UNIVERSIDADE ANHANGUERA UNIDERP
PRO-REITORIA DE GRADUAÇÃO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
Edsel Paulo Rockel
SISTEMA DE MONIT...
Edsel Paulo Rockel
SISTEMA DE MONITORAMENTO E
CONTROLE DE GERADOR EÓLICO
Trabalho de conclusão de curso apresentado
à banc...
AGRADECIMENTOS...
Ao professor Romualdo Orlandeli Sanches, meu orientador, pelas sugestões
oportunas, cobranças eventuais ...
RESUMO
Este trabalho mostra o projeto de um sistema eletrônico de controle de carga de
gerador eólico, permitindo que ele ...
ABSTRACT
This paper describes an electronic system designed to control the charge of an
electrical generator driven by a w...
Lista de Figuras
Página
Figura 1 Bateria alcalina, com célula em destaque . 16
Figura 2 Método de dois níveis de tensão . ...
Figura 26 Diagrama em blocos do Sensor Hall . 50
Figura 27 Diagrama de uma aplicação típica do Sensor Hall . 50
Figura 28 ...
Lista de Tabelas
Página
Tabela 1: Características dos métodos de carga. 19
Tabela 2: Velocidades médias e máximas de vento...
Lista de Símbolos
Unidade
A Área da seção transversal das trilhas da placa de circ. Imp. (PCI). m²
CB Capacidade da Bateri...
9
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .....................................................................................................
10
7.3.4.3.Diagrama eletrônico do sensor de corrente.........................................................52
7.3.5. Mon...
12
1. INTRODUÇÃO
Os geradores eólicos de pequeno porte são fabricados com o objetivo de
fornecer energia elétrica a embarc...
13
1.3 Descrição e metodologia
O Sistema de Controle não contém relés eletromecânicos. A comutação é
feita através de tran...
14
do Sistema de Controle a ser desenvolvido neste TCC (Trabalho de Conclusão de
Curso).
Nos capítulos subsequentes há a e...
15
2. BATERIAS
Há diversos tipos de baterias, cuja escolha depende do uso a que se pretende
fazer dela. Essa escolha nem s...
16
Figura 1: Bateria alcalina, com célula em destaque .
Fonte: Manual de Sistemas Elétricos – (EMBRAER, 1983, p. 43).
2.2 ...
17
3- As baterias estacionárias são comumente utilizadas em no-breaks para
computadores, equipamentos telefônicos e outros...
18
temperaturas. É primordial serem carregadas adequadamente para o aumento de
performance e durabilidade (SAAD, 2012).
Há...
19
terminal e a temperatura, já que tensões e temperaturas elevadas danificam e
reduzem a vida útil da bateria (COELHO, 20...
20
a corrente é controlada, evitando aquecimento. Porém, a bateria pode ser danificada
por ficar exposta a tensões elevada...
21
Ao ser alcançado Vmin, inicia-se o processo de carga da segunda etapa,
injetando a corrente de carga desejada Imax. Com...
22
corrente até uma tensão final estabelecida, denominada tensão de corte. A
capacidade em watt-hora, por outro lado, é a ...
23
3. O GERADOR EÓLICO
O gerador eólico utilizado neste Trabalho é um aerogerador de pequeno
porte, que pode ser instalado...
24
o projeto. Considerar-se-á apenas um gerador, cujo diagrama de instalação está
mostrado na Figura 5.
Figura 5: Diagrama...
25
As turbinas eólicas funcionam através da captura de energia cinética do ar em
movimento (o vento), convertendo-a em mov...
26
1- Regulação;
2- Desaceleração;
3- Travagem.
3.2.1 Regulação
O ponto de regulação (set point) vem definido de fábrica p...
27
4. TESTE EM BANCADA
O gerador eólico escolhido como objeto de pesquisa para a realização deste
Trabalho fica instalado ...
28
4.1. Potência máxima
Para verificar a potência máxima do gerador, utilizou-se uma bateria
automotiva de 12 volts × 60 A...
29
Figura 9: Corrente e tensão máxima indicada.
Fonte: ROCKEL, 2013.
Com os dados obtidos de corrente e tensão, a potência...
30
se inferir, diante dessas considerações, que o crescimento da intensidade de
corrente de carga seria ainda maior com a ...
31
5. CÁLCULO DE POTÊNCIA DO VENTO
A equação da continuidade de Bernoulli define que a vazão de fluído é
constante para di...
32
velocidade do vento incidente (v). Neste caso, o rotor absorve a energia equivalente
a 2/3 da energia disponível no ven...
33
v = velocidade do vento livre antes da turbina (m/s);
P = potência disponível do vento (W).
Desconsiderando perdas na t...
34
A = área varrida pelo rotor da turbina (m²);
v = velocidade do vento (m/s).
O coeficiente Cp de uma turbina eólica vari...
35
6. DEMONSTRAÇÃO DA NECESSIDADE DO SISTEMA DE CONTROLE
No caso específico do sistema de controle desenvolvido neste Trab...
36
Diante dessas constatações, resta saber o quanto de carga o gerador Air
Breeze aplica à bateria automotiva conectada a ...
37
5.2 Velocidade dos ventos na cidade de Campo Grande
Na Tabela 2, vê-se uma tomada de dados de velocidade média e máxima...
38
constata-se que o gerador não atingiria a velocidade de travamento somente nos
meses de abril e agosto, conforme os núm...
39
Figura 15: Velocidade média dos ventos, tomada a cada 15 minutos. Período das 6 às 12 horas da
manhã do dia 14 de agost...
40
7. PROJETO DO SISTEMA DE CONTROLE
No manual do gerador eólico há a seguinte advertência:
CUIDADO: Não utilize uma modul...
41
7.1. Definição dos valores de limitação do sistema
Conforme foi exposto no capítulo 5, não é recomendável submeter a ba...
42
Desta forma, tem-se a premissa de que o limite máximo de corrente de carga
estabelecido em 9 ampères está dentro de uma...
43
Figura 18: Diagrama em blocos.
...Fonte: ROCKEL, 2013.
O controle conecta o gerador à bateria ou à resistência de desvi...
44
O interruptor de três posições, mostrado no diagrama geral (Figura_19), liga o
gerador diretamente ao banco de baterias...
45
dreno e fonte, o que resulta em um comando mais definido (sem a queda de tensão
VCE que ocorre nos transistores bipolar...
46
O transistor Q3 (2N7002) – que aparece no diagrama da Figura 20 – foi
substituído pelo interruptor (SW) na simulação da...
47
A potência dissipada pelo transistor Q1 (Eq. 1):
7.3.2. Etapa de desvio
Durante o processo de carga da bateria pelo ger...
48
Portanto, quando o transistor Q4 estiver conduzindo, não há tensão entre a
porta e a fonte (VGS) de Q2 e ele permanece ...
49
7.3.4. Monitoramento e controle do nível de corrente
O valor da intensidade de corrente é obtido por um sensor que oper...
50
diagrama em blocos das etapas do circuito interno e o diagrama esquemático dos
pinos do componente.
Figura 26: Diagrama...
51
diferença de tensão entre dois locais, pertencentes a um plano perpendicular à
corrente e ao campo magnético incidente ...
52
Eq. 17
Eq. 18
Eq. 19
Como a maioria dos portadores de cargas são elétrons, a quantidade |q|, é a
carga de um elétron e....
53
Eq. 20
tensão proporcional ao valor da corrente é produzida no pino 3 do sensor e enviada
ao microcontrolador (como tam...
54
Eq. 21
Há a necessidade de incluir um divisor de tensão – ao invés de se obter uma
leitura direta da tensão da bateria ...
55
potência Q1, Q2, timer, display LCD, interruptor de iluminação e trimpot de ajuste do
contraste dos caracteres do displ...
56
luz do display desligada, conforme informações nos seus respectivos datasheets
(HITACHI, 1998; CYPRESS, 2004; ALLEGRO, ...
57
novamente. O PTC pode ser desarmado milhares de vezes sem nenhum perigo
(CONTROL VISION, 1997).
A Figura 34, mostra um ...
58
7.3.9. Chave geral
Inseriu-se no equipamento construído neste Trabalho uma chave geral, para
possibilitar, através dest...
59
7.4. O microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI
O controle dos níveis de corrente e tensão de carga da bateria é efetuado
...
60
Eq. 22
7.4.2. Configurações do microcontrolador
As cofigurações globais, para a execução dos projetos do amperímetro,
v...
61
7.4.3. Amperímetro
O sensor de corrente ACS750xCA-50 varia a tensão de saída em ±2 V para
uma variação de ± 50_A de cor...
62
Eq. 23
que podem ser configurados como entrada analógica e possuem quatro pinos que
podem ser configurados como saída a...
63
Eq. 24
Eq. 25
Eq. 26
Nos dispositivos PSoC há resoluções de 6 a 14 bits para os conversores A/D
(NICOLSON; SANTOS, 2006...
64
Eq. 27
Eq. 28
Para isso, é necessário realizar a seguinte operação matemática:
Onde,
I = Corrente de carga;
VRef = Tens...
65
7.4.4. Voltímetro
A informação do valor da tensão da bateria (ou da tensão aplicada sobre a
bateria, se ela estiver em ...
66
É a partir do clock de 24 MHz do microcontrolador que se faz a contagem de
tempo. A ferramenta de desenvolvimento de so...
67
7.4.6. Controle de potência
O programa do microcontrolador verifica constantemente as variáveis que
armazenam os valore...
Sistema de Monitoramento e Controle de Gerador Eólico (TCC - Engenharia Elétrica)
Sistema de Monitoramento e Controle de Gerador Eólico (TCC - Engenharia Elétrica)
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Trabalho de conclusão de curso (TCC) de Engenharia Elétrica da Universidade Anhanguera-Uniderp, apresentado à banca examinadora em 13 de novembro de 2013.
Trata-se de um sistema de controle, com microcontrolador, que permite um gerador eólico carregar uma bateria automotiva dentro de parâmetros preestabelecidos, para proteger tanto o gerador quanto a bateria que está submetida à carga.

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Sistema de Monitoramento e Controle de Gerador Eólico (TCC - Engenharia Elétrica)

  1. 1. UNIVERSIDADE ANHANGUERA UNIDERP PRO-REITORIA DE GRADUAÇÃO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Edsel Paulo Rockel SISTEMA DE MONITORAMENTO E CONTROLE DE GERADOR EÓLICO Campo Grande – 2013 –
  2. 2. Edsel Paulo Rockel SISTEMA DE MONITORAMENTO E CONTROLE DE GERADOR EÓLICO Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca examinadora do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Anhanguera-Uniderp, como requisito parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Elétrica. Orientador: Professor Esp. Romualdo Orlandeli Sanches - Campo Grande – 2013 –
  3. 3. AGRADECIMENTOS... Ao professor Romualdo Orlandeli Sanches, meu orientador, pelas sugestões oportunas, cobranças eventuais e apoio constante. Ao Luiz Cesar Nocera, pela oportunidade que me concedeu de realizar este Trabalho com o seu gerador eólico. Ao Meteorologista Natálio Abrahão Filho, da Estação Meteorológica da Universidade Anhanguera-Uniderp, por me disponibilizar os dados sobre velocidade dos ventos na cidade de Campo Grande, os quais foram imprescindíveis para as demonstrações teóricas neste Trabalho. À Miriam, minha esposa, pela compreensão e paciência.
  4. 4. RESUMO Este trabalho mostra o projeto de um sistema eletrônico de controle de carga de gerador eólico, permitindo que ele carregue uma bateria automotiva, a qual tem capacidade inferior à mínima estabelecida para o banco de baterias previsto no manual do gerador eólico. Utiliza-se o recurso de desvio de carga na saída do gerador, através de transistores de potência do tipo MOSFET (metal–oxide– semiconductor field-effect), sempre que a tensão ou a corrente elétrica do gerador exceder parâmetros predeterminados em software contido no microcontrolador do sistema. O regime de carga é monitorado através de um amperímetro e voltímetro, mostrado em um visor LCD e há também um cronômetro que grava o tempo de carga em que a bateria foi submetida durante o período que ela ficou conectada ao gerador eólico. Palavras chave: gerador eólico; Air Breeze; bateria automotiva; sensor hall; PSoC; controle de carga.
  5. 5. ABSTRACT This paper describes an electronic system designed to control the charge of an electrical generator driven by a wind turbine so as to allow it to charge an automotive battery whose storage capacity is smaller than the minimum established for the battery bank by the turbine’s manufacturer. It must be a diversion style regulator the with MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors) whenever either the voltage or the electric current of the generator exceeded the parameters pre- established by the software of the microcontroller. The system load was monitored by an ammeter and a voltmeter on an LCD display that also contains a clock to record the load time of the battery for the period that it was connected to the wind turbine. -- ---------------------------------------------------------------- Keywords: wind turbine, Air Breeze, automotive battery, hall sensor; PSoC; loading …… ……….control.
