a utilizar

equipamentos capazes de responder a essas exigências. Tanto o gerador síncrono como

o gerador assíncrono necessitam de electrónica associada para poder serem aplicados.

Mesmo usando caixa de velocidades, é complicado ter velocidade de rotação constante.

Comparando o gerador síncrono e assíncrono cada um apresenta vantagens e



desvantagens. Dependendo da potência do gerador, a questão fundamental é o tipo de

controlo a ser usado, o custo, o rendimento e a potência.

O gerador assíncrono pode ser de dois tipos:

Gerador assíncrono – Rotor bobinado

Gerador assíncrono – Rotor gaiola de esquilo

O gerador com rotor bobinado é constituído por dois enrolamentos, um

enrolamento no estator e outro no rotor. Este facto leva a que seja conhecido por

gerador de dupla excitação pois encontra-se excitado no rotor e estator. Trata-se de um

gerador com fabrico mais complexo e por isso mais caro, se comparado com o gerador

com rotor em gaiola, necessitando também de receber manutenção mais frequente.

Contudo, o conjunto final pode ficar mais vantajoso, uma vez que o gerador com rotor

bobinado pode operar quase como um transformador. Variando a tensão do rotor varia a

tensão de saída. O gerador de rotor em gaiola precisa de um conversor para o estator, o

qual tem de ser dimensionado para a potência nominal permitindo assim maior

fiabilidade, embora o custo aumente.[9]

2.2.4. Alternador Automóvel

Este tipo de equipamento baseia-se numa máquina síncrona. O rotor é alimentado

por uma corrente contínua proveniente da bateria do automóvel. Ao ser exercido um

binário no rotor ele começa a girar, sendo produzida no estator uma tensão alternada

trapezoidal.

2.2.4.1. Principais constituintes de um gerador síncrono

A Fig. 2-2 ilustra os principais constituintes de um gerador síncrono os quais vão

ser descritos em seguida.

Fig. 2-2 Gerador Síncrono [10]



Estator

O estator representa a parte exterior do motor/gerador, pode ser igual em motores

síncronos ou de indução. É normalmente composta por chapas laminadas que contêm

ranhuras onde são inseridos os enrolamentos do induzido. As chapas são fabricadas com

características magnéticas de alta permeabilidade para facilitar o fluxo magnético,

diminuindo assim as perdas.[5][10]

Enrolamento do induzido

È através dos enrolamentos do induzido que normalmente se extrai a tensão do

gerador. Estes enrolamentos são geralmente de cobre, e a secção deles varia consoante a

corrente que o gerador pode fornecer. Para potências baixas estes enrolamentos são de

secção circular e esmaltados, enquanto que, para potências mais elevadas eles são de

secção rectangular e esmaltados, recebendo posteriormente as bobinas uma camada

extra de isolante à base de mica. Para motores/geradores trifásicos existe a possibilidade

de estarem ligados de diversas formas: série/paralelo, estrela/triângulo e máquinas com

tripla tensão nominal.[5][10]

Rotor

O rotor também é formado por chapas laminadas que em geral são do mesmo tipo

do estator. O rotor pode ser de dois tipos diferentes: rotor de pólos salientes e rotor

cilíndrico, como pode ser visto na Fig. 2-3.

Fig. 2-3 Pólos do Rotor Salientes (a), Lisos (b)[10]

O rotor de pólos salientes é usado em situações onde a velocidade de rotação deste

seja relativamente baixa. Em compensação o número de pólos é elevado. Este tipo de

equipamento é muito usado em centrais hidroeléctricas pois a velocidade de rotação é

baixa. O rotor de pólos cilíndricos é geralmente usado para velocidades superiores,



como no caso dos turbo geradores usados em centrais térmicas. A construção de rotores

de pólos cilíndricos torna-se inviável para um número de pólos elevado. A relação de

velocidades de funcionamento com o número de pólos é dada pela expressão (2.1).

2.1

Velocidade rotação

Frequência

Número de pólos

O rotor é outra das partes mais importante do gerador, uma vez que é através dele

que se pode excitar a máquina. Com esta excitação, é formado um campo magnético, o

qual vai envolver os enrolamentos do estator criando nos terminais destes uma tensão. É

também a parte do gerador que é acoplada à turbina ou à máquina primária que faz girar

o rotor

Bobinas do rotor

As bobinas do rotor são constituídas por fios de cobre que se encontram enroladas

nos pólos deste, podendo assim formar electroímans, o que possibilita a variação na

excitação do rotor. O gerador ao funcionar com vários valores de excitação, pode

produzir vários valores de força electromotriz induzida. Quando em funcionamento

como motor pode trabalhar com vários factores de potencia (capacitivo, indutivo ou

mesmo trabalhando na unidade).[10]

Escovas e anéis

Os anéis estão fixos ao rotor e fazem a ligação dos enrolamentos presentes no rotor

com as escovas. As escovas são componentes de grafite que interligam os anéis do rotor

com a fonte de excitação do mesmo. São elementos do gerador que se desgastam com o

tempo, uma vez que se encontram em constante movimento de fricção com os anéis.

Também causam alguns arcos eléctricos, podendo ser prejudicial em ambientes onde

existam matérias inflamáveis.

2.2.4.2. Princípios de funcionamento

O princípio de funcionamento de uma máquina síncrona é muito idêntico ao de uma

máquina de corrente contínua [10]. Um condutor quando atravessa um campo

magnético é criada uma tensão aos seus terminais. Pode-se considerar que o condutor é

constituído pelos enrolamentos do estator e que o campo magnético é formado pelo

rotor ao ser sujeito a uma tensão. Com o movimento de rotação exercido no rotor, passa



a haver um campo magnético variável que atravessa os condutores do estator,

provocando o aparecimento de uma tensão induzida aos seus terminais. A expressão

(2.2) traduz a tensão aos terminais do condutor com a variação de campo magnético e é

designada por força electromotriz. [5]

2.2

Sendo que:

Tensão induzida aos terminais do condutor

Número de enrolamentos do condutor

Variação do fluxo

Variação do tempo

As expressões que estão no seguimento deste capítulo, traduzem o comportamento

da máquina síncrona. Todas as indicações são relativas à máquina em funcionamento

isolado, podendo estas variar consoante o ambiente de funcionamento do equipamento.

Tensão nominal

Trata-se da tensão que se encontra aos terminais dos enrolamentos do estátor. Os

geradores podem ser distinguidos por níveis de tensão. Se o gerador funcionar com uma

tensão nominal acima dos 600V, é considerado gerador de alta tensão e se funcionar

abaixo desse valor é considerado gerador de baixa tensão. [10]

Potência nominal

È a potência aparente que o gerador fornece à carga que se encontra ligada aos seus

terminais. Essa potência é calculada pelas seguintes expressões;

Para geradores monofásicos 2.3

√3 Para geradores trifásicos 2.4

Sendo que:

Potência Eléctrica Aparente.

Tensão Eléctrica de Linha

Corrente Eléctrica de Linha

A potência que realmente realiza trabalho é a potência activa, determinada pelo

factor de potência da carga. A potência activa é dada pela expressão da potência

aparente multiplicada pelo do factor de potência.

cos Para geradores monofásicos 2.5



√3 cos Para geradores trifásicos 2.6

Potência Eléctrica Activa

cos Factor de Potência do gerador que é igual ao da carga pois é um sistema

isolado.[10]

Rendimento

O gerador síncrono funciona com um rendimento dado pela seguinte expressão:

100 100 % 2.7

Rendimento do Gerador

Potência Mecânica fornecida ao gerador pela turbina.

Potência das perdas no motor[10]

Frequência de funcionamento

A máquina síncrona funciona sempre à mesma velocidade, a qual é definida pela

velocidade de funcionamento da turbina ou do motor que a faz girar. Essa velocidade

está directamente ligada com a frequência da tensão gerada e é definida pela expressão:

2.8

Frequência da Tensão Gerada

Velocidade do Rotor Maquina Síncrona

Número de Pólos da Maquina Síncrona

Circuito equivalente gerador síncrono

Para melhor se perceber o funcionamento do gerador síncrono estudou-se e

apresenta-se um modelo equivalente, onde estão representadas as principais

características deste tipo de gerador. Esse tipo de circuito está representado na Fig. 2-4.

Fig. 2-4 Circuito Equivalente Maquina Síncrona[8]

Tensão induzida no estátor pelo campo magnético do rotor.

Reactância devido ao efeito de reacção de armadura.



Reactância de dispersão do enrolamento da fase

Tensão aos terminais do gerador por fase

Corrente

Resistência do enrolamento

2.3. Estudo do Mercado

Actualmente, existe no mercado uma grande variedade de pequenos sistemas de

produção de energia eléctrica. Apresentando-se de seguida exemplos desses sistemas e

suas características.

2.3.1. Energia Eólica

Existe uma grande variedade de geradores eléctricos a partir da energia eólica. O

preço desses sistemas depende de vários factores (velocidade de rotação, potência

gerada, numero de pás). Estes sistemas têm custos muito variados podendo ir desde os

600/700€ até várias centenas ou mesmo milhares de euros.

A Fig. 2-5 mostra um exemplo de uma eólica de duas pás da Southwest

Windpower.

Fig. 2-5 Gerador Eólica Southwest Windpower

Marca: Southwest Windpower

Modelo: WHI-500

Preço em Euros (IVA inc.): 7683.20 €

Velocidade de Arranque: 3,4 m/s



Número De Pás: 2

Diâmetro: 4,5 m

Potência (W): 3200 W

Voltagem: 24/32/48 V

Ficha Técnica: Whisper_500_Spec_Sheet_01.pdf

Descrição: Inclui regulador.[11]

A Fig. 2-6 mostra um exemplo de um gerador de 3 pás da marca Air.

Fig. 2-6 Gerador Eólica Air

Marca: Air

Modelo: AIR-X Land

Preço em Euros (IVA inc.): 717.93 €

Potência (W): 400 W

Voltagem: 12V-24V

Ficha Técnica: Air_X_Spec_Sheet.pdf

Descrição:

Regulador de carga interno sofisticado. Alternador sem escovas tipo neodymium.

Pás de fibra de carbono com ângulo variável (Pitch). Rotação e tensão são controladas

pelo circuito electrónico de segurança e protecção. Sem manutenção - apenas duas

partes móveis. Sistema de auto-travagem exclusivo que reduz a velocidade quando as

baterias estão carregadas. O diâmetro das pás deste aerogerador é de 46`` ou 1,14

metros.[11]

A Fig. 2-7 mostra um exemplo de um gerador eólico de 3 pás.



Fig. 2-7 Gerador Eólica R 2,4-ZW600

Modelo: R 2,4-ZW600

Potência máxima (watts): 650

Potência nominal (watts): 600

Tensão nominal (volts): 24

Diâmetro do rotor (metros): 2,4

Número de pás do rotor: 3

Peso sem torre (quilogramas): 35

Altura mínima da torre (metros): 9

Torre tubular espiada 2 ½": (76,1X3,65)

Velocidade de vento de arranque (m/s): 3

Velocidade de vento nominal (m/s): 12

Velocidade de vento para regulação (m/s): 14[12]

A Fig. 2-8 mostra um gerador de 3 pás da marca AMPAR.

