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Sistema de controle de gerador eólico para carregar uma bateria chumbo ácida.TRANSCRIPT
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UNIVERSIDADE ANHANGUERA UNIDERP PRO-REITORIA DE GRADUAO
CURSO DE ENGENHARIA ELTRICA
Edsel Paulo Rockel
SISTEMA DE MONITORAMENTO E CONTROLE DE GERADOR ELICO
Campo Grande 2013
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Edsel Paulo Rockel
SISTEMA DE MONITORAMENTO E CONTROLE DE GERADOR ELICO
Trabalho de concluso de curso apresentado banca examinadora do curso de Engenharia Eltrica da Universidade Anhanguera-Uniderp, como requisito parcial para a obteno do grau de Bacharel em Engenharia Eltrica.
Orientador: Professor Esp. Romualdo Orlandeli Sanches
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Campo Grande 2013
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AGRADECIMENTOS...
Ao professor Romualdo Orlandeli Sanches, meu orientador, pelas sugestes
oportunas, cobranas eventuais e apoio constante.
Ao Luiz Cesar Nocera, pela oportunidade que me concedeu de realizar este
Trabalho com o seu gerador elico.
Ao Meteorologista Natlio Abraho Filho, da Estao Meteorolgica da
Universidade Anhanguera-Uniderp, por me disponibilizar os dados sobre velocidade
dos ventos na cidade de Campo Grande, os quais foram imprescindveis para as
demonstraes tericas neste Trabalho.
Miriam, minha esposa, pela compreenso e pacincia.
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RESUMO
Este trabalho mostra o projeto de um sistema eletrnico de controle de carga de
gerador elico, permitindo que ele carregue uma bateria automotiva, a qual tem
capacidade inferior mnima estabelecida para o banco de baterias previsto no
manual do gerador elico. Utiliza-se o recurso de desvio de carga na sada do
gerador, atravs de transistores de potncia do tipo MOSFET (metaloxide
semiconductor field-effect), sempre que a tenso ou a corrente eltrica do gerador
exceder parmetros predeterminados em software contido no microcontrolador do
sistema. O regime de carga monitorado atravs de um ampermetro e voltmetro,
mostrado em um visor LCD e h tambm um cronmetro que grava o tempo de
carga em que a bateria foi submetida durante o perodo que ela ficou conectada ao
gerador elico.
Palavras chave: gerador elico; Air Breeze; bateria automotiva; sensor hall; PSoC;
controle de carga.
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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 turbines 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. --
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Keywords: wind turbine, Air Breeze, automotive battery, hall sensor; PSoC; loading
.control.
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Lista de Figuras
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Figura 1 Bateria alcalina, com clula em destaque . 16
Figura 2 Mtodo de dois nveis de tenso . 20
Figura 3 Mtodo de dois nveis de tenso, em funo do tempo. 21
Figura 4 Gerador elico Air Breeze 23
Figura 5 Diagrama de instalao. 24
Figura 6 Gerador elico instalado sobre o teto do hangar. 27
Figura 7 Bancada de testes do gerador elico. 27
Figura 8 Diagrama de ligao de ampermetro e voltmetro. 28
Figura 9 Corrente e tenso mxima indicada. 29
Figura 10 Corrente e tenso obtidas com a bateria totalmente carregada. 30
Figura 11 Fluxo de vento atravs de uma turbina elica. 31
Figura 12 Grfico da potncia mxima possvel Mximo de Betz. 33
Figura 13 Curva do coefic. de pot. Cp, em funo da velocidade do vento. 34
Figura 14 Velocidade mxima do vento, em intervalos de 5 minutos. 38
Figura 15 Velocidade mdia 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 Conexo do gerador bateria. 44
Figura 21 Simulao de carga atravs do trans. IRF4905 (MOSFET P) 45
Figura 22 Grfico da corrente ID, em funo da tenso VDS. 46
Figura 23 Desvio de carga do gerador elico. 47
Figura 24 Monitoramento da tenso da bateria pelo gerador. 48
Figura 25 Sensor de corrente por Efeito Hall, ACS750xCA-50 . 49
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Figura 26 Diagrama em blocos do Sensor Hall . 50
Figura 27 Diagrama de uma aplicao tpica do Sensor Hall . 50
Figura 28 Aplicao de campo eltrico em uma barra de metal. 51
Figura 29 Diagrama do sensor de corrente (Sensor Hall). 52
Figura 30 Diagrama do sensor de tenso. 53
Figura 31 Diagrama do microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI. 54
Figura 32 Diagrama da fonte de alimentao de 5 V (VDD). 55
Figura 33 Proteo de sobrecarga da bateria. 56
Figura 34 Dispositivo de proteo contra sobrecorrente PTC 57
Figura 35 Barra de alimentao, com proteo por polyfuses. 57
Figura 36 Sistema do gerador elico, com as conexes da chave geral. 58
Figura 37 Ambiente de desenvolvimento IDE-PSoC Designer. 60
Figura 38 Variao da tenso de sada do sensor de corrente 61
Figura 39 Identificao 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 Elico. 72
Figura 44 Grfico de tenso e corrente com a bateria descarregada 73
Figura 45 Grfico de tenso e corrente com a bateria carregada. 75
Figura 46 Ajuste da tenso de regulao (Set Point) 77
Figura 47 Grfico de tenso e corrente, em teste real, ao vento. 79
Figura 48 Verificao da densidade da soluo da bateria. 79
Figura 49 Verificao do tempo de carga. 80
Figura 50 Resistncia de desvio fora da caixa do sistema de controle. 81
Figura 51 Carga do gerador aplicado ao resistor nos instantes de desvio. 82
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Lista de Tabelas
Pgina
Tabela 1: Caractersticas dos mtodos de carga. 19
Tabela 2: Velocidades mdias e mximas 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
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Lista de Smbolos
Unidade
A rea da seo transversal das trilhas da placa de circ. Imp. (PCI). m
CB Capacidade da Bateria. Ah
Coeficiente de potncia de uma turbina elica. adimensional
fclock Clock interno do microcontrolador Hz
I Corrente eltrica. A
Imin Corrente mnima A
Imx Corrente mxima A
m Fluxo de massa de ar. kg/s
Massa especfica do ar. kg/m
Potncia do vento na sada da turbina elica. W
Potncia do vento na entrada da turbina elica. W
Potncia eltrica W
Resistncia interna da Bateria
Vmin Tenso mnima V
Vmx Tenso mxima V
Vmed Tenso mdia V
VGen Tenso do gerador V
Vf Tenso de flutuao da bateria V
Vst Tenso mxima permitida pelo fabricante da bateria V
VH Tenso HALL V
VREF Tenso de referncia V
VBE Tenso entre a base e o emissor de um transistor bipolar. V
VDS Tenso entre o dreno e a fonte de um transistor FET V
VGS Tenso 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
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SUMRIO 1. INTRODUO ........................................................................................................... 12
1.1 Objetivo ........................................................................................................................ 12
1.2 Restries tcnicas .................................................................................................... 12
1.3 Descrio e metodologia .......................................................................................... 13
1.4 Sequncia da apresentao..................................................................................... 13
2. BATERIAS ................................................................................................................... 15
2.1 Baterias alcalinas ....................................................................................................... 15
2.2 Baterias chumbo cida .............................................................................................. 16
2.3 Mtodos de carga de baterias chumbo cidas ..................................................... 18
2.4 Conceitos e termos relacionados s baterias ....................................................... 21
3. O GERADOR ELICO .............................................................................................. 23
3.1 Instalao e funcionamento ..................................................................................... 23
3.2 Caractersticas e especificaes tcnicas ............................................................. 25
3.2.1 Regulao ................................................................................................................... 26
3.2.2 Desacelerao ............................................................................................................ 26
3.2.3 Travagem .................................................................................................................... 26
4. TESTE EM BANCADA .............................................................................................. 27
4.1. Potncia mxima ........................................................................................................ 28
4.1.1. Descrio do teste ..................................................................................................... 28
4.1.2. Anlise dos dados ...................................................................................................... 29
5. CLCULO DE POTNCIA DO VENTO ................................................................. 31
6. DEMONSTRAO DA NECESSIDADE DO SISTEMA DE CONTROLE ........ 35
5.1 Clculos tericos ........................................................................................................ 36
5.2 Velocidade dos ventos na cidade de Campo Grande .......................................... 37
7. PROJETO DO SISTEMA DE CONTROLE ............................................................ 40
7.1. Definio dos valores de limitao do sistema ..................................................... 41
7.2. Diagramas em blocos ................................................................................................ 42
7.3. Estudo e desenvolvimento dos diagramas eletrnicos ........................................ 44
7.3.1. Etapa de potncia ...................................................................................................... 44
7.3.1.1.Simulao do circuito de potncia ......................................................................... 45
7.3.2. Etapa de desvio .......................................................................................................... 47
7.3.3. Monitoramento do nvel de carga da bateria para o gerador .............................. 48
7.3.4. Monitoramento e controle do nvel de corrente .................................................... 49
7.3.4.1.Sensor Hall ................................................................................................................ 49
7.3.4.2.O Efeito Hall .............................................................................................................. 50
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7.3.4.3.Diagrama eletrnico do sensor de corrente ......................................................... 52
7.3.5. Monitoramento e controle do nvel de tenso ....................................................... 53
7.3.6. Diagrama do microcontrolador ................................................................................. 54
7.3.7. Fonte de alimentao ................................................................................................ 55
7.3.8. Proteo de sobrecarga ............................................................................................ 56
7.3.9. Chave geral ................................................................................................................. 58
7.4. O microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI ...................................................... 59
7.4.1. Descrio do microcontrolador ................................................................................ 59
7.4.2. Configuraes do microcontrolador ........................................................................ 60
7.4.3. Ampermetro ............................................................................................................... 61
7.4.4. Voltmetro .................................................................................................................... 65
7.4.5. Contagem do tempo de carga ................................................................................. 65
7.4.6. Controle de potncia ................................................................................................. 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 resistncia de desvio ................................................................... 80
9.3.1. As causas do aquecimento ...................................................................................... 82
10. CONCLUSO ............................................................................................................. 84
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ..........................................................................86
ANEXO A: Especificaes tcnicas do gerador elico Air Breeze. ...........................89
ANEXO B: Diagrama completo do Sistema de Monitoramento e Controle ...............90
ANEXO C: Especificaes tcnicas do transistor POWER MOSFET IRF4905.........91
ANEXO D: Especificaes tcnicas do diodo schottky MBR1060.............................92
ANEXO E: Especificaes tcnicas do transistor POWER MOSFET IRF2907.........93
ANEXO F: Datasheet do resistor de desvio de caga, 2,2W150W...........................94
ANEXO G: Planilha com velocidades dos ventos .....................................................95
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1. INTRODUO
Os geradores elicos de pequeno porte so fabricados com o objetivo de
fornecer energia eltrica a embarcaes, residncias, pequenas indstrias ou
comunidades. Podem ser instalados isoladamente ou com a interligao de vrios
geradores em paralelo ou ainda combinando-os com painis fotovoltaicos.
