Influence des armatures longitudinales et transversales

Na Figura 32 assim como mostrado na mostrado na Figura 26 não é utilizada a malha de controle de tensão, pois nesse caso a tensão no lado contínuo do conversor é imposta pela fonte CC e não necessita de controle, e por isto também é utilizada a tensão de -13,8 V aplicada como sendo saída do compensador da malha de tensão. O sinal negativo da tensão tem como objetivo fazer com que a corrente saia do indutor, o sinal negativo também fara com que a corrente que saia do indutor seja injetada na rede elétrica um uma defasagem de 180 graus, fazendo com que energia seja injeta na rede elétrica.

A Figura 33 mostra a tensão imposta pela rede elétrica e a corrente fornecida pelo conversor e seus respectivos valores eficazes como sendo 126,6 V e 15,86 A. Nesta figura também pode ser visto que a forma de onda da tensão e da corrente estão defasadas 180 graus uma da outra como previsto.

Figura 32 – Conversor e circuito de controle

Fonte – Autoria própria

Figura 33 – Valores eficazes de tensão e corrente

Fonte – Autoria própria

A Figura 34 mostra a TDH da tensão como sendo de 0,0004% e a TDH para a corrente como sendo de 6,2%.

Figura 34 – Taxa de distorção harmônica da tensão e corrente

Fonte – Autoria própria

Já a Figura 35 mostra o fator de potência entre a tensão e a corrente alternada. Nesta figura é possível observar que o fator de potência é igual a 0,998, indicando que as formas de onda estão praticamente defasadas de 180 graus, indicando que o conversor está de fato injetando energia na rede elétrica.

Figura 35 – Fator de potência

6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Este tópico tem como objetivo expor os resultados experimentais que foram obtidos por meio de ensaios realizados no protótipo mostrado na Figura 36.

O objetivo dos ensaios realizados no protótipo foi comparar os resultados obtidos em simulação numérica com os resultados obtidos em experimentação e verificar se o conversor estava operando como esperado.

Nos APÊNDICES C e D encontram-se, respectivamente, o esquemático e o leiaute da placa de potência.

Nas simulações a referência senoidal para a corrente era fornecida por meio de uma fonte de tensão com frequência de 60 Hertz e amplitude de 5 V, já nos ensaios em laboratório foi utilizado um transformador de 15 V conectado à rede elétrica com um divisor resistivo em sua saída, de modo que o valor de referência a ser aplicado no circuito de controle pudesse ser alterado.

Figura 36 – Foto do protótipo

6.1 FUNCIONAMENTO COMO RETIFICADOR

Neste teste o lado alternado do conversor não foi conectado diretamente a rede elétrica, mas sim a uma fonte utilizada para testar circuitos de potência, capaz de fornecer tensões alternadas com a frequência de 60 Hertz, e níveis de tensão compatíveis com a rede elétrica (127 V eficazes), capaz de prover potência nominal ao conversor.

A Figura 37 mostra a tensão e corrente de saída do protótipo funcionando como retificador. Nesta figura é possível ver que a tensão de saída é igual a 254 V e a corrente de saída é igual a 8,16 A, valores estes que são consistentes com os valores especificados para este protótipo, e valores estes que fazem com que a carga resistiva conectada na saída do conversor retificador drene do conversor uma potência de aproximadamente 2000 W, o que condiz com a potência nominal do conversor.

Figura 37 – Tensão e corrente na saída do retificador

A Figura 38 mostra os valores eficazes da tensão e corrente na entrada do retificador, estes valores são respectivamente 126,2 V e 16,69 A o que mostra que a potência drenada pelo conversor é de aproximadamente 2kW. É possível ver nesta figura que tensão e corrente estão em fase como previsto, mostrando que o conversor está funcionando com um elevado fator de potência. Também é possível notar que a forma de onda da corrente é praticamente senoidal, o que sugere uma TDH de baixo valor.

Figura 38 – Tensão e corrente na entrada do retificador

Fonte – Autoria própria

A Figura 39 tem o intuito de mostrar a modulação 3 níveis, bem como a tensão máxima nas chaves. Para mostrar a modulação em 3 níveis é necessário mostrar tanto a tensão Vab quanto a forma de onda da tensão ou corrente na entrada do conversor. Neste caso escolheu-se a corrente de entrada do conversor, e é possível ver que o protótipo está sendo modulado em 3 níveis pois existe 3 níveis de tensão atribuídos a tensão Vab, e também é possível que a forma de onda da tensão Vab está em fase com a forma de onda da corrente de entrada do conversor.