  6. 6. Lista de Figuras Página Figura 1 Bateria alcalina, com célula em destaque . 16 Figura 2 Método de dois níveis de tensão . 20 Figura 3 Método de dois níveis de tensão, em função do tempo. 21 Figura 4 Gerador eólico Air Breeze 23 Figura 5 Diagrama de instalação. 24 Figura 6 Gerador eólico instalado sobre o teto do hangar. 27 Figura 7 Bancada de testes do gerador eólico. 27 Figura 8 Diagrama de ligação de amperímetro e voltímetro. 28 Figura 9 Corrente e tensão máxima indicada. 29 Figura 10 Corrente e tensão obtidas com a bateria totalmente carregada. 30 Figura 11 Fluxo de vento através de uma turbina eólica. 31 Figura 12 Gráfico da potência máxima possível – “Máximo de Betz”. 33 Figura 13 Curva do coefic. de pot. Cp, em função da velocidade do vento. 34 Figura 14 Velocidade máxima do vento, em intervalos de 5 minutos. 38 Figura 15 Velocidade média dos ventos, tomada a cada 15 minutos 39 Figura 16 Fluxograma do Sistema de Controle. 40 Figura 17 Diagrama em blocos simplificado. 42 Figura 18 Diagrama em blocos. 43 Figura 19 Diagrama geral do sistema. 43 Figura 20 Conexão do gerador à bateria. 44 Figura 21 Simulação de carga através do trans. IRF4905 (MOSFET P) 45 Figura 22 Gráfico da corrente – ID, em função da tensão – VDS. 46 Figura 23 Desvio de carga do gerador eólico. 47 Figura 24 Monitoramento da tensão da bateria pelo gerador. 48 Figura 25 Sensor de corrente por Efeito Hall, ACS750xCA-50 . 49
  7. 7. Figura 26 Diagrama em blocos do Sensor Hall . 50 Figura 27 Diagrama de uma aplicação típica do Sensor Hall . 50 Figura 28 Aplicação de campo elétrico em uma barra de metal. 51 Figura 29 Diagrama do sensor de corrente (Sensor Hall). 52 Figura 30 Diagrama do sensor de tensão. 53 Figura 31 Diagrama do microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI. 54 Figura 32 Diagrama da fonte de alimentação de 5 V (VDD). 55 Figura 33 Proteção de sobrecarga da bateria. 56 Figura 34 Dispositivo de proteção contra sobrecorrente – PTC 57 Figura 35 Barra de alimentação, com proteção por polyfuses. 57 Figura 36 Sistema do gerador eólico, com as conexões da chave geral. 58 Figura 37 Ambiente de desenvolvimento IDE-PSoC Designer. 60 Figura 38 Variação da tensão de saída do sensor de corrente 61 Figura 39 Identificação dos terminais do microcontrol. PSoC de 28 pinos. 62 Figura 40 Diagrama do sistema de controle de carga. 67 Figura 41 Layout da PCI (Placa de Circuito Impresso). 70 Figura 42 Placa de circuito impresso montada. 71 Figura 43 Monitoramento e Controle de Gerador Eólico. 72 Figura 44 Gráfico de tensão e corrente – com a bateria descarregada 73 Figura 45 Gráfico de tensão e corrente – com a bateria carregada. 75 Figura 46 Ajuste da tensão de regulação (Set Point) 77 Figura 47 Gráfico de tensão e corrente, em teste real, ao vento. 79 Figura 48 Verificação da densidade da solução da bateria. 79 Figura 49 Verificação do tempo de carga. 80 Figura 50 Resistência de desvio fora da caixa do sistema de controle. 81 Figura 51 Carga do gerador aplicado ao resistor nos instantes de desvio. 82
  8. 8. Lista de Tabelas Página Tabela 1: Características dos métodos de carga. 19 Tabela 2: Velocidades médias e máximas de ventos em Campo Grande, MS. 37 Tabela 3: Teste do Sist. de Monit. e Contr. de Carga, com bat. descarregada. 74 Tabela 4: Teste do Sist. de Monit. e Contr. de Carga, com bateria carregada. 76 Tabela 5: Teste em campo do Sist. de Monitoramento e Controle de Carga. 78 
  9. 9. Lista de Símbolos Unidade A Área da seção transversal das trilhas da placa de circ. Imp. (PCI). m² CB Capacidade da Bateria. Ah Coeficiente de potência de uma turbina eólica. adimensional fclock Clock interno do microcontrolador Hz I Corrente elétrica. A Imin Corrente mínima A Imáx Corrente máxima A m Fluxo de massa de ar. kg/s  Massa específica do ar. kg/m³ Potência do vento na saída da turbina eólica. W Potência do vento na entrada da turbina eólica. W Potência elétrica W Resistência interna da Bateria  Vmin Tensão mínima V Vmáx Tensão máxima V Vmed Tensão média V VGen Tensão do gerador V Vf Tensão de flutuação da bateria V Vst Tensão máxima permitida pelo fabricante da bateria V VH Tensão HALL V VREF Tensão de referência V VBE Tensão entre a base e o emissor de um transistor bipolar. V VDS Tensão entre o dreno e a fonte de um transistor FET V VGS Tensão entre a porta e a fonte de um transistor FET. V VVT Velocidade do vento m/s v Velocidade do vento livre. m/s t Tempo s 
  10. 10. 9 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ...........................................................................................................12 1.1 Objetivo........................................................................................................................12 1.2 Restrições técnicas....................................................................................................12 1.3 Descrição e metodologia ..........................................................................................13 1.4 Sequência da apresentação.....................................................................................13 2. BATERIAS...................................................................................................................15 2.1 Baterias alcalinas.......................................................................................................15 2.2 Baterias chumbo ácida..............................................................................................16 2.3 Métodos de carga de baterias chumbo ácidas .....................................................18 2.4 Conceitos e termos relacionados às baterias .......................................................21 3. O GERADOR EÓLICO..............................................................................................23 3.1 Instalação e funcionamento .....................................................................................23 3.2 Características e especificações técnicas .............................................................25 3.2.1 Regulação ...................................................................................................................26 3.2.2 Desaceleração............................................................................................................26 3.2.3 Travagem ....................................................................................................................26 4. TESTE EM BANCADA..............................................................................................27 4.1. Potência máxima........................................................................................................28 4.1.1. Descrição do teste .....................................................................................................28 4.1.2. Análise dos dados......................................................................................................29 5. CÁLCULO DE POTÊNCIA DO VENTO .................................................................31 6. DEMONSTRAÇÃO DA NECESSIDADE DO SISTEMA DE CONTROLE........35 5.1 Cálculos teóricos........................................................................................................36 5.2 Velocidade dos ventos na cidade de Campo Grande..........................................37 7. PROJETO DO SISTEMA DE CONTROLE............................................................40 7.1. Definição dos valores de limitação do sistema .....................................................41 7.2. Diagramas em blocos................................................................................................42 7.3. Estudo e desenvolvimento dos diagramas eletrônicos........................................44 7.3.1. Etapa de potência ......................................................................................................44 7.3.1.1.Simulação do circuito de potência.........................................................................45 7.3.2. Etapa de desvio..........................................................................................................47 7.3.3. Monitoramento do nível de carga da bateria para o gerador..............................48 7.3.4. Monitoramento e controle do nível de corrente ....................................................49 7.3.4.1.Sensor Hall ................................................................................................................49 7.3.4.2.O Efeito Hall ..............................................................................................................50
  11. 11. 10 7.3.4.3.Diagrama eletrônico do sensor de corrente.........................................................52 7.3.5. Monitoramento e controle do nível de tensão .......................................................53 7.3.6. Diagrama do microcontrolador.................................................................................54 7.3.7. Fonte de alimentação................................................................................................55 7.3.8. Proteção de sobrecarga............................................................................................56 7.3.9. Chave geral.................................................................................................................58 7.4. O microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI......................................................59 7.4.1. Descrição do microcontrolador................................................................................59 7.4.2. Configurações do microcontrolador........................................................................60 7.4.3. Amperímetro ...............................................................................................................61 7.4.4. Voltímetro....................................................................................................................65 7.4.5. Contagem do tempo de carga .................................................................................65 7.4.6. Controle de potência .................................................................................................67 8. MONTAGEM DO SISTEMA DE CONTROLE.......................................................69 8.1. Placa de circuito impresso........................................................................................69 9. TESTES DO EQUIPAMENTO.................................................................................73 9.1. Testes em bancada ...................................................................................................73 9.1.1. Com a bateria fraca ...................................................................................................73 9.1.2. Com a bateria carregada ..........................................................................................75 9.1.3. Ajuste do Set Point ....................................................................................................76 9.2. Teste real, com vento................................................................................................78 9.3. Aquecimento da resistência de desvio...................................................................80 9.3.1. As causas do aquecimento ......................................................................................82 10. CONCLUSÃO.............................................................................................................84 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..........................................................................86 ANEXO A: Especificações técnicas do gerador eólico Air Breeze. ...........................89 ANEXO B: Diagrama completo do Sistema de Monitoramento e Controle ...............90 ANEXO C: Especificações técnicas do transistor POWER MOSFET IRF4905.........91 ANEXO D: Especificações técnicas do diodo schottky MBR1060.............................92 ANEXO E: Especificações técnicas do transistor POWER MOSFET IRF2907.........93 ANEXO F: Datasheet do resistor de desvio de caga, 2,2W×150W...........................94 ANEXO G: Planilha com velocidades dos ventos .....................................................95
  12. 12. 12 1. INTRODUÇÃO Os geradores eólicos de pequeno porte são fabricados com o objetivo de fornecer energia elétrica a embarcações, residências, pequenas indústrias ou comunidades. Podem ser instalados isoladamente ou com a interligação de vários geradores em paralelo ou ainda combinando-os com painéis fotovoltaicos. Atualmente esses sistemas são ligados diretamente à rede elétrica, mas, dependendo da escala de produção de energia ou da localidade onde estão instalados, ainda utilizam-se bancos de baterias para armazenar a energia produzida pelo vento. Neste Trabalho, o gerador eólico utilizado para carregar uma bateria automotiva é o Air Breeze. Ele não tem, em princípio, esta finalidade, pois é destinado a carregar bancos de baterias. Sem sistema de controle, o gerador Air Breeze só pode ser ligado a bancos de baterias de no mínimo 400 Ah. Baterias com menos capacidade, se ligadas a ele, são danificadas, devido ao excesso de carga que recebem. 1.1 Objetivo O presente Trabalho consiste em desenvolver um equipamento eletroeletrônico, microprocessado, que possibilite ao gerador eólico Air Breeze carregar uma bateria de automóvel sem causar danos à bateria, por excesso de carga, e também sem causar danos ao gerador, por aumento excessivo do seu giro quando estiver desconectado da bateria, girando livre, em ocasiões de ventos fortes. 1.2 Restrições técnicas De acordo com o manual do gerador, o Air Breeze não está concebido para funcionar com sistemas de controle que utilizam a técnica de modulação por PWM (Pulse Width Modulation) ou do tipo shunt (SOUTHWEST, 2011). Por esse motivo, optou-se por desenvolver um sistema de controle com derivação, que desvia para uma carga resistiva a saída do gerador quando a tensão ou a corrente produzida pelo gerador exceder os limites máximos estabelecidos no software do Sistema de Controle.
  13. 13. 13 1.3 Descrição e metodologia O Sistema de Controle não contém relés eletromecânicos. A comutação é feita através de transistores de potência do tipo MOSFET (metal–oxide– semiconductor field-effect). O sensor de corrente para o amperímetro é um sensor HALL (ACS750); para o voltímetro a referência é tomada com divisor de tensão feito com resistores e todos os dados – do amperímetro, voltímetro e cronômetro – são processados por um microcontrolador PSOC CY8C29466-24PXI. A escolha deste microcontrolador foi porque ele contém módulos analógicos internos, amplificador programável (PGA) e um conversor analógico-digital duplo (Dual ADC). Para a elaboração e testes do software – feito em liguagem C, no PSOC designer 5.4 – é utilizada uma placa de desenvolvimento da Cypress (CY3210-PSOC EVAL1). A visualização das indicações de corrente, tensão e tempo de carga é através de um display LCD (liquid crystal display) de 16 caracteres × 2 linhas (SC1602A). Devido à imprevisibilidade de ocorrência de ventos, o sistema de controle contém também um cronômetro (timer) que é disparado toda vez que o gerador eólico fornece corrente de carga à bateria. Cada tempo gravado é somado à gravação anterior e o total mostrado em um visor LCD. 1.4 Sequência da apresentação Apesar deste Trabalho ter como foco o carregamento de baterias automotivas, essas baterias não são tecnicamente as mais recomendadas para comporem bancos de baterias destinadas ao fornecimento de energia elétrica a residências, embarcações ou pequenas edificações comerciais (BASTOS, 2013; MOURA, 1996). Por isso, este Trabalho inicia-se com uma pesquisa bibliográfica sobre os diferentes tipos de baterias existentes no mercado, com um enfoque especial às baterias automotivas. Em seguida há a apresentação do gerador eólico Air Breeze. Além das informações contidas no seu manual de instruções, fornecido pelo fabricante do gerador, mostra-se uma sequência de testes que foi realizada em bancada especialmente montada para este fim, para comprovar com prática experimental os parâmetros técnicos desse gerador eólico e também para demonstrar a necessidade
  14. 14. 14 do Sistema de Controle a ser desenvolvido neste TCC (Trabalho de Conclusão de Curso). Nos capítulos subsequentes há a elaboração do projeto do sistema de controle, sua execução e testes finais. As definições de parâmetros e seus respectivos cálculos – referentes ao Sistema de Controle – são mostradas durante a apresentação do projeto e na fase de testes do equipamento em bancada e em campo, com eventuais mudanças do projeto original, em função dos resultados obtidos nos testes práticos. O diagrama geral e outras documentações podem ser vistas em anexos, nas últimas páginas desta monografia.
