Controle de Turbina Eólica de Baixa Potência

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SISTEMA DE CONTROLE DE TURBINA EÓLICA DE 
BAIXA POTÊNCIA UTILIZANDO TÉCNICA DE 
RASTREAMENTO DO PONTO DE MÁXIMA POTÊNCIA 
 
 
Roberto Augusto Freitas Dias 
 
 
 
 
 
 
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de 
Engenharia Eletrônica e de Computação da Escola 
Politécnica, Universidade Federal do Rio de 
Janeiro, como parte dos requisitos necessários à 
obtenção do título de Engenheiro. 
 
 
Orientador: Carlos Fernando Teodósio Soares 
 
 
 
 
 
 
Rio de Janeiro 
 
 Março de 2015 
 
 
ii
SISTEMA DE CONTROLE DE TURBINA EÓLICA DE 
BAIXA POTÊNCIA UTILIZANDO TÉCNICA DE 
RASTREAMENTO DO PONTO DE MÁXIMA POTÊNCIA 
 
 
 
 
Roberto Augusto Freitas Dias 
 
 
 
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO 
DE ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE COMPUTAÇÃO DA ESCOLA 
POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO 
PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE 
ENGENHEIRO ELETRÔNICO E DE COMPUTAÇÃO 
 
 
Autor: 
_________________________________________________ 
Roberto Augusto Freitas Dias 
 
Orientador: 
_________________________________________________ 
Prof. Carlos Fernando Teodósio Soares, D. Sc. 
 
Examinador: 
_________________________________________________ 
Prof Joarez Bastos Monteiro, D. Sc. 
 
Examinador: 
_________________________________________________ 
Prof. Maurício Cardoso Arouca, D. Sc. 
 
 
 
 
Rio de Janeiro – RJ, Brasil 
Março de 2015 
 
 
iii 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO 
Escola Politécnica – Departamento de Eletrônica e de Computação 
Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária 
Rio de Janeiro – RJ CEP 21949-900 
 
 
Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que 
poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar 
qualquer forma de arquivamento. 
É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre 
bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja 
ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde3 que sem 
finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa. 
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e 
do(s) orientador(es). 
 
 
iv
DEDICATÓRIA 
 
 
Dedico este trabalho aos meus pais que investiram em mim durante um longo 
tempo para que eu pudesse alcançar este momento e sempre me ensinaram a nunca 
desistir dos meus objetivos. 
A Lívia Rocha Abreu, que sempre me apoiou nos momentos mais difíceis da 
minha vida, por ser uma mulher incrível a quem eu amo. 
A toda a minha família por confiar na minha capacidade de fazer a diferença. 
Ao grande amigo Pedro Henrique Castello Branco Dágola, a quem eu tive o 
imenso prazer de conhecer ao abraçar esta jornada. 
 A todas as forças espirituais que me protegeram e me orientaram para que eu 
fizesse as melhores escolhas até este momento. 
 
 
 
 
 
v
AGRADECIMENTO 
 
 Agradeço ao Professor Carlos Fernando Teodósio pela orientação durante a 
confecção deste trabalho, pelo seu exemplo de profissionalismo e por ter sido um dos 
melhores professores que tive durante esta graduação. 
 Ao Professor Carlos José Ribas D’avilla, coordenador do curso de Engenharia 
Eletrônica e de Computação, por toda a sua dedicação no cargo público que exerce, pelo 
carinho e respeito para com todos os alunos e pelo exemplo de profissionalismo. 
 Ao Professor Joarez Bastos Monteiro por todo o conhecimento transmitido de 
forma clara e objetiva e por todas as orientações profissionais. 
 Ao Professor Maurício Cardoso Arouca por todo o apoio dado desde o momento 
que nos conhecemos. 
 A Luiz Cezar Sampaio, diretor executivo da Enersud, por disponibilizar os 
materiais necessários para a execução dos testes deste projeto e por toda a sua 
cordialidade. 
 A PRV TECH Soluções Eletrônicas, por disponibilizar as suas instalações e 
fornecer todos os materiais necessários para o desenvolvimento deste projeto. 
 