Figura 39 – Tensão Vab e corrente na entrada do retificador

Fonte – Autoria própria

A Figura 40 trata-se de uma análise harmônica realizada na tensão e corrente de entrada do circuito retificador que mostra que de fato o retificado esta funcionado com uma TDH na corrente de 4,26% o que pode ser considerado uma baixa distorção. Os dados contidos nessa figura também mostram que o conversor está operando drenando aproximadamente 2 kW de potência.

Figura 40 – Taxa e Distorção Harmônica da corrente drenada pelo retificador

Fonte – Autoria própria

A Figura 41 mostra as tensões e correntes da entrada e saída do conversor na tela de um Wattímetro digital. É possível ver que tanto a potência de entrada quanto a potência de saída têm valores próximos ao valor projetado para o conversor, e que existe apenas 100 Watts sendo dissipados, o que confere um rendimento de 95,26% para o conversor em potência nominal.

Figura 41 – Rendimento do conversor operando como retificador

Fonte – Autoria própria

6.2 FUNCIONAMENTO COMO INVERSOR EM MALHA ABERTA

Para fazer o conversor funcionar como um inversor em malha aberta foi necessário fazer uma pequena modificação no circuito controlador. Esta modificação consistia em interromper a trilha de sinal que leva a tensão de saída do compensador da malha de corrente até a entrada dos circuitos moduladores. Após tal interrupção foi feito o cálculo do valor de pico da tensão que deveria ser injetada no modulador para que pudesse ser obtida uma tensão eficaz de 127 V na saída do inversor. O valor de pico da tensão senoidal com frequência de 60 Hz aplicada no modulador foi calculado utilizando a razão entre a tensão de pico da rede e a tensão contínua do barramento, obtendo-se o índice de modulação. Multiplicando-se o índice de modulação pelo valor de pico da tensão triangular com frequência de 20 kHz, obtém- se o valor de pico da tensão senoidal. Nos experimentos tinha-se que a tensão de pico da dente de serra era igual a 6,5 V, com isso o valor de pico da tensão senoidal

a ser utilizada deveria ser de 4,65 V. Este valor foi obtido com o auxílio de um transformador conectado à rede e um divisor resistivo em sua saída.

Neste ensaio assim como feito em simulação, no lado alternado do conversor foi conectado uma carga resistiva capaz de drenar potência nominal do conversor, e no lado contínuo foi conectada uma fonte capaz de prover a tensão, corrente e potência necessária para que o conversor funcionasse em potência nominal.

A Figura 42 mostras as formas de onda da tensão e corrente do lado alternado do conversor, é possível observar que se tem uma tensão de 126,5 V e uma corrente de 15,94 A, mostrando que a resistência colocada como carga no lado alternado do conversor esta drenando potência nominal do conversor.

Figura 42 – Corrente e tensão na saída do inversor

Fonte – Autoria própria

Assim como mostrado em simulação a Figura 43 mostra a tensão Vab no conversor e a tensão no lado alternado do inversor, como intuito de mostrar a modulação em três níveis, bem como a tensão máxima nas chaves. Na figura é possível observar que a tensão máxima que aparece nas chaves é de 251,4 V.

Figura 43 – Tensão na saída do inversor e tensão Vab

Fonte – Autoria própria

Assim como mostrados nos resultados por simulação a Figura 44 mostra os resultados experimentais obtidos para a tensão e corrente do lado contínuo do inversor, nesta figura é possível observar que a tensão na entrada do inversor tem um valor médio de 250,9 V contendo uma ondulação pequena, já a corrente drenada pelo conversor apresenta um nível médio em 8,59 A e uma ondulação similar a ondulação observada nas simulações. Estes valores de tensão e corrente no lado contínuo do inversor mostram que o conversor está trabalhando próximo as condições nominais de tensão e corrente.

Figura 44 – Tensão e corrente no lado contínuo do inversor

Fonte – Autoria própria

A Figura 45 mostra as tensões, correntes e potências da entrada e saída do conversor mostradas na tela de um Wattímetro digital. Esta figura mostra também o rendimento do conversor funcionando como inversor em malha aberta, e é possível observar que pelos níveis de tensão, corrente e potência o conversor está operando em potência nominal com perdas próximas a 100 Watts, conferindo um rendimento de 95,65 % ao inversor.