  15. 15. 15 2. BATERIAS Há diversos tipos de baterias, cuja escolha depende do uso a que se pretende fazer dela. Essa escolha nem sempre é feita levando-se em conta apenas parâmetros técnicos – que dizem respeito às especificações da bateria, sua capacidade de se submeter a descargas profundas ou fornecer altas correntes em curto espaço de tempo. O fator econômico, mais precisamente o preço da bateria, a facilidade de aquisição e assistência técnica são fatores que em muitas ocasiões pesam mais na hora da escolha. 2.1 Baterias alcalinas A bateria de NI-CAD é um dos mais eficientes armazenadores de energia elétrica disponíveis. Ela é rígida, compacta, provê correntes elevadas na saída, apesar de seu pouco peso, carrega rapidamente, possui excelentes características de funcionamento a baixas temperaturas e mantém uma tensão relativamente constante na saída, até descarregar-se completamente (EMBRAER, 1977). As baterias alcalinas, em especial as de Níquel-Cádmio (NiCd) ou Níquel Metal Hidreto (NiMH), admitem descargas profundas de até 90% da capacidade nominal, com baixíssimo coeficiente de autodescarga. A sua capacidade de absorção de carga é superior a 80% e possui alto rendimento mesmo sob variações extremas de temperatura. Durante a manutenção é possível substituir células individualmente. A tensão de cada célula é de 1,2 volts e devem ser totalmente descarregadas antes de serem submetidas à recarga, devido ao efeito memória (EMBRAER, 1983). Tecnicamente, as baterias alcalinas são as mais indicadas para o uso em banco de baterias, mas o seu alto custo de aquisição e manutenção as tornam inviáveis na maioria dos casos. Essas baterias requerem equipamentos especiais para monitorar o processo de carga, porque não podem sofrer superaquecimento, devido ao risco de incêndio. O ambiente de armazenamento e manuseio dessas baterias não pode ser o mesmo de baterias chumbo ácidas, devido ao risco de ocorrerem reações químicas que as danifiquem (EMBRAER, 1983). A Figura 1 mostra detalhes de uma bateria alcalina, com a tampa superior retirada.
  16. 16. 16 Figura 1: Bateria alcalina, com célula em destaque . Fonte: Manual de Sistemas Elétricos – (EMBRAER, 1983, p. 43). 2.2 Baterias chumbo ácida Baterias chumbo ácida são as mais utilizadas para armazenamento de energia e podem ser classificadas como: 1- Baterias SLI (Starting, Lighting and Igniton – arranque, iluminação e ignição); 2- Baterias de tração; 3- Baterias estacionárias. 1- As baterias SLI – ou baterias de arranque, também conhecidas como automotivas – são desenvolvidas para operarem durante períodos curtos, como na partida do motor de um automóvel. As placas que constituem as suas células são finas e em grande quantidade, o que resulta em uma maior superfície ativa entre elas e suportam altas descargas de corrente em curtos espaços de tempo. Por não serem utilizadas durante longos ciclos (tempos longos de descarga) e não suportarem descargas profundas, elas não são as mais recomendadas para sistemas de bancos de baterias, apesar de usadas em sistemas de baixo custo (SAAD, 2012). 2- As baterias de tração podem ser submetidas a descargas profundas, aceitam ciclos longos e possuem placas mais grossas e duráveis. Devido a essas características, elas são geralmente utilizadas em veículos elétricos e são recomendadas para sistemas eólicos e fotovoltaicos autônomos.
  17. 17. 17 3- As baterias estacionárias são comumente utilizadas em no-breaks para computadores, equipamentos telefônicos e outros sistemas onde não se pode ter interrupção da alimentação. Estas baterias permitem descargas mais profundas se comparadas às baterias SLI. Conforme o regime de descarga, temperatura de operação e aspectos construtivos da bateria, as placas positivas ou negativas serão ou limitadoras da capacidade ou superdimensionadas. Por exemplo: nas baterias de tração, construídas especialmente para uso com correntes de média intensidade (uso industrial), na faixa de temperatura entre 10º e 30ºC, a placa negativa é limitadora da capacidade. Já para as altas correntes de descarga das baterias automotivas, na mesma faixa de temperatura, é a placa positiva a limitadora da capacidade, porque a placa negativa é superdimensionada (MOURA, 1996). Os principais fatores construtivos que influem na capacidade de um elemento são: matéria ativa e concentração de eletrólito; espessura das placas; área de contato das placas com o eletrólito; porosidade das placas, e os componentes das placas e da grade (MOURA,1996). Citando como exemplo a espessura das placas, em geral altas correntes exigem placas finas – como são as das baterias automotivas. Como o tempo disponível para que ocorra a reação é mais curto nas correntes elevadas, convém que os íons obtenham uma penetração maior nas placas e de forma mais acelerada, antecipando o contato com a matéria ativa. As placas grossas são mais apropriadas para descargas lentas, como, por exemplo, as baterias de no-breaks (estacionárias). Baterias com placas finas apresentam menor vida útil que as baterias com placas grossas. As baterias chumbo ácida também se distinguem pela forma de seu eletrólito: Há as baterias inundadas e as baterias seladas. Baterias inundadas são as clássicas baterias que dispõem de abertura para a verificação do nível e concentração do eletrólito, assim como para a reposição de água destilada ou deionizada. Baterias Seladas são similares às inundadas, mas possuem eletrólito suficiente em reserva para operarem dentro dos seus ciclos normais de vida, dispensando reposição de água e manutenção. Elas não dispõem de aberturas para verificação de estado, nível de eletrólito e reposição de água, o que pode limitar sua vida útil. Por este motivo não devem sofrer sobrecarga, descargas profundas, e altas
  18. 18. 18 temperaturas. É primordial serem carregadas adequadamente para o aumento de performance e durabilidade (SAAD, 2012). Há variações construtivas de baterias chumbo ácidas (VRLA e Gel, por exemplo), igualmente seladas, requerendo, portanto, os mesmos cuidados. Há algumas desvantagens apresentadas pelas baterias de chumbo e ácido, tais como a dificuldade de se determinar com precisão o SOC (State of Carge ou estado de carga, que é a quantidade de carga presente na bateria em relação à carga máxima), principalmente quando a bateria está em operação (com carga ou descarga em andamento) e a baixa densidade de energia que ela armazena, em relação aos outros tipos de baterias. A durabilidade de uma bateria de chumbo e ácido depende do regime de carga e descarga e da temperatura de operação (COELHO, 2001). O valor típico de tensão nos terminais de uma bateria de chumbo e ácido é aproximadamente 2,14 V por célula, se completamente carregada (BASTOS, 2013). O valor dessa tensão na verdade depende do seu estado de carga, se está sendo carregada, descarregada ou em circuito aberto. Em geral, a tensão de uma célula varia entre 1,75 e 2,5 volts, sendo a média cerca de 2 volts; a qual se costuma chamar de tensão nominal da célula (MOURA, 1996). Se a bateria de chumbo ácida não for utilizada por algum tempo, sua capacidade é reduzida devido à auto descarga. Assim, uma tensão de flutuação deve ser imposta nos terminais da bateria quando ela não estiver em operação, em torno de 2,2 V por célula (COELHO, 2001). A capacidade de armazenagem de energia de uma bateria depende da velocidade de descarga. A capacidade nominal que a caracteriza corresponde a um tempo de descarga de 20 horas (C20) (NBR15914, 2013). Quanto maior for o tempo de descarga, maior será a quantidade de energia que a bateria fornece. Um tempo de descarga típico em sistemas eólicos e fotovoltaicos é 100 h. Por exemplo: uma bateria que possua uma capacidade de 80 Ah, em 10 h (capacidade nominal), terá 100 Ah de capacidade em 100 h (MOURA, 1996). 2.3 Métodos de carga de baterias chumbo ácidas O tempo de carga e o rendimento são dois fatores muito importantes para a carga de uma bateria. A carga rápida requer corrente maior e isso diminui o rendimento. Ambos (tempo de carga e rendimento) devem ser tratados de forma a se obter um equilíbrio. Os fatores que limitam o processo de carga são: a tensão
  19. 19. 19 terminal e a temperatura, já que tensões e temperaturas elevadas danificam e reduzem a vida útil da bateria (COELHO, 2001). A capacidade armazenada por uma bateria, durante o processo de carga, são os ampères-hora adquiridos durante o processo. Esses ampères-hora armazenados são extraídos da bateria durante a descarga. Segundo a lei dos ampères-hora de Woodbridge, 1935, quando a bateria se encontra em estado de carga baixo, a aceitação de carga é elevada e vai diminuindo à medida que a bateria vai carregando. A aceitação de carga depende não só das condições de carga, mas também da construção da bateria, do tempo de uso e da temperatura (BASTOS,_2013). Os métodos de carga de bateria vistos na literatura são cinco: corrente constante; tensão constante; potência constante; corrente pulsada e métodos mistos, nos quais existem estágios de alternâncias entre os outros métodos (COELHO, 2001; BOSCH, 2007; SAAD, 2012). Tabela 1 Características dos métodos de carga. Fonte: COELHO, 2001. Na Tabela 1 são apresentadas as características dos métodos de carga. O método de corrente constante o que apresenta um dos melhores resultados, porque
  20. 20. 20 a corrente é controlada, evitando aquecimento. Porém, a bateria pode ser danificada por ficar exposta a tensões elevadas (valores mais altos do que os limites máximos permitidos pelo fabricante da bateria), então a tensão deve ser gerenciada durante todo o processo. No método de tensão constante a corrente tende a alcançar valores elevados em determinados momentos, por isso deve ser utilizado para pequenos intervalos de tempo. A temperatura deve ser observada para evitar aquecimento excessivo. De acordo com a Tabela 1, vê-se que o método de potência constante deve ser utilizado também com supervisão da temperatura da solução e somente para curtos intervalos de tempo. Mas difere do método de tensão constante, porque a potência injetada diminuí à medida que a bateria vai adquirindo carga. Neste método a redução de potência não ocorre, fazendo com que as perdas ôhmicas sejam superiores em relação ao método de tensão constante, devido à injeção de uma potência mais elevada durante todo o processo. Dos métodos mistos utilizados, destaca-se o método com dois níveis, mostrado na Figura 2. Este método se baseia na união das características dos métodos de corrente constante e do método de tensão constante, alternados de forma a utilizar as melhores características de cada um (COELHO, 2001; BASTOS, 2013). Figura 2: Método de dois níveis de tensão . Fonte: COELHO, 2001. Supondo a bateria descarregada, aplica-se no primeiro estágio uma corrente mínima, controlada (Imin), evitando-se, com isso, picos de corrente e formação excessiva de gases. Esta etapa é mantida até que a bateria atinja uma tensão mínima de trabalho (Vmin).
  21. 21. 21 Ao ser alcançado Vmin, inicia-se o processo de carga da segunda etapa, injetando a corrente de carga desejada Imax. Com a injeção de uma corrente de carga elevada, a tensão tende a subir a uma taxa proporcional à corrente. No momento em que ela atinge o valor máximo permitido pelo fabricante da bateria (Vst), a terceira etapa é iniciada, fixando-se este valor de sobretensão na bateria. A terceira etapa tem a função de reduzir o tempo de carga por meio da regulação de uma sobretensão Vst. Como a tensão é fixa, a corrente de carga inicia um processo de queda, à medida que a bateria se aproxima da carga completa. Ao ser atingida a carga completa, inicia-se a quarta etapa, que tem a função de compensar a autodescarga da bateria, aplicando-se uma tensão de flutuação Vf, uma vez que a bateria está carregada e não está em operação. Após o uso da bateria, caso o processo de carga se inicie com uma carga diferente de zero, o processo necessitará ser reiniciado a partir da segunda etapa. A Figura 3 mostra a representação do método com dois níveis de tensão em função do tempo (t). Figura 3: Método de dois níveis de tensão, em função do tempo. Fonte: COELHO, 2001. 2.4 Conceitos e termos relacionados às baterias A 1.ª Lei de Faraday estabelece que durante uma eletrólise, a massa de uma substância libertada em qualquer um dos eletrodos, bem como a massa da substância decomposta, é diretamente proporcional à quantidade de eletricidade que passa pela solução. Decorrente dessa Lei, surge o conceito de capacidade (MOURA, 1996). A capacidade de uma bateria é expressa na unidade de ampère-hora ou, de forma menos usual, na unidade watt-hora. A capacidade em ampère-hora mede a quantidade de eletricidade que a bateria plenamente carregada pode fornecer numa descarga a uma determinada
  22. 22. 22 corrente até uma tensão final estabelecida, denominada tensão de corte. A capacidade em watt-hora, por outro lado, é a energia que a bateria pode fornecer durante a mesma descarga. A capacidade em watt-hora pode ser obtida multiplicando-se a capacidade em ampère-hora pelo valor médio da tensão durante o período de descarga. Portanto, na medida da capacidade é necessário especificar o regime de descarga, a tensão final de corte e a temperatura da descarga(MOURA, 1996). No teste de capacidade mais usual, se toma um valor constante para a corrente de descarga, de modo que a capacidade é dada pela expressão CB = I . t, onde I é a corrente de descarga, t é o tempo decorrido desde o início da descarga até a tensão final de corte. Define-se regime de descarga tanto pelo tempo total da descarga, quanto pela corrente. Por exemplo: numa descarga completa de 20 horas de duração, com corrente de 1,8 A, o regime de descarga pode ser especificado como “regime de 20 horas” ou “regime de 1,8A”. Já a tensão de corte é a tensão mínima admissível de operação da bateria em descarga e varia conforme o regime. Ao descarregar além desse limite se observa a queda brusca da tensão. Esta prática conduz a prejuízos estruturais na bateria, sem nenhum ganho significativo em capacidade. Outros termos relacionados à capacidade são: 1- Capacidade Nominal: trata-se da capacidade assegurada pelo fabricante para uma bateria nova e em condições de operação especificadas. Um acumulador com capacidade de 36 Ah, para 20 h de descarga, se representa como C20. A corrente que é capaz de fornecer durante 20 horas é de 1,8 A e se representa por I(C20)=1,8A. 2- Profundidade de descarga: são os ampères-hora extraídos de uma bateria plenamente carregada, expressos como uma porcentagem da capacidade. 3- Estado de carga (EC): ampères-hora disponíveis em uma bateria expressos como uma porcentagem da capacidade. 4- Ciclo de vida: número total de ciclos que uma bateria pode suportar sob certas condições. 5- Vida: período durante o qual uma bateria é capaz de operar, mantendo a capacidade e o nível de rendimento.