Atualmente esses sistemas so ligados diretamente rede eltrica, mas,
dependendo da escala de produo de energia ou da localidade onde esto
instalados, ainda utilizam-se bancos de baterias para armazenar a energia produzida
pelo vento.
Neste Trabalho, o gerador elico utilizado para carregar uma bateria
automotiva o Air Breeze. Ele no tem, em princpio, esta finalidade, pois
destinado a carregar bancos de baterias. Sem sistema de controle, o gerador Air
Breeze s pode ser ligado a bancos de baterias de no mnimo 400 Ah. Baterias com
menos capacidade, se ligadas a ele, so danificadas, devido ao excesso de carga
que recebem.
1.1 Objetivo
O presente Trabalho consiste em desenvolver um equipamento
eletroeletrnico, microprocessado, que possibilite ao gerador elico Air Breeze
carregar uma bateria de automvel sem causar danos bateria, por excesso de
carga, e tambm sem causar danos ao gerador, por aumento excessivo do seu giro
quando estiver desconectado da bateria, girando livre, em ocasies de ventos fortes.
1.2 Restries tcnicas
De acordo com o manual do gerador, o Air Breeze no est concebido para
funcionar com sistemas de controle que utilizam a tcnica de modulao por PWM
(Pulse Width Modulation) ou do tipo shunt (SOUTHWEST, 2011). Por esse motivo,
optou-se por desenvolver um sistema de controle com derivao, que desvia para
uma carga resistiva a sada do gerador quando a tenso ou a corrente produzida
pelo gerador exceder os limites mximos estabelecidos no software do Sistema de
Controle.
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1.3 Descrio e metodologia
O Sistema de Controle no contm rels eletromecnicos. A comutao
feita atravs de transistores de potncia do tipo MOSFET (metaloxide
semiconductor field-effect). O sensor de corrente para o ampermetro um sensor
HALL (ACS750); para o voltmetro a referncia tomada com divisor de tenso feito
com resistores e todos os dados do ampermetro, voltmetro e cronmetro so
processados por um microcontrolador PSOC CY8C29466-24PXI. A escolha deste
microcontrolador foi porque ele contm mdulos analgicos internos, amplificador
programvel (PGA) e um conversor analgico-digital duplo (Dual ADC). Para a
elaborao e testes do software feito em liguagem C, no PSOC designer 5.4
utilizada uma placa de desenvolvimento da Cypress (CY3210-PSOC EVAL1). A
visualizao das indicaes de corrente, tenso e tempo de carga atravs de um
display LCD (liquid crystal display) de 16 caracteres 2 linhas (SC1602A).
Devido imprevisibilidade de ocorrncia de ventos, o sistema de controle
contm tambm um cronmetro (timer) que disparado toda vez que o gerador
elico fornece corrente de carga bateria. Cada tempo gravado somado
gravao anterior e o total mostrado em um visor LCD.
1.4 Sequncia da apresentao
Apesar deste Trabalho ter como foco o carregamento de baterias
automotivas, essas baterias no so tecnicamente as mais recomendadas para
comporem bancos de baterias destinadas ao fornecimento de energia eltrica a
residncias, embarcaes ou pequenas edificaes comerciais (BASTOS, 2013;
MOURA, 1996). Por isso, este Trabalho inicia-se com uma pesquisa bibliogrfica
sobre os diferentes tipos de baterias existentes no mercado, com um enfoque
especial s baterias automotivas.
Em seguida h a apresentao do gerador elico Air Breeze. Alm das
informaes contidas no seu manual de instrues, fornecido pelo fabricante do
gerador, mostra-se uma sequncia de testes que foi realizada em bancada
especialmente montada para este fim, para comprovar com prtica experimental os
parmetros tcnicos desse gerador elico e tambm para demonstrar a necessidade
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do Sistema de Controle a ser desenvolvido neste TCC (Trabalho de Concluso de
Curso).
Nos captulos subsequentes h a elaborao do projeto do sistema de
controle, sua execuo e testes finais.
As definies de parmetros e seus respectivos clculos referentes ao
Sistema de Controle so mostradas durante a apresentao do projeto e na fase
de testes do equipamento em bancada e em campo, com eventuais mudanas do
projeto original, em funo dos resultados obtidos nos testes prticos.
O diagrama geral e outras documentaes podem ser vistas em anexos, nas
ltimas pginas desta monografia.
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2. BATERIAS
H diversos tipos de baterias, cuja escolha depende do uso a que se pretende
fazer dela. Essa escolha nem sempre feita levando-se em conta apenas
parmetros tcnicos que dizem respeito s especificaes da bateria, sua
capacidade de se submeter a descargas profundas ou fornecer altas correntes em
curto espao de tempo. O fator econmico, mais precisamente o preo da bateria, a
facilidade de aquisio e assistncia tcnica so fatores que em muitas ocasies
pesam mais na hora da escolha.
2.1 Baterias alcalinas
A bateria de NI-CAD um dos mais eficientes armazenadores de energia
eltrica disponveis. Ela rgida, compacta, prov correntes elevadas na sada,
apesar de seu pouco peso, carrega rapidamente, possui excelentes caractersticas
de funcionamento a baixas temperaturas e mantm uma tenso relativamente
constante na sada, at descarregar-se completamente (EMBRAER, 1977).
As baterias alcalinas, em especial as de Nquel-Cdmio (NiCd) ou Nquel
Metal Hidreto (NiMH), admitem descargas profundas de at 90% da capacidade
nominal, com baixssimo coeficiente de autodescarga. A sua capacidade de
absoro de carga superior a 80% e possui alto rendimento mesmo sob variaes
extremas de temperatura. Durante a manuteno possvel substituir clulas
individualmente. A tenso de cada clula de 1,2 volts e devem ser totalmente
descarregadas antes de serem submetidas recarga, devido ao efeito memria
(EMBRAER, 1983).
Tecnicamente, as baterias alcalinas so as mais indicadas para o uso em
banco de baterias, mas o seu alto custo de aquisio e manuteno as tornam
inviveis na maioria dos casos. Essas baterias requerem equipamentos especiais
para monitorar o processo de carga, porque no podem sofrer superaquecimento,
devido ao risco de incndio. O ambiente de armazenamento e manuseio dessas
baterias no pode ser o mesmo de baterias chumbo cidas, devido ao risco de
ocorrerem reaes qumicas que as danifiquem (EMBRAER, 1983).
A Figura 1 mostra detalhes de uma bateria alcalina, com a tampa superior
retirada.
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Figura 1: Bateria alcalina, com clula em destaque . Fonte: Manual de Sistemas Eltricos (EMBRAER, 1983, p. 43).
2.2 Baterias chumbo cida
Baterias chumbo cida so as mais utilizadas para armazenamento de
energia e podem ser classificadas como:
1- Baterias SLI (Starting, Lighting and Igniton arranque, iluminao e
ignio);
2- Baterias de trao;
3- Baterias estacionrias.
1- As baterias SLI ou baterias de arranque, tambm conhecidas como
automotivas so desenvolvidas para operarem durante perodos curtos,
como na partida do motor de um automvel. As placas que constituem as
suas clulas so finas e em grande quantidade, o que resulta em uma
maior superfcie ativa entre elas e suportam altas descargas de corrente
em curtos espaos de tempo. Por no serem utilizadas durante longos
ciclos (tempos longos de descarga) e no suportarem descargas
profundas, elas no so as mais recomendadas para sistemas de bancos
de baterias, apesar de usadas em sistemas de baixo custo (SAAD, 2012).
2- As baterias de trao podem ser submetidas a descargas profundas,
aceitam ciclos longos e possuem placas mais grossas e durveis. Devido
a essas caractersticas, elas so geralmente utilizadas em veculos eltricos
e so recomendadas para sistemas elicos e fotovoltaicos autnomos.
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3- As baterias estacionrias so comumente utilizadas em no-breaks para
computadores, equipamentos telefnicos e outros sistemas onde no se
pode ter interrupo da alimentao. Estas baterias permitem descargas
mais profundas se comparadas s baterias SLI.
