Como a energia renovável se transforma em energia elétrica?

Texto de Mehdi Dehghan |  Traduzido por Eduardo Lima

A eletrônica industrial ou eletrônica de potência é um ramo da engenharia elétrica no qual a potência (tensões e correntes) é controlada ou convertida utilizando materiais semicondutores. O projeto e a construção de circuitos eletrônicos de energia têm um custo considerável principalmente no setor acadêmico. Tendo em vista que não pode haver falhas no projeto, pois os custos são expressivos, o uso da simulação torna-se muito importante em projetos eletrônicos de potência. Desta forma, o uso do MATLAB e do Simulink torna-se uma excelente saída para desenvolver sistemas de controle digital para motores, conversores de potência e sistemas de baterias. Implementar pelo MATLAB e Simulink tem várias vantagens, dentre elas:

• Você pode reduzir o tempo do projeto em 50% comparado a programas e testes tradicionais em hardware. Com o Simulink você desenvolve modelos numéricos e gera códigos para algoritmos de controle (code closed-loop).

• Você pode acessar milhares de componentes da modelagem elétrica prontos para uso. Além disso, você tem acesso a demos que já foram testadas e são ótimas para iniciar a simulação no seu desktop.

• Você tem acesso a toolboxes exclusivas para projetos de controle, Fixed-point, processamento de sinais e certificação.

• Você tem suporte de simulação em tempo real para Speedgoat e outras plataformas de hardware em tempo real.

A eletrônica de potência pode ser dividida principalmente em três tipos de circuitos:

• Retificadores

• Conversores

• Inversores

Retificador

Como retificador, existem vários que podem ser encontrados no software MATLAB e Simulink. Dentre eles podemos mencionar alguns circuitos como retificador de meia onda de transistor de uma fase única, retificador de transistor de ondas completas em uma fase, retificador de transistor de meia-onda de três fases e retificador de transistor de ondas completas trifásicas.  Como exemplo, podemos demonstrar a simulação de um retificador em fase única usando uma ponte de diodo na plataforma do Simulink:

Conversor

O Conversor de DC (corrente contínua) para AC (corrente alternada) tem desempenhado um papel importante na transição para a energia renovável.  Os conversores de energia DC-CA são essenciais para o uso de eletricidade em:

• Baterias solares

• Painéis solares

• Turbinas eólicas domésticas

Um dos conversores mais importantes que podem ser usados para aplicações em veículos elétricos é o Conversor AC-DC-AC, como mostrado abaixo. Tecnicamente uma fonte de tensão de 60 Hz alimenta uma carga 50 kW e 50 Hz através de um conversor AC-DC-AC. A tensão de 600V, 60 Hz obtida na secundária do transformador Wye/Delta é primeiramente retificada por uma ponte de diodo de seis pulsos. A tensão DC filtrada é aplicada a um inversor IGBT de dois níveis gerando 50 Hz. O inversor IGBT usa Modulação de Largura de Pulso (Pulse Width Modulation – PWM) a uma frequência portadora de 2 kHz. O circuito é discretizado em um tempo amostral de quatro nós.

Inversor

Este dispositivo é muito usado em sistemas trifásicos.  A topologia de um inversor trifásico consiste em três pernas; cada uma inclui um interruptor na posição para cima ou para baixo. As oito configurações de comutação possíveis resultantes dão origem a seis vetores de espaço de tensão ativos e dois vetores zero. Como exemplo, para implementar inversor trifásica no software MATLAB e Simulink tem-se o controle de tensão em um sistema de inversor trifásica. O inversor é implementado usando IGBTs. Para acelerar a simulação ou para implantação em tempo real, os IGBTs podem ser substituídos pela média dos comutadores. Desta forma, os sinais do portão podem ser mediados durante um período específico ou substituídos por formas de onda de modulação. E no final, com o uso desses circuitos de eletrônica de potência, como retificadores, inversores e conversores,  podemos projetar e simular energia renovável, como por exemplo a energia fotovoltaica, turbinas eólicas e geradores.

Veja também: Energias Sustentáveis e Indústria 4.0

Mehdi Dehgan é PhD em Engenharia Eletrônica e atua na OPENCADD como Engenheiro de Aplicação.