  23. 23. 23 3. O GERADOR EÓLICO O gerador eólico utilizado neste Trabalho é um aerogerador de pequeno porte, que pode ser instalado em barcos, topo de edifícios, residências e outros locais que tenham uma demanda adequada a sua capacidade de geração de energia elétrica e haja ocorrência de ventos constantes. É fabricado nos Estados Unidos e incorpora tecnologia de última geração. Os folders de propaganda deste aerogerador informam que ele é silencioso, eficiente e necessita de pouco vento para gerar energia (SOUTHWEST, 2011). A Figura 4 mostra o gerador eólico. Figura 4: Gerador eólico Air Breeze Fonte: Rockel, 2013 3.1 Instalação e funcionamento O fabricante do gerador eólico recomenda que a altura mínima da torre deve ser de 25 pés (7,6 m) em campo aberto ou 20 pés (6 m) acima de construções próximas, porque a turbulência dos ventos reduz a eficiência e provoca desgastes nas partes rotativas do gerador. Há diversas configurações de instalação possíveis, associadas com painéis solares ou vários geradores eólicos agrupados, mas essas configurações não serão abordadas neste Trabalho, porque não se relacionam com
  24. 24. 24 o projeto. Considerar-se-á apenas um gerador, cujo diagrama de instalação está mostrado na Figura 5. Figura 5: Diagrama de instalação do gerador eólico AIR BREEZE. Fonte: Manual do proprietário Air Breeze (SOUTHWEST, 2011, p. 13). O fabricante do gerador eólico recomenda ligar o gerador diretamente ao seu banco de baterias. É necessária a instalação de um interruptor de passagem, para fornecer um modo conveniente de desligá-lo. Quando o interruptor desliga o gerador do banco de baterias, ele coloca em curto os terminais do gerador, para evitar que o rotor dispare por ação do vento – quando esse estiver muito intenso.
  25. 25. 25 As turbinas eólicas funcionam através da captura de energia cinética do ar em movimento (o vento), convertendo-a em movimento de rotação de seu eixo, que está acoplado a um alternador, que produz energia elétrica. As pás giram em resposta ao vento. Dependendo da força do vento, continuarão girando até elevar a tensão elétrica produzida a um nível acima da tensão do banco de baterias, iniciando o carregamento. O gerador eólico possui um alternador trifásico e seu controle é comandado por um microcontrolador interno. O microcontrolador monitora a velocidade do rotor, o nível de carga e a tensão do banco de baterias e, em função dessas variáveis, atua nos circuitos internos do gerador – conforme informa o fabricante do gerador (SOUTHWEST, 2011). A seguir são descritos os recursos que o gerador tem, conforme consta no manual do proprietário. 3.2 Características e especificações técnicas O Air Breeze é um aerogerador leve, com apenas 6 kg, e seu rotor tem diâmetro de 1,17 m. Ele necessita de uma velocidade mínima do vento de 2,7 m/s (9,7 km/h) para começar a girar. Em testes realizados em bancada, que serão mostrados no capítulo seguinte, constatou-se que o início do giro do rotor do gerador não significa, necessariamente, que ele já tenha potência suficiente para carregar uma bateria. Para definir a potência nominal do gerador, que é de 160 watts, o fabricante tomou como referência ventos com velocidade de 28 mph, que corresponde a aproximadamente 12,5 m/s (45 km/h). Outras especificações técnicas podem ser vistas no Anexo A, que se encontra no final desta publicação. O gerador roda livremente se estiver desligado, sem uma carga elétrica conectada nele. Se o vento estiver muito intenso, ele pode atingir rapidamente o limite máximo de velocidade e é travado pelo sistema interno de segurança. A repetição sucessiva deste processo pode danificar o gerador. Por isso, na ausência de carga elétrica, deve-se deixar os seus terminais curto-circuitados. Ele possui os seguintes recursos de proteção automática:
  26. 26. 26 1- Regulação; 2- Desaceleração; 3- Travagem. 3.2.1 Regulação O ponto de regulação (set point) vem definido de fábrica para 14,1 volts, mas pode ser ajustado entre 13,6 e 17 volts. Não se trata de regulagem da saída do gerador, como, em princípio, se pode pensar. Dá-se o nome de ponto de regulação, ou set point, ao valor de tensão atingida pelo banco de baterias, durante a carga, em que se considera que ele esteja totalmente carregado. Quando a tensão do banco de baterias atinge o set point, o gerador entra no modo “regulação”. Neste momento ele deixa de produzir energia e a rotação das pás diminui drasticamente. O gerador permanece em regulação até a tensão do banco de baterias atingir um valor ligeiramente abaixo do set point. Quando esse nível é atingido, chamado de “nível de transição", as pás do gerador eólico retornam à rotação normal, em resposta ao vento. O modo de regulação é indicado por um LED, existente na parte debaixo do corpo do gerador eólico, o qual pisca cerca de duas vezes por segundo. 3.2.2 Desaceleração O modo desaceleração ocorre com uma redução abrupta da rotação do gerador para cerca de 500 - 700 rpm. O gerador entra nesse modo quando a velocidade do vento atinge 15,6 m/s (56,16 km/h) e permanece neste modo até a velocidade do vento diminuir para 14 m/s (50,4 km/h). Se for detectado uma velocidade de vento de 22 m/s (79,2 km/h), a turbina ficará totalmente desligada por 5 minutos. O LED indica o modo de desaceleração piscando aproximadamente 10 vezes por segundo. 3.2.3 Travagem O modo de travagem ocorre quando os terminais de saída do gerador eólico são postos em curto-circuito. Esse procedimento pode ser feito manualmente, acionando o interruptor do gerador, ou automaticamente, com comando interno do gerador, quando há ventos muito fortes.
  27. 27. 27 4. TESTE EM BANCADA O gerador eólico escolhido como objeto de pesquisa para a realização deste Trabalho fica instalado sobre o teto de um hangar no aeroporto Teruel, conforme se vê na foto apresentada na Figura 6. Figura 6: Gerador eólico instalado sobre o teto do hangar. Fonte: ROCKEL, 2013. Para verificar in loco as suas características e especificações técnicas, ele foi retirado desse local e instalado em uma bancada, sem as pás da hélice, de forma que o seu giro pôde ser feito com uma furadeira elétrica, de rotação variável, mostrada na Figura 7. Assim, a realização dos testes não ficaram restritas à ocorrência de ventos. Figura 7: Bancada de testes do gerador eólico. Fonte: ROCKEL, 2013.
  28. 28. 28 4.1. Potência máxima Para verificar a potência máxima do gerador, utilizou-se uma bateria automotiva de 12 volts × 60 Ah conectada diretamente ao gerador, conforme o diagrama mostrado na Figura 8. Figura 8: Diagrama de ligação de amperímetro e voltímetro. Fonte: ROCKEL, 2013. Para a obtenção da potência máxima do gerador eólico, aplicada à bateria, durante o giro do gerador em bancada, utilizou-se dois multímetros selecionados para medir corrente e tensão respectivamente. Para facilitar o registro desses dados, manteve-se acionada a tecla HOLD MAX em cada um dos instrumentos, para congelar a imagem do visor no valor máximo indicado. 4.1.1. Descrição do teste Com a furadeira elétrica acoplada ao gerador eólico, aumentou-se gradualmente a rotação até atingir o limite máximo permitido pelo sistema de proteção automática do gerador, o qual então travou o gerador – como se o “vento” tivesse atingido a velocidade de 15,6 m/s (56,16 km/h). Nesse instante, os valores indicados nos instrumentos eram: 1- Imáx = 13,25 A; 2- Vmáx = 14,66 V. A bateria não estava carregada, apresentando tensão de 11,93 V, antes do início do giro. A Figura 9 mostra a indicação de corrente e tensão registradas pelos multímetros no final do teste.
  29. 29. 29 Figura 9: Corrente e tensão máxima indicada. Fonte: ROCKEL, 2013. Com os dados obtidos de corrente e tensão, a potência aplicada pelo gerador à bateria, no instante final, foi de: 4.1.2. Análise dos dados A potência nominal do gerador eólico é 160 W. No teste realizado obteve-se 194,25 W. Esta aparente discrepância certamente se justifica pela rotação aplicada ao gerador. O fabricante do gerador estipulou como parâmetro de definição da potência nominal ventos com velocidade de 12,5 m/s (45_Km/h). No teste, elevou-se a rotação do gerador até o sistema de segurança interno dele travar, indicando que a rotação aplicada correspondia a ventos com velocidade de aproximadamente 15,6 m/s (56,16 km/h). Portanto, o gerador foi submetido a um esforço extremo – máxima rotação permitida – e, nesse instante, atingiu 194,25 W de potência. Sabe-se que, dependendo das condições de carga, a bateria oferece uma certa resistência à corrente de carga, limitando-a. Se a bateria estiver descarregada, sua resistência (para o gerador) será baixa e a corrente de carga alta. Assim que começa a carregar, sua resistência interna (para o gerador) aumenta e a corrente de carga diminui. A bateria que foi submetida ao teste não estava totalmente descarregada (com 11,93 V antes do giro). A tensão de corte, em circuito aberto, de uma bateria automotiva, é em torno de 10,5_V (MOURA, 1996). A 50% de carga ela possui 2,03 V por célula e 1,95 V quando totalmente descarregada (COELHO, 2001). Mesmo assim, durante o giro, a corrente subiu rapidamente, com pouco aumento de tensão. Pode- Eq. 1
  30. 30. 30 se inferir, diante dessas considerações, que o crescimento da intensidade de corrente de carga seria ainda maior com a bateria totalmente descarregada. Um segundo teste foi realizado, com a bateria totalmente carregada, para observar se, nesta condição, o aumento de tensão seria mais significativo do que o aumento de corrente e obteve-se os seguintes dados no final do giro: 1- Tensão da bateria antes do giro: 12,73 volts. 2- Imáx = 7,63 A 3- Vmáx = 16,37 V Figura 10: Corrente e tensão obtidas com a bateria carregada. Fonte: ROCKEL, 2013. Observou-se que a tensão aumentou mais rapidamente do que a corrente durante o giro. Mas, o teste foi encerrado antes do sistema de segurança do gerador travar, não atingindo a potência máxima. Foi o suficiente para permitir o cálculo da resistência interna da bateria (para o gerador) no instante final de cada giro (Eq.2). Pela Lei de Ohm, A resistência interna da bateria, considerando o instante final do primeiro e segundo teste, respectivamente, é:    A potência aplicada pelo gerador sobre a bateria é sempre a máxima disponível, em função do vento, enquanto os valores de tensão e corrente de carga dependerão do estado de carga da bateria (EC). Eq. 2
  31. 31. 31 5. CÁLCULO DE POTÊNCIA DO VENTO A equação da continuidade de Bernoulli define que a vazão de fluído é constante para diferentes localizações ao longo do tubo de vazão, considerando-se que não há fluxo de massa através dos limites do tubo de vazão e assumindo-se que a massa específica do ar é constante, o que é válido para velocidades do vento menores que 100 m/s (fluído incompressível) (CUSTÓDIO, 2009). Ao converter a energia cinética do vento, a turbina eólica provoca a redução da velocidade do vento na saída do rotor, o que resulta no aumento do diâmetro do tubo de vazões, como se vê na Figura 11. Figura 11: Fluxo de vento através de uma turbina eólica. Fonte: Electrónica, (http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/17/29/). A potência do vento extraída pela turbina eólica é a diferença de potência entre o fluxo de ar na entrada e na saída do rotor eólico, como demonstra a equação 3: Onde: Pt = potência extraída do vento pela turbina eólica (W), Pe = potência disponível no vento na entrada do rotor eólico (W); Ps = potência disponível no vento na saída do rotor eólico (W). Se o vento perde muita velocidade atrás do rotor, o ar irá fluir em volta da área do rotor, em vez de atravessá-lo. Por isso, a máxima potência que pode ser extraída do vento por uma turbina eólica apresenta uma limitação que é referente a uma velocidade do vento na saída do rotor eólico, que não pode ser inferior a 1/3 da Eq. 3
  32. 32. 32 velocidade do vento incidente (v). Neste caso, o rotor absorve a energia equivalente a 2/3 da energia disponível no vento livre, antes da turbina (CUSTÓDIO, 2009). A potência do vento na entrada da turbina é dada pela equação 4: Onde: Pe = potência disponível no vento na entrada do rotor eólico (W); m = fluxo de massa de ar (kg/s); v = velocidade do vento livre (m/s). Sendo que: m =  A ve Onde: m = fluxo de massa de ar (kg/s);  = massa específica do ar (kg/m³); A = área da seção transversal (m²); ve = velocidade do vento na entrada da turbina (m/s). Então, a potência do vento na entrada da turbina eólica é dada por: De forma similar, pode-se determinar a expressão da potência do vento na saída da turbina, considerando-se que vs = v/3, ou seja: Substituindo-se as equações 7, 6 e 3, obtêm-se a máxima potência do vento que pode ser extraída por uma turbina eólica: ou: Onde: Ptmáx=máxima potência possível de ser extraída do vento por uma turbina (W);  = massa específica do ar (kg/m³); A = área da seção transversal varrida pelo rotor da turbina (m²); Eq. 4 Eq. 5 Eq. 6 Eq. 7 Eq. 8 Eq. 9
  33. 33. 33 v = velocidade do vento livre antes da turbina (m/s); P = potência disponível do vento (W). Desconsiderando perdas na turbina eólica, ela poderá extrair no máximo 16/27 da potência disponível do vento, o que representa 59,3% dessa potência (CUSTÓDIO, 2009). Este valor é chamado de “Máximo de Betz”, ou “Coeficiente de Betz”. No gráfico abaixo (Figura 12), vê-se as curvas de potência do vento e da máxima possível de extração pelo gerador eólico. Figura 12: Gráfico da potência do vento e da máxima potência possível de ser extraída por uma turbina eólica – “Máximo de Betz”. Fonte: Energia Eólica (CUSTÓDIO, 2009, p. 72). Uma turbina real somente fará a extração de parte da potência máxima do vento, porque há perdas na conversão da energia eólica. O coeficiente Cp indica a relação entre a potência realmente extraída do vento por uma turbina eólica e a potência disponível no vento, como se vê na equação 10: Onde: Cp = coeficiente de potência de uma turbina eólica (adimensional); Pt = potência produzida pela turbina eólica (W);  = massa específica do ar (kg/m³); Eq. 10
  34. 34. 34 A = área varrida pelo rotor da turbina (m²); v = velocidade do vento (m/s). O coeficiente Cp de uma turbina eólica varia de acordo com a velocidade do vento. Vê-se um exemplo, de um determinado gerador eólico, na Figura 13. Esta variação deve-se ao fato das pás do rotor da turbina alterarem suas eficiências aerodinâmicas em função da variação da velocidade do vento incidente. O ponto de máximo da curva Cp×v representa a máxima eficiência da turbina e é obtida em uma determinada velocidade do vento. A posterior conversão em energia elétrica ainda inclui outra redução de potência devida aos rendimentos dos demais equipamentos, tais como gerador, transmissão, etc. (CUSTÓDIO, 2009). Figura 13: Exemplo de curva do coeficiente de potência Cp de um gerador eólico. Fonte: Energia Eólica (CUSTÓDIO, 2009, p. 68). Portanto, a viabilidade de um projeto de conversão de energia eólica em energia elétrica, além da frequência de ocorrência de ventos durante o ano, depende também de um conjunto de fatores que resultarão (ou não) na potência pretendida ou necessária, para o fim que se destina o projeto. A velocidade dos ventos é um desses fatores fundamentais.