Conforme o regime de descarga, temperatura de operao e aspectos
construtivos da bateria, as placas positivas ou negativas sero ou limitadoras da
capacidade ou superdimensionadas. Por exemplo: nas baterias de trao,
construdas especialmente para uso com correntes de mdia intensidade (uso
industrial), na faixa de temperatura entre 10 e 30C, a placa negativa limitadora da
capacidade. J para as altas correntes de descarga das baterias automotivas, na
mesma faixa de temperatura, a placa positiva a limitadora da capacidade, porque a
placa negativa superdimensionada (MOURA, 1996).
Os principais fatores construtivos que influem na capacidade de um elemento
so: matria ativa e concentrao de eletrlito; espessura das placas; rea de
contato das placas com o eletrlito; 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 so as das baterias
automotivas. Como o tempo disponvel para que ocorra a reao mais curto nas
correntes elevadas, convm que os ons obtenham uma penetrao maior nas
placas e de forma mais acelerada, antecipando o contato com a matria ativa. As
placas grossas so mais apropriadas para descargas lentas, como, por exemplo, as
baterias de no-breaks (estacionrias). Baterias com placas finas apresentam menor
vida til que as baterias com placas grossas.
As baterias chumbo cida tambm se distinguem pela forma de seu eletrlito:
H as baterias inundadas e as baterias seladas.
Baterias inundadas so as clssicas baterias que dispem de abertura para
a verificao do nvel e concentrao do eletrlito, assim como para a reposio de
gua destilada ou deionizada.
Baterias Seladas so similares s inundadas, mas possuem eletrlito
suficiente em reserva para operarem dentro dos seus ciclos normais de vida,
dispensando reposio de gua e manuteno. Elas no dispem de aberturas para
verificao de estado, nvel de eletrlito e reposio de gua, o que pode limitar sua
vida til. Por este motivo no devem sofrer sobrecarga, descargas profundas, e altas
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temperaturas. primordial serem carregadas adequadamente para o aumento de
performance e durabilidade (SAAD, 2012).
H variaes construtivas de baterias chumbo cidas (VRLA e Gel, por
exemplo), igualmente seladas, requerendo, portanto, os mesmos cuidados.
H algumas desvantagens apresentadas pelas baterias de chumbo e cido,
tais como a dificuldade de se determinar com preciso o SOC (State of Carge ou
estado de carga, que a quantidade de carga presente na bateria em relao
carga mxima), principalmente quando a bateria est em operao (com carga ou
descarga em andamento) e a baixa densidade de energia que ela armazena, em
relao aos outros tipos de baterias. A durabilidade de uma bateria de chumbo e
cido depende do regime de carga e descarga e da temperatura de operao
(COELHO, 2001).
O valor tpico de tenso nos terminais de uma bateria de chumbo e cido
aproximadamente 2,14 V por clula, se completamente carregada (BASTOS, 2013).
O valor dessa tenso na verdade depende do seu estado de carga, se est sendo
carregada, descarregada ou em circuito aberto. Em geral, a tenso de uma clula
varia entre 1,75 e 2,5 volts, sendo a mdia cerca de 2 volts; a qual se costuma
chamar de tenso nominal da clula (MOURA, 1996). Se a bateria de chumbo cida
no for utilizada por algum tempo, sua capacidade reduzida devido auto
descarga. Assim, uma tenso de flutuao deve ser imposta nos terminais da bateria
quando ela no estiver em operao, em torno de 2,2 V por clula (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 ser a quantidade de energia que a bateria fornece. Um tempo
de descarga tpico em sistemas elicos e fotovoltaicos 100 h. Por exemplo: uma
bateria que possua uma capacidade de 80 Ah, em 10 h (capacidade nominal), ter
100 Ah de capacidade em 100 h (MOURA, 1996).
2.3 Mtodos de carga de baterias chumbo cidas
O tempo de carga e o rendimento so dois fatores muito importantes para a
carga de uma bateria. A carga rpida requer corrente maior e isso diminui o
rendimento. Ambos (tempo de carga e rendimento) devem ser tratados de forma a
se obter um equilbrio. Os fatores que limitam o processo de carga so: a tenso
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terminal e a temperatura, j que tenses e temperaturas elevadas danificam e
reduzem a vida til da bateria (COELHO, 2001).
A capacidade armazenada por uma bateria, durante o processo de carga, so
os ampres-hora adquiridos durante o processo. Esses ampres-hora armazenados
so extrados da bateria durante a descarga. Segundo a lei dos ampres-hora de
Woodbridge, 1935, quando a bateria se encontra em estado de carga baixo, a
aceitao de carga elevada e vai diminuindo medida que a bateria vai carregando.
A aceitao de carga depende no s das condies de carga, mas tambm da
construo da bateria, do tempo de uso e da temperatura (BASTOS,_2013).
Os mtodos de carga de bateria vistos na literatura so cinco: corrente
constante; tenso constante; potncia constante; corrente pulsada e mtodos
mistos, nos quais existem estgios de alternncias entre os outros mtodos
(COELHO, 2001; BOSCH, 2007; SAAD, 2012).
Tabela 1 Caractersticas dos mtodos de carga.
Fonte: COELHO, 2001.
Na Tabela 1 so apresentadas as caractersticas dos mtodos de carga. O
mtodo de corrente constante o que apresenta um dos melhores resultados, porque
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a corrente controlada, evitando aquecimento. Porm, a bateria pode ser danificada
por ficar exposta a tenses elevadas (valores mais altos do que os limites mximos
permitidos pelo fabricante da bateria), ento a tenso deve ser gerenciada durante
todo o processo.
No mtodo de tenso constante a corrente tende a alcanar 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, v-se que o mtodo de potncia constante deve
ser utilizado tambm com superviso da temperatura da soluo e somente para
curtos intervalos de tempo. Mas difere do mtodo de tenso constante, porque a
potncia injetada diminu medida que a bateria vai adquirindo carga. Neste mtodo
a reduo de potncia no ocorre, fazendo com que as perdas hmicas sejam
superiores em relao ao mtodo de tenso constante, devido injeo de uma
potncia mais elevada durante todo o processo.
Dos mtodos mistos utilizados, destaca-se o mtodo com dois nveis,
mostrado na Figura 2. Este mtodo se baseia na unio das caractersticas dos
mtodos de corrente constante e do mtodo de tenso constante, alternados de forma
a utilizar as melhores caractersticas de cada um (COELHO, 2001; BASTOS, 2013).
Figura 2: Mtodo de dois nveis de tenso . Fonte: COELHO, 2001.
Supondo a bateria descarregada, aplica-se no primeiro estgio uma corrente
mnima, controlada (Imin), evitando-se, com isso, picos de corrente e formao
excessiva de gases. Esta etapa mantida at que a bateria atinja uma tenso
mnima de trabalho (Vmin).
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Ao ser alcanado Vmin, inicia-se o processo de carga da segunda etapa,
injetando a corrente de carga desejada Imax. Com a injeo de uma corrente de carga
elevada, a tenso tende a subir a uma taxa proporcional corrente. No momento em
que ela atinge o valor mximo permitido pelo fabricante da bateria (Vst), a terceira
etapa iniciada, fixando-se este valor de sobretenso na bateria.
A terceira etapa tem a funo de reduzir o tempo de carga por meio da
regulao de uma sobretenso Vst. Como a tenso fixa, a corrente de carga inicia
um processo de queda, medida que a bateria se aproxima da carga completa.
Ao ser atingida a carga completa, inicia-se a quarta etapa, que tem a funo
de compensar a autodescarga da bateria, aplicando-se uma tenso de flutuao Vf,
uma vez que a bateria est carregada e no est em operao. Aps o uso da
bateria, caso o processo de carga se inicie com uma carga diferente de zero, o
processo necessitar ser reiniciado a partir da segunda etapa.
A Figura 3 mostra a representao do mtodo com dois nveis de tenso em
funo do tempo (t).
Figura 3: Mtodo de dois nveis de tenso, em funo do tempo. Fonte: COELHO, 2001.
2.4 Conceitos e termos relacionados s baterias
A 1. Lei de Faraday estabelece que durante uma eletrlise, a massa de uma
substncia libertada em qualquer um dos eletrodos, bem como a massa da substncia
decomposta, diretamente proporcional quantidade de eletricidade que passa pela
soluo. Decorrente dessa Lei, surge o conceito de capacidade (MOURA, 1996).
A capacidade de uma bateria expressa na unidade de ampre-hora ou, de
forma menos usual, na unidade watt-hora.
A capacidade em ampre-hora mede a quantidade de eletricidade que a
bateria plenamente carregada pode fornecer numa descarga a uma determinada
-
22
corrente at uma tenso final estabelecida, denominada tenso de corte. A
capacidade em watt-hora, por outro lado, a energia que a bateria pode fornecer
durante a mesma descarga. A capacidade em watt-hora pode ser obtida
multiplicando-se a capacidade em ampre-hora pelo valor mdio da tenso durante
o perodo de descarga. Portanto, na medida da capacidade necessrio especificar o
regime de descarga, a tenso 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 dada pela expresso CB = I . t,
onde I a corrente de descarga, t o tempo decorrido desde o incio da descarga
at a tenso 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 durao, com
corrente de 1,8 A, o regime de descarga pode ser especificado como regime de 20
horas ou regime de 1,8 A.
J a tenso de corte a tenso mnima admissvel de operao da bateria em
descarga e varia conforme o regime. Ao descarregar alm desse limite se observa a
queda brusca da tenso. Esta prtica conduz a prejuzos estruturais na bateria, sem
nenhum ganho significativo em capacidade.