 
 
 
 
 
vi
RESUMO 
 
Este trabalho tem como objetivo desenvolver um controlador para turbina eólica 
de baixa potência (350 W), com baixo custo e que seja capaz de otimizar a eficiência 
energética, através do rastreamento do ponto de máxima potência fazendo uso do 
método perturba e observa. Para tal, o controlador será dotado de um conversor CC-CC 
do tipo buck, para que através da mudança do seu regime de trabalho possa ser 
controlado o fluxo de energia entre a turbina eólica e a carga. 
Serão apresentados os principais tipos de conversores CC-CC e os principais 
métodos de rastreamento do ponto de máxima potência, que têm sido amplamente 
adotados em sistemas de geração fotovoltaicos. 
Ao final será apresentado o circuito eletrônico resultante deste trabalho e os 
resultados alcançados utilizando o método perturba e observa em uma turbina eólica. 
Por ter sido concebido utilizando componentes de baixo custo, este projeto 
facilitará o acesso à geração de energia renovável para os consumidores comuns. 
 
 
 
Palavras-Chave: Turbina eólica, ponto de máxima potência, eficiência energética, 
energia renovável, conversor buck. 
 
 
 
 
vii
ABSTRACT 
 
This work aims to develop a controller for low power wind turbine (350 W) with 
low cost and is able to optimize the energy efficiency by tracking the maximum power 
point making use of the method disturbs and observes. To this end, the controller will 
have a dc-dc buck converter type, so by changing their system of work can be 
controlled the flow of energy between the wind turbine and the load. 
The main types of DC-DC converters and the main methods of tracking the 
maximum power point, which have been widely adopted in photovoltaic generation 
systems will be presented. 
At the end of the electronic circuit resulting from this work will be presented 
and the results obtained using the method disturbs and observes on a wind turbine. 
Having been designed using low-cost components, this project will facilitate access to 
renewable energy generation for ordinary consumers. 
 
Key-words: Wind turbine, maximum power point, energy efficiency, renewable energy, 
buck converter. 
 
 
 
 
 
viii 
SIGLAS 
 
A/D – Analógico Digital 
AFPMSG – Axial Flux Permanent Magnetic Synchronous Generator 
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica 
CA – Corrente Alternada 
CC – Corrente Contínua 
MPPT – Maximum Power Point Tracking 
PWM – Pulse Width Modulation 
 
 
 
ix
Sumário 
 
 
1 Introdução 1 
 
1.1 - Tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 
1.2 - Delimitação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 
1.3 - Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 
1.4 - Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 
1.5 - Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 
1.6 - Descrição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 
 
2 Energia Eólica 4 
 
2.1 - Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 
2.2 - Aerogeradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 
2.3 - Potência Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 
2.4 - Turbina Eólica Escolhida para este Trabalho . . . . . . . . . . . . 7 
 
3 Conversores CC-CC 8 
 
3.1 - Conceito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 
3.2 - O Conversor CC-CC Abaixador ou Buck . . . . . . . . . . . . . . . 9 
3.3 - O Conversor CC-CC Elevador ou Boost . . . . . . . . . . . . . . . 10 
3.4- O Conversor CC-CC Abaixador-Elevador ou Buck-Boost . . 11 
 
4 Técnicas de Rastreamento do Ponto de Máxima Potência 13 
 
4.1 - O que é o ponto de Máxima Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 
 
 
x
4.2 - Técnica da Tensão Constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 
4.3 - Técnica Perturba e Observa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 
4.4 - Técnica da Condutância Incremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 
 
5 Projeto do Conversor Buck 18 
 
5.1 - Escolha do Conversor CC-CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 
5.2 - Características do Projeto do Conversor CC-CC . . . . . . . . . 19 
5.3 - Determinação do Regime de Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 
5.4 - Determinação do Indutor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 
5.5 - Cálculo Físico do Indutor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 
5.5.1 - Escolha do Núcleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 
5.5.2 - Número de Espiras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 
5.5.3 - Cálculo da Bitola dos Condutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 
5.6 - Dimensionamento do Capacitor de Entrada . . . . . . . . . . . . . 22 
5.7 - Dimensionamento do Capacitor de Saída . . . . . . . . . . . . . . . 23 
5.8 - Escolha do MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 
 