  35. 35. 35 6. DEMONSTRAÇÃO DA NECESSIDADE DO SISTEMA DE CONTROLE No caso específico do sistema de controle desenvolvido neste Trabalho, não se visa o carregamento de um banco de baterias, mas de uma bateria automotiva unicamente, ligada ao gerador eólico. O gerador aplica sobre os terminais da bateria toda a potência disponível, em função da velocidade do vento (Eq. 9). Um banco de baterias, de no mínimo 400 Ah, não precisa de sistema de controle, porque a potência máxima que o gerador aplica nos momentos de vento forte não excede a capacidade de absorção de carga das baterias. No entanto, se uma bateria automotiva de, por exemplo, 60 Ah for conectada aos terminais do gerador, ela poderá ser submetida a um nível de carregamento muito elevado, superior ao que ela suporta, e será danificada. São os fabricantes de baterias que estipulam os níveis máximos recomendados de corrente e tensão de carga para as baterias chumbo ácidas. A tensão não deve exceder 14,5 volts (para baterias de 12 volts em regime de tensão constante) e a corrente não deve exceder 10% da capacidade da bateria, quando em regime de corrente constante (MOURA, 1996; Bosch, 2007; SAAD, 2012; BASTOS, 2013). Não significa, necessariamente, que tensões e correntes de carga com valores acima dessa limitação danificarão a bateria. O risco, neste caso, está vinculado ao aumento de temperatura no interior dela. Em procedimentos de carga rápida, a intensidade de corrente de carga ultrapassa os 10% da capacidade nominal da bateria. Em uma publicação técnica da Johnson Controls – Treinamento Técnico em Baterias Automotivas –, diz o seguinte: Normalmente, não é recomendada carga rápida para baterias chumbo- ácido, devendo ser utilizada somente em situações de emergência. Neste caso, recomendamos a recarga com corrente constante de 30% da capacidade nominal, limitando a tensão ao máximo de 16 V e a temperatura da solução a 50º-C. (JOHNSON CONTROLS, 2009, p. 25.) Pode-se concluir, então, que são aceitáveis regimes de carga com correntes que atinjam até 30% da capacidade nominal da bateria e tensões até 16 volts, porém requerem um monitoramento da temperatura do eletrólito, devido à possibilidade de superaquecimento.
  36. 36. 36 Diante dessas constatações, resta saber o quanto de carga o gerador Air Breeze aplica à bateria automotiva conectada a ele, em diversos níveis de intensidade de ventos que ocorrem durante as estações do ano. 5.1 Cálculos teóricos Nos experimentos realizados para verificar a potência máxima do gerador (Cap. 3.3.1), obteve-se os seguintes dados: 1- Resistência interna da bateria, com ela semi descarregada, Ri1 = 1,106; 2- Resistência interna da bateria, com ela carregada, Ri2 = 2,145 Esses valores de resistência interna da bateria se referem unicamente aos respectivos instantes que foram obtidos. Mas, apenas como um exercício teórico, eles serão utilizados para calcular tensão e corrente de carga em condições diferentes de velocidade do vento e de potência produzida pelo gerador. Supondo a potência nominal do gerador (160 W) sendo aplicada à bateria com essas resistências internas, resulta em correntes de carga de: => => E tensões (Eq. 2): Com esses dados, verifica-se que os valores obtidos de corrente de carga (entre 8,64 e 12,03A) são muito elevados, se aplicados durante um longo período de tempo a uma bateria de chumbo e ácido de 60 Ah. Da mesma forma, a tensão de 18,53V seria excessiva para essa bateria. Porém, a potência nominal pode não retratar a realidade cotidiana da cidade de Campo Grande – local do experimento com o gerador eólico Air Breeze –, porque a potência nominal do gerador (160 W), é especificada pelo manual do gerador, considerando a velocidade de vento de 12,5m/s (45 km/h). Diante disso, um estudo a respeito das velocidades de ventos em Campo Grande se faz necessário. Eq. 11
  37. 37. 37 5.2 Velocidade dos ventos na cidade de Campo Grande Na Tabela 2, vê-se uma tomada de dados de velocidade média e máxima de ventos, realizada na Estação Meteorológica da Universidade Anhanguera-Uniderp, entre os meses de janeiro e setembro de 2013. Tabela 2 Velocidades médias e máximas de ventos em Campo Grande, MS. Mês Velocidade (m/s) média máxima Janeiro 1,7 25,5 Fevereiro 1,3 16,1 Março 1,5 16,5 Abril 1 12,5 Maio 1,2 19,2 Junho 0,7 20,6 Julho 1,9 15,6 Agosto 2,3 15,2 Setembro 2,2 18,3 Fonte: Estação Meteorológica da Universidade Anhanguera-Uniderp, 2013. Os dados de temperatura, pressão, velocidade do vento, radiação solar, umidade do ar, ponto de orvalho e outros são computados, na Estação Meteorológica da Universidade Anhanguera-Uniderp, a cada 5 minutos todos os dias, de forma ininterrupta (informação verbal)1. Para compor a Tabela 2, extraiu-se do sistema apenas os dados referentes à velocidade dos ventos. Esses dados são apresentados prontos, calculados em software do próprio sistema computacional da Estação Meteorológica. No mês de junho aparece o registro do menor valor de velocidade média (0,7_m/s) e o segundo valor mais alto de velocidade máxima (o valor mais alto é o de janeiro, 25,5m/s). Nota-se que em ambos os casos (Vmáx e Vmin) o gerador eólico Air Breeze não estaria carregando a bateria automotiva, porque a velocidade mínima para o rotor dele começar a girar é 2,7 m/s e a máxima que ele pode atingir, sem travar, é 15,6_m/s. Os dados médios e máximos de velocidade do vento de um mês inteiro não nos permitem tirar conclusões a respeito do tempo de funcionamento do gerador durante esse período. Mas, analisando-se somente as velocidades máximas, (1) Informação prestada pelo meteorologista Natálio Abrahão Filho, da Estação Meteorológica da ..Universidade Anhaguera-Uniderp.
  38. 38. 38 constata-se que o gerador não atingiria a velocidade de travamento somente nos meses de abril e agosto, conforme os números apresentados na coluna de velocidade máxima, na Tabela 2. Em todos os outros meses ele seria submetido a velocidades acima da máxima que ele funciona sem travar. Para se ter uma noção melhor do funcionamento do gerador eólico durante um determinado período, montou-se uma planilha no M. Excel, com os valores médios e máximos de velocidade dos ventos, de um determinado período de um dia do mês de agosto. Esta planilha pode ser vista no Anexo G. Na Figura 14 é mostrado um gráfico com dados restritos a hora em que se registrou a velocidade máxima daquele mês (15,2 m/s) e na Figura 15 se vê um gráfico das velocidades médias registradas entre 6 horas da manhã até ao meio-dia, ambos referentes ao dia 14 de agosto de 2013. Figura 14: Velocidade máxima em intervalos de 5 minutos. Período das 8 às 9 horas da manhã do dia 14 de agosto de 2013, quando ocorreu a maior velocidade de vento naquele mês ..................(15,2 m/s  54,72 km/h, às 8h e 30min). Fonte: Estação Meteorológica da Universidade Anhanguera-Uniderp, 2013. A média das velocidades máximas tomadas a casa 5 min, entre 8 e 9 horas, é: (43,16 km/h) Já o gráfico mostrado na Figura 15 é diferente, porque cada ponto registra a velocidade média computada em cada intervalo (e não a velocidade máxima de cada intervalo, como no gráfico da Figura 14). 0 2 4 6 8 10 12 14 16 08:00 08:05 08:10 08:15 08:20 08:25 08:30 08:35 08:40 08:45 08:50 08:55 09:00 V (m/s) V (m/s) V(m/s) h:min Eq. 12
  39. 39. 39 Figura 15: Velocidade média dos ventos, tomada a cada 15 minutos. Período das 6 às 12 horas da manhã do dia 14 de agosto de 2013. Fonte: Estação Meteorológica da Universidade Anhanguera-Uniderp, 2013. A média das velocidades tomadas das 6 às 12 horas, é (Eq.12): (17,28 km/h) Sendo 2,7 m/s a velocidade de início do giro e 15,6 m/s a velocidade de travamento do gerador; a condição de produção de energia elétrica pelo gerador é dada por: 2,7 < VVt < 15,6 VVt = Velocidade do vento (m/s) Conclui-se que, apesar das velocidades máximas e mínimas dos ventos que ocorreram no dia 14 de agosto de 2013, na cidade de Campo Grande (considerando o dia inteiro, de 24 horas), terem registrado valores que ficam fora dos limites de funcionamento do gerador eólico Air Breeze, para carregar uma bateria, houve períodos durante o dia, como entre 6 e 12 horas da manhã, que a média das velocidades indica que ele poderia estar em operação, produzindo eletricidade. Os picos de velocidades mais altas, nos períodos estudados (janeiro a setembro de 2013), extrapolam o valor definido de velocidade do vento para a potência nominal do gerador (que é de 12,5 m/s), inclusive no mês de agosto – cujo pico máximo de velocidade (15,2 m/s) ficou abaixo da velocidade de travamento (15,6m/s), mas acima da velocidade que determina a potência nominal. Considerando que a potência nominal do gerador já pode ser excessiva para carregar uma bateria automotiva – conforme ficou demonstrado no cálculo teórico da seção 5.1 – há a necessidade de um sistema de controle de carga para o gerador Air Breeze, se ele for conectado a uma bateria automotiva. 0 2 4 6 8 06:00 06:15 06:30 06:45 07:00 07:15 07:30 07:45 08:00 08:15 08:30 08:45 09:00 09:15 09:30 09:45 10:00 10:15 10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 V (m/s) V (m/s) V(m/s) h:min Eq. 13
  40. 40. 40 7. PROJETO DO SISTEMA DE CONTROLE No manual do gerador eólico há a seguinte advertência: CUIDADO: Não utilize uma modulação de largura de impulsos (PWM) ou um controlador do tipo shunt; o Air Breeze não está concebido para funcionar com estes tipos de controladores. A maioria dos controladores concebidos para funcionarem com painéis solares não é adequada para o Air Breeze. Esses controladores desligam os painéis solares – ou neste caso o Air Breeze – do banco de baterias, quando as baterias estiverem carregadas, permitindo que o Air Breeze rode livremente. (SOUTHWEST, 2011, p. 25) Além do aviso em destaque, o manual recomenda que o sistema de controle seja do tipo de derivação, que desvia para uma carga resistiva a saída do gerador quando este produzir uma energia em excesso. Sendo assim, o sistema de controle desenvolvido neste Trabalho é do tipo de derivação, com a sequência demonstrada no fluxograma da Figura 16. Se não houver vento, o gerador fica conectado à bateria, porém sem produzir carga (gerador parado), e quando ocorrer vento, o sistema de controle monitorará os parâmetros de corrente e tensão. Figura 16: Fluxograma do sistema de controle. Fonte: ROCKEL, 2013.