Outros termos relacionados capacidade so:
1- Capacidade Nominal: trata-se da capacidade assegurada pelo fabricante
para uma bateria nova e em condies de operao especificadas. Um
acumulador com capacidade de 36 Ah, para 20 h de descarga, se
representa como C20. A corrente que capaz de fornecer durante 20 horas
de 1,8 A e se representa por I(C20)=1,8A.
2- Profundidade de descarga: so os ampres-hora extrados de uma
bateria plenamente carregada, expressos como uma porcentagem da
capacidade.
3- Estado de carga (EC): ampres-hora disponveis em uma bateria
expressos como uma porcentagem da capacidade.
4- Ciclo de vida: nmero total de ciclos que uma bateria pode suportar sob
certas condies.
5- Vida: perodo durante o qual uma bateria capaz de operar, mantendo a
capacidade e o nvel de rendimento.
-
23
3. O GERADOR ELICO
O gerador elico utilizado neste Trabalho um aerogerador de pequeno
porte, que pode ser instalado em barcos, topo de edifcios, residncias e outros
locais que tenham uma demanda adequada a sua capacidade de gerao de
energia eltrica e haja ocorrncia de ventos constantes. fabricado nos Estados
Unidos e incorpora tecnologia de ltima gerao.
Os folders de propaganda deste aerogerador informam que ele silencioso,
eficiente e necessita de pouco vento para gerar energia (SOUTHWEST, 2011).
A Figura 4 mostra o gerador elico.
Figura 4: Gerador elico Air Breeze Fonte: Rockel, 2013
3.1 Instalao e funcionamento
O fabricante do gerador elico recomenda que a altura mnima da torre deve
ser de 25 ps (7,6 m) em campo aberto ou 20 ps (6 m) acima de construes
prximas, porque a turbulncia dos ventos reduz a eficincia e provoca desgastes
nas partes rotativas do gerador. H diversas configuraes de instalao possveis,
associadas com painis solares ou vrios geradores elicos agrupados, mas essas
configuraes no sero abordadas neste Trabalho, porque no se relacionam com
-
24
o projeto. Considerar-se- apenas um gerador, cujo diagrama de instalao est
mostrado na Figura 5.
Figura 5: Diagrama de instalao do gerador elico AIR BREEZE. Fonte: Manual do proprietrio Air Breeze (SOUTHWEST, 2011, p. 13).
O fabricante do gerador elico recomenda ligar o gerador diretamente ao seu
banco de baterias. necessria a instalao de um interruptor de passagem, para
fornecer um modo conveniente de deslig-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 ao do vento quando esse estiver muito intenso.
-
25
As turbinas elicas funcionam atravs da captura de energia cintica do ar em
movimento (o vento), convertendo-a em movimento de rotao de seu eixo, que est
acoplado a um alternador, que produz energia eltrica.
As ps giram em resposta ao vento. Dependendo da fora do vento,
continuaro girando at elevar a tenso eltrica produzida a um nvel acima da
tenso do banco de baterias, iniciando o carregamento.
O gerador elico possui um alternador trifsico e seu controle comandado
por um microcontrolador interno. O microcontrolador monitora a velocidade do rotor,
o nvel de carga e a tenso do banco de baterias e, em funo dessas variveis,
atua nos circuitos internos do gerador conforme informa o fabricante do gerador
(SOUTHWEST, 2011).
A seguir so descritos os recursos que o gerador tem, conforme consta no
manual do proprietrio.
3.2 Caractersticas e especificaes tcnicas
O Air Breeze um aerogerador leve, com apenas 6 kg, e seu rotor tem
dimetro de 1,17 m. Ele necessita de uma velocidade mnima do vento de 2,7 m/s
(9,7 km/h) para comear a girar. Em testes realizados em bancada, que sero
mostrados no captulo seguinte, constatou-se que o incio do giro do rotor do gerador
no significa, necessariamente, que ele j tenha potncia suficiente para carregar
uma bateria.
Para definir a potncia nominal do gerador, que de 160 watts, o fabricante
tomou como referncia ventos com velocidade de 28 mph, que corresponde a
aproximadamente 12,5 m/s (45 km/h).
Outras especificaes tcnicas podem ser vistas no Anexo A, que se encontra
no final desta publicao.
O gerador roda livremente se estiver desligado, sem uma carga eltrica
conectada nele. Se o vento estiver muito intenso, ele pode atingir rapidamente o
limite mximo de velocidade e travado pelo sistema interno de segurana. A
repetio sucessiva deste processo pode danificar o gerador. Por isso, na ausncia
de carga eltrica, deve-se deixar os seus terminais curto-circuitados.
Ele possui os seguintes recursos de proteo automtica:
-
26
1- Regulao;
2- Desacelerao;
3- Travagem.
3.2.1 Regulao
O ponto de regulao (set point) vem definido de fbrica para 14,1 volts, mas
pode ser ajustado entre 13,6 e 17 volts. No se trata de regulagem da sada do
gerador, como, em princpio, se pode pensar. D-se o nome de ponto de regulao,
ou set point, ao valor de tenso atingida pelo banco de baterias, durante a carga, em
que se considera que ele esteja totalmente carregado.
Quando a tenso do banco de baterias atinge o set point, o gerador entra no
modo regulao. Neste momento ele deixa de produzir energia e a rotao das ps
diminui drasticamente. O gerador permanece em regulao at a tenso do banco
de baterias atingir um valor ligeiramente abaixo do set point. Quando esse nvel
atingido, chamado de nvel de transio", as ps do gerador elico retornam
rotao normal, em resposta ao vento.
O modo de regulao indicado por um LED, existente na parte debaixo do
corpo do gerador elico, o qual pisca cerca de duas vezes por segundo.
3.2.2 Desacelerao
O modo desacelerao ocorre com uma reduo abrupta da rotao 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 at 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 ficar totalmente desligada por
5 minutos.
O LED indica o modo de desacelerao piscando aproximadamente 10 vezes
por segundo.
3.2.3 Travagem
O modo de travagem ocorre quando os terminais de sada do gerador elico
so postos em curto-circuito. Esse procedimento pode ser feito manualmente,
acionando o interruptor do gerador, ou automaticamente, com comando interno do
gerador, quando h ventos muito fortes.
-
27
4. TESTE EM BANCADA
O gerador elico escolhido como objeto de pesquisa para a realizao deste
Trabalho fica instalado sobre o teto de um hangar no aeroporto Teruel, conforme se
v na foto apresentada na Figura 6.
Figura 6: Gerador elico instalado sobre o teto do hangar. Fonte: ROCKEL, 2013.
Para verificar in loco as suas caractersticas e especificaes tcnicas, ele foi
retirado desse local e instalado em uma bancada, sem as ps da hlice, de forma
que o seu giro pde ser feito com uma furadeira eltrica, de rotao varivel,
mostrada na Figura 7. Assim, a realizao dos testes no ficaram restritas
ocorrncia de ventos.
Figura 7: Bancada de testes do gerador elico. Fonte: ROCKEL, 2013.
-
28
4.1. Potncia mxima
Para verificar a potncia mxima 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 ligao de ampermetro e voltmetro. Fonte: ROCKEL, 2013.
Para a obteno da potncia mxima do gerador elico, aplicada bateria,
durante o giro do gerador em bancada, utilizou-se dois multmetros selecionados
para medir corrente e tenso 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 mximo indicado.
4.1.1. Descrio do teste
Com a furadeira eltrica acoplada ao gerador elico, aumentou-se
gradualmente a rotao at atingir o limite mximo permitido pelo sistema de
proteo automtica do gerador, o qual ento 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- Imx = 13,25 A;
2- Vmx = 14,66 V.
A bateria no estava carregada, apresentando tenso de 11,93 V, antes do
incio do giro.
A Figura 9 mostra a indicao de corrente e tenso registradas pelos
multmetros no final do teste.
-
29
Figura 9: Corrente e tenso mxima indicada. Fonte: ROCKEL, 2013.
Com os dados obtidos de corrente e tenso, a potncia aplicada pelo gerador
bateria, no instante final, foi de:
4.1.2. Anlise dos dados
A potncia nominal do gerador elico 160 W. No teste realizado obteve-se
194,25 W. Esta aparente discrepncia certamente se justifica pela rotao aplicada
ao gerador. O fabricante do gerador estipulou como parmetro de definio da
potncia nominal ventos com velocidade de 12,5 m/s (45_Km/h). No teste, elevou-se
a rotao do gerador at o sistema de segurana interno dele travar, indicando que
a rotao aplicada correspondia a ventos com velocidade de aproximadamente 15,6
m/s (56,16 km/h). Portanto, o gerador foi submetido a um esforo extremo mxima
rotao permitida e, nesse instante, atingiu 194,25 W de potncia.
Sabe-se que, dependendo das condies de carga, a bateria oferece uma
certa resistncia corrente de carga, limitando-a. Se a bateria estiver descarregada,
sua resistncia (para o gerador) ser baixa e a corrente de carga alta. Assim que
comea a carregar, sua resistncia interna (para o gerador) aumenta e a corrente de
carga diminui.
A bateria que foi submetida ao teste no estava totalmente descarregada
(com 11,93 V antes do giro). A tenso de corte, em circuito aberto, de uma bateria
automotiva, em torno de 10,5_V (MOURA, 1996). A 50% de carga ela possui 2,03 V
por clula e 1,95 V quando totalmente descarregada (COELHO, 2001). Mesmo assim,
durante o giro, a corrente subiu rapidamente, com pouco aumento de tenso. Pode-
Eq. 1
-
30
se inferir, diante dessas consideraes, 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 condio, o aumento de tenso seria mais significativo do que o
aumento de corrente e obteve-se os seguintes dados no final do giro:
1- Tenso da bateria antes do giro: 12,73 volts.