Fig. 2-8 Gerador Eólico AMPAIR[12]



A Tabela 2-2 mostra características de vários modelos de gerador da marca

AMPAR.

Tabela 2-2 Características Geradores AMPAIR [12]

Modelo AMPAIR 100 AMPAIR 300 AMPAIR 600

Potência máxima (watts) 100 300 1100

Potência nominal (watts) 100 300 600

Tensão nominal (volts) 12 ou 24 12 ou 24 12, 24 ou 230

Diâmetro do rotor (metros) 0,93 1,20 1,70

Número de pás do rotor 6 3 3

Peso sem torre (quilogramas) 12 12 16

Altura mínima da torre (metros) 6 6 9

Torre tubular espiada 1 ½" 1 ½" ou 2" 2"

Velocidade de vento de arranque

(m/s)

3 3 3

Velocidade de vento nominal (m/s) 20 12 10

Velocidade de vento de potência

máxima (m/s)

20 14 14

Preço ? € 1460€ 2190€

2.3.2. Energia Hídrica

Existem actualmente à venda pequenos geradores hidroeléctricos já totalmente

equipados para a produção de energia eléctrica. Apenas é necessário ligar a entrada e

saída de água obedecendo às condições do gerador. De seguida vão ser apresentados

alguns sistemas micro geradores.

A Fig. 2-9 mostra um exemplo de um gerador de aproximadamente 1kW. Este

equipamento já possui conversor e permite escolher entre 115V ou 230V.



Fig. 2-9 Gerador FCD-XJ25-3.0DGCTF4-Z

Características:

Queda de Água: 16 - 22 metros

Fluxo de Água: 8-10 litros / segundo

Potência: 1,1kW

Tensão: 115V ou 230V CA[13]

Diâmetro Tubo: 100 milímetros[13]

A Fig. 2-10 mostra um exemplo de um gerador de aproximadamente 750W. O

equipamento vem com conversor, permite escolher entre 115V ou 230V de amplitude

de saída.

Fig. 2-10 Gerador XJ14-0.3DCT4-Z

Características:


Fluxo de Água: 6-8 litros / segundo

Potência: 750W



Tensão: 115V ou 230V CA

Diâmetro Tubo: 75 milímetros

Dimensões: 35x35x53 centímetros

Peso: 47 kg[13]

A Fig. 2-11 mostra o modelo de um gerador de 500W, existindo modelos

similares que atingem os 10kW.

Fig. 2-11 Gerador EV-LPE 500-100 CC

Características:


Fluxo de Água: 0,3-10 litros / segundo

Potência: 500W

Tensão:12/24/48Vcc[14]





Capítulo 3 Conversores

3.1. Introdução

A Electrónica é uma área tecnológica muito mais recente do que a própria

Electrotecnia. A Electrónica, “ Ciência que estuda o comportamento dos electrões sob a

acção de campos eléctricos magnéticos, ou uma combinação de uns e outros, bem como

as suas aplicações”, também pode ser definida como “Ciência que trata das aplicações

das válvulas electrónicas, semicondutores e outros dispositivos em que se controla o

movimento dos electrões”. [15]

Embora a electrónica tenha surgido com o aparecimento da válvula, o seu real valor

foi descoberto com o aparecimento do primeiro diodo e fundamentalmente com o

aparecimento do primeiro transístor no ano de 1947 nos Laboratórios Bell, sendo

posteriormente fortalecida com o aparecimento do primeiro chip em 1958 [15].

Com o aparecimento destes componentes electrónicos, a conhecida Electrotecnia

teve uma grande mudança, pois a partir desse momento foi possível utilizar a energia

eléctrica de novas formas, deixando de ter apenas os 3 elementos fundamentais

Resistência, Bobina e Condensador. Desenvolveram-se elementos (diodo, transístor,

mosfet, entre outros) com condução não linear, possibilitando a variação da amplitude e

frequência das tensões.

Consequentemente foi necessária a criação de circuitos capazes de elevar e baixar a

tensão CC-CC e também passou a ser possível ter motores e outros aparelhos que não

estejam dependentes da frequência e amplitude da rede (50Hz 230V), passando assim a

existir os CC-CA que operam com várias gamas de frequência e amplitude.

Actualmente, existem diversas aplicações onde estão incluídos os conversores

CC-CC e CC-CA, como é o caso mais frequente da UPS (Uninterruptible Power

Supply). Este tipo de dispositivos é muito frequente em locais onde a energia eléctrica

não seja estável ou apresente variações frequentes o que provoca que cargas sensíveis se

desliguem ou percam informação, causando desta forma prejuízos para as entidades.

Assim sendo, a tensão da rede é rectificada e posteriormente invertida.



3.2. Topologias de Conversores

Paralelamente à utilização de transformadores em corrente alternada, existem

também circuitos electrónicos com funções semelhantes para corrente contínua que são

os chamados conversores CC-CC, podendo estes ser de dois tipos diferentes:

Conversores CC-CC com Isolamento

Conversores CC-CC sem Isolamento

Tal como o próprio nome refere, a principal diferença entre estes dois tipos de

conversores está no isolamento entre entrada e saída. Nos conversores CC-CC isolados

a entrada encontra-se isolada da saída através de um transformador, enquanto que nos

conversores CC-CC não isolados a saída está ligada com a entrada através da

massa.[16]

3.3. Conversores CC-CC com Isolamento

Os conversores CC-CC isolados são bastante úteis para situações onde tenha de

existir um isolamento galvânico entre a entrada e saída. O isolamento é conseguido

através de um transformador, que usualmente é de 50/60Hz, possuindo um núcleo

magnético grande, provocando um aumento significativo no tamanho do transformador,

aumentando o seu peso e também o custo. Para diminuir estes problemas, pode-se usar

o transformador em modo de comutação, usando uma frequência superior à de

alimentação, podendo assim ser usado um transformador de menores dimensões. Se for

usado um transformador com vários enrolamentos, pode-se usar um conversor adequado

para obter na saída vários níveis de tensão.[16]

Estes são alguns dos conversores isolados mais frequentes sendo que os dois

principais são: o Flyback e o Forward dando origem aos restantes.

Conversor Flyback

Conversor Forward

Conversor Double-Ended Forward

Conversor Push-Pull

Conversor Full Bridge

Conversor Half Bridge



3.4. Conversores CC-CC sem Isolamento

Quando não há necessidade de isolar a entrada do conversor com a saída, podemos

utilizar este tipo de montagem pois a sua construção é relativamente simples e com bom

desempenho. As montagens principais são:

Step-Down (conversor baixa tensão de entrada)

Step-Up (conversor eleva tensão de entrada)

Step-Up\Down (conversor eleva ou baixa a tensão de entrada)[17]

3.4.1. Conversor Step-Down

Este tipo de conversor é muito frequente quando se pretende baixar a tensão CC de

uma dada fonte para tensões compatíveis com os equipamentos que se pretende usar

com rendimentos aceitáveis. O circuito da Fig. 3-1 ilustra a montagem deste tipo de

conversor.

Fig. 3-1 Conversor Step-Down[17]

Este conversor controla a tensão de saída através do interruptor colocado em série

com a fonte. A saída do conversor saia pulsada, logo imprópria para muitos

dispositivos, para ultrapassar este problema é usado um filtro LC conseguindo assim

filtrar essa pulsação, atingindo-se assim uma saída constante. [16][17]

3.4.2. Conversor Step-Up

O conversor Step-Up não isolado é apresentado na figura seguinte (Fig. 3-2).



Fig. 3-2 Conversor Step-Up[17]

Este tipo de conversor pode apresentar três estados de condução, os quais vão ser

apresentados e descritos seguidamente.

3.4.2.1. Estado de Condução Contínua

Admite-se que o conversor está neste estado quando a corrente na bobina se

encontra sempre acima de 0A, apresentando um gráfico semelhante ao da Fig. 3-3.

Fig. 3-3 Corrente na Bobine do Step-Up [17]

Como se pode ver na figura apresentada, a corrente na bobina tem dois ciclos, um

ciclo que representa a bobina a fornecer corrente à carga e outro em que recebe corrente

da fonte. Estes dois ciclos estão relacionados com o tempo de condução e corte do

interruptor presente no circuito.

Estado 1: Interruptor Desligado (Corte)

Quando o interruptor fica no estado desligado, o circuito do Step-Up fica idêntico

ao mostrado pela Fig. 3-4.



Fig. 3-4 Conversor com Interruptor Desligado

Aqui a bobina fornece energia à carga juntamente com a fonte de alimentação deste

circuito, podendo assim suprimir o diodo, uma vez que apenas faz uma pequena queda

de tensão no circuito. Pode-se também representar a queda de tensão na bobina que é

dada por:[17]

3.1

Sendo que:

Tensão de alimentação

Tensão Saída

Parcela de tempo em que o interruptor se encontra no estado desligado

Estado 2: Interruptor Ligado

O circuito representante desta ligação está apresentado na Fig. 3-5.

Fig. 3-5 Conversor com Interruptor Ligado

Na parte inicial do circuito pode-se facilmente ver que todos os componentes estão

em paralelo, ou seja, todos estão ao mesmo potencial. Assim sendo, a bobina carrega-se.

Na segunda parte do esquema, o condensador fornece energia à carga. O diodo impede

o curto-circuito do condensador, obrigando este a descarregar-se pela carga. Pode-se

também dizer que o integral da tensão na bobina pode ser representado pela expressão

(3.2).[16]

3.2



Parcela de tempo em que o interruptor se encontra no estado ligado

Para representar o integral da tensão total na bobina, juntam-se as expressões (3.1) e

(3.2) resultando:

0 3.3

Sabendo que:

3.4

3.5

Obtêm-se:

3.6

Sendo que:

Inverso da frequência de comutação

Duty-Cycle

Admitindo que os componentes são ideais, ou seja, não têm perdas, pode-se dizer

que a potência de entrada é igual à potência de saída, e daí resultam as expressões

seguintes:

3.7

3.8

Sendo que:

Potência Saída

Potência Entrada

Assim, a relação de correntes entre entrada e saída é dada por:

1 3.9

Em que:

Corrente Saída

Corrente Entrada

Logo temos as relações da entrada com a saída do conversor Step-Up.

3.4.2.2. Limiar de continuidade

Pontualmente o conversor está no limiar da continuidade quando a corrente na

bobine atinge o valor 0A. Isto quer dizer que o conversor pode deixar de ter uma relação

directa entre entrada e saída com o valor do Duty-Cycle.



Seguidamente, vão ser apresentados duas figuras, uma que traduz o estado limiar da

continuidade Fig. 3-6 (a) e outra que representa a relação de corrente de entrada e saída

neste estado Fig. 3-6 (b).