  41. 41. 41 7.1. Definição dos valores de limitação do sistema Conforme foi exposto no capítulo 5, não é recomendável submeter a bateria chumbo ácida a um regime de carga com correntes acima de 10% de sua capacidade nominal por um período longo, bem como não ultrapassar o nível da tensão de carga de 14,5 volts, para baterias de chumbo e ácido de 12 volts nominais. Ainda naquele capítulo, na sequência deste tema, mostrou-se uma exceção ou flexibilização desses limites, quando houvesse necessidade de cargas rápidas de bateria, não podendo, porém, nesses casos, a corrente ultrapassar 30% do valor da capacidade nominal da bateria e a tensão 16 V – com monitoramento da temperatura interna da bateria (JOHNSON CONTROLS, 2009). Para o sistema de controle de carga, apresentado neste Trabalho, considerou-se os seguintes limites máximos: 1- Tensão: 14,5V; 2- Corrente: 9A. O valor máximo estabelecido para a tensão (14,5 V) é o definido pelos fabricantes de baterias automotivas para regimes de cargas de tensão constante, sem risco de danificar a bateria (BOSH 2007; JOHNSON CONTROLS, 2009). O regime de carga do gerador eólico não é constante em tensão, corrente ou potência, porque depende da velocidade dos ventos, que varia constantemente. Mas, ao estabelecer- se o nível máximo de tensão para a carga da bateria igual ao previsto para um regime de carga de tensão constante, têm-se assegurado a ausência de riscos de danificar a bateria devido ao excesso de tensão, haja vista a pouca margem de flexibilização permitida, até 16V em curtos períodos, pouco mais de 1% de 14,5_V. Já o valor máximo atribuído à corrente de carga (9.A) é arbitrário. O principal fator que impõe a necessidade de limitação de corrente no processo de carga da bateria é o superaquecimento interno. As publicações técnicas estabelecem como temperatura máxima da solução 50º C (BOSCH, 2007; JOHNSON CONTROLS 2009). Enquanto não houver aumento de temperatura, a corrente de carga da bateria pode ser aumentada em 30% da capacidade nominal, de acordo com a publicação da Johnson Controls – que corresponde a 18A para baterias de 60 Ah – ou até 25 A, tomando-se como referência o Manual de Baterias Bosch (BOSCH,_2007,_p._13).
  42. 42. 42 Desta forma, tem-se a premissa de que o limite máximo de corrente de carga estabelecido em 9 ampères está dentro de uma faixa que preserva a integridade da bateria automotiva de 60 Ah, a ser carregada pelo gerador eólico. Parte-se do princípio de que os ventos são inconstantes – como se vê nos gráficos das figuras 14 e 15 – e os níveis de corrente e tensão ficam oscilando para mais e para menos, eventualmente atingindo os picos máximos, quando atuará a proteção do sistema de controle, seja pela corrente ou tensão máxima. 7.2. Diagramas em blocos Na figura 17, vê-se o diagrama em blocos simplificado do projeto do sistema de controle. Figura 17: Diagrama em blocos simplificado. ...Fonte: ROCKEL, 2013. O sistema de controle monitora os níveis de corrente e de tensão de carga, através de sensores que enviam essas informações ao microcontrolador e este aciona o sistema de controle, desviando a carga do gerador para uma “resistência de desvio”, mantendo o gerador com carga (para não girar livre) e desconectando a bateria do gerador, preservando-a. Na Figura 18, apresenta-se o diagrama em blocos completo do sistema de controle. Este diagrama foi elaborado a partir de informações fornecidas pelo manual do gerador e obtidas em testes realizados em bancada.
  43. 43. 43 Figura 18: Diagrama em blocos. ...Fonte: ROCKEL, 2013. O controle conecta o gerador à bateria ou à resistência de desvio, dependendo dos valores de tensão e corrente fornecidos ao microcontrolador pelos respectivos sensores. Quando o gerador está conectado à bateria, acende o led verde e quando em desvio, acende o led vermelho. No display são mostrados os valores de corrente, tensão e também pode ser visto o tempo de carga, se pressionar o botão Timer. A bateria ou o gerador, se este estiver produzindo carga, alimenta a fonte de 5V para o microcontrolador e display. O gerador monitora o nível de carga da bateria, para cessar a carga ao atingir o set point. A Figura 19 mostra como é ligada a chave seletora do sistema. Figura 19: Diagrama geral do sistema. ...Fonte: ROCKEL, 2013. ..........
  44. 44. 44 O interruptor de três posições, mostrado no diagrama geral (Figura_19), liga o gerador diretamente ao banco de baterias; à bateria automotiva – através do sistema de controle, ou curto-circuita o gerador na posição desligado (posições 1, 2 e 3). 7.3. Estudo e desenvolvimento dos diagramas eletrônicos Neste capítulo são apresentados os circuitos eletrônicos de todas as etapas do projeto do Sistema de Monitoramento e Controle. 7.3.1. Etapa de potência A conexão do gerador à bateria é feita através do transistor IRF4905. Ele é um MOSFET de potência de canal P, com – 52 A de corrente contínua máxima de dreno, à 100º C de temperatura de operação (TC). A tensão limiar da porta (gate threshold voltage, Vth) está entre – 2 V e – 4 V. As características principais deste transistor POWER MOSFET – relacionadas a este projeto – estão mostradas no Anexo C, no final desta monografia. Figura 20: Conexão do gerador à bateria. ...Fonte: Desenho próprio. Quando a tensão do gerador é maior do que a tensão da bateria, ele fica em condições de carregá-la. Dependerá do comando do microcontrolador (C), através do transistor Q3, para que haja a condução no sentido GERADOR → BATERIA, pelo transistor Q1, como se vê na Figura 20. O led verde acende quando o gerador está conectado à bateria. O transistor Q3, 2N7002, que comanda a porta do MOSFET de potência Q1, é um transistor de efeito de campo (FET), de canal N. Optou-se por esse transistor – e não por um transistor de junção bipolar – devido à baixa queda de tensão entre
  45. 45. 45 dreno e fonte, o que resulta em um comando mais definido (sem a queda de tensão VCE que ocorre nos transistores bipolares). O diodo D1 é um diodo schottky (MBR1060). Ele impede o fluxo de corrente no sentido BATERIA → GERADOR, porque o transistor POWER MOSFET não tem capacidade para bloqueio de tensões inversas. O fato se deve ao diodo intrínseco antiparalelo existente em sua estrutura (AHMED, 2006). Optou-se por um diodo schottky por causa de sua baixa queda de tensão direta. A corrente máxima IF(AV) (Average Rectified Forward Current) do diodo é 10 A e a tensão reversa máxima é 60 V. Outras características podem ser vistas no seu datasheet – Anexo D. 7.3.1.1. Simulação do circuito de potência Na Figura 21, vê-se uma simulação feita no PROTEUS 7.7. O objetivo desta simulação é verificar as condições do transistor IRF4905, quando submetido aos valores extremos de corrente (9A) e tensão (14,5V) do gerador, aplicados à bateria, definidos na programação do microcontrolador. Figura 21: Simulação de carga da bateria através do transistor IRF4905 (POWER MOSFET canal P). ..Fonte: ROCKEL, 2013. S D G
  46. 46. 46 O transistor Q3 (2N7002) – que aparece no diagrama da Figura 20 – foi substituído pelo interruptor (SW) na simulação da Figura 21. Quando um MOSFET de potência é usado como chave e está na condição ligado, é forçado a operar na região ôhmica. Isso garante que a queda de tensão no dispositivo seja baixa, de tal modo que a corrente de dreno fique determinada pela carga. Assim, a perda de potência no dispositivo é pequena (AHMED, 2006). Figura 22: Gráficos da corrente –ID, em função da tensão –VDS, em cada nível de tensão VGS. ..Fonte: Datasheet do transistor POWER MOSFET P IRF4905, f. 3. No diagrama da simulação, mostrado na Figura 21, a tensão de queda no transistor Q1 (POWER MOSFET) é 0,13 V e a corrente 9 A. Se plotar estes valores no gráfico da Figura 22, em qualquer nível de tensão VGS acima de 5 V, cairá na região ôhmica do transistor, demonstrado pelas retas diagonais, onde a corrente ID aumenta (em módulo) de forma diretamente proporcional ao aumento da tensão VDS. A condição para operação do MOSFET na região ôhmica é dada por: VDS ≥ VGS + VTH e VDS < 0 (Para MOSFET canal P) Substituindo pelos dados mostrados na simulação, considerando VTH = (–_2) temos: VDS = (–0,13)≠ 0 (–0,13) ≥ (–14,5) + (–2) => (–0,13V) > (–16,5V) Eq. 14
  47. 47. 47 A potência dissipada pelo transistor Q1 (Eq. 1): 7.3.2. Etapa de desvio Durante o processo de carga da bateria pelo gerador, quando a tensão ou a corrente excede o limite estipulado no programa do microcontrolador, este comanda o transistor Q1 para cortar o fornecimento de carga à bateria (comando feito através do transistor Q3). Simultaneamente, o microcontrolador aciona o desvio de carga para o gerador eólico não girar livre. O desvio de carga é proporcionado por outro MOSFET de potência, IRF2807, canal N, o qual conecta ao gerador uma resistência de 2,2×150W. O led vermelho acende nesse instante. O transistor IRF2807 opera com 63 A de corrente máxima de dreno, à 100º C (TC). A tensão limiar da porta (gate threshold voltage, Vth) está entre 2 V e 4 V. As características principais deste transistor POWER MOSFET – relacionadas a este projeto – estão mostradas no Anexo E, no final desta monografia. Na Figura 23, vê-se o diagrama da etapa de desvio de carga do gerador. Figura 23: Desvio de carga do gerador eólico. ..Fonte: ROCKEL, 2013 Para o transistor MOSFET de potência canal N entrar no modo de condução, o dreno deve ser positivo em relação à fonte (VD > VS) e uma tensão pequena positiva (VGS) aplicada na porta. Não havendo tensão na porta, a chave (transistor) fica desligada; ou seja: é a tensão da porta que controla as condições “ligado” e “desligado” (AHMED, 2006).
  48. 48. 48 Portanto, quando o transistor Q4 estiver conduzindo, não há tensão entre a porta e a fonte (VGS) de Q2 e ele permanece em corte, dando condição ao gerador de carregar a bateria. Quando o microcontrolador altera o estado de Q4, deixando-o em corte (aberto), o resistor R3 aplica uma tensão positiva na porta de Q2 e ele passa a conduzir, conectando ao Terra (GND) a resistência de desvio R2, a qual passa a ser a carga do gerador, que foi desconectado da bateria nesse instante. 7.3.3. Monitoramento do nível de carga da bateria para o gerador O fabricante do gerador eólico informa que ele necessita de uma tensão mínima da bateria de aproximadamente 10,5 V. Se não houver essa informação ao gerador (da tensão da bateria), ele funcionará como se estivesse em circuito aberto (SOUTHWEST, 2011). Diante disso, é necessário inserir no projeto um modo do gerador monitorar a tensão da bateria. Figura 24: Monitoramento da tensão da bateria pelo gerador. ...Fonte: ROCKEL, 2013. Na Figura 24 vê-se o transistor de junção bipolar NPN (BC337) posicionado no sentido de condução BATERIA → GERADOR. Ele é um transistor de sinal, com corrente máxima de coletor (IC), 800 mA e 45 V de tensão máxima VCE, conforme informações de seu datasheet (MOTOROLA, 1996). O resistor R4, de 1k, polariza a base do transistor. Como a impedância nos terminais do gerador é muito alta (constatada durante testes em bancada), o valor de R4 não é crítico, porque não haverá fluxo significativo de corrente pelo transistor Q5 em nenhuma das seguintes condições: VGen > VBat , VGen < VBat e gerador em desvio. O diodo D3 coloca em corte o transistor Q5 quando o gerador estiver em desvio (VB_<_VE).