6 Implementação da Técnica MPPT 25 
 
6.1 - Escolha do Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 
6.2 - Sensor de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 
6.3 - Sensor de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 
6.4 - Fluxograma do Algoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 
 
7 Placa de Controle 31 
 
7.1 - Visão Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 
 
 
xi
7.2 - Esquemático Eletrônico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 
7.3 - Layout da Placa de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 
7.4 - Circuito de Acionamento das Chaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 
 
8 Placa de Potência 34 
 
8.1 - Visão Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 
8.2 - Esquemático Eletrônico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 
8.3 - Layout da Placa de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 
 
9 Resultados Experimentais 36 
 
9.1 - Teste do Conversor Buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 
9.2 - Testes do Algoritmo MPPT Realizados na Bancada 
Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
 
37 
9.3 - Testes do Algoritmo MPPT Realizados em Túnel de Vento . . 38 
 
10 Conclusão e Trabalhos Futuros 40 
 
 Bibliografia 41 
 
A Esquemático da Placa de Controle 43 
 
B Esquemático da Placa de Controle 44 
 
 
 
 
xii
Lista de Figuras 
 
2.1 – Linha do tempo do desenvolvimento da energia eólica no período do século 
XI ao século XIX 
4 
2.2 – Antigo moinho de vento utilizado na região nordeste do Brasil em uma 
salina entre as décadas de 1960 e 1970 
5 
2.3 – Fazenda eólica para a produção de eletricidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 
2.4 – Turbina eólica Notus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 
3.1 – Modulação PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 
3.2 – Conversor Buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 
3.3 – Conversor Boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 
3.4 – Conversor Buck-Boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 
4.1 – Sistemas interconectados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 
4.2 – Gráficos do ponto de máxima transferência de potência . . . . . . . . . . . . . . . . 14 
4.3 – Fluxograma do algoritmo perturba e observa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 
5.1 – Conversor Proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 
5.2 – Núcleo de ferrite, carretel e seus parâmetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 
6.1 – Proposta de arranjo para a implementação do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 
6.2 – Estrutura interna do microcontrolador PIC16F876A . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 
6.3 – Microcontrolador PIC16F876A com encapsulamento DIP-28 . . . . . . . . . . . 26 
6.4 – Cristal utilizado para a geração do sinal de clock do microcotrolador . . . . . 27 
6.5 – Estrutura interna do circuito integrado sensor de corrente . . . . . . . . . . . . . . 27 
6.6 – Aplicação típica sugerida pelo fabricante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 
6.7 – Placa comercial com sensor já montado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 
6.8 – Sensor de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 
6.9 – Fluxograma do algoritmo perturba e observa implementado . . . . . . . . . . . . 30 
7.1 – Esquemático eletrônico da placa de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 
7.2 – Layout do circuito impresso da placa de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 
 
 
xiii 
7.3 – Sugestão de aplicação do driver IR2104 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 
7.4 – Arquitetura interna do driver IR2104 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 
8.1 – Esquemático eletrônico da placa de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 
8.2 – Layout da placa de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 
9.1 – Forma de onda da corrente no indutor do conversor Buck . . . . . . . . . . . . . . 36 
9.2 – Forma de onda da tensão na saída do conversor Buck . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 
9.3 – Gráfico da transferência de potência para diferentes resistências de entrada 37 
9.4 – Evolução da potência no tempo para uma carga de 13,6 Ohms . . . . . . . . . . 38 
9.5 – Evolução da potência no tempo para uma carga de 2,6 Ohms . . . . . . . . . . . 38 
9.6 – Resultado dos testes realizados em túnel de vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 
 
1 
Capítulo 1 
Introdução 
 
1.1 – Tema 
O tema do trabalho está centrado no controle de turbinas eólicas de baixa 
potência utilizando técnica de rastreamento do ponto de máxima potência, 
implementada em um conversor CC-CC do tipo buck . 
As turbinas eólicas de baixa potência não possuem sistemas de controle 
mecânicos avançados a fim de mantê-las na região de máxima eficiência aerodinâmica, 
como ocorre em turbinas de alta potência. Isto ocorre porque a implementação de tais 
controles neste tipo de turbina inviabilizaria o seu comércio. 
Este trabalho visa desenvolver um sistema de controle, baseado na técnica 
perturba e observa , aplicado a um conversor buck para que se possa manter a turbina 
eólica com a sua velocidade angular dentro da faixa de máxima geração de potência. 
 