Fig. 3-6 Limiar Continuidade Corrente Bobina (a); Representação Corrente (b) [17]

Através dos gráficos atrás representados, podem-se retirar as expressões de

dimensionamento da bobina.

Como se pode ver na Fig. 3-6 (a)

. 3.10

3.11

Usando a equação (3.6) vem que:

1 3.12

Corrente média bobina

. Valor Máximo da Corrente

Coeficiente de auto-indução da bobina

Usando agora a expressão (3.9) pode-se determinar a corrente de saída, que é dada

por:

1 3.13

Uma grande parte das aplicações, onde existe um Step-Up em funcionamento,

requer que este mantenha uma saída constante para não causar problemas ao restante

circuito. Para se ter uma maior percepção, na Fig. 3-6 (b) mostra-se qual é o valor de

corrente de saída e o valor de Duty-Cycle para ter uma saída em tensão constante. Como

pode ser analisado, para tensões de entrada variável e pretendendo-se tensão de saída

constante, ajusta-se o Duty-Cycle.



Em termos de valores máximos, estes podem ser descritos usando a Fig. 3-6 (b).

Para a corrente o valor máximo é atingido com D=0,5 e para é com valor de

.

, 3.14

4 1 , 3.15

, 3.16

1 , 3.17

3.4.2.3. Estado de Condução Descontínua

É considerado que o conversor se encontra a trabalhar no estado descontínuo

quando a corrente na bobina é 0A durante um intervalo de tempo, como pode ser visto

na imagem que se segue (Fig. 3-7).

Fig. 3-7 Modo Descontinuo [17]

A relação de entrada e saída pode ser dada por:

∆ 0 3.18

Simplificando: ∆

∆ 3.19

Assumindo que os componentes são ideais, logo não têm perdas, portanto

pode-se assim retirar a expressão da corrente. ∆

∆ 3.20

Os valores médios da corrente de entrada e saída são dados pelas expressões

seguintes:

∆ 3.21



∆ 3.22

A Fig. 3-8 mostra as características da saída em condução contínua e descontínua

para vários valores de .

Fig. 3-8 Característica da saída em condução contínua e descontínua. [17]

3.4.2.4. Características da não idealização dos elementos

Os elementos parasitas presentes no Step-Up estão associados à bobina,

condensador, diodo e interruptor (Mosfect ou IGBT (Insulated Gate Bipolar Transístor))

e traduzindo-se em perdas nos elementos usados. Como se pode ver no gráfico em baixo

(Fig. 3-9), caso não existissem esses elementos parasitas, poderia atingir-se uma relação

de entrada/saída superior.

Fig. 3-9 Limitação dos elementos usados [17]

Com a existência de tais elementos, a relação entrada/saída fica limitada. O

aumento do Duty-Cycle para valores próximos de 1 traduz-se num efeito mais notório



causado por tais elementos parasitas. Para D=0, ou seja, o interruptor está desligado,

tem-se na saída o que se encontra na entrada, não sendo deste modo afectada pelos

elementos parasitas.

3.4.2.5. Ripple da tensão de saída

Um dado importante nos conversores de tensão CC-CC é o ripple da tensão de

saída, uma vez que muitas aplicações são sensíveis a estes efeitos e podem provocar o

mau funcionamento do aparelho ou mesmo o não funcionamento. Na figura em baixo

(Fig. 3-10), pode-se visualizar a forma de onda do ripple na saída.

Fig. 3-10 Ripple da tensão de saída [17]

Com a ajuda da figura, pode-se retirar as expressões que traduzem o ripple de saída. ∆ 3.23

Onde constante de tempo.

3.4.3. Conversor Step-Up/Down

Este tipo de conversor é bastante útil para aplicações onde a tensão de alimentação

tenha de ser estável e a fonte não o consegue fazer. Assim sendo o conversor

Step-Up/Down controla a tensão de saída para uma tensão de entrada variável. A Fig.

3-11 ilustra este tipo de configuração.



Fig. 3-11 Conversor Step-Up/Down[17]

Este tipo de conversor é construído usando um Step-Up e um Step-Down em

cascata. [16]

3.5. Métodos de Controlo de Conversores CC

Existem várias técnicas de controlo para manter a tensão de saída no valor

pretendido, como é o caso: controlo por PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulação

por Frequência (FM).[16]

A saída do conversor CC deve ser o mais estável possível e igual à tensão de

referência, mesmo que a tensão de entrada ou a carga sofram flutuações. Esta condição

é conseguida através da comutação do interruptor utilizado, ajustando .

O método de comutação FM, baseia-se na alteração da frequência da portadora,

bem como a alteração do tempo de comutação. É um método pouco usado e apenas se

aplica em conversores CC, onde o interruptor é um tirístor (Force-Commutated-

thyristors). A variação da frequência da portadora torna difícil a filtragem do ripple de

saída do conversor, a sua implementação também requer alguma perícia.

O método de comutação PWM usa uma portadora de frequência fixa, variando

apenas a largura do impulso aplicado ao interruptor. Esta variação, depende da

comparação da tensão de controlo com a tensão da portadora (tipicamente dente de serra

ou onda triangular). A tensão de controlo é conseguida pela comparação da tensão de

saída com a tensão de referência, sendo esta aumentada ou diminuída dependendo do

resultado da comparação.

A frequência da onda portadora define a frequência de comutação do interruptor.

No controlo por PWM essa frequência é fixa. Dependendo do conversor esta frequência

pode ir desde alguns kilo-Hertz até umas dezenas de kilo-Hertz.



Na Fig. 3-12 ilustra a forma como foi efectuado o controlo do Duty-Cycle para

manter a saída do conversor CC aproximadamente constante.

Fig. 3-12 Método PWM

3.6. Topologias de Inversores

Usualmente, é denominado por inversor um conversor de tensão CC-CA, o qual

possibilita a conversão de tensões CC em tensões CA com amplitude e frequência

variável. Este tipo de conversor é actualmente muito utilizado, uma vez que a tensão

proveniente da rede eléctrica é 230V 50Hz, obrigando motores e determinados

aparelhos a funcionar de forma constante ou precisando de componentes mecânicos

para efectuar a adaptação da máquina. Com a utilização dos conversores, facilmente se

consegue alterar a frequência e variar também a velocidade das máquinas.

Para a realização deste tipo de inversor, podem ser utilizadas vários tipos de

topologias, sendo que as mais conhecidas e utilizadas são a VSI (Voltage Source

Inverter) e a CSI (Current Source Inverter) presentes nas figuras Fig. 3-13 (a) e Fig.

3-13 (b).



Fig. 3-13 Topologia VSI (a) Topologia CSI (b) [18]

A topologia VSI é mais comum que a topologia CSI, uma vez que possui maior

eficiência, é mais económica e leve [18]. A Fig. 3-13 (a) representa uma configuração

de dois níveis, embora esta topologia possa ser alargada a multi-nível. Seguidamente

serão apresentadas as várias configurações.

3.6.1. Topologia VSI 2 níveis

A topologia VSI de dois níveis é a mais utilizada em inversores de electrónica de

potência. É muito usual ser aplicada em UPS, DVR (DynamicVoltage Restorer), filtros

e muitas outras aplicações. Os interruptores utilizados ficam sujeitos a dois níveis de

tensão e 0V. O número de interruptores a usar nesta topologia é menor que em

outras. A tensão do barramento CC vai influenciar a escolha dos interruptores, pois

estes têm de suportar o valor de amplitude máxima, obrigando ao uso de interruptores

bastante dispendiosos para tensões elevadas.

Este tipo de topologia é de fácil implementação, requerendo um processo de

controlo relativamente fácil quando comparado a outros. Pode ser controlado com

hardware ou por software, embora por software seja mais cómodo e qualquer alteração

se torne fácil de efectuar.

3.6.2. Topologia multi-nível

A topologia multi-nível segue o mesmo princípio da topologia a dois níveis só que

esta apenas permite 2 níveis em cada braço do inversor. Já a topologia multi-nível

permite vários níveis em cada braço. Assim sendo, este tipo de aplicação apresenta

tensões e correntes com menor nível de ripple para uma frequência de comutação



equivalente [18]. A Fig. 3-14 mostra o principio de funcionamento dos VSI para varias

níveis 2, 3, multi-níveis.

Fig. 3-14 Principio funcionamento [18]

3.6.3. Topologia VSI com Braços Monofásicos

Uma outra topologia é o VSI com braços Monofásicos, ou seja, cada fase tem um

braço monofásico. Esta configuração está presente na Fig. 3-15.

Fig. 3-15 Topologia VSI com braços monofásicos[18]

Esta topologia, tem o mesmo sistema de controlo de um VSI de dois níveis, uma

vez que, os sinais de controlo são os mesmos. No entanto, esta topologia é mais

dispendiosa que a VSI a dois níveis, pois utiliza o dobro dos componentes, e ocupa um

espaço maior, uma vez que é necessário alojar todos os interruptores e respectivos

dissipadores. Contudo tem a vantagem de precisar de uma tensão inferior no lado CC

para atingir os mesmos resultados que o VSI de dois níveis trifásico.[18]

+

0

a

Va

+

0

a

Va

+

Vcc

Vcc

Vcc

+

0

a

Va

+

+

Vcc

Vcc

Vcc



3.6.4. Técnicas de comutação dos interruptores

Os interruptores usados nos inversores necessitam de ser comandados de forma

específica. Para que isso seja possível existem inúmeras técnicas de comutação, sendo

algumas delas um pouco complexas, o que as torna inapropriadas para este trabalho. A

técnica escolhida para cada aplicação tem de se enquadrar no projecto e satisfazer os

requisitos do mesmo. Algumas das técnicas mais usadas são:

Comparador de histerese

Periodic sampling

Space vector PWM

Técnicas de comutação com controlador baseado em lógica Fuzzy

PWM sinusoidal

No âmbito deste trabalho apenas vai ser estudada a técnica: PWM sinusoidal por ser

de fácil implementação e preencher os requisitos do trabalho.

3.6.5. PWM sinusoidal

A técnica de comutação por modulação da largura do impulso (MLI) ou (PWM) é

muito usada quando nos referimos a técnicas de comutação de interruptores. Trata-se de

uma técnica muito eficaz e bastante fácil de implementar, uma vez que apenas se trata

da comparação de duas formas de onda. Com o uso desta técnica, pode-se garantir uma

larga gama de variação da amplitude da componente fundamental da tensão de saída,

sem alterar a forma de onda pretendida. Também é possível afastar da componente

fundamental os harmónicos de ordem menor, facilitando assim a sua filtragem.

Existem vários comandos de PWM para controlo de inversores, de seguida são

dados alguns exemplos:

Modulação síncrona de dois níveis, linear ou sinusoidal

Modulação síncrona de três níveis, linear ou sinusoidal

Modulação assíncrona de dois níveis, sinusoidal

3.6.5.1. Modulação síncrona de dois níveis

A modulação síncrona de dois níveis permite regular a amplitude da tensão de

saída, em cada momento são efectuados um número inteiro de cortes que



alternadamente fazem passar de Vcc a -Vcc e vice-versa, isto no semi-ciclo positivo e

de -Vcc a Vcc no semi-ciclo negativo, como pode ser visualizado na Fig. 3-16.