Figura 45 – Rendimento do conversor funcionando como inversor

Fonte – Autoria própria

6.3 FUNCIONAMENTO COMO INVERSOR CONECTADO À REDE ELÉTRICA (MALHA FECHADA)

Para que o conversor pudesse de fato ser testado conectado à rede elétrica foi necessário utilizar um transformador com a relação de transformação de um para um para fazer isolamento galvânico entre o conversor e a rede elétrica, pelo fato de que a fonte de tensão continua utilizada para alimentar o conversor durante os ensaios não ser isolada.

Com relação ao circuito de controle, este foi utilizado como descrito na sessão 5.3.

A única diferença entre a simulação e os testes do conversor na bancada foi a utilização de uma resistência variável de potência conectando o lado alternado do conversor ao transformador com o intuito de eliminar variações bruscas de corrente quando o conversor fosse conectado à rede elétrica, uma vez que a conexão do

conversor com a rede elétrica foi feita tendo quando tinha se uma tensão de 50 V no lado contínuo do conversor.

Após feita essa conexão do conversor com a rede através do transformador a tensão contínua era aumentada até o valor nominal, então a resistência variável diminuída até praticamente zero.

A Figura 46 mostra as formas de onda da tensão e corrente no lado alternado do conversor funcionando como inversor em malha fechada. Esta figura também mostra os valores eficazes da corrente e tensão como sendo respectivamente 6,77 A e 130,9 V. Vale ressaltar que a tensão mostrada na figura é medida no lado do transformador que está conectado à rede elétrica.

Figura 46 – Tensão e corrente do lado alternado do conversor

Fonte – Autoria própria

A Figura 47 mostra a TDH da tensão e corrente. Para que tal teste pudesse ser realizado uma das ponteira teve que ser invertida, para que o osciloscópio fosse capaz de realizar o ensaio, uma vez que potência está sendo entregue à rede elétrica por meio da corrente defasada de 180 graus da tensão. Na figura é possível ver que

se obteve uma Taxa de Distorção Harmônica pequena tanto para tensão quanto para corrente, e seus valores são respectivamente 2,91% e 3,9%.

Devido a adaptações com o circuito de controle não foi possível realizar o teste do conversor funcionando em potência nominal como um inversor em malha fechada conectado à rede elétrica, por isso a potência mostrada na Figura 47 foi de apenas 886,3 Watts.

Figura 47 – Taxa de Distorção Harmônica da corrente sendo injetada na rede

7 CONCLUSÃO

As metas propostas para este trabalho foram: agregar conhecimento sobre a conexão de um conversor capaz de fornecer energia à rede elétrica, construir e testar o conversor boost bidirecional em condições nominais de funcionamento, entender o funcionamento do circuito de controle deste conversor, fazer com que o conversor proposto operasse com um elevado fator de potência e um elevado rendimento quando submetido a condições nominais de funcionamento.

Pode se dizer que tais objetivos previamente descritos foram alcançados, pois os resultados por simulação mostraram resultados promissores para o conversor e os resultados experimentais comprovaram as características funcionais esperadas para o mesmo, apresentando um elevado rendimento e fator de potência e uma baixa TDH da corrente.

Com o intuito de mostras que as TDH obtidas para a corrente sendo entregue à rede elétrica pelo conversor tem seus valores dentro do esperado, a Figura 48, retirada da Norma de Distribuição Unificada mostra os valores limites para distorção da corrente.

Figura 48 – Limites de distorção na corrente para um sistema de geração distribuída

Fonte - Norma de Distribuição Unificada – NDU – 013

Este trabalho também agregou conhecimento acadêmico tanto para autor quanto para seu orientador, pois a conexão do conversor proposto à rede elétrica apresentou algumas barreiras que tiveram de ser abordadas com outros pontos de vista, para que o conversor funcionasse como esperado.

Como meta futura para este trabalho pode-se colocar a melhoria do circuito controlador, para que o conversor seja capaz de entregar potência nominal à rede elétrica. Ensaios mais realísticos podem serem feitos com a substituição da fonte CC ou por um banco de baterias com tensão nominal de 250 V, ou por um outro conversor bidirecional conectado ao um banco de baterias capaz de fornecer 250 V em sua saída, pois tal teste eliminaria a necessidade da utilização de um transformador como descrito no tópico 6.3.

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