2- Imx = 7,63 A
3- Vmx = 16,37 V
Figura 10: Corrente e tenso obtidas com a bateria carregada. Fonte: ROCKEL, 2013.
Observou-se que a tenso aumentou mais rapidamente do que a corrente
durante o giro. Mas, o teste foi encerrado antes do sistema de segurana do gerador
travar, no atingindo a potncia mxima. Foi o suficiente para permitir o clculo da
resistncia interna da bateria (para o gerador) no instante final de cada giro (Eq. 2).
Pela Lei de Ohm,
A resistncia interna da bateria, considerando o instante final do primeiro e
segundo teste, respectivamente, :
A potncia aplicada pelo gerador sobre a bateria sempre a mxima
disponvel, em funo do vento, enquanto os valores de tenso e corrente de carga
dependero do estado de carga da bateria (EC).
Eq. 2
-
31
5. CLCULO DE POTNCIA DO VENTO
A equao da continuidade de Bernoulli define que a vazo de fludo
constante para diferentes localizaes ao longo do tubo de vazo, considerando-se
que no h fluxo de massa atravs dos limites do tubo de vazo e assumindo-se
que a massa especfica do ar constante, o que vlido para velocidades do vento
menores que 100 m/s (fludo incompressvel) (CUSTDIO, 2009).
Ao converter a energia cintica do vento, a turbina elica provoca a reduo
da velocidade do vento na sada do rotor, o que resulta no aumento do dimetro do
tubo de vazes, como se v na Figura 11.
Figura 11: Fluxo de vento atravs de uma turbina elica. Fonte: Electrnica, (http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/17/29/).
A potncia do vento extrada pela turbina elica a diferena de potncia
entre o fluxo de ar na entrada e na sada do rotor elico, como demonstra a equao 3:
Onde:
Pt = potncia extrada do vento pela turbina elica (W),
Pe = potncia disponvel no vento na entrada do rotor elico (W);
Ps = potncia disponvel no vento na sada do rotor elico (W).
Se o vento perde muita velocidade atrs do rotor, o ar ir fluir em volta da
rea do rotor, em vez de atravess-lo. Por isso, a mxima potncia que pode ser
extrada do vento por uma turbina elica apresenta uma limitao que referente a
uma velocidade do vento na sada do rotor elico, que no pode ser inferior a 1/3 da
Eq. 3
-
32
velocidade do vento incidente (v). Neste caso, o rotor absorve a energia equivalente
a 2/3 da energia disponvel no vento livre, antes da turbina (CUSTDIO, 2009).
A potncia do vento na entrada da turbina dada pela equao 4:
Onde:
Pe = potncia disponvel no vento na entrada do rotor elico (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 especfica do ar (kg/m);
A = rea da seo transversal (m);
ve = velocidade do vento na entrada da turbina (m/s).
Ento, a potncia do vento na entrada da turbina elica dada por:
De forma similar, pode-se determinar a expresso da potncia do vento na
sada da turbina, considerando-se que vs = v/3, ou seja:
Substituindo-se as equaes 7, 6 e 3, obtm-se a mxima potncia do vento
que pode ser extrada por uma turbina elica:
ou:
Onde:
Ptmx = mxima potncia possvel de ser extrada do vento por uma turbina (W);
= massa especfica do ar (kg/m);
A = rea da seo transversal varrida pelo rotor da turbina (m);
Eq. 4
Eq. 5
Eq. 6
Eq. 7
Eq. 8
Eq. 9
-
33
v = velocidade do vento livre antes da turbina (m/s);
P = potncia disponvel do vento (W).
Desconsiderando perdas na turbina elica, ela poder extrair no mximo
16/27 da potncia disponvel do vento, o que representa 59,3% dessa potncia
(CUSTDIO, 2009). Este valor chamado de Mximo de Betz, ou Coeficiente de
Betz. No grfico abaixo (Figura 12), v-se as curvas de potncia do vento e da
mxima possvel de extrao pelo gerador elico.
Figura 12: Grfico da potncia do vento e da mxima potncia possvel de ser extrada por uma turbina elica Mximo de Betz.
Fonte: Energia Elica (CUSTDIO, 2009, p. 72).
Uma turbina real somente far a extrao de parte da potncia mxima do
vento, porque h perdas na converso da energia elica.
O coeficiente Cp indica a relao entre a potncia realmente extrada do vento
por uma turbina elica e a potncia disponvel no vento, como se v na equao 10:
Onde:
Cp = coeficiente de potncia de uma turbina elica (adimensional);
Pt = potncia produzida pela turbina elica (W);
= massa especfica do ar (kg/m);
Eq. 10
-
34
A = rea varrida pelo rotor da turbina (m);
v = velocidade do vento (m/s).
O coeficiente Cp de uma turbina elica varia de acordo com a velocidade do
vento. V-se um exemplo, de um determinado gerador elico, na Figura 13. Esta
variao deve-se ao fato das ps do rotor da turbina alterarem suas eficincias
aerodinmicas em funo da variao da velocidade do vento incidente. O ponto de
mximo da curva Cp v representa a mxima eficincia da turbina e obtida em uma
determinada velocidade do vento.
A posterior converso em energia eltrica ainda inclui outra reduo de
potncia devida aos rendimentos dos demais equipamentos, tais como gerador,
transmisso, etc. (CUSTDIO, 2009).
Figura 13: Exemplo de curva do coeficiente de potncia Cp de um gerador elico. Fonte: Energia Elica (CUSTDIO, 2009, p. 68).
Portanto, a viabilidade de um projeto de converso de energia elica em
energia eltrica, alm da frequncia de ocorrncia de ventos durante o ano, depende
tambm de um conjunto de fatores que resultaro (ou no) na potncia pretendida
ou necessria, para o fim que se destina o projeto. A velocidade dos ventos um
desses fatores fundamentais.
-
35
6. DEMONSTRAO DA NECESSIDADE DO SISTEMA DE CONTROLE
No caso especfico do sistema de controle desenvolvido neste Trabalho, no
se visa o carregamento de um banco de baterias, mas de uma bateria automotiva
unicamente, ligada ao gerador elico.
O gerador aplica sobre os terminais da bateria toda a potncia disponvel, em
funo da velocidade do vento (Eq. 9). Um banco de baterias, de no mnimo 400 Ah,
no precisa de sistema de controle, porque a potncia mxima que o gerador aplica
nos momentos de vento forte no excede a capacidade de absoro de carga das
baterias. No entanto, se uma bateria automotiva de, por exemplo, 60 Ah for
conectada aos terminais do gerador, ela poder ser submetida a um nvel de
carregamento muito elevado, superior ao que ela suporta, e ser danificada.
So os fabricantes de baterias que estipulam os nveis mximos
recomendados de corrente e tenso de carga para as baterias chumbo cidas. A
tenso no deve exceder 14,5 volts (para baterias de 12 volts em regime de tenso
constante) e a corrente no deve exceder 10% da capacidade da bateria, quando
em regime de corrente constante (MOURA, 1996; Bosch, 2007; SAAD, 2012; BASTOS,
2013). No significa, necessariamente, que tenses e correntes de carga com
valores acima dessa limitao danificaro a bateria. O risco, neste caso, est
vinculado ao aumento de temperatura no interior dela.
Em procedimentos de carga rpida, a intensidade de corrente de carga
ultrapassa os 10% da capacidade nominal da bateria. Em uma publicao tcnica da
Johnson Controls Treinamento Tcnico em Baterias Automotivas , diz o seguinte:
Normalmente, no recomendada carga rpida para baterias chumbo-
cido, devendo ser utilizada somente em situaes de emergncia.
Neste caso, recomendamos a recarga com corrente constante de 30%
da capacidade nominal, limitando a tenso ao mximo de 16 V e a
temperatura da soluo a 50-C.
(JOHNSON CONTROLS, 2009, p. 25.)
Pode-se concluir, ento, que so aceitveis regimes de carga com correntes
que atinjam at 30% da capacidade nominal da bateria e tenses at 16 volts,
porm requerem um monitoramento da temperatura do eletrlito, devido
possibilidade de superaquecimento.
-
36
Diante dessas constataes, resta saber o quanto de carga o gerador Air
Breeze aplica bateria automotiva conectada a ele, em diversos nveis de
intensidade de ventos que ocorrem durante as estaes do ano.
5.1 Clculos tericos
Nos experimentos realizados para verificar a potncia mxima do gerador
(Cap. 3.3.1), obteve-se os seguintes dados:
1- Resistncia interna da bateria, com ela semi descarregada, Ri1 = 1,106 ;
2- Resistncia interna da bateria, com ela carregada, Ri2 = 2,145
Esses valores de resistncia interna da bateria se referem unicamente aos
respectivos instantes que foram obtidos. Mas, apenas como um exerccio terico,
eles sero utilizados para calcular tenso e corrente de carga em condies
diferentes de velocidade do vento e de potncia produzida pelo gerador.
Supondo a potncia nominal do gerador (160 W) sendo aplicada bateria
com essas resistncias internas, resulta em correntes de carga de:
=>
=>
E tenses (Eq. 2):
Com esses dados, verifica-se que os valores obtidos de corrente de carga
(entre 8,64 e 12,03 A) so muito elevados, se aplicados durante um longo perodo de
tempo a uma bateria de chumbo e cido de 60 Ah. Da mesma forma, a tenso de
18,53 V seria excessiva para essa bateria.