1.2 – Delimitação 
O objeto de estudo são turbinas eólicas de baixa potência, na faixa de 0,35 kW a 
1,5 kW que fazem uso de alternadores do tipo máquina de tórus (AFPMSG – Axial Flux 
Permanent Magnet Synchronous Generator) e que possuemtensão de trabalho de 24V 
ou 48 V. Será implementado um algoritmo de controle baseado na técnica Perturba e 
observa, com o objetivo de extrair o maior rendimento da turbina. Os sistemas de 
frenagem eletromecânica não será abordado neste trabalho. 
 
1.3 – Justificativa 
A energia elétrica é uma das energias mais fáceis de ser transmitida e 
transformada. Devido a isso, ela é amplamente utilizada em nossa sociedade. Nos 
últimos anos, a demanda por eletricidade cresceu acentuadamente, principalmente pelos 
avanços e pelo barateamento dos equipamentos eletro-eletrônicos. Tal crescimento 
gerou a necessidade de novas fontes de energia elétrica ligadas ao sistema elétrico 
 
 
2
nacional, a fim de não sobrecarregá-lo e, consequentemente, causar apagões que geram 
transtornos e prejuízos a toda sociedade. 
A microgeração tem sido uma solução amplamente explorada para solucionar o 
problema do aumento da demanda por eletricidade. Fontes alternativas, como a eólica e 
a solar, têm sido empregadas em sistemas de microgeração. 
Em 17 de Abril de 2012 a ANEEL aprovou a resolução normativa nº 482 que 
define as regras para a microgeração em nosso país. Com esta iniciativa governamental, 
abre-se um novo mercado na área das energias renováveis, as quais se apresentam com 
inúmeros desafios a serem vencidos. Este trabalho visa solucionar alguns destes 
desafios. 
 
1.4 – Objetivos 
O objetivo deste trabalho é implementar um algoritmo de rastreamento do ponto 
de máxima potência para o controle da energia fornecida por uma turbina eólica de 
baixa potência, de modo que se possa extrair a maior quantidade de energia possível do 
vento. Este algoritmo deverá ser gravado em um microcontrolador que ficará 
responsável por controlar um conversor CC-CC do tipo buck. 
 
1.5 – Metodologia 
Este trabalho irá utilizar um aerogerador dotado de um alternador do tipo 
AFPMSG (Axial Flux Permanent Magnetic Sinchronous Generator) montado com 
enrolamentos toroidais e sendo, por isso, conhecido como Máquina de Tórus. 
A energia elétrica gerada por alternadores do tipo citado acima é, por essência, 
alternada (CA) e neste trabalho ela deverá ser retificada por uma ponte de diodos 
trifásica antes de ser injetada no estágio de entrada do conversor buck. 
O conversor buck será controlado por um microcontrolador, onde estarão 
gravados os algoritmos responsáveis pela aquisição e cálculo das grandezas elétricas 
tensão, corrente e potência, e, a partir dessas, ser capaz de rastrear o ponto de máxima 
potência através da técnica perturba e observa. O arranjo proposto pode ser observado 
na Figura 6.1. 
 
 
 
 
 
