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Tipo: Trabalho de Conclusão de Curso
Título: Conversor Matricial para Interligação de Geradores Eólicos Residenciais
Autor(es): Santana, Caique Nunes Maria
Primeiro Orientador: Tomm, Fabio Luis
Coorientador: Parizzi, Jocemar Biasi
1° Membro da banca: Tomm, Fabio Luis
2° Membro da banca: Parizzi, Jocemar Biasi
3° Membro da banca: Nascimento, Carlos Sonier Cardoso do
Resumo: O emprego de conversores eletrônicos e controle digital nos sistemas de geração de energia contribuem ativamente para o incremento da eficiência do processamento da energia gerada, o que possibilita a entrega de níveis de tesão e frequência adequados às normas e exigências para as cargas. Muitos processos industriais que são alimentados por corrente alternada necessitam de níveis específicos de tensão e fase para seu acionamento e controle, isso impõe critérios de qualidade de energia, que podem ser providos por conversores estáticos. A geração de energia elétrica a partir de geradores eólicos de pequeno porte com gerador síncrono, por ter níveis de tensão e frequência dependentes da velocidade dos ventos tem a necessidade da conversão desses níveis para frequência fixa e tensão compatível com a da carga ou rede, a qual o gerador está conectado. A energia eólica é uma das fontes de energia de crescimento mais rápido no mundo em virtude do incremento das tecnologias que propiciam o processamento da energia elétrica gerada nos terminais de seu gerador elétrico. Tal processamento comumente feito por conversores back-to-back pode ser realizado por um conversor matricial (conversor CA/CA direto) modulado por largura de pulso. Devido ao fato do conversor matricial entregar tensão e frequência em somente um estágio, não são necessários capacitores de barramento CC e podem empregar chaves menos robustas, comparado ao conversor back-to-back. Somente serão necessários capacitores nos filtros de entrada e saída, também presentes no conversor back-to-back. A ausência do barramento CC entre a conversão CA/CA aumenta consideravelmente a expectativa de vida do sistema e diminui a manutenção. Sendo assim, este trabalho visa estudar a interligação do gerador síncrono de aerogeradores residenciais por conversor matricial realimentado, realizando o seu modelamento matemático para a adequação do controle. A metodologia para esta finalidade contempla a escrita do algoritmo que rege o funcionamento do conversor, inicialmente na plataforma de simulação Psim e posteriormente em plataforma digital com microcontrolador ESP-32. A programação do algorítimo foi realizada na plataforma de desenvolvimento (IDE) Arduino. Um protótipo do conversor matricial proposto foi desenvolvido e montado em placa de circuito impresso e interligada à placa do microcontrolador, o que possibilitou a realização dos ensaios de desempenho para que seu comportamento, durante a entrega de tensão e frequência para carga monofásica, fosse observado. Tais ensaios do protótipo reforçam a aplicabilidade do algoritmo empregado para a modulação da tensão, sendo clara a tendência da resposta do conversor comparada com o previsto na literatura. Porém, durante os testes com diferentes cargas na saída e frequências de entrada, observou-se que a saída apresentou conteúdo harmônico considerável e limitações de tensão de saída. A malha de controle implementada não atuou de forma adequada para a garantia da tensão senoidal de baixa distorção harmônica para a carga, culminando na baixa eficiência de operação do conversor. Por fim, conclui-se que o algoritmo necessita de melhoramento, porém é plenamente possível a aplicação de conversores matriciais em aerogeradores de pequeno porte.
Abstract: The use of electronic converters and digital control in energy generation systems actively contribute to increasing the efficiency of the generated energy processing, which enables the delivery of levels of excitement and frequency suited to the norms and requirements for its loads. Many industrial processes that are powered by alternating current need specific voltage and phase levels for their activation and control, which imposes power quality criteria and can be provided by static converters. The generation of electricity from small wind turbines with synchronous generators, as they have voltage and frequency levels dependent on the speed of the wind, requires the conversion of these levels to fixed frequency and voltage compatible with the load or network, which the generator is connected. Wind energy is one of the fastest growing energy sources in the world, due to the increase in technologies that provide the processing of electrical energy generated at the terminals of its electric generator. Such processing, commonly done by back-to-back converters, can be performed by a pulse-width modulated matrix converter (direct AC/AC converter). Due to the fact that the matrix converter delivers voltage and frequency in only one stage, DC bus capacitors are not needed and may employ less robust switches compared to the back-to-back converter. Capacitors only will be needed in the input and output filters, also present in the back-to-back converter. The absence of the DC bus between the AC/AC conversion considerably increases the life expectancy of the system and reduces maintenance. Therefore, this work aims to study the interconnection of the synchronous generator of residential wind turbines by a feedback matrix converter, performing its mathematical modeling for the adequacy of the control. The methodology for this purpose includes writing the algorithm that governs the operation of the converter, initially on the Psim simulation platform and later on a digital platform with ESP-32 microcontroller. The algorithm was programmed using the Arduino development platform (IDE). A prototype of the proposed matrix converter was developed on a printed circuit board and interconnected to the microcontroller board, which made it possible to perform performance tests so that its behavior, during voltage and frequency delivery for single-phase load, could be observed. Such prototype tests reinforce the applicability of the algorithm used for voltage modulation, with a clear trend of the converter response compared to that predicted in the literature. However, during tests with different output loads and input frequencies, it was observed that the output presented considerable harmonic content and output voltage limitations. The implemented control loop could not act properly to guarantee the sinusoidal voltage of low harmonic distortion for the load, culminating in the low efficiency of the converter operation. Finally, it is concluded that the algorithm needs improvement, but the application of matrix converters in small wind turbines is fully possible.
Palavras-chave: Sistemas de controle
Energia renovável
Conversor matricial
Conversores eletrônicos de potência
Controle digital
Control system
Renewable energy
Matrix converter
Power electronics converters
Digital Control.
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal do Pampa
Sigla da Instituição: UNIPAMPA
Campus: Campus Bagé
Citação: SANTANA, Caique Nunes Maria. Conversor Matricial para Interligação de Geradores Eólicos Residenciais. 98 p. 2022. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Energia) – Universidade Federal do Pampa, Campus Bagé, Bagé, 2022.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unipampa.edu.br/jspui/handle/riu/7562
Data do documento: 16-Ago-2022
Aparece nas coleções:Engenharia de Energias Renováveis e de Ambiente

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