Fig. 3-16 Modulação síncrona de dois níveis [19]

Esta modulação é obtida através da comparação de dois sinais Fig. 3-17 (a) e Fig.

3-17 (b). Um dos sinais é usualmente designado por moduladora ou modulante, é ele

que determina a frequência e a amplitude do sinal de saída. A moduladora pode ser

rectangular (modulação linear Fig. 3-17 (a)) ou pode ser sinusoidal (modulação

sinusoidal Fig. 3-17 (b)). O segundo sinal é designado por portadora. É este sinal que

determina a frequência de comutação dos interruptores, deve ter uma frequência ímpar e

múltipla da modulante. Habitualmente utiliza-se uma onda triangular simétrica.

Fig. 3-17 Modulação Linear (a), Modulação Síncrona (b)[19]

A modulação síncrona sinusoidal para índices de modulação elevados permite

afastar da componente fundamental os harmónicos de menor ordem. Tem maior



complexidade na geração do sinal modulador do que no caso da modulação linear e

apresenta uma menor variação da amplitude da tensão de saída.

3.6.5.2. Modulação síncrona de três níveis

A modulação síncrona de três níveis permite regular a amplitude da tensão de saída,

efectuando em cada momento um número inteiro de cortes, que alternadamente fazem

passar de Vcc a 0 e vice-versa, no semi-ciclo positivo, e de -Vcc a 0 no semi-ciclo

negativo, como pode ser visualizado na Fig. 3-18.

Fig. 3-18 Modulação síncrona de três níveis[19]

Habitualmente, a modulação síncrona de três níveis obtém-se por comparação de

dois sinais, como pode ser visto na Fig. 3-19 (a) e Fig. 3-19 (b). Um primeiro sinal é a

moduladora, a qual pode ser constante (modulação linear), ou pode ser igual ao valor

absoluto de uma sinusóide (modulação sinusoidal). Em ambos os casos a amplitude da

onda de saída é determinada pela amplitude da moduladora, no caso da modulação

sinusoidal a frequência da saída é obtida também da moduladora. O segundo sinal, de

forma triangular simétrica, é designado de portadora em que a frequência é múltipla par

da frequência do sinal de saída, para assim garantir a simetria de meia onda.



Fig. 3-19 Modulação Linear (a), Modulação Sinusoidal (b)[19]

A modulação de três níveis é melhor que a modulação de dois níveis, uma vez que

apresenta melhor conteúdo harmónico, bem como o número de comutações é mais

baixo. Contudo, implica maior complexidade no comando.

3.6.5.3. Modulação assíncrona de dois níveis

A modulação assíncrona sinusoidal distingue-se da modulação síncrona de dois

níveis por esta não possuir sincronismo entre moduladora e portadora. Assim sendo,

perde-se a simetria e anti-simetria, características da modulação síncrona. A Fig. 3-20

apresenta este tipo de modulação bem como os sinais resultantes.



Fig. 3-20 Modulação Assíncrona[19]

Esta modulação é tecnicamente mais simples que a modulação síncrona pela falta

de sincronismo. Também não é possível dividir a tensão de saída em harmónicos e

componente fundamental. Contudo, esta modulação não apresenta inconvenientes em

relação à modulação síncrona de dois níveis se a frequência da onda portadora for muito

superior à moduladora, (tipicamente 30 a 40 vezes superior).[19]

Para se obter o valor de saída com este tipo de modulação, pode-se recorrer a

expressão (3.26) que indica o valor eficaz da tensão composta.[17]

√√

0,612 3.26

Em que:

Valor eficaz tensão composta

Índice de modulação

O índice de modulação é obtido através da razão entre a amplitude da sinusóide de

referência e da amplitude da onda portadora.

3.27





Capítulo 4 Simulação do Sistema

4.1. Introdução

Com o aparecimento de simuladores de electrónica houve um grande

desenvolvimento na concepção de sistemas electrónicos. Os projectos passaram a ser

desenvolvidos mais rapidamente e com melhores resultados, diminuindo o perigo de

acidente e muito material eléctrico foi poupado a testes em condições extremas, que

muitas vezes são difíceis de realizar. Uma outra grande vantagem da utilização de

simuladores, prende-se com o facto de se conseguir ter uma antevisão do funcionamento

do sistema, sem que este tenha sido implementado e por sua vez tenha de gerar

resultados. Ao ter de antemão os resultados do sistema que se pretende elaborar, pode-

se concluir se o sistema obtém resultados satisfatórios ou não e pode-se concluir se este

mesmo sistema deve ou não ser implementado.

Actualmente, existem vários simuladores computacionais para simulação de

circuitos electrónicos, embora muitos deles sejam dedicados a um tipo específico de

electrónica. Outros abrangem a electrónica em geral e não são particularmente indicados

para simulação de alguns casos específicos. Os simuladores mais indicados para

simulação de electrónica de potência são PSCAD, Caspoc, PLECS, Matlab, entre

outros. [18]

A ferramenta utilizada nesta dissertação foi o Matlab por ser uma ferramenta já

bastante experimentada e com bons resultados, sendo que, a universidade disponibiliza

licenças para utilização. Dentro do Matlab existem muitas opções para simulação,

contudo nesta dissertação foi usado apenas o SimPowerSystems, que é uma toolbox

dedicada a simulação de sistemas de electrónica de potência. Trata-se de uma toolbox

bastante intuitiva e bastante fácil de utilizar, uma vez que o seu funcionamento é através

da junção de blocos os quais são fáceis de configurar e utilizar. A Fig. 4-1 apresenta a

toolbox do SimPowerSystems bem como alguns blocos que podem ser utilizados no

Matlab e ainda a janela de configuração dos próprios blocos. Na janela de configuração

estão presentes os parâmetros do componente, que são necessários colocar para o

respectivo componente.



Fig. 4-1 Simulink/SimPowerSystems

4.2. Conversor CC-CC

Para efectuar a simulação do conversor CC utilizou-se o modelo disponível no

Matlab simulink Fig. 4-2 com as respectivas alterações para o modelo calculado. Este

modelo é constituído por componentes lineares (bobina, condensador e carga) e não

lineares (diodo e IGBT). Para efectuar a simulação do gerador foi utilizada uma fonte de

tensão, a qual foi configurada para uma tensão de saída de 10V, sendo esta a tensão

mínima do gerador.

Fig. 4-2 Step-Up simulado



Constituintes

L1=55µH

C1=100µF

R1=20Ω

=10V

f=20kHz

Duty-Cycle=0,875

Com a ajuda do Scope (uma ferramenta de visualização do SimPowerSystems)

foram registadas e analisadas as principais formas de onda do conversor.

A Fig. 4-3 apresenta as características da entrada no conversor e em baixo pode

ver-se a forma de onda da tensão de entrada, que é contínua pois trata-se de uma fonte

ideal. Na parte superior da figura encontra-se a corrente de entrada que por sua vez

também é a corrente que passa na bobina. Pela corrente apresentada verifica-se que o

conversor se encontra na zona contínua, ou seja, a corrente da bobina nunca é 0A.

Apresenta um valor médio de aproximadamente 40A muito próximo do máximo do

gerador 45A tendo atingido valores de pico de aproximadamente 43A.

Fig. 4-3 Tensão e Corrente de entrada

A Fig. 4-4 apresenta a corrente no condensador. Esta corrente surge quando a

bobina não está a fornecer corrente ao circuito, sendo a corrente fornecida pelo



condensador, daí que a forma de onda esteja a maioria do tempo em baixo pois o Duty-

Cycle do Step-Up é próximo de 87%.

Fig. 4-4 Corrente no condensador

A Fig. 4-5 apresenta a características da saída para uma carga R=20Ω. Na parte

superior da figura pode-se ver a forma de onda da tensão. Esta inicialmente oscila,

vindo posteriormente a estabilizar em torno da tensão de referência que se pretendia ser

80V. Na parte inferior da imagem encontra-se a forma de onda da corrente. Como se

pode ver, esta é igual à forma de onda da tensão, apenas tem uma amplitude inferior.

Fig. 4-5 Características da saída



A Fig. 4-6 apresenta a tensão entre colector e emissor do interruptor. Quando o

interruptor se encontra em condução, ela é de aproximadamente 1V que é a queda

mínima no interruptor. Quando se encontra ao corte, a tensão é de aproximadamente

80V próxima da saída do conversor.

Fig. 4-6 Queda de tensão no semi-condutor Vce

4.3. Inversor Trifásico

Para o desenvolvimento do inversor trifásico começou-se por subdividir o problema

em blocos e alguma aparelhagem de monitorização. A Fig. 4-7 exemplifica esses

blocos, dos quais se destaca o Gerador CC, o Conversor Trifásico CC-CA e a Carga.

Fig. 4-7 Diagrama de Blocos



O primeiro bloco Gerador CC trata-se de uma fonte de tensão de 80V CC a qual

pretende simular o sistema gerador de energia que nesta dissertação é um alternador de

automóvel, seguido de um Step-Up.

No segundo bloco está presente a Conversor Trifásico CC-CA. Este bloco é um dos

principais, pois é nele que todo o controlo do sistema é realizado. No seguimento desta

dissertação será efectuado um desenvolvimento mais alargado.

Finalmente o bloco da Carga que, embora seja o último, não é menos importante do

que os outros dois, uma vez que vai ser responsável por algumas decisões tomadas na

realização deste trabalho. Vão ser efectuados estudos com várias cargas e analisadas as

diferenças de comportamentos do bloco conversor.

Conversor Trifásico CC-CA

O conversor é a parte responsável por transformar a tensão proveniente do gerador,

que é CC, na tensão pretendida à saída, ou seja, CA. Embora esta possa não ter a

amplitude desejada, a sua frequência é no entanto muito importante uma vez que tem de

ser compatível com a rede eléctrica nacional (50Hz). Este grande bloco é dividido em

alguns sub-blocos como pode ser visto na Fig. 4-8.

Fig. 4-8 Divisão do conversor CC/CA

O bloco do inversor é constituído por 6 IGBT e um diodo em anti-paralelo com

cada IGBT. As respectivas entradas de sinal e de tensão e saída das três fases, como

pode ser visualizado na Fig. 4-9. Esta é uma topologia VSI a 2 níveis trifásica



Fig. 4-9 Conversor trifásico

O bloco do filtro LC é constituído por um condensador e uma bobina para cada fase

sendo a sua configuração ilustrada na Fig. 5-16. Os elementos usados têm os valores de

100 300 , calculados pelas expressões (5.10) e (5.11).

O bloco do transformador trifásico é constituído por um transformador trifásico

ligado em estrela com acesso ao neutro e tem uma relação de transformação de a=9 para

uma tensão de saída de 230V.