3
 
1.6 – Descrição 
No capítulo 2 serão apresentados os principais usos da energia eólica pela 
sociedade ao longo da sua história e a importância desta energia para o desenvolvimento 
de cidades e atividades econômicas. Também serão apresentadas neste capítulo as 
modernas turbinas usadas para a geração de energia elétrica, a Teoria de Betz sobre a 
máxima extração de energia do vento e a turbina eólica escolhida para o 
desenvolvimento deste trabalho. 
O capítulo 3 introduz a técnica de modulação PWM, os principais tipos de 
conversores CC-CC, suas relações matemáticas de transferência de energia e seus 
respectivos esquemáticos eletrônicos. 
O conceito de máxima transferência de potência e os principais métodos para 
rastreamento do ponto de máxima potência, comumente usados em sistemas 
fotovoltaicos, são apresentados no capítulo 4. Nele serão explicitadas as vantagens e as 
desvantagens do emprego de cada método e apresentado o fluxograma do algoritmo 
proposto para este projeto. 
No capítulo 5 são desenvolvidos os cálculos do projeto do conversor Buck. 
A implementação da técnica perturba e observa em um microcontrolador é 
explicada no capítulo 6. Também são apresentados nesse capítulo os sensores de tensão 
e corrente, fundamentais para o funcionamento da técnica de rastreamento de máxima 
potência. 
No capítulo 7 é apresentada a placa de controle desenvolvida neste trabalho e 
responsável por receber os sinais dos sensores, processá-los e controlar o ciclo de 
trabalho do conversor CC-CC. 
A placa que comportará o conversor Buck bem como o seu esquemático 
eletrônico será mostrado no capítulo 8. 
No capítulo 9 são apresentados os resultados experimentais obtidos no 
laboratório e em testes realizados em túnel de vento. 
Finalmente no capítulo 10 são evidenciadas as conclusões obtidas com o 
trabalho e propostos futuros estudos.
 
 
4
Capítulo 2 
Energia Eólica 
 
2.1 – Histórico 
 Com a expansão da agricultura, o homem passou a ter a necessidade de 
beneficiar os produtos agrícolas em uma escala cada vez maior e, para isso, criou 
inicialmente processos de moagem e bombeamento de água para a irrigação de 
lavouras, utilizando tração animal ou até mesmo humana. Porém, com o aumento da 
produção, este tipo de tração passava a ser cada vez mais insuficiente. Então, em locais 
onde havia a disponibilidade de rio ou córregos foi implantada um novo tipo de tração 
através da utilização de rodas d’água. No entanto, havia regiões onde não existiam 
cursos de água que poderiam ser aproveitados para este fim. Nestas regiões houve a 
percepção da utilização do vento como fonte de energia para a execução dos processos 
já citados anteriormente. 
 Os primeiro moinhos de vento datam de 200 A.C. na região da Pérsia. Este tipo 
de energia foi amplamente difundida nos séculos seguintes no mundo islâmico. Porém, 
acredita-se que a invenção do cata-vento se deu em um momento bem anterior a esse, 
na China por volta de 2000 A.C. e no Império Babilônico em 1700 A.C., onde eram 
utilizados para o bombeamento de água usada na irrigação de lavouras (CHESF-
BRASCEP, 1987) [1]. 
 
 
Figura 2.1 – Linha do tempo do desenvolvimento da energia eólica no período do 
Século XI ao Século XIX (Fonte: Dutra, 2001)[2] 
 
 
5
Já na Europa, os moinhos de vento tiveram a sua introdução com o retorno das 
Cruzadas há 900 anos, onde o tipo predominante usado foi o de eixo horizontal. Nesta 
época a Europa possuía o sistema de governo Feudal e os camponeses eram obrigados a 
usar o moinho de vento dos senhores feudais e, para isso, tinham que pagar tributos. 
No Brasil, os moinhos também foram utilizados na moagem de grãos e, mais 
recentemente, foram usados para bombear água do mar para as salinas, principalmente 
da Região dos Lagos, no Rio de Janeiro, e na Região Nordeste do país. 
Atualmente, com a disponibilidade de energia elétrica nessas regiões, faz-se uso 
de bombas elétricas convencionais para a retirada de água do mar, não ficando mais 
dependente das condições do vento para realizar esta tarefa. 
 
 
 
Figura 2.2 – Antigo moinho de vento utilizado na Região Nordeste do Brasil em uma 
salina entre as décadas de 1960 e 1970 (Fonte: Museu virtual UERN) [ 3] 
 
 
2.2 – Aerogeradores 
Com a invenção da lâmpada incandescente por Thomas Edson em 1880 [4], a 
energia elétrica, que até então somente era usada em experiências de laboratório, passou 
a fazer parte da vida cotidiana das pessoas comuns. A partir desta época até a data atual, 
a demanda por eletricidade vem crescendo a cada ano em um ritmo acelerado. 
A primeira adaptação de cata-ventos para a geração de eletricidade foi feita oito 
anos após a descoberta de Thomas Edson pelo industrial Charles F. Bruch, onde o cata-
vento adaptado tinha a capacidade de fornecer 12 kW na forma de corrente contínua. 
Esta energia gerada era usada, principalmente, para a iluminação através de lâmpadas 
incandescentes (SCIENTIFIC AMERICAN, 1890 apud SHEFHERD, 1994) [5]. 
 