Porm, a potncia nominal pode no retratar a realidade cotidiana da cidade
de Campo Grande local do experimento com o gerador elico Air Breeze , porque
a potncia nominal do gerador (160 W), especificada pelo manual do gerador,
considerando a velocidade de vento de 12,5 m/s (45 km/h).
Diante disso, um estudo a respeito das velocidades de ventos em Campo
Grande se faz necessrio.
Eq. 11
-
37
5.2 Velocidade dos ventos na cidade de Campo Grande
Na Tabela 2, v-se uma tomada de dados de velocidade mdia e mxima de
ventos, realizada na Estao Meteorolgica da Universidade Anhanguera-Uniderp,
entre os meses de janeiro e setembro de 2013.
Tabela 2 Velocidades mdias e mximas de ventos em Campo Grande, MS.
Ms Velocidade (m/s)
mdia mxima
Janeiro 1,7 25,5
Fevereiro 1,3 16,1
Maro 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: Estao Meteorolgica da Universidade Anhanguera-Uniderp, 2013.
Os dados de temperatura, presso, velocidade do vento, radiao solar,
umidade do ar, ponto de orvalho e outros so computados, na Estao
Meteorolgica da Universidade Anhanguera-Uniderp, a cada 5 minutos todos os
dias, de forma ininterrupta (informao verbal) 1. Para compor a Tabela 2, extraiu-se do
sistema apenas os dados referentes velocidade dos ventos. Esses dados so
apresentados prontos, calculados em software do prprio sistema computacional da
Estao Meteorolgica.
No ms de junho aparece o registro do menor valor de velocidade mdia
(0,7_m/s) e o segundo valor mais alto de velocidade mxima (o valor mais alto o de
janeiro, 25,5 m/s). Nota-se que em ambos os casos (Vmx e Vmin) o gerador elico Air
Breeze no estaria carregando a bateria automotiva, porque a velocidade mnima
para o rotor dele comear a girar 2,7 m/s e a mxima que ele pode atingir, sem
travar, 15,6_m/s.
Os dados mdios e mximos de velocidade do vento de um ms inteiro no
nos permitem tirar concluses a respeito do tempo de funcionamento do gerador
durante esse perodo. Mas, analisando-se somente as velocidades mximas,
(1) Informao prestada pelo meteorologista Natlio Abraho Filho, da Estao Meteorolgica da ..Universidade Anhaguera-Uniderp.
-
38
constata-se que o gerador no atingiria a velocidade de travamento somente nos
meses de abril e agosto, conforme os nmeros apresentados na coluna de
velocidade mxima, na Tabela 2. Em todos os outros meses ele seria submetido a
velocidades acima da mxima que ele funciona sem travar.
Para se ter uma noo melhor do funcionamento do gerador elico durante
um determinado perodo, montou-se uma planilha no M. Excel, com os valores
mdios e mximos de velocidade dos ventos, de um determinado perodo de um dia
do ms de agosto. Esta planilha pode ser vista no Anexo G.
Na Figura 14 mostrado um grfico com dados restritos a hora em que se
registrou a velocidade mxima daquele ms (15,2 m/s) e na Figura 15 se v um
grfico das velocidades mdias registradas entre 6 horas da manh at ao meio-dia,
ambos referentes ao dia 14 de agosto de 2013.
Figura 14: Velocidade mxima em intervalos de 5 minutos. Perodo das 8 s 9 horas da manh do dia 14 de agosto de 2013, quando ocorreu a maior velocidade de vento naquele ms
..................(15,2 m/s 54,72 km/h, s 8 h e 30 min).
Fonte: Estao Meteorolgica da Universidade Anhanguera-Uniderp, 2013.
A mdia das velocidades mximas tomadas a casa 5 min, entre 8 e 9 horas, :
(43,16 km/h)
J o grfico mostrado na Figura 15 diferente, porque cada ponto registra a
velocidade mdia computada em cada intervalo (e no a velocidade mxima de
cada intervalo, como no grfico 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
Figura 15: Velocidade mdia dos ventos, tomada a cada 15 minutos. Perodo das 6 s 12 horas da manh do dia 14 de agosto de 2013.
Fonte: Estao Meteorolgica da Universidade Anhanguera-Uniderp, 2013.
A mdia das velocidades tomadas das 6 s 12 horas, (Eq.12):
(17,28 km/h)
Sendo 2,7 m/s a velocidade de incio do giro e 15,6 m/s a velocidade de
travamento do gerador; a condio de produo de energia eltrica pelo gerador
dada por:
2,7 < VVt < 15,6
VVt = Velocidade do vento (m/s)
Conclui-se que, apesar das velocidades mximas e mnimas 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 elico Air Breeze, para carregar uma bateria, houve
perodos durante o dia, como entre 6 e 12 horas da manh, que a mdia das
velocidades indica que ele poderia estar em operao, produzindo eletricidade.
Os picos de velocidades mais altas, nos perodos estudados (janeiro a
setembro de 2013), extrapolam o valor definido de velocidade do vento para a
potncia nominal do gerador (que de 12,5 m/s), inclusive no ms de agosto cujo
pico mximo de velocidade (15,2 m/s) ficou abaixo da velocidade de travamento
(15,6 m/s), mas acima da velocidade que determina a potncia nominal.
Considerando que a potncia nominal do gerador j pode ser excessiva para
carregar uma bateria automotiva conforme ficou demonstrado no clculo terico da
seo 5.1 h a necessidade de um sistema de controle de carga para o gerador
Air Breeze, se ele for conectado a uma bateria automotiva.
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12
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V (m/s)
V (m/s)
V(m/s)
h:min
Eq. 13
-
40
7. PROJETO DO SISTEMA DE CONTROLE
No manual do gerador elico h a seguinte advertncia:
CUIDADO: No utilize uma modulao de largura de impulsos (PWM) ou um
controlador do tipo shunt; o Air Breeze no est concebido para
funcionar com estes tipos de controladores. A maioria dos controladores
concebidos para funcionarem com painis solares no adequada para
o Air Breeze. Esses controladores desligam os painis 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)
Alm do aviso em destaque, o manual recomenda que o sistema de controle
seja do tipo de derivao, que desvia para uma carga resistiva a sada do gerador
quando este produzir uma energia em excesso.
Sendo assim, o sistema de controle desenvolvido neste Trabalho do tipo de
derivao, com a sequncia demonstrada no fluxograma da Figura 16. Se no
houver vento, o gerador fica conectado bateria, porm sem produzir carga (gerador
parado), e quando ocorrer vento, o sistema de controle monitorar os parmetros de
corrente e tenso.
Figura 16: Fluxograma do sistema de controle.
Fonte: ROCKEL, 2013.
-
41
7.1. Definio dos valores de limitao do sistema
Conforme foi exposto no captulo 5, no recomendvel submeter a bateria
chumbo cida a um regime de carga com correntes acima de 10% de sua
capacidade nominal por um perodo longo, bem como no ultrapassar o nvel da
tenso de carga de 14,5 volts, para baterias de chumbo e cido de 12 volts
nominais. Ainda naquele captulo, na sequncia deste tema, mostrou-se uma
exceo ou flexibilizao desses limites, quando houvesse necessidade de cargas
rpidas de bateria, no podendo, porm, nesses casos, a corrente ultrapassar 30%
do valor da capacidade nominal da bateria e a tenso 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 mximos:
1- Tenso: 14,5 V;
2- Corrente: 9 A.
O valor mximo estabelecido para a tenso (14,5 V) o definido pelos
fabricantes de baterias automotivas para regimes de cargas de tenso constante,
sem risco de danificar a bateria (BOSH 2007; JOHNSON CONTROLS, 2009). O regime
de carga do gerador elico no constante em tenso, corrente ou potncia, porque
depende da velocidade dos ventos, que varia constantemente. Mas, ao estabelecer-
se o nvel mximo de tenso para a carga da bateria igual ao previsto para um
regime de carga de tenso constante, tm-se assegurado a ausncia de riscos de
danificar a bateria devido ao excesso de tenso, haja vista a pouca margem de
flexibilizao permitida, at 16 V em curtos perodos, pouco mais de 1% de 14,5_V.
J o valor mximo atribudo corrente de carga (9 .A) arbitrrio.
O principal fator que impe a necessidade de limitao de corrente no
processo de carga da bateria o superaquecimento interno. As publicaes tcnicas
estabelecem como temperatura mxima da soluo 50 C (BOSCH, 2007; JOHNSON
CONTROLS 2009). Enquanto no houver aumento de temperatura, a corrente de
carga da bateria pode ser aumentada em 30% da capacidade nominal, de acordo
com a publicao da Johnson Controls que corresponde a 18 A para baterias de 60
Ah ou at 25 A, tomando-se como referncia o Manual de Baterias Bosch
(BOSCH,_2007,_p._13).
-
42
Desta forma, tem-se a premissa de que o limite mximo de corrente de carga
estabelecido em 9 ampres est dentro de uma faixa que preserva a integridade da
bateria automotiva de 60 Ah, a ser carregada pelo gerador elico. Parte-se do
princpio de que os ventos so inconstantes como se v nos grficos das figuras
14 e 15 e os nveis de corrente e tenso ficam oscilando para mais e para menos,
eventualmente atingindo os picos mximos, quando atuar a proteo do sistema de
controle, seja pela corrente ou tenso mxima.