O bloco do sistema de controlo é o responsável por gerar os sinais de comando dos

IGBT. Neste bloco é efectuado todo o sistema de controlo do conversor. É constituído

basicamente por três elementos: onda portadora, onda moduladora e sistema de

controlo. A onda portadora é formada por uma onda triangular cuja frequência

determina a frequência de comutação dos interruptores utilizados. A amplitude depende

do índice de modulação (ma) utilizado. Uma vez que se trata de um sistema com

modulação assíncrona apenas é necessária uma onda portadora pois a mesma serve de

referência para as outras duas fases. A onda moduladora é uma sinusóide com amplitude

dependente de ma, a frequência tem de ser igual à frequência pretendida na saída do

circuito inversor. Para cada fase é necessária uma referência com as mesmas

características, só que desfasadas de 120º entre elas. Assim sendo, formou-se uma

referência e aplicaram-se atrasos para formar as outras duas.

4.3.1. Simulação do sistema em malha aberta

Para efectuar a simulação do sistema em malha aberta foi utilizado o modelo da

Fig. 4-10. A particularidade deste tipo de controlo é a não preocupação com a saída, ou

seja, é sempre enviado o mesmo tipo de sinais aos interruptores.



Fig. 4-10 Controlo malha aberta

A Fig. 4-11 ilustra como são obtidos os sinais de controlo dos interruptores,

utilizando o sistema em malha aberta.

Fig. 4-11 Diagrama de blocos malha aberta

O primeiro teste foi efectuado com uma carga resistiva nas três fases

(R=1000Ω), para os quais foram obtidos os resultados presentes na Fig. 4-12. Para

cargas iguais a esta ou superiores o circuito comporta-se bem, conseguindo atingir os

valores pretendidos na saída 325 entre fase e neutro.



Fig. 4-12 Tensão (a) e Corrente (b) numa carga de R=1000Ω

O segundo teste foi efectuado com uma carga resistiva menor (R=500Ω). Como

pode ser confirmado na Fig. 4-13 não se conseguiu atingir o valor de pico em nenhuma

das fases, contudo a forma de onda foi mantida e o seu valor de pico está próximo do

pretendido.

Fig. 4-13Tensão (a), Corrente (b) numa carga de R=500Ω

Por fim, foi colocada uma carga resistiva (R=100Ω) para se verificar o

comportamento do circuito. Constatou-se que cargas demasiado grandes provocam uma

diminuição na amplitude da onda de saída, como pode ser visualizado na Fig. 4-14.

Embora a sua forma de onda seja uma sinusóide, como era desejado, a amplitude desta é

cerca de 40% inferior. A forma de onda da corrente é semelhante à forma de onda da

tensão uma vez que se trata de uma carga resistiva



Fig. 4-14 Tensão (a), Corrente (b) numa carga de R=100Ω

4.3.2. Simulação malha fechada

Para efectuar o teste em malha fechada foi utilizado o esquema da Fig. 4-15.

Fig. 4-15 Divisão circuito conversor CC-CA

O objectivo de utilizar um sistema de malha fechada é reduzir a diferença entre o

valor medido na saída do sistema e o valor de referência. Para se tornar um sistema

fiável, flexível e de fácil compreensão pode-se utilizar um dos seguintes tipos de

controlador.

Liga/Desliga (ON/OFF).

Controlo Proporcional (P).

Controlo Proporcional Integral (PI).



Controlo Proporcional Derivativo (PD).

Controlo Proporcional Integral Derivativo (PID).

Entre outros…

No âmbito desta dissertação desenvolveu-se um controlador P que está

representado na Fig. 4-16.

Fig. 4-16 Circuito representativo do controlador P

A Fig. 4-17 representa os sinais típicos de um controlador do tipo P. A tensão de

controlo é a pretendida na saída do sistema implementado. É em função dela que todas

as outras tensões são geradas. A tensão de saída é a tensão que efectivamente está a ser

produzida pelo sistema em cada momento. A amplitude desta depende fortemente do

tipo de carga que está acoplado ao sistema. Através da subtracção da tensão de controlo

e da tensão de saída é gerada uma terceira onda, a tensão de erro. Por fim é aplicado um

ganho proporcional à tensão de erro e somada com a tensão de controlo formando a

tensão de referência a qual vai ser comparada com a onda portadora e gerados os sinais

a aplicar aos IGBT’s.



Fig. 4-17 Tensões base de um controlador P

Para efectuar o primeiro teste foi utilizada uma carga resistiva (R=1000Ω) tal como

no ensaio em malha aberta. Os resultados obtidos foram os esperados, atingindo-se o

valor de pico pretendido bem como a forma de onda. Os mesmos já tinham sido obtidos

com o sistema a funcionar em malha aberta. A Fig. 4-18 ilustra os resultados tanto da

tensão (a), como da corrente (b).

Fig. 4-18 Tensão, Corrente numa carga de R=1000Ω

No segundo caso simulado foi utilizada uma carga resistiva (R=500Ω). Como pode

ser observado na Fig. 3-19 os resultados obtidos estão de acordo com o previsto. Neste

mesmo ensaio, mas com a malha em aberto, o circuito não conseguiu responder como



era pedido. Já com malha fechada atinge os valores desejados em tensão e

consequentemente em corrente.


Numa terceira simulação foi utilizada uma carga resistiva (R=100Ω). Com esta

carga o sistema não consegue atingir os valores pretendidos e a forma de onda sofre

distorção. Assim sendo, pode-se dizer que este tipo de controlador é insuficiente pois

não atinge os valores pretendidos para este tipo de carga. Contudo a carga simulada

requer uma potência maior que a possível pelo sistema implementado, logo este tipo de

carga apenas foi utilizado para testar quando o controlador utilizado deixava de

responder satisfatoriamente. Na Fig. 4-20 está ilustrada a forma de onda de saída da

tensão bem como a respectiva corrente. É de realçar que no primeiro ciclo apresentado a

forma de onda ainda não tinha atingido a estabilidade, ou seja, pode-se visualizar que o

sistema demora cerca de 15 a 20ms a estabilizar.




No quarto caso simulado foi utilizada uma carga resistiva (R=300Ω). Utilizou-se

este valor por ser a carga que absorve a potência que o sistema gerador pode fornecer.

Para este valor de carga o sistema responde bem atingindo o valor 325 o qual era

pretendido, conseguindo ter na saída uma corrente de aproximadamente 1A. Na Fig.

4-21 estão representadas as formas de onda da tensão e da corrente para esta carga.


A Fig. 4-22 apresenta a potência fornecida por cada fase para uma carga de 300Ω.

Tem um valor de pico de aproximadamente P=370W por fase.

Fig. 4-22 Potência consumida por cada fase

Uma carga muito utilizada é o motor. Assim uma das simulações efectuadas foi

com uma carga com cos 0,8 indutivo para simular a utilização de um motor. Esta

carga foi ligada ao sistema em estrela.



A Fig. 4-23 mostra a tensão e corrente presentes na carga. Os valores encontram-se

dentro do esperado e vem mais uma vez confirmar os bons resultados obtidos com o

controlador P.

Fig. 4-23 Tensão e Corrente numa carga 0,8indutiva

Na Fig. 4-24 está representado e desfasamento que existe entre a tensão e a corrente

causados pela utilização da carga com cos 0,8 .

Fig. 4-24 Desfasamento entre corrente e tensão na Fase

O último caso aqui apresentado refere-se a um tipo de carga muito utilizada hoje

em dia, os rectificadores com filtro capacitivo. Foi ligado um rectificador entre a Fase A

e Neutro e outro entre a Fase B e Fase C. As formas de onda da tensão apresentam

alguma distorção, resultante do elevado conteúdo harmónico consumido pela carga. A

forma de onda da corrente é característica neste tipo de circuito. Resultante do tipo de



carga utilizada, o controlador utilizado não consegue compensar totalmente as

distorções existentes na forma de onda da tensão. Todas estas características estão

apresentadas na Fig. 4-25.

Fig. 4-25 Tensão (a), Corrente (b) em rectificadores com filtro capacitivo.



Capítulo 5 Montagem Experimental

5.1 Introdução

Neste capítulo serão apresentadas as montagens, escolhas e justificações das

mesmas, respectivamente ao conversor CC-CC e ao inversor CA. É também

apresentado o microcontrolador utilizado, o ambiente de programação, bem como a

escolha da linguagem de programação utilizada.

A Fig. 5-1 apresenta o diagrama de blocos do sistema a implementar no âmbito

desta dissertação. Começou-se por estudar o gerador fornecido e a partir dele

desenvolveu-se toda a electrónica necessária para a conclusão final.

Fig. 5-1 Diagrama de blocos do sistema implementado

5.2 Microcontrolador

O controlo de condução de interruptores pode ser efectuado por duas formas

distintas. A primeira forma é através de hardware, ou seja, fisicamente através de um

conjunto de componentes electrónicos, capazes de controlar os tempos e ligar ou

desligar os interruptores nas alturas necessárias. Esta solução é possível embora muito

trabalhosa e tem de ser efectuada com alguma perícia por parte de quem a está a

projectar. Também é uma solução dispendiosa, pois cada componente tem um preço e

quantos mais forem usados, mesmo sendo económicos, mais cara fica a solução final. A

segunda forma é aquela que actualmente mais se utiliza. É através de software, usando

microcontroladores, pois um só dispositivo pode controlar uma diversidade de outros

componentes. Efectuando tempos bastante precisos, é económico, cómodo e o espaço

ocupado é relativamente pequeno em comparação com o restante circuito. Uma das



maiores vantagens do uso deste equipamento é a facilidade da sua produção em série,

bem como qualquer alteração do código existente é de fácil modificação.

O microcontrolador a escolher teria de ser capaz de efectuar o controlo do

conversor CC bem como o do inversor CA individualmente para assim facilitar o

projecto e não ser necessário despender tempo na aprendizagem de dois equipamentos

novos. O microcontrolador escolhido foi o PIC18F4431 pois possui os requisitos

necessários para efectuar o controlo do conversor CC e do inversor CA, possuindo ADC

e PWM trifásicos com bastante resolução e bastante rápidos.

A Fig. 5-2 apresenta o esquema dos pinos deste mesmo equipamento, sendo

importante referir os principais portos utilizados. O porto B que vai do pino 33 ao 40

sendo aí que está o módulo de PWM e o porto A o qual vai do pino 2 ao 7 mais 13 e 14

onde se encontram os ADC.

Para efectuar a programação deste PIC existem várias formas possíveis. Na oficina

do departamento já existiam alguns esquemas eléctricos de placas programadores

testados e com excelentes resultados. Então optou-se por utilizar esses esquemas para

evitar problemas desconhecidos. Esses esquemas são conhecidos por MPLAB ICD 2.

Está ilustrado na Fig. 5-3 a montagem utilizada.

Fig. 5-2 Esquema de ligações do PIC18F4431 [28]



Fig. 5-3 Circuito programador

A linguagem de programação utilizada foi o assembly por ser uma linguagem de

baixo nível, tendo um tempo de execução de instrução menor. O ambiente de trabalho é

MPLAB IDE v8.1 disponível na página do fabricante destes circuitos integrados. O

código é desenvolvido no próprio MPLAB não sendo necessário acrescentar nenhum

outro software.