 
6
Esta primeira adaptação criou as bases tecnológicas para a construção dos atuais 
aerogeradores que conhecemos. 
 
Figura 2.3 – Fazenda eólica para a produção de eletricidade (Autor: Desconhecido) 
 
2.3 – Potência Eólica 
A função de um aerogerador é extrair a energia contida no ar emmovimento na 
forma de energia cinética. A quantidade de energia que um aerogerador é capaz de 
extrair do vento é diretamente proporcional à área varrida por suas pás e a massa de ar 
que as atravessa de forma perpendicular. A potência contida no ar em movimento é 
dada por: 
 
31
2disp
P AVρ= (2.1) 
Onde: 
ρ – Densidade do ar (kg/m3) 
A – Área varrida pelas pás da turbina eólica (m2) 
V – Velocidade do vento (m/s) 
 
A equação (2.1) representa a potência disponível no vento na ausência da turbina 
eólica. No entanto, esta potência não pode ser totalmente convertida em energia 
rotacional pela turbina eólica, uma vez que, ao atravessar o plano das pás, o vento 
deverá sair com velocidade não nula. Caso o vento, após atravessar o plano das pás, 
tivesse velocidade nula, uma nova massa de ar não conseguiria ultrapassar o plano das 
 
 
7
pás. No outro extremo, se, ao ultrapassar o planos das pás, o vento mantivesse a sua 
velocidade, nenhuma energia seria extraída. 
Segundo [6], existe um máximo teórico para a conversão eólica-mecânica, 
conhecido como Limite de Betz e este possui o valor de 59,3%. Desta forma, podemos 
reescrever a equação (2.1) de modo a considerarmos a presença da turbina eólica. 
 
 
31
2mec p
P AV Cρ= (2.2) 
 
Onde: 
Cp – Coeficiente de rendimento da turbina eólica 
 
Concluímos, então, que o máximo rendimento de uma turbina eólica é de 59,3%, 
Limite de Betz. 
 
2.4 – Turbina Eólica Escolhida para este Trabalho 
 Este trabalho tem como foco a turbina eólica Notus cuja fábrica está localizada 
no município de Maricá no Rio de Janeiro. A escolha deste modelo de turbina se deve 
ao fato de ser um equipamento de baixo custo, cerca de R$ 3.500,00, sendo acessível a 
um número maior de consumidores. 
 Tendo uma potência de 350 W, tensão de trabalho de 24 V e um tamanho 
compacto, essa turbina é uma ótima opção para ser instalada em residências. 
 
 
Figura 2.4 – Turbina Eólica Notus (Cortesia Enersud) 
 
 
8
Capítulo 3 
Conversores CC-CC 
 
3.1 – Conceito 
 Os conversores CC-CC são dispositivos que recebem um determinado nível de 
tensão ou de corrente contínua em seus terminais de entrada e o transforma em outro 
nível de tensão ou de corrente contínua de acordo com o tipo de conversor que está 
sendo utilizado e o seu respectivo regime de trabalho. 
 Os principais conversores CC-CC não isolados são: o conversor abaixador de 
tensão, conhecido como buck, o conversor elevador de tensão, conhecido como boost e 
o conversor abaixador-elevador de tensão, conhecido como buck-boost. [7] 
 Os conversores CC-CC possuem dois modos de funcionamento de acordo com a 
corrente que circula pelo indutor L, que são: modo de condução contínua, onde a 
corrente que circula o indutor L é sempre maior que zero durante um período completo 
de chaveamento, e o modo de condução descontínua, onde a corrente que circula pelo 
indutor L assume valor nulo em um determinado momento durante o período de 
chaveamento. 
 Estes tipos de conversores são também conhecidos como conversores 
chaveados, pois possuem uma chave eletrônica responsável por dosar o quanto o indutor 
é carregado e que é controlada através da modulação por largura de pulso, PWM (Pulse 
Width Modulation). 
 