7.2. Diagramas em blocos
Na figura 17, v-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 nveis de corrente e de tenso de carga,
atravs de sensores que enviam essas informaes ao microcontrolador e este
aciona o sistema de controle, desviando a carga do gerador para uma resistncia
de desvio, mantendo o gerador com carga (para no 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 informaes fornecidas pelo manual
do gerador e obtidas em testes realizados em bancada.
-
43
Figura 18: Diagrama em blocos.
...Fonte: ROCKEL, 2013.
O controle conecta o gerador bateria ou resistncia de desvio,
dependendo dos valores de tenso e corrente fornecidos ao microcontrolador pelos
respectivos sensores. Quando o gerador est conectado bateria, acende o led
verde e quando em desvio, acende o led vermelho.
No display so mostrados os valores de corrente, tenso e tambm pode ser
visto o tempo de carga, se pressionar o boto Timer.
A bateria ou o gerador, se este estiver produzindo carga, alimenta a fonte de
5 V para o microcontrolador e display.
O gerador monitora o nvel de carga da bateria, para cessar a carga ao atingir
o set point.
A Figura 19 mostra como ligada a chave seletora do sistema.
Figura 19: Diagrama geral do sistema. ...Fonte: ROCKEL, 2013. ..........
-
44
O interruptor de trs posies, mostrado no diagrama geral (Figura_19), liga o
gerador diretamente ao banco de baterias; bateria automotiva atravs do sistema
de controle, ou curto-circuita o gerador na posio desligado (posies 1, 2 e 3).
7.3. Estudo e desenvolvimento dos diagramas eletrnicos
Neste captulo so apresentados os circuitos eletrnicos de todas as etapas
do projeto do Sistema de Monitoramento e Controle.
7.3.1. Etapa de potncia
A conexo do gerador bateria feita atravs do transistor IRF4905. Ele
um MOSFET de potncia de canal P, com 52 A de corrente contnua mxima de
dreno, 100 C de temperatura de operao (TC). A tenso limiar da porta (gate
threshold voltage, Vth) est entre 2 V e 4 V. As caractersticas principais deste
transistor POWER MOSFET relacionadas a este projeto esto mostradas no
Anexo C, no final desta monografia.
Figura 20: Conexo do gerador bateria. ...Fonte: Desenho prprio.
Quando a tenso do gerador maior do que a tenso da bateria, ele fica em
condies de carreg-la. Depender do comando do microcontrolador (C), atravs
do transistor Q3, para que haja a conduo no sentido GERADOR BATERIA, pelo
transistor Q1, como se v na Figura 20. O led verde acende quando o gerador est
conectado bateria.
O transistor Q3, 2N7002, que comanda a porta do MOSFET de potncia Q1,
um transistor de efeito de campo (FET), de canal N. Optou-se por esse transistor e
no por um transistor de juno bipolar devido baixa queda de tenso entre
-
45
dreno e fonte, o que resulta em um comando mais definido (sem a queda de tenso
VCE que ocorre nos transistores bipolares).
O diodo D1 um diodo schottky (MBR1060). Ele impede o fluxo de corrente
no sentido BATERIA GERADOR, porque o transistor POWER MOSFET no tem
capacidade para bloqueio de tenses inversas. O fato se deve ao diodo intrnseco
antiparalelo existente em sua estrutura (AHMED, 2006). Optou-se por um diodo
schottky por causa de sua baixa queda de tenso direta.
A corrente mxima IF(AV) (Average Rectified Forward Current) do diodo 10 A
e a tenso reversa mxima 60 V. Outras caractersticas podem ser vistas no seu
datasheet Anexo D.
7.3.1.1. Simulao do circuito de potncia
Na Figura 21, v-se uma simulao feita no PROTEUS 7.7. O objetivo desta
simulao verificar as condies do transistor IRF4905, quando submetido aos
valores extremos de corrente (9 A) e tenso (14,5 V) do gerador, aplicados bateria,
definidos na programao do microcontrolador.
Figura 21: Simulao de carga da bateria atravs do transistor IRF4905 (POWER MOSFET canal P). ..Fonte: ROCKEL, 2013.
S D
G
-
46
O transistor Q3 (2N7002) que aparece no diagrama da Figura 20 foi
substitudo pelo interruptor (SW) na simulao da Figura 21.
Quando um MOSFET de potncia usado como chave e est na condio
ligado, forado a operar na regio hmica. Isso garante que a queda de tenso no
dispositivo seja baixa, de tal modo que a corrente de dreno fique determinada pela
carga. Assim, a perda de potncia no dispositivo pequena (AHMED, 2006).
Figura 22: Grficos da corrente ID, em funo da tenso VDS, em cada nvel de tenso VGS. ..Fonte: Datasheet do transistor POWER MOSFET P IRF4905, f. 3.
No diagrama da simulao, mostrado na Figura 21, a tenso de queda no
transistor Q1 (POWER MOSFET) 0,13 V e a corrente 9 A. Se plotar estes valores
no grfico da Figura 22, em qualquer nvel de tenso VGS acima de 5 V, cair na
regio hmica do transistor, demonstrado pelas retas diagonais, onde a corrente ID
aumenta (em mdulo) de forma diretamente proporcional ao aumento da tenso VDS.
A condio para operao do MOSFET na regio hmica dada por:
VDS VGS + VTH e VDS < 0
(Para MOSFET canal P)
Substituindo pelos dados mostrados na simulao, considerando VTH = (_2)
temos:
VDS = ( 0,13) 0
( 0,13) ( 14,5) + ( 2) => ( 0,13V) > ( 16,5V)
Eq. 14
-
47
A potncia dissipada pelo transistor Q1 (Eq. 1):
7.3.2. Etapa de desvio
Durante o processo de carga da bateria pelo gerador, quando a tenso ou a
corrente excede o limite estipulado no programa do microcontrolador, este comanda
o transistor Q1 para cortar o fornecimento de carga bateria (comando feito atravs
do transistor Q3). Simultaneamente, o microcontrolador aciona o desvio de carga
para o gerador elico no girar livre. O desvio de carga proporcionado por outro
MOSFET de potncia, IRF2807, canal N, o qual conecta ao gerador uma resistncia
de 2,2 150W. O led vermelho acende nesse instante.
O transistor IRF2807 opera com 63 A de corrente mxima de dreno, 100 C
(TC). A tenso limiar da porta (gate threshold voltage, Vth) est entre 2 V e 4 V. As
caractersticas principais deste transistor POWER MOSFET relacionadas a este
projeto esto mostradas no Anexo E, no final desta monografia.
Na Figura 23, v-se o diagrama da etapa de desvio de carga do gerador.
Figura 23: Desvio de carga do gerador elico. ..Fonte: ROCKEL, 2013
Para o transistor MOSFET de potncia canal N entrar no modo de conduo,
o dreno deve ser positivo em relao fonte (VD > VS) e uma tenso pequena
positiva (VGS) aplicada na porta. No havendo tenso na porta, a chave (transistor)
fica desligada; ou seja: a tenso da porta que controla as condies ligado e
desligado (AHMED, 2006).
-
48
Portanto, quando o transistor Q4 estiver conduzindo, no h tenso entre a
porta e a fonte (VGS) de Q2 e ele permanece em corte, dando condio ao gerador
de carregar a bateria. Quando o microcontrolador altera o estado de Q4, deixando-o
em corte (aberto), o resistor R3 aplica uma tenso positiva na porta de Q2 e ele
passa a conduzir, conectando ao Terra (GND) a resistncia de desvio R2, a qual
passa a ser a carga do gerador, que foi desconectado da bateria nesse instante.
7.3.3. Monitoramento do nvel de carga da bateria para o gerador
O fabricante do gerador elico informa que ele necessita de uma tenso
mnima da bateria de aproximadamente 10,5 V. Se no houver essa informao ao
gerador (da tenso da bateria), ele funcionar como se estivesse em circuito aberto
(SOUTHWEST, 2011). Diante disso, necessrio inserir no projeto um modo do
gerador monitorar a tenso da bateria.
Figura 24: Monitoramento da tenso da bateria pelo gerador. ...Fonte: ROCKEL, 2013.
Na Figura 24 v-se o transistor de juno bipolar NPN (BC337) posicionado
no sentido de conduo BATERIA GERADOR. Ele um transistor de sinal, com
corrente mxima de coletor (IC), 800 mA e 45 V de tenso mxima VCE, conforme
informaes de seu datasheet (MOTOROLA, 1996).
O resistor R4, de 1k, polariza a base do transistor. Como a impedncia nos
terminais do gerador muito alta (constatada durante testes em bancada), o valor de
R4 no crtico, porque no haver fluxo significativo de corrente pelo transistor Q5
em nenhuma das seguintes condies:
VGen > VBat , VGen < VBat e gerador em desvio.
O diodo D3 coloca em corte o transistor Q5 quando o gerador estiver em
desvio (VB_
-
49
7.3.4. Monitoramento e controle do nvel de corrente
O valor da intensidade de corrente obtido por um sensor que opera por
Efeito Hall, e envia essa informao ao microcontrolador.
7.3.4.1. Sensor Hall
A informao da intensidade de corrente de carga, dada ao microcontrolador,
fornecida pelo sensor ACS750xCA-50, da Allegro MicroSystems Inc. Trata-se de
um sensor totalmente integrado, baseado no Hall Effect, com isolao de alta tenso
e baixa resistncia no condutor de corrente.
A corrente que flui atravs do condutor de cobre interno do sensor, gera um
campo magntico que o C.I. Hall transforma numa tenso proporcional. Esse
condutor que tem capacidade de at 50 A possui resistnca de 130 . A
preciso do dispositivo otimizada pela proximidade do sinal magntico do
transdutor Hall. Uma tenso proporcional, exata e estvel, fornecida na sada do
sensor (ALLEGRO, 2009).