5.3 Conversor CC-CC

A tensão aos terminais do gerador é relativamente baixa e apresenta uma corrente

bastante elevada sendo 14V e 55A respectivamente, dando uma potência de 770W.

Como o objectivo era apresentar 230V CA na saída da montagem final, achou-se

bastante útil a elevação desta tensão, uma vez que com as várias quedas de tensão nos

dispositivos utilizados ficar-se-ia com uma tensão CA muito baixa, necessitando-se

depois de um transformador com uma relação de transformação elevada. Teria também

de suportar correntes elevadas no primário, obrigando assim a ter fio de secção elevada,

o que tornaria este transformador dispendioso.

Para elevar a tensão de entrada pode-se utilizar um conversor CC-CC. Os

conversores mais indicados a utilizar são: o Flyback ou o Step-Up, sendo que o primeiro

é mais aconselhado para baixas potências, precisando de um transformador

sobredimensionado. O conversor a dimensionar tem uma potência de entrada máxima

de aproximadamente 630W, sendo que a tensão de entrada é baixa (máximo 14V) e a

corrente é elevada (máxima 45A), assim sendo, era necessário usar um transformador

que suporte essas características. Uma vez que não era preciso o isolamento entre

entrada e saída do conversor e também não se disponha de nenhum que preenche-se os



requisitos optou-se pelo Step-Up pois não precisa de transformador, sendo os seus

constituintes relativamente fáceis de encontrar os construir.

A Tabela 5-1 apresenta as características do Step-Up a implementar, é através delas

que vão ser escolhidos os valores dos componentes a utilizar.

Tabela 5-1 Características do Step-Up

Características Valores Típicos

Tensão saída 80V (Max)

Tensão entrada 10V~80V (Min~Max)

Corrente entrada 45A (Max)

Frequência funcionamento 20kHz

Corrente saída 6A

Potência saída P 500W (Max)

5.3.1. Diodo

O diodo utilizado precisa de ser rápido e de suportar a corrente máxima do gerador.

Assim sendo, o diodo utilizado foi o STTH16003TV que está representado na Fig. 5-4

onde também está presente a tabela com os principais dados do mesmo. O tipo de

socket apresentado contém 2 diodos do mesmo tipo, sendo que um foi utilizado para o

Step-Up, o outro foi aproveitado para o desenvolvimento do circuito de Snubber o qual

vai ser descrito mais adiante.

Fig. 5-4 Diodo do Step-Up [20]



5.3.2. Bobina

A bobina é um componente muito importante no dimensionamento do Step-Up,

uma vez que é através da energia que é armazenada nela que pode ser controlada a

tensão de saída. Assumindo que o gerador pode fornecer tensões entre 10V e 14V e que

na saída se pretende ter 80V, por intermédio da expressão (3.6) pode determinar-se qual

o valor de Duty-Cycle a utilizar.

0,875 5.1

Utilizando agora a expressão do limiar de continuidade (3.13) e assumindo que o

=0,5A é o menor valor de corrente para não entrar em zona descontínua cerca de 5%

de duty-cycle com uma frequência de comutação de f=20kHz, pode-se calcular o valor

da bobina.

1 5.2

L=54,7µH

Sabendo que a bobina tem de suportar a corrente máxima vinda do gerador que

neste caso é 45A, consultando a tabela que se encontra no Anexo I, escolhe-se o valor

do fio para essa mesma bobina. Para fazer uma só bobina teria de ser usado um fio de

secção elevada (diâmetro d=5,2mm) sendo portanto difícil de o encontrar e de fazer

manualmente a bobina. Optou-se por usar 4 bobinas em paralelo, ficando assim mais

fácil de se construir e encontrar um fio adequado.

A Tabela 5-2 apresenta os dados relativos a uma bobina, sendo as outras 3 de valor

próximo.

Tabela 5-2 Características das bobines

Identificação Valores Nominais

L a 1kHz 297µH

L a 20kHz 264µH

Corrente Máxima 15A

Diâmetro Fio 2,6mm



5.3.3. IGBT

O IGBT é o componente responsável pela carga e descarga da bobina presente no

circuito, ajustando assim a tensão na saída. O semicondutor tem de apresentar algumas

características específicas para poder ser utilizado no circuito, tendo de suportar a

corrente máxima que o gerador pode fornecer, uma vez que no pico de funcionamento

essa corrente atinge 45A. No momento de transição de estado a tensão pode atingir

picos elevados, em funcionamento normal este valor é de aproximadamente 14V (tensão

de alimentação).

Analisando a Fig. 5-5 pode concluir-se que não existem muitos tipos de

semicondutores que possam funcionar acima dos 20kHz. Os 2 tipos mais usuais e com

funcionamentos bastante bons são os Mosfect e IGBT, sendo que, os mosfect não

suportam correntes altas (tipicamente abaixo dos 150A). Para valores de correntes

elevados os preços tornam-se demasiadamente altos não sendo viáveis para este tipo de

aplicações. Assim sendo, optou-se por utilizar IGBT.

Fig. 5-5Comparação entre vários semi-condutores [17]

A representação interna de um IGBT está presente na Fig. 5-6.

Fig. 5-6 Símbolo IGBT [21]



O IGBT escolhido foi o STGW40NC60V. A Tabela 5-3 apresenta as características

deste IGBT sendo que de entre eles temos de destacar as principais, como é o caso da

tensão máxima permitida entre colector e emissor Vce=600V e a corrente suportada que

é I=80A para 25ºC e tem um poder de dissipação elevado P=260W a 25ºC.

Tabela 5-3 Principais características IGBT [21]

5.3.4. Condensador de entrada

O condensador de entrada não é obrigatório, embora se deva utilizar para facilitar e

ajudar a resposta em frequência do gerador. Um condensador é bastante mais rápido que

um gerador na resposta, melhorando a resposta do sistema. Vem também suprimir o

ruído que possa existir na linha de alimentação do conversor CA-CC (presente no

alternador), tornando desta forma a tensão de alimentação do Step-Up mais estável.

5.3.5. Condensador de saída

O condensador de saída está directamente relacionado com o ripple final que o

conversor vai apresentar, usando a expressão (5.4) com um ripple máximo de 5% e uma

corrente máxima de 9,7A e o Duty-Cycle é D=0,875.

∆ 5.3

∆, , .

,106,1 5.4



5.3.6. Circuito de drive

A tensão na saída do microcontrolador é de 5V, não sendo compatível com a tensão

mínima que o IGBT necessita na sua gate para entrar em saturação. Para isso foi

necessário acrescentar um circuito capaz de efectuar essa interligação. O circuito

escolhido está presente na Fig. 5-7 e para isso utilizou-se o circuito integrado UC2707

da Texas Instruments, dispositivo adequado para efectuar este tipo de interligação,

sendo muito rápido a passar de 0V para a tensão máxima e vice-versa.

Fig. 5-7 Circuito drive [22]

Na saída do circuito integrado é acoplado um pequeno circuito electrónico sugerido

no próprio datasheet do componente.

5.3.7. Controlo Step-Up

O controlo do conversor foi elaborado com o microcontrolador apresentado no item

5.2 deste mesmo capítulo. Deste microcontrolador foi utilizado um pino de PWM, bem

como um pino referente a um ADC, o qual vai efectuar as leituras necessárias da saída

do conversor.

A Fig. 5-8 apresenta o fluxograma do código desenvolvido no microcontrolador

para efectuar o controlo da tensão de saída do conversor. O controlo efectuado no

conversor baseia-se em comparações sucessivas com o valor de referência. Este valor

foi definido no início do programa e teve em conta o valor máximo da onda portadora



(onda triangular interna do microcontrolador que define a frequência de comutação).

Quando o valor lido pelo ADC se encontra abaixo do valor de referência é incrementado

o Duty-Cycle e vice-versa, mantendo assim estável a tensão na saída.

Na saída do conversor, quando este se encontra em funcionamento, devem estar

80V, no entanto esta tensão é demasiado elevada para o microcontrolador, sendo por

isso necessário efectuar um divisor de tensão para baixar a tensão de saída para um

valor compatível pelo microcontrolador.

5.4 Snubber

O snubber utilizado neste projecto é do tipo RCD (resistência, condensador, diodo)

e a sua configuração está presente na Fig. 5-9.

Fig. 5-8 Fluxograma do controlo

Não

Igual

Aumenta Duty-Cycle

Inicio

Configura PWM

Configura ADC

Configura Registos Microcontrolador

Carrega Referencia

Compara tensão referência com

tensão lida ADC Sim

Diminui Duty-Cycle



Fig. 5-9 Snubber RCD [17]

Este tipo de snubber ajuda o interruptor a desligar (turn-off) para evitar que

apareçam tensões e correntes elevadas entre colector e emissor, e assim diminuir as

perdas de comutação do interruptor. Para efectuar o dimensionamento dos componentes

utilizados foram utilizadas as expressões (5.5), (5.6) e (5.7), sendo igualmente

necessário medir o tempo que o interruptor demora a passar de um estado para o outro.

5.5

200

Condensador

Corrente que atravessa o interruptor

Tempo que o interruptor demora a sair de condução

. 5.6

1,5 Ω

5.7

640e W

A potência obtida é de uma comutação, como a frequência de comutação é

f=10kHz, vem que a potência:

6,4W

5.5 Inversor Trifásico

A topologia de inversor escolhido no âmbito desta dissertação foi a topologia VSI a

dois níveis pois era a que mais se enquadrava no projecto. Uma das razões que levou a

essa escolha foi o preço, uma vez que cada interruptor tem um custo ainda elevado e

quantos mais são usados mais vão elevar o preço do produto final. Outra razão é que a

técnica de comutação para esta topologia é, relativamente a outras, mais fácil de se

implementar e adapta-se no microprocessador escolhido. Além disso, o espaço usado



também tem um fundamento importante pois quantos mais interruptores forem usados

mais dissipadores e mais espaço será dispendido. Assim sendo, na Fig. 5-10 está

ilustrado o esquema usado bem como o circuito snubber inserido.

Fig. 5-10 Circuito inversor implementado

Os interruptores usados foram IGBT com díodo em anti-paralelo, uma vez que são

interruptores rápidos e suportam tensões e correntes elevadas. Alem disso têm menos

perdas nas comutações. Os IGBT usados foram do tipo STGP30NC60W uma vez que

foram distribuídos de forma gratuita e preenchiam os requisitos mínimos, suportando

600V e 30A, condições para a temperatura de 25ºC podendo dissipar P=200W nas

mesmas circunstâncias.

O snubber utilizado foi dimensionado segundo as expressões (5.5), (5.6) e (5.7). O

uso do snubber vem diminuir as sobretensões que possam existir aquando das

comutações, também diminui as perdas nas comutações do IGBT. Com a diminuição de

potência dissipada por parte dos IGBT, podem ser usados dissipadores menores o que

diminui os gastos e o projecto fica mais económico e compacto.