  49. 49. 49 7.3.4. Monitoramento e controle do nível de corrente O valor da intensidade de corrente é obtido por um sensor que opera por Efeito Hall, e envia essa informação ao microcontrolador. 7.3.4.1. Sensor Hall A informação da intensidade de corrente de carga, dada ao microcontrolador, é fornecida pelo sensor ACS750xCA-50, da Allegro MicroSystems Inc. Trata-se de um sensor totalmente integrado, baseado no Hall Effect, com isolação de alta tensão e baixa resistência no condutor de corrente. A corrente que flui através do condutor de cobre interno do sensor, gera um campo magnético que o C.I. Hall transforma numa tensão proporcional. Esse condutor – que tem capacidade de até 50 A – possui resistênca de 130 μΩ. A precisão do dispositivo é otimizada pela proximidade do sinal magnético do transdutor Hall. Uma tensão proporcional, exata e estável, é fornecida na saída do sensor (ALLEGRO, 2009). Os terminais do condutor de corrente são eletricamente isolados dos condutores de sinal. Isto permite que a família ACS75x de ICs sensores não necessitem do uso de opto-isoladores ou outras técnicas de isolamento dispendiosas (ALLEGRO, 2009). A Figura 25, abaixo, mostra o sensor de corrente utilizado neste Trabalho. Figura 25: Sensor de corrente por efeito hall, ACS750xCA-50 . ...Fonte: Rockel 2013. Na foto está bem visível o condutor de passagem da corrente, que atravessa o interior do chip. Vê-se também os três terminais menores, de alimentação e saída de sinal. Nas próximas figuras, 26 e 27, são mostrados, respectivamente, o
  50. 50. 50 diagrama em blocos das etapas do circuito interno e o diagrama esquemático dos pinos do componente. Figura 26: Diagrama em blocos do Sensor Hall . ...Fonte: Datasheet do componente (ALLEGRO, 2009). Figura 27: Diagrama de uma aplicação típica do Sensor Hall . ...Fonte: Datasheet do componente (ALLEGRO, 2009). 7.3.4.2. O Efeito Hall O efeito Hall é a produção de diferença de potencial através de um condutor elétrico. Essa tensão é transversal à corrente no condutor e é perpendicular ao campo magnético. Dentro de um mesmo material, por exemplo um fio metálico que esteja conduzindo corrente e sendo afetado por um campo magnético, surge uma
  51. 51. 51 diferença de tensão entre dois locais, pertencentes a um plano perpendicular à corrente e ao campo magnético incidente ao fio, dessa mesma barra. O Efeito Hall foi descoberto por Edwin H. Hall no final do século XIX (RESENDE NETO, 2010). Figura 28: Aplicação de campo elétrico em uma barra de metal. ...Fonte: Resende Neto, 2010. A diferença de potencial entre os dois pontos V=VH e V=0V como mostrado na Figura 28, é chamada de tensão de Hall. A magnitude da força magnética implicada na Barra é qvdB. Essa força magnética é equilibrada pela força eletrostática da magnitude qEH, onde EH é o campo elétrico à separação das cargas elétricas. Então temos que EH = vdB. Se a largura da barra é w, a diferença de potencial é EHw. Com isso, a tensão Hall é (TIPLER, 2009): VH = EH w → VH = vd Bw Onde VH é a tensão Hall, w é a largura da barra, vd é a velocidade de deriva dos elétrons, e B é o campo magnético incidente perpendicularmente à barra. Como esta velocidade de deriva para correntes comuns é muito reduzida, podemos, por meio da tensão Hall, extrair a quantidade de portadores de carga por unidade de volume. Essa magnitude pode ser dada como (TIPLER, 2009): |I| = |q| n vd A Onde A é a área da seção transversal da barra, e n é a densidade de portadores de carga. Para uma barra de largura w e espessura d, resultaria em A_=_w_d. Eq. 15 Eq. 16
  52. 52. 52 Eq. 17 Eq. 18 Eq. 19 Como a maioria dos portadores de cargas são elétrons, a quantidade |q|, é a carga de um elétron e. Então, a densidade de número de portadoras de carga n é dada por (TIPLER, 2009): Substituindo as equações 14 e 16, temos que: Onde I é a corrente, B é o campo magnético, d é a largura da fita, e é a carga do elétron, VH é a tensão Hall. Com isso, a tensão Hall nos fornece um método conveniente para a medida de campos magnéticos. Se rearranjarmos a equação anterior, podemos escrever a tensão Hall como: Onde, VH é a tensão Hall, I a corrente que passa na barra, n a densidade de portadoras de carga, d a altura, e a carga elementar do elétron, e B o campo magnético. 7.3.4.3. Diagrama eletrônico do sensor de corrente Figura 29: Diagrama do sensor de corrente (Sensor Hall). ...Fonte: ROCKEL, 2013. A Figura 29 apresenta a ligação do gerador à bateria, com o sensor de corrente inserido entre o transistor Q1 e o diodo D1. Vê-se que a corrente de carga passa pelo condutor principal do sensor de corrente e, através do efeito Hall, uma
  53. 53. 53 Eq. 20 tensão proporcional ao valor da corrente é produzida no pino 3 do sensor e enviada ao microcontrolador (como também é mostrado nas figuras 26 e 27). O sensor é alimentado por 5 V (VDD) e a sua saída varia entre +2 V e -2 V, corespondentes a +50 A e -50 A. Portanto, há uma relação de 40 mV/A. O valor de referência 0A (zero amper) é igual a 2,5V da tensão da fonte de 5V. O processamento desses sinais no microcontrolador é apresentado na seção_7.4. 7.3.5. Monitoramento e controle do nível de tensão A informação da tensão da bateria, dada ao microcontrolador, é feita por um divisor de tensão, conforme mostra a Figura 30. Figura 30: Diagrama do sensor de tensão. ...Fonte: ROCKEL 2013. Uma tensão proporcional à tensão da bateria é enviada ao microcontrolador. O resistor variável (Aj1) serve para aferir essa tensão, de acordo com a indicação no display LCD do sistema de controle e um voltímetro padrão de referência. Para facilitar o ajuste – para que ele seja suave – todo o percurso do resistor variável compreende apenas aproximadamente 2,5% da resistência total do divisor de tensão, como se vê na equação 20, abaixo.
  54. 54. 54 Eq. 21 Há a necessidade de incluir um divisor de tensão – ao invés de se obter uma leitura direta da tensão da bateria – porque o microcontrolador é alimentado com apenas 5V. Uma variação de zero a 20V na tensão do gerador corresponderá a uma variação de zero a 5V na leitura feita pelo microcontrolador, conforme está mostrada na equação 21: O processamento desses sinais no microcontrolador é apresentado na seção_7.4. 7.3.6. Diagrama do microcontrolador A Figura 31 apresenta as ligações feitas no microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI, da Cypress. Figura 31: Diagrama do microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI. ...Fonte: ROCKEL, 2013. No diagrama mostrado acima se vê as conexões elétricas feitas no microcontrolador dos sensores de corrente e tensão, controle dos transistores de
  55. 55. 55 potência Q1, Q2, timer, display LCD, interruptor de iluminação e trimpot de ajuste do contraste dos caracteres do display, além da alimentação (5V). O microcontrolador comanda o os transistores Q1 e Q2 em função dos níveis de sinais recebidos de corrente e tensão de carga, produzidos pelo gerador. Ele mostra no visor LCD a intensidade de corrente de carga e a tensão na bateria. Quando pressiona-se o botão TIMER, aparece no visor LCD a indicação de tempo de carga a que a bateria foi submetida desde o início, quando foi conectada ao gerador. O resistor variável Aj2 ajusta o contraste dos caracteres mostrados no visor LCD e a chave Sw1 liga ou desliga a luz do visor. 7.3.7. Fonte de alimentação Para o microcontrolador, sensor de corrente (sensor HALL) e o display LCD são necessários 5 V de tensão de alimentação. Esta tensão é fornecida por um regulador de tensão 7805, conforme se vê no diagrama da Figura 32. Figura 32: Diagrama da fonte de alimentação de 5 V (VDD). ... Fonte: ROCKEL, 2013. A entrada do regulador de tensão é ligada ao terminal positivo da bateria e, portanto, recebe energia proveniente do gerador, quando este estiver produzindo tensão maior do que a da bateria, ou da bateria, quando o gerador estiver fora. A finalidade de manter o microcontrolador alimentado, mesmo quando o gerador não estiver produzindo (quando não há ventos), é para não apagar os dados referentes à contagem de tempo de carga armazenados na memória RAM do microcontrolador. A corrente do microcontrolador é 30 mA, do sensor HALL 10 mA e do display LCD 0,3 mA, considerando esses componentes operando com corrente máxima e a
  56. 56. 56 luz do display desligada, conforme informações nos seus respectivos datasheets (HITACHI, 1998; CYPRESS, 2004; ALLEGRO, 2009). 7.3.8. Proteção de sobrecarga Na proteção contra sobrecarga da bateria, em caso de falha do sistema de controle, utiliza-se um dispositivo limitador de corrente de estado sólido, com coeficiente positivo de temperatura (PTC), comercialmente denominado de POLYSWITCH® . A Figura 33 mostra o dispositivo de proteção instalado na entrada positiva do Sistema de Controle – na linha condutora que vem do gerador e atravessa o sistema de controle, levando carga à bateria. O valor escolhido para o PTC é o mesmo definido no programa do sistema de controle: 9A. Se eventualmente o controle de corrente máxima não atuar, o polyfuse cortará o fornecimento de corrente de carga do gerador à bateria. Figura 33: Proteção de sobrecarga da bateria, inserida no sistema de controle do gerador. Fonte: ROCKEL, 2013. A escolha desse dispositivo de proteção de sobrecorrente se deve às diferenças importantes, quando comparado com fusíveis e disjuntores. O dispositivo PTC interrompe a passagem de corrente ao circuito quando há uma sobrecarga, no entanto, ele não precisa ser substituído, como um fusível, e nem rearmado, como um disjuntor, porque o PTC reinicia automaticamente a condução de corrente quando cessa a sobrecarga no circuito. Quando um disjuntor PTC está acionado, ele deixa passar uma quantidade pequena, inofensiva, de corrente através dele, mantendo porém os dispositivos desligados. A pequena corrente passante não representa qualquer risco de incêndio ou danos à fiação ou componentes do circuito, mas serve para manter o dispositivo de rearme. Depois que a causa da sobrecorrente é eliminada, demora cerca de dez a quinze segundos para o PTC esfriar, redefinir-se e estar pronto para uso
  57. 57. 57 novamente. O PTC pode ser desarmado milhares de vezes sem nenhum perigo (CONTROL VISION, 1997). A Figura 34, mostra um dispositivo de proteção PTC e na Figura 35 pode-se ver uma série desses dispositivos instalados na placa de um painel de interruptores de sistemas elétricos de aeronave. Figura 34: Dispositivo de proteção contra sobrecorrente – PTC (Positive Temperature Coefficient). Fonte: <www.farnell.com.br> . Figura 35: Barra de alimentação elétrica, utilizada em aviões, com proteção dos circuitos feitas por polyfuses (PTC). Fonte: ROCKEL, 2013.
  58. 58. 58 7.3.9. Chave geral Inseriu-se no equipamento construído neste Trabalho uma chave geral, para possibilitar, através deste equipamento, comandar todas as opções oferecidas pelo sistema do gerador eólico, que são as seguintes: 1- Gerador desligado; 2- Gerador conectado a uma bateria automotiva; 3- Gerador conectado a um banco de baterias. Figura 36: Diagrama de comando do gerador eólico, através da chave seletora (S1). Fonte: ROCKEL, 2013. O interruptor (S1) tem três posições, mas apenas duas vias – ele fica desligado na posição central. Por isso foi necessário incluir relés para conectá-lo ao Sistema de Controle, quando posicionado no centro – como se vê na Figura 36 . O interruptor tem capacidade para 20 ampères, como recomenda o manual do gerador (SOUTHWEST, 2011), mas os relés escolhidos para comporem este sistema têm capacidade para apenas 10A, por isso são dois relés em paralelo. Com a chave S1 na posição central, os relés K1 e K2 ficam desligados e conectam o Sistema de Controle ao gerador, através dos seus respectivos contados normalmente fechados. Nas outras posições da chave – para cima ou para baixo, como se vê na Figura 43 – a chave geral conecta o gerador ao banco de baterias, pelos contatos NA dos relés, que ficam energizados pelo gerador, ou, na posição “Desligado”, curto- circuita os dois terminais de saída do gerador diretamente pela chave seletora. O diodo D3 protege os circuitos dos transientes que ocorrem quando as bobinas dos relés são desligadas.
  59. 59. 59 7.4. O microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI O controle dos níveis de corrente e tensão de carga da bateria é efetuado pelo microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI, da Cypress Semiconductor Corporation. Neste subcapítulo apresenta-se o processamento desses sinais, captados da linha de carga pelos respectivos sensores de corrente e tensão, e também da contagem do tempo em que ocorre o fluxo de corrente do gerador para a bateria, cessando a contagem (e mantendo armazenado o valor contado) nos momentos em que o gerador fica parado (sem vento). 7.4.1. Descrição do microcontrolador O microcontrolador PSoC incorpora a tecnologia SoC – System on Chip. O PSoC – Programmable System on Chip – é a evolução natural dessa nova tecnologia e um precursor das novas tendências que surgirão futuramente (NICOLSON; SANTOS, 2006). Trata-se de um microcontrolador constituído por um conjunto de subsistemas em um mesmo chip que pode ser configurado para formar um sistema complexo. Não há nele apenas estruturas que comportam a tecnologia digital; foram agregados módulos analógicos que, juntos com os digitais, possibilitam uma infinidade de configurações. Um PSoC contém amplificadores de áudio e instrumentais, filtros ativos, comparadores, Uarts, timers, contadores, PWMs, conversores A/D, conversores D/A, interfaces I2 C, SPI, etc. Dentre as diversas características inovadoras, uma das que também surgiu como um fator importante para a escolha deste microcontrolador para a realização deste Trabalho, é o ambiente de desenvolvimento chamado IDE-PSoC Designer. Ele é fácil de ser manuseado e possui muitos recursos programáveis de roteamento de sinais analógicos e digitais através dos barramentos de dados. Há também uma biblioteca de módulos, denominada User Module, para facilitar a configuração do dispositivo. Os módulos dessa biblioteca estão pré-programados para desempenhar suas funções específicas. Com todos esses recursos disponíveis, a arquitetura de um projeto é feita no PSoC apenas interligando-se blocos, restando à programação o que se restringe exclusivamente ao processamento dos sinais.