Os terminais do condutor de corrente so eletricamente isolados dos
condutores de sinal. Isto permite que a famlia ACS75x de ICs sensores no
necessitem do uso de opto-isoladores ou outras tcnicas 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 est bem visvel o condutor de passagem da corrente, que atravessa
o interior do chip. V-se tambm os trs terminais menores, de alimentao e sada
de sinal. Nas prximas figuras, 26 e 27, so mostrados, respectivamente, o
-
50
diagrama em blocos das etapas do circuito interno e o diagrama esquemtico dos
pinos do componente.
Figura 26: Diagrama em blocos do Sensor Hall . ...Fonte: Datasheet do componente (ALLEGRO, 2009).
Figura 27: Diagrama de uma aplicao tpica do Sensor Hall . ...Fonte: Datasheet do componente (ALLEGRO, 2009).
7.3.4.2. O Efeito Hall
O efeito Hall a produo de diferena de potencial atravs de um condutor
eltrico. Essa tenso transversal corrente no condutor e perpendicular ao
campo magntico. Dentro de um mesmo material, por exemplo um fio metlico que
esteja conduzindo corrente e sendo afetado por um campo magntico, surge uma
-
51
diferena de tenso entre dois locais, pertencentes a um plano perpendicular
corrente e ao campo magntico incidente ao fio, dessa mesma barra. O Efeito Hall
foi descoberto por Edwin H. Hall no final do sculo XIX (RESENDE NETO, 2010).
Figura 28: Aplicao de campo eltrico em uma barra de metal. ...Fonte: Resende Neto, 2010.
A diferena de potencial entre os dois pontos V = VH e V = 0V como mostrado
na Figura 28, chamada de tenso de Hall. A magnitude da fora magntica
implicada na Barra qvdB. Essa fora magntica equilibrada pela fora
eletrosttica da magnitude qEH, onde EH o campo eltrico separao das cargas
eltricas. Ento temos que EH = vdB. Se a largura da barra w, a diferena de
potencial EHw. Com isso, a tenso Hall (TIPLER, 2009):
VH = EH w VH = vd Bw
Onde VH a tenso Hall, w a largura da barra, vd a velocidade de deriva
dos eltrons, e B o campo magntico incidente perpendicularmente barra. Como
esta velocidade de deriva para correntes comuns muito reduzida, podemos, por
meio da tenso 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 a rea da seo transversal da barra, e n 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
Eq. 17
Eq. 18
Eq. 19
Como a maioria dos portadores de cargas so eltrons, a quantidade |q|, a
carga de um eltron e. Ento, a densidade de nmero de portadoras de carga n
dada por (TIPLER, 2009):
Substituindo as equaes 14 e 16, temos que:
Onde I a corrente, B o campo magntico, d a largura da fita, e a carga
do eltron, VH a tenso Hall.
Com isso, a tenso Hall nos fornece um mtodo conveniente para a medida
de campos magnticos. Se rearranjarmos a equao anterior, podemos escrever a
tenso Hall como:
Onde, VH a tenso Hall, I a corrente que passa na barra, n a densidade de
portadoras de carga, d a altura, e a carga elementar do eltron, e B o campo
magntico.
7.3.4.3. Diagrama eletrnico do sensor de corrente
Figura 29: Diagrama do sensor de corrente (Sensor Hall). ...Fonte: ROCKEL, 2013.
A Figura 29 apresenta a ligao do gerador bateria, com o sensor de
corrente inserido entre o transistor Q1 e o diodo D1. V-se que a corrente de carga
passa pelo condutor principal do sensor de corrente e, atravs do efeito Hall, uma
-
53
Eq. 20
tenso proporcional ao valor da corrente produzida no pino 3 do sensor e enviada
ao microcontrolador (como tambm mostrado nas figuras 26 e 27).
O sensor alimentado por 5 V (VDD) e a sua sada varia entre + 2 V e - 2 V,
corespondentes a + 50 A e - 50 A. Portanto, h uma relao de 40 mV/A. O valor de
referncia 0 A (zero amper) igual a 2,5 V da tenso da fonte de 5 V.
O processamento desses sinais no microcontrolador apresentado na
seo_7.4.
7.3.5. Monitoramento e controle do nvel de tenso
A informao da tenso da bateria, dada ao microcontrolador, feita por um
divisor de tenso, conforme mostra a Figura 30.
Figura 30: Diagrama do sensor de tenso. ...Fonte: ROCKEL 2013.
Uma tenso proporcional tenso da bateria enviada ao microcontrolador.
O resistor varivel (Aj1) serve para aferir essa tenso, de acordo com a indicao no
display LCD do sistema de controle e um voltmetro padro de referncia.
Para facilitar o ajuste para que ele seja suave todo o percurso do resistor
varivel compreende apenas aproximadamente 2,5% da resistncia total do divisor
de tenso, como se v na equao 20, abaixo.
-
54
Eq. 21
H a necessidade de incluir um divisor de tenso ao invs de se obter uma
leitura direta da tenso da bateria porque o microcontrolador alimentado com
apenas 5 V. Uma variao de zero a 20 V na tenso do gerador corresponder a uma
variao de zero a 5 V na leitura feita pelo microcontrolador, conforme est mostrada
na equao 21:
O processamento desses sinais no microcontrolador apresentado na
seo_7.4.
7.3.6. Diagrama do microcontrolador
A Figura 31 apresenta as ligaes feitas no microcontrolador PSoC
CY8C29466-24PXI, da Cypress.
Figura 31: Diagrama do microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI. ...Fonte: ROCKEL, 2013.
No diagrama mostrado acima se v as conexes eltricas feitas no
microcontrolador dos sensores de corrente e tenso, controle dos transistores de
-
55
potncia Q1, Q2, timer, display LCD, interruptor de iluminao e trimpot de ajuste do
contraste dos caracteres do display, alm da alimentao ( 5 V ).
O microcontrolador comanda o os transistores Q1 e Q2 em funo dos nveis
de sinais recebidos de corrente e tenso de carga, produzidos pelo gerador. Ele
mostra no visor LCD a intensidade de corrente de carga e a tenso na bateria.
Quando pressiona-se o boto TIMER, aparece no visor LCD a indicao de tempo
de carga a que a bateria foi submetida desde o incio, quando foi conectada ao
gerador. O resistor varivel 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 alimentao
Para o microcontrolador, sensor de corrente (sensor HALL) e o display LCD
so necessrios 5 V de tenso de alimentao. Esta tenso fornecida por um
regulador de tenso 7805, conforme se v no diagrama da Figura 32.
Figura 32: Diagrama da fonte de alimentao de 5 V (VDD). ... Fonte: ROCKEL, 2013.
A entrada do regulador de tenso ligada ao terminal positivo da bateria e,
portanto, recebe energia proveniente do gerador, quando este estiver produzindo
tenso 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 no estiver produzindo (quando no h ventos), para no apagar os dados
referentes contagem de tempo de carga armazenados na memria RAM do
microcontrolador.
A corrente do microcontrolador 30 mA, do sensor HALL 10 mA e do display
LCD 0,3 mA, considerando esses componentes operando com corrente mxima e a
-
56
luz do display desligada, conforme informaes nos seus respectivos datasheets
(HITACHI, 1998; CYPRESS, 2004; ALLEGRO, 2009).
7.3.8. Proteo de sobrecarga
Na proteo contra sobrecarga da bateria, em caso de falha do sistema de
controle, utiliza-se um dispositivo limitador de corrente de estado slido, com
coeficiente positivo de temperatura (PTC), comercialmente denominado de
POLYSWITCH .
A Figura 33 mostra o dispositivo de proteo instalado na entrada positiva do
Sistema de Controle na linha condutora que vem do gerador e atravessa o sistema
de controle, levando carga bateria.
O valor escolhido para o PTC o mesmo definido no programa do sistema de
controle: 9 A. Se eventualmente o controle de corrente mxima no atuar, o polyfuse
cortar o fornecimento de corrente de carga do gerador bateria.
Figura 33: Proteo de sobrecarga da bateria, inserida no sistema de controle do gerador.
Fonte: ROCKEL, 2013.
A escolha desse dispositivo de proteo de sobrecorrente se deve s
diferenas importantes, quando comparado com fusveis e disjuntores. O dispositivo
PTC interrompe a passagem de corrente ao circuito quando h uma sobrecarga, no
entanto, ele no precisa ser substitudo, como um fusvel, e nem rearmado, como
um disjuntor, porque o PTC reinicia automaticamente a conduo de corrente
quando cessa a sobrecarga no circuito.
Quando um disjuntor PTC est acionado, ele deixa passar uma quantidade
pequena, inofensiva, de corrente atravs dele, mantendo porm os dispositivos
desligados. A pequena corrente passante no representa qualquer risco de incndio
ou danos fiao ou componentes do circuito, mas serve para manter o dispositivo
de rearme. Depois que a causa da sobrecorrente eliminada, demora cerca de dez
a quinze segundos para o PTC esfriar, redefinir-se e estar pronto para uso
-
57
novamente. O PTC pode ser desarmado milhares de vezes sem nenhum perigo
(CONTROL VISION, 1997).
A Figura 34, mostra um dispositivo de proteo PTC e na Figura 35 pode-se
ver uma srie desses dispositivos instalados na placa de um painel de interruptores
de sistemas eltricos de aeronave.
Figura 34: Dispositivo de proteo contra sobrecorrente PTC (Positive Temperature Coefficient).
Fonte:
.
Figura 35: Barra de ali