5.6 Malha Fechada

Para efectuar a malha fechada do controlo do inversor foi necessário medir as

tensões na saída do filtro para depois se poder incluir o controlo necessário. Como o

objectivo era medir , , foi necessário introduzir sensores de efeito Hall para esse

efeito. O sensor aplicado foi o LV25-P o qual está representado na Fig. 5-11 tendo este

as características da Tabela 5-4.



Tabela 5-4 Características Sensor LV25-P [23]

Características Valores Nominais

Tensão 10/500 V

Corrente 10 mA

Relação transformação 2500:1000

Medições CC, CA

Este sensor está dividido em duas partes, o que significa que numa parte do sensor

existe a ligação da fonte a ser medida, através de uma resistência (R1 da Fig. 5-11).

Assim sendo, esta resistência vem limitar a corrente que passa no sensor, uma vez que

ele suporta apenas 10mA. Esta é a corrente para a resolução máxima. Na segunda parte

do sensor está a alimentação e a saída. A saída do sensor vem em corrente, no entanto é

necessário converter para tensão através da resistência RM (Fig. 5-11).

Fig. 5-11 Esquema de LV25-P [23]

1 5,6 Ω

220Ω

Uma vez dimensionado o valor das resistências, o sensor fica configurado. A tensão

na saída do sensor é idêntica a tensão na saída do filtro só que esta vem afectada da

relação de transformação, ou seja, com amplitude reduzida.

Para realizar leituras das respectivas tensões de saída é necessário utilizar os ADC

incorporados no microprocessador, contudo eles apenas permitem tensões no máximo

entre 0V e 5V, ou seja, foi necessário eliminar a parte negativa da onda sinusoidal e

para isso foi utilizado um circuito somador.



O circuito somador utilizado está presente na Fig. 5-12, é constituído por 3

resistências e um amplificador operacional.

Fig. 5-12 Circuito somador [24]

Esta configuração é inversora ou seja a soma das tensões e aparece reflectida em

mas com o sinal contrário. A entrada inversora do amplificador operacional é uma

terra virtual por isso pode ser calculada a corrente proveniente das fontes e

recorrendo a lei de Ohm.

, 5.8

A tensão na saída é dada por:

5.9

Calculando os respectivos valores para as resistências ficamos com o circuito

dimensionado e pronto a efectuar a interligação da saída do filtro com o

microprocessador. O circuito final é apresentado na Fig. 5-13

1 3 6 20 Ω

2 4 5 35 Ω

7 8 9 10 Ω

Na saída do circuito da Fig. 5-13 estão presentes as ondas que servem de referência

para a realimentação do inversor.



Fig. 5-13 Malha fechada

A Fig. 5-14 apresenta as ondas para a saída máxima do inversor trifásico.

Fig. 5-14 Saída do somador

5.7 Circuito de drive

Para efectuar o correcto controlo de um inversor são fornecidos os impulsos de

activação aos interruptores utilizados. Se estes forem dados a níveis insuficientes ou

mesmo demorarem muito tempo entre transições, os interruptores não conseguem

responder correctamente. Para que todo este sistema funcione correctamente é



necessário um circuito de geração de impulsos rápido que mantenha as especificações

quando aplicado à gate do interruptor.

O sistema de drive utilizado foi escolhido devido às várias vantagens que possui.

Trata-se de um sistema muito rápido nas transições de subida e descida e pode funcionar

com IGBT ou Mosfect. Outra vantagem bastante importante é o facto de precisar apenas

de uma alimentação, conseguindo formar ele a referência para gerar o sinal de impulso

do interruptor superior. Todos estes factores vieram simplificar o dimensionamento do

conversor e diminuir o seu custo, uma vez que os componentes utilizados são menos e

são encontrados a preços razoáveis.

A Fig. 5-15 ilustra o esquema que foi implementado com o drive utilizado

(NCP5106 da On Semiconductor). Está representado com um braço de Mosfect mas

pode ser utilizado também com IGBT.

Fig. 5-15 Circuito drive de um braço do conversor[25]

5.8 Filtro

Algumas aplicações não de precisam ser alimentadas por tensões sinusoidais puras,

ou quase puras, precisando apenas de ter alimentações em amplitude e frequência

adequada, como é o caso de motores de indução. Contudo, uma grande parte das cargas

para ter um funcionamento correcto necessita de ter uma tensão sinusoidal na sua

entrada, podendo no entanto, conter algum conteúdo harmónico na sua constituição.

Existem várias possibilidades para se efectuar um filtro, sendo que muitas delas não

são adequadas para determinadas aplicações, uma vez que são constituídas por

elementos resistivos o que provoca elevadas perdas no seu uso. Assim sendo, uma

aplicação válida e que tem um consumo relativamente baixo é um circuito LC (bobina e

condensador).



Para a sintonização deste filtro podem utilizar-se as expressões (5.10) e (5.11).

Sabendo que a çã 10kHz e que se deve sintonizar o filtro uma década abaixo

da frequência de comutação ( çã ).

2 çã 5.10

√ 5.11

Para o dimensionamento deste filtro parte-se de um valor de condensador existente

pois os seus valores são standard enquanto a bobina vai ser construída. O valor do

condensador é C=100µF a (400V) sendo o valor da bobina depois dos cálculos de

L=253,3µH.

A ligação do filtro ao inversor pode ser efectuada por configurações distintas, uma

vez que na primeira configuração Fig. 5-16 se trata de uma ligação para equipamentos

onde não seja necessário o uso de neutro. A Fig. 5-17 representa um esquema trifásico

onde é criado um ponto comum o qual pode ser utilizado como neutro desta

configuração. Este ponto pode ser utilizado para ligação de cargas monofásicas, contudo

pode provocar desequilíbrios nas outras fases uma vez que é uma ligação comum e não

um neutro real, sendo um ponto de referência das tensões.

Fig. 5-16 Filtro trifásico sem neutro

Fig. 5-17 Filtro trifásico com neutro



Independentemente do tipo de ligação do filtro, este apresenta sempre o mesmo

valor de tensão composta.

5.9 Transformador e Variac

O Transformador e o Variac são dois elementos através dos quais se pode elevar ou

baixar a tensão alternada. Estes possuem rendimentos elevados quando em

funcionamento nominal, podendo mesmo chegar aos 99% algo que poucas máquinas ou

elementos electrónicos consegue atingir.

O transformador possui uma grande vantagem em relação ao Variac: o isolamento

entre entrada e saída. Contudo, também tem uma desvantagem grande, a relação de

transformação é fixa, limitando a sua utilização em circuitos onde possamos querer uma

tensão de saída/entrada variável, embora actualmente já existam transformadores que

possuem várias ligações possíveis. A expressão (5.12) indica a relação de transformação

de um transformador.

5.12

Sendo que:

Relação de transformação

Enrolamentos do lado primário e secundário

Tensões de entrada e de saída

O transformador contém dois ou mais enrolamentos sendo que os mais usuais são

os transformadores de dois enrolamentos. O Variac só contém um enrolamento comum.





Capítulo 6 Resultados Experimentais

6.1 Introdução

Neste capítulo serão apresentados os resultados experimentais dos circuitos

desenvolvidos no âmbito desta dissertação. Serão apresentadas as curvas de

funcionamento do alternador bem como o funcionamento do Step-Up, (rendimento,

tensão entrada e saída, correntes entrada e saída). Também vão ser documentados os

testes efectuados ao inversor trifásico e seu funcionamento com diversas cargas.

6.2 Alternador de Automóvel

O alternador utilizado está representado na Fig. 6-1. Este alternador pode fornecer

14V CC e 45A. Estas características são atingidas para velocidades de rotação elevadas

sendo que para baixas rotações o alternador fornece na mesma os 14V CC. A corrente

não é máxima mas sim uma corrente dependente da velocidade de rotação.

Fig. 6-1 Alternador de Automóvel [26]

A relação entre a velocidade de rotação em RPM e a corrente está presente no

gráfico da Fig. 6-2. Este alternador começa a fornecer corrente a partir de



aproximadamente 1000 rpm. A corrente fornecida aumenta com o aumento da

velocidade de rotação, contudo este aumento não é proporcional nem linear.

Fig. 6-2 Relação RPM/Corrente

6.3 Conversor CC-CC

Para efectuar o estudo do funcionamento do Step-Up utilizou-se como fonte de

energia uma bateria para ser mais cómodo e para ter a potência necessária para

emulação da realidade, uma vez que a bateria fornece 12V 45A o que se encontra muito

próximo dos valores máximos do gerador utilizado. Foram realizados vários ensaios

com o conversor cujos resultados estão presentes na Tabela 6-1. Foram efectuadas as

medições necessárias e foi calculado o rendimento do conversor, os valores medidos

bem como os calculados estão presentes na Tabela 6-1. O rendimento de Step-Up

encontra-se dentro do esperado, uma vez que o circuito snubber utilizado possui

consumo elevado. O interruptor utilizado também tem grandes perdas, levando assim o

conjunto final a ter um rendimento um pouco baixo. Mesmo assim, considera-se que o

rendimento está numa gama de valores aceitável (60%).

05

101520253035404550

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

Cor

rent

e Fo

rnec

ida

Velocidade RPM

Curva Corrente



Tabela 6-1 Rendimento do conversor

(V) (A) (V) (A) Potência

Entrada (W)

Potência

Saída (W)

Rendimento

(%)

12,9 7,1 80,6 0,75 91,6 60,4 66

12,7 9,4 80,2 1,00 119,4 80,2 67

12,5 12,0 80,1 1,25 150,0 100,1 66

12,4 15,0 80,0 1,50 186,0 120,0 64

12,4 18,4 80,5 1,75 228,2 140,9 62

12,4 20,1 80,0 2,00 249,3 160,0 65

12,4 22,1 80,0 2,25 274,0 180,0 65

12,4 25,1 80,4 2,50 311,2 201,0 64

12,4 27,6 80,1 2,75 342,3 220,3 64

12,3 32,1 80,0 3,00 394,8 240,0 60

12,3 35,2 80,0 3,25 445,3 260,0 60

12,3 42,1 80,6 3,50 541,2 282,1 54

A Fig. 6-3 apresenta um gráfico com a evolução da relação entrada/saída do

conversor para as diferentes cargas. A curva do rendimento do conversor é praticamente

constante, ou seja, um aumento da potência de entrada causa um aumento de saída em

escala igual.

Fig. 6-3 Relação entrada/saída



A Fig. 6-4 retrata a tensão na saída do conversor.

Fig. 6-4 Tensão na saída do conversor

A Fig. 6-5 é relativa à tensão de entrada e esta provém de uma bateria de carro.

Como se pode ver, também ela apresenta pequenas ondulações no seu conteúdo.

Fig. 6-5 Tensão de saída bateria

6.4 Snubber do Conversor CC

A introdução de um circuito de snubber vem ajudar a comutação do interruptor

usado, uma vez que este tipo de circuito vem reduzir o nível dos picos de tensão

aplicados ao interruptor. Também reduz as perdas no interruptor.