  60. 60. 60 Eq. 22 7.4.2. Configurações do microcontrolador As cofigurações globais, para a execução dos projetos do amperímetro, voltímetro, timer e dos comandos do sistema de controle de carga, constituem basicamente das definições das portas, frequência de clock, tensão de alimentação, tempo de amostragem para os conversores A/D e alocações dos blocos a serem utilizados no IDE-PSoC Designer – software onde também se faz as configurações. A Figura 37 mostra como é o layout da ferramenta de desenvolvimento de projetos IDE-PSoC Designer. Figura 37: Ambiente de desenvolvimento IDE-PSoC Designer. Fonte: CYPRESS, 2004. Optou-se para este projeto um clock interno, de 24MHz; tensão de alimentação de 5V; a definição das portas está de acordo com o diagrama mostrado na Figura 31 e o tempo de amostragem escolhido é de 100ms. Os 100 ms de tempo de amostragem é obtido a partir do clock principal do microcontrolador, em divisões feitas no módulo conversor A/D. Nicolson e Santos (2006, p. 315), apresentam a seguinte fórmula para o cálculo da frequência a ser inserida no conversor, para obter-se o tempo de amostragem desejado: Para obter o tempo de amostragem de 1ms, inseriu-se na fórmula esse tempo (10-3 s) e, considerando que a resolução do conversor 14 bits, (2(14-2) =4.096), obtém- se uma frequência de clock para o conversor A/D de 655KHz.
  61. 61. 61 7.4.3. Amperímetro O sensor de corrente ACS750xCA-50 varia a tensão de saída em ±2 V para uma variação de ± 50_A de corrente, que pode passar pelo seu condutor principal. Como o sensor recebe uma tensão de alimentação contínua de 5 volts, os 4 volts pico-a-pico (de -2 a +2V) de saída do sensor ficam dentro dessa amplitude de 5 V, com a VRef = 0 em 2,5 V da tensão de alimentação, como mostram os gráficos da Figura 38. Figura 38: Variação da tensão de saída do sensor de corrente, em função da corrente que passa pelo seu condutor principal. Fonte: ROCKEL, 2013. Este sinal analógico (em vermelho na Figura 38), que pode variar de zero a ±_2_V (considerando VRef =0 no ponto de 2,5 V da tensão de alimentação do sensor), dependendo do sentido e da intensidade de corrente que flui pelo condutor principal do sensor Hall, precisa ser convertido em sinal digital para ser processado no microcontrolador PSoC. Ele entra pelo pino 4 do microcontrolador, que corresponde ao Port 01, como se pode ver no diagrama mostrado na Figura 31. A porta zero possui 8 bits (8 pinos) de entradas que podem ser configurados tanto para sinais digitais ou analógicos. Os PSoC’s de 28 pinos possuem doze pinos
  62. 62. 62 Eq. 23 que podem ser configurados como entrada analógica e possuem quatro pinos que podem ser configurados como saída analógica, como mostra a Figura 39. (CYPRESS, 2004). Figura 39: Identificação dos terminais de um microcontrolador PSoC de 28 pinos . Fonte: Datasheet do componente (CYPRESS, 2004). Uma vez em que o sistema de controle esteja funcionando e o gerador eólico produzindo corrente de carga para a bateria, haverá uma tensão no pino do Port 01 do microcontrolador, proporcional à corrente de carga. Se I = 0 => VRef = 0; Se I = 50A => VRef = 2V. Os valores da tensão de referência mostrados acima são os que aparecem no gráfico de cor verde na figura 38, portanto, eles partem de 2,5 V da tensão de alimentação (VDD). Então, com os dois volts de acréscimos que ocorre quando há um fluxo de corrente de + 50 A, a tensão que realmente é aplicada ao terminal do Port01 do microcontrolador é 2_+_2,5_=_4,5V. Com isso, a razão da tensão de referência em relação à corrente de carga é: Por exemplo: Se a corrente de carga for 9A, =>
  63. 63. 63 Eq. 24 Eq. 25 Eq. 26 Nos dispositivos PSoC há resoluções de 6 a 14 bits para os conversores A/D (NICOLSON; SANTOS, 2006). Considerando então uma resolução de 14 bits, têm-se a seguinte quantidade de bits: 2n = x bits 214 = 16.384 bits A tensão que pode ser aplicada às entradas das portas do microcontrolador é 5V (CYPRESS, 2004). Portanto, a capacidade de armazenamento de tensão em cada um dos bits, considerando a resolução de 14 bits, é: 305 × 10-6 V ou 305V Cada bit armazena o equivalente a 305 × 10-6 V. Este processo é feito automaticamente pelo microcontrolador, quando há uma entrada de sinal analógico. Quando a leitura da corrente de carga feita pelo sensor HALL for 9A, a tensão que chega ao Port 01 é 2,86V (Eq. 23). Esta tensão é distribuída entre os bits do conversor A/D, mas não ocupará todos os espaços disponíveis nele, porque cada bit armazenará o equivalente a 305×10-6 V, e o resultado desta distribuição é mostrado na equação abaixo. = 9.377,05 Os 9 A foram representados por uma tensão de 2,86 V na saída do sensor HALL e depois da conversão para digital, no microcontrolador, passou a ser apenas um número (9.377,05). Todo esse processo, até aqui, é feito de forma automática pelo microcontrolador, durante a entrada de um sinal analógico por uma de suas portas (FOROUZAN, 2008). A programação para o amperímetro consiste em descobrir qual é a corrente correspondente ao valor dessa variável (o número correspondente à tensão VRef); variável esta que, a partir de agora, será chamada de ADC1. Sabe-se, no exemplo dado, que a tensão de 2,86 V corresponde a 9A, porque partiu-se do valor da corrente para se chegar à tensão. Mas, não é este o caso durante o funcionamento do sistema de controle no processo de carga da bateria. É preciso saber qual é o valor de qualquer corrente que flui do gerador para a bateria e passa através do sensor.
  64. 64. 64 Eq. 27 Eq. 28 Para isso, é necessário realizar a seguinte operação matemática: Onde, I = Corrente de carga; VRef = Tensão de referência fornecida pelo sensor de corrente. 2,5 = Metade do valor da tensão VDD, que alimenta o sensor de corrente. Esta equação (Eq. 27) é apenas um desdobramento da equação utilizada anteriormente (Eq._23) para se descobrir o valor da tensão correspondente a 9 A, na saída do sensor. Como foi dito anteriormente, em situação normal de funcionamento do amperímetro não se conhece o valor da corrente, nem o valor da tensão de referência que o sensor HALL aplica ao Port 01. É, portanto, do número armazenado na variável ADC1 que se precisa deduzir o valor da corrente de carga. VRef = × 305 × 10-6 Onde, VRef = Tensão de referência fornecida pelo sensor de corrente, proporcional à corrente de carga. ADC1 = Valor fornecido pelo conversor A/D. Aplicando a equação 28, considerando a variável ADC1 obtida na Eq. 26, obtém-se: VRef = 9.377,05 × 3,05 × 10-4 => VRef = 2,86 V Finalmente, com a equação 27 obtém-se o valor da corrente: De posse do valor da corrente, o passo seguinte é mostrá-lo no display LCD. Converte-se a variável float, que contém a informação de corrente, em variável string, e a comunicação com o display LCD é definida através do módulo Display LCD do PSoC Designer.
  65. 65. 65 7.4.4. Voltímetro A informação do valor da tensão da bateria (ou da tensão aplicada sobre a bateria, se ela estiver em carga) é enviada ao microcontrolador PSoC através de um divisor de tensão, como foi apresentado na seção 7.2.5. A relação entre o valor da tensão de referência (VRef) do sensor e da tensão da bateria (Vbat) é apresentada na Eq. 21: Considerando que a faixa de indicação de tensão do voltímetro é de zero a 20_V, aplicando-se esses valores máximo e mínimo na Eq. 21 obtêm-se uma variação do sinal de referência de tensão entre zero e 5 V. O sinal VRef de tensão chega ao microcontrolador através do Port 04, mostrado na Figura 31. O sinal analógico proveniente do sensor de tensão é convertido em digital num processo semelhante ao descrito na conversão do sinal de corrente do amperímetro, com a diferença de que a leitura é direta, tensão→tensão, sem a necessidade de artifícios matemáticos para adequar grandezas diferentes como foi a de corrente e tensão. O sinal digital obtido na conversão A/D é armazenado em uma variável que foi chamada de ADC2. Restaura-se o valor da tensão, multiplicando por 4 (processo inverso da Eq._21) e mostra o valor da tensão no display, através do módulo Display LCD do PSoC Designer. 7.4.5. Contagem do tempo de carga Havendo fluxo de corrente entre o gerador e a bateria, há contagem desse tempo de carga, o qual é mantido em momentos que o gerador para de carregar a bateria, por falta de vento, restabelecendo a contagem de onde parou pela última vez, ao reiniciar o fluxo de corrente de carga. O disparo do Timer é feito pelo sensor de corrente. O início da contagem ocorre em 0,5 A – condição para ligar o Timer e o contador – considerando-se que correntes inferiores a essa intensidade sejam apenas de manutenção da carga da bateria, compensando as perdas que ela tem (MOURA, 1996).
  66. 66. 66 É a partir do clock de 24 MHz do microcontrolador que se faz a contagem de tempo. A ferramenta de desenvolvimento de software, IDE-PSoC Designer, disponibiliza diversos caminhos possíveis para dividir a frequência e trabalhar o timer, juntamente com o contador, para se chegar ao tempo de 1 segundo. A seguir, vê-se o processo de divisão de frequência escolhida: 1- fclock = 24 MHz (clock interno); 2- VC1 = = 1,5 MHz; 3- VC2 = = 93.750 KHz → ligado ao clock do contador; 4- O contador ativa a contagem somente no pulso de subida, então divide a frequência por dois: = 46.875 KHz; 5- Há um parâmetro no contador, chamado Period, que divide a frequência inserida nele. O quociente desta divisão pode ser desde zero a (2n-1 ). Como o contador é de 8 bits, n=8, divide-se a frequência por 27 : = 366 kHz Sempre que o contador termina a contagem, gera um pulso na saída (NICOLSON; SANTOS, 2006). Faz-se, então, uma interligação entre os blocos do contador e do Timer, conectando ao Timer a saída do contador. 6- O módulo de Timers disponibiliza configurações de 8, 16, 24 ou 32 bits (CYPRESS, 2004). Devido a frequência resultante na saída do contador (>256 MHz), opta-se por um Timer de 16 bits. 7- O Timer é carregado com 366 bits – igual ao valor da frequência recebida do contador. Ele decrementa a contagem até zerar, fazendo assim a divisão final: = 1s Ao final de cada contagem do Timer (quando ele zera) incrementa 1 na variável inteira segundo, a qual a cada contagem de 60, incrementa 1 na variável minuto, que, por sua vez, a cada contagem de 60 incrementa 1 na variável hora. Por fim, transforma-se de variáveis inteiras para string e mostra-se a contagem de tempo no display LCD, através do módulo Display LCD do PSoC, quando se pressionar o botão TIMER (Fig. 31).
  67. 67. 67 7.4.6. Controle de potência O programa do microcontrolador verifica constantemente as variáveis que armazenam os valores de tensão e corrente. Quando uma delas (ou ambas simultaneamente) atingem valores maiores dos que os estabelecidos como máximos (14,5 V e 9 A), muda o estado das saídas que comandam o desvio de carga do gerador. Essas saídas estão no Port 12, para sobrecorrente, e no Port 13, para sobretensão. A Figura 40 mostra o diagrama eletrônico do sistema de controle. Figura 40: Diagrama do sistema de controle de carga. Fonte: ROCKEL, 2013. Como foi visto no subcapítulo 6.4, os transistores Q3 e Q4 (2N7002), são transistores de efeito de campo (FET), canal N. A condição para o transistor FET N conduzir é VDS ≤ VGS - VTH, com VDS > 0 (AHMED, 2006). Portanto, é necessário que o transistor Q6 esteja em corte para que os transistores FETs Q3 e Q4 conduzam, pois, nessa condição (com Q6 em corte), o resistor R13 aplica a tensão VDD nas portas de Q2 e Q4, tornando VDS ≤ VGS. O transistor Q6 é um transistor de sinal, bipolar, NPN (MMBT3904). Ele precisa de uma tensão na base maior do que a tensão da junção VBE (próxima de 0,7 V), para conduzir. Portanto, com as saídas do microcontrolador (Port 12 e Port 13) em nível baixo, Q6 está em corte, Q3 e Q4 estão ligados e os transistores POWER MOSFETs encontram-se nas seguintes condições:

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