Na Fig. 6-6 está representada a forma de onda a que o interruptor está sujeito

quando não existe circuito de snubber.



Fig. 6-6 Forma de onda Vce sem snubber

Por outro lado, quando é usado o circuito de snubber, a forma de onda fica

idêntica à da Fig. 6-7. Ao comparar as duas ondas facilmente se visualiza que a

representada na Fig. 6-7 fica praticamente sem oscilações, ficando contudo com um

pico da mesma ordem de grandeza do valor de saída do conversor.

A forma de onda de ideal é uma onda quadrada onde o duty-cycle pode ser

variável. Com esta forma de onda o interruptor dissipa a potência mínima. Com a forma

de onda da Fig. 6-7 o interruptor é obrigado a dissipar mais potência, a qual, depende do

tempo que o interruptor está a ter tensão aos seus terminais e ao mesmo tempo está a ser

percorrido por corrente.

Fig. 6-7 Forma de onda Vce com snubber



6.5 Inversor Trifásico

O estudo do funcionamento do inversor foi efectuado com apoio do Step-Up

desenvolvido anteriormente, para elevar a tensão do barramento CC. Também foi

utilizado o filtro da Fig. 5-17 para assim se obter a componente fundamental da tensão.

Para elaborar os testes do funcionamento foram utilizadas algumas cargas resistivas de

valores variados. Essas cargas foram ligadas em estrela.

O primeiro teste efectuado foi com a saída em vazio, para se obter os valores

máximos conseguidos.

A Fig. 6-8 mostra como são as formas de onda na saída do sistema desenvolvido,

sendo também apresentadas as características dessas ondas. O valor máximo das tensões

é 50 que se traduz num valor eficaz de 35 , este valor está

directamente relacionado com ma que neste caso é 0,85.

Fig. 6-8 Saída do filtro

O conteúdo harmónico presente na tensão da Fig. 6-8 está representado na Fig. 6-9.

O THD máximo é de 1,5%, valor este que se encontra dentro dos limites estabelecidos

pela norma EN 50160 a qual refere que o THD máximo deve ser inferior a 8% para

baixas tensões.



Fig. 6-9 Conteúdo harmónico

O segundo teste efectuado foi com uma carga resistiva (R=2200Ω). As formas de

onda são idênticas ao teste efectuado em vazio. Foram obtidos os resultados esperados

de acordo com o valor da carga usada. A Fig. 6-10 mostra os resultados obtidos neste

teste.

Fig. 6-10 Tensão aplicada a uma carga R=2200Ω



O terceiro teste efectuado foi com uma carga resistiva (R=320Ω). A Fig. 6-11

mostra os resultados obtidos para este teste. As formas de onda bem como a amplitude

estão de acordo com o esperado.


O quarto teste efectuado foi com uma carga resistiva (R=32Ω). Foi escolhido este

valor por se tratar da carga que absorve a potência máxima que o sistema gerador

consegue fornecer. Os resultados estão de acordo com o esperado embora a amplitude

da onda tenha caído cerca de 2V.




O conteúdo harmónico presente em todos os testes efectuados é inferior a 2%,

obedecendo assim à norma EN 50160.

O valor da amplitude dos testes realizados é muito inferior ao pretendido devido à

tensão do barramento ser baixa. Para elevar a tensão para os níveis pretendidos (230V),

será usado um transformador com uma determinada relação de transformação. O

transformador necessário para este trabalho foi dimensionado segundo os resultados

obtidos na Fig. 6-8 e o valor pretendido. O valor eficaz de entrada é 35 e na

saída pretende-se 230 que se traduz numa relação de transformação de

7.

O transformador utilizado neste trabalho não era o transformador indicado para esta

aplicação pois não se disponha dele. A relação do transformador utilizado era muito

superior ao desejado ( 16 . Para este tipo de aplicação o transformador deve ser

sobredimensionado, evitando assim interferir na forma de onda. Contudo, o

transformador usado era subdimensionado o que não ajudou no total sucesso do

trabalho. Para a utilização deste transformador foi necessário reduzir a amplitude de

saída do Step-Up.

A Fig. 6-13 mostra a saída do transformador em vazio, a amplitude das ondas de

saída encontra-se dentro dos valores esperados bem como a forma de onda.

Fig. 6-13 Saída do transformador em vazio

A Fig. 6-14 mostra o conteúdo harmónico presente na saída do transformador,

apresentando valor máximo de THD=1,4%, valor este que é admitido pelas normas de

baixa tensão.



Fig. 6-14 Conteúdo harmónico na saída do transformador

O primeiro teste efectuado foi com lâmpadas incandescentes de 40W ligadas em

estrela. A Fig. 6-15 mostra a tensão aplicada nas lâmpadas bem como as características

da mesma. A amplitude da onda encontra-se dentro do esperado bem como a forma de

onda.

Fig. 6-15 Tensão aplicada a lâmpadas 40W



A Fig. 6-16 mostra o conteúdo harmónico na onda representada na Fig. 6-15. Os

valores de THD obtidos obedecem as normas estabelecidas para baixa tensão.

Fig. 6-16 Conteúdo harmónico lâmpadas de 40W

O segundo teste efectuado foi com uma carga resistiva de 320Ω ligada em estrela.

A Fig. 6-17 mostra os resultados obtidos com esta carga. A forma de onda encontra-se

dentro do esperado embora a amplitude tenha caído cerca de 30%, este facto deve-se ao

limite do Step-Up ter sido atingido, não podendo fornecer a potência necessária à carga.

Para se conseguir efectuar medições com esta carga foi necessário reduzir a amplitude

da tensão aplicada, baixando a tensão do barramento CC, conseguindo-se assim que na

saída do filtro esteja uma tensão CA de amplitude menor.



Fig. 6-17 Tensão aplicada a carga 320Ω

A Fig. 6-18 mostra o conteúdo harmónico presente na tensão aplicada à carga. O

valor de THD é inferior a 2% encontrando-se dentro dos limites estabelecidos.

Fig. 6-18 Conteúdo harmónico de carga 320Ω



Capítulo 7 Conclusões e Trabalho Futuro

7.1. Conclusões

A execução deste trabalho tornou-se na maior experiência em todo o percurso

académico realizado. Mostrou ser uma experiência enriquecedora e proveitosa quer a

nível teórico pelos temas abordados quer a nível prático pela realização de todo o

processo. Também se reforçou a ideia de quanto a energia eléctrica é importante nos

dias que correm.

Este trabalho teve como principal objectivo a elaboração de um sistema capaz de

converter a tensão vinda de um gerador de velocidade variável, numa tensão compatível

com a rede eléctrica nacional.

A primeira fase do trabalho foi o estudo dos diversos geradores de energia, para

assim se poder decidir qual o melhor gerador para a situação que se estava a trabalhar.

O gerador escolhido foi o alternador de automóvel por se tratar de um sistema de fácil

aquisição e preenchia os requisitos necessários.

Depois de seleccionado o gerador a utilizar, elaborou-se um conversor CC-CA

tendo como entrada a tensão vinda do gerador e como saída a tensão alternada, contudo

esta solução não se tornou muito viável devido ao baixo valor de amplitude do lado CC

(12V~14V), obtendo-se assim um valor CA muito baixo o que levaria a utilização de

um transformador com elevada relação de transformação, para valores de potência

elevada o que obrigaria a fio de secção elevada e por isso inviável.

A solução anterior não teve sucesso devido ao baixo valor do barramento CC, neste

propósito foi estudada uma solução para elevar a tensão do barramento e assim

ultrapassar o problema. A solução encontrada foi a elaboração de um Step-Up uma vez

que preenchia os requisitos.

No capítulo 2 foram realizados os estudos relativos ao funcionamento do Step-Up e

do conversor CC-CA. Também foram estudadas métodos de controlo e

dimensionamento dos mesmos.

Com o objectivo de se obter o melhor resultado possível, foram realizados testes

computacionais com a ajuda do Matlab para os sistemas propostos. Com os testes



realizados foram obtidos resultados satisfatórios e que tornavam viável a elaboração dos

protótipos pretendidos (Step-Up e conversor CC-CA).

Após a realização de todos os testes no Matlab procedeu-se à construção dos

protótipos pretendidos e aos testes dos mesmos. Os resultados obtidos nos testes dos

protótipos vão ao encontro dos resultados obtidos nas simulações, confirmando assim a

boa escolha dos métodos seguidos.

Com a realização deste trabalho ficou provado que os métodos utilizados na

elaboração dele são capazes de responder de forma positiva aos objectivos propostos. O

estudo, simulação e implementação de um sistema capaz de converter baixa tensão CC

em tensão compatível com a rede eléctrica nacional é possível e pode ser implementado

seguindo as técnicas aqui utilizadas.

7.2. Trabalho futuro

Na conclusão deste trabalho salienta-se alguns aspectos que podem ser melhorados,

também podem ser adicionados novos sistemas, para assim enriquecer o projecto,

torná-lo mais rentável a nível económico, bem como a nível de rendimento.

Algumas das sugestões apresentadas:

Adicionar baterias na saída do alternador. Conseguindo assim o

armazenamento de energia para horas de menor produção. Também é

conseguida melhor resposta em frequência.

Implementação de um circuito de extracção de potência máxima. Com este

sistema é pretendido elevar o rendimento do alternador, conseguindo que ele

trabalhe sempre no ponto de funcionamento óptimo.

Circuito de interface com a rede eléctrica. Actualmente existe uma série de

vantagens na produção de energia eléctrica para venda. Deste ponto de vista,

aumenta-se ainda mais a rentabilidade de todo o sistema, pois não só se

produz a energia necessária para o consumo privado mas também se

adquirem bens monetários provenientes da venda.

Aumentar o rendimento do Step-Up. O circuito de Step-Up desenvolvido

tem um rendimento um pouco baixo, na ordem dos 60%. O Step-Up é a

parte deste trabalho com pior rendimento, logo o seu melhoramento vai

aumentar de forma decisiva o valor do conjunto final.



Isolamento da parte de potência e controlo. Na realização deste trabalho,

não foi efectuado isolamento entre a parte de potência e de controlo do

conversor CC-CA. De forma a proteger todo o equipamento de controlo este

isolamento deve ser inserido.

Eliminar picos tensão do Step-Up. Quando é efectuada a ligação do circuito

de controlo do Step-Up, este emite picos de tensão elevados, provocando

por vezes danos nos equipamentos alimentados por ele. Assim sendo, é

conveniente o estudo de tal facto e aplicar uma solução para promover a

entrada suave do equipamento.

Estes são os pontos que, de uma visão geral podem e devem ser melhorados,

tornando todo este equipamento mais estável, rentável e sendo sem duvida uma mais

valia.



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Anexos I

Documents

Minha dissertacao 26-5-09 - intranet.dei.uminho.ptintranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/38019.pdf · Com este projecto pretende-se conceber, desenvolver e testar um sistema