Figura 3.1 – Modulação PWM 
 
 
9
3.2 – O Conversor CC-CC Abaixador ou Buck 
 O conversor Buck tem como característica fornecer um valor médio de tensão 
em sua saída menor do que o da entrada, e um valor médio de corrente de saída maior 
que o da entrada, isso devido à alta eficiência destes conversores e ao princípio da 
conservação da energia. Por exemplo, se existe na entrada uma tensão de 12 Volts, e 
uma corrente de 1 Ampère, totalizando 12 Watts, enquanto que na saída temos um valor 
de tensão igual a 6 Volts, é natural que, para termos na saída os mesmos 12 Watts da 
entrada, tenhamos que ter a corrente de saída com valor de 2 Ampères, pois P = V x I. 
 Este tipo de conversor permite que tenhamos na saída tensões que vão de 
0 Volts até o valor da tensão de entrada do conversor, apenas variando o ciclo de 
trabalho, duty cycle, do seu PWM. Na Figura 3.2 é apresentado o diagrama de um 
conversor do tipo Buck. 
 
Figura 3.2 – Conversor Buck 
 
A relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada neste tipo de conversor 
operando no modo de condução contínua é dada pela seguinte equação [7]: 
 
 o iV V D= (3.1) 
Onde: 
Vo – Tensão de saída do conversor 
V i – Tensão de entrada do conversor 
D – Ciclo de trabalho (duty cycle) 
 
 Através da equação (3.1), podemos comprovar que a tensão de saída pode 
assumir valores que vão desde o valor zero até o valor da tensão de entrada, uma vez 
que a razão cíclica pode variar de 0% a 100%. 
 
 
 
10
3.3 – O Conversor CC-CC Elevador ou Boost 
 O conversor Boost, ao contrário do conversor Buck, tem como característica a 
entrega de um valor de tensão em sua saída maior ou igual ao valor da tensão de entrada 
e, sendo assim, baseado novamente no princípio da conservação da energia, temos que o 
valor da corrente de entrada sempre será igual ou superior ao valor da corrente de saída. 
A Figura 3.3 mostra um arranjo padrão usado na construção de um conversor do tipo 
Boost. 
 
Figura 3.3 – Conversor Boost 
 
A relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída para o conversor Boost 
operando no modo de condução contínua, em função do ciclo de trabalho é dada pela 
equação abaixo [7]: 
 
 
1
i
o
V
V
D
=
−
 (3.2) 
 
Onde: 
V i – Tensão de entrada do conversor 
Vo – Tensão de saída do conversor 
D – Ciclo de trabalho (duty cycle) 
 
 
 
 
 
 
 
 
11
3.4 – O Conversor CC-CC Abaixador-Elevador ou Buck-Boost 
O conversor do tipo Buck é utilizado em situações onde desejamos conectar uma 
fonte de energia com características de fonte de tensão a uma carga que possui 
características de fonte de corrente. 
Já o conversor do tipo Boost é utilizado quando desejamos conectar uma fonte 
de energia com características de fonte de corrente a uma carga com características de 
fonte de tensão. 
Todavia, existem casos em que necessitamos conectar uma fonte de tensão a 
outra fonte de tensão e controlar o fluxo de energia entre as duas. Nestes casos 
utilizamos o conversor do tipo Buck-Boost. 
A principal característica deste tipo de conversor está no fato de que a tensão 
entregue a carga pode ter um valor maior, menor ou igual ao valor da tensão na entrada 
deste conversor. 
A Figura 3.4 mostra o arranjo básico para a confecção deste tipo de conversor. 
 
Figura 3.4 – Conversor Buck-Boost 
 
A relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída para o conversor Buck-
Boost operando no modo de condução contínua, em função do ciclo de trabalho, é dada 
pela seguinte equação [7]: 
 
 
1
i
o
V D
V
D
=
−
 (3.3) 
Onde: 
V i – Tensão na entrada do conversor 
Vo – Tensão na saída do conversor 
D – Ciclo de trabalho (duty cycle) 
 
 
12
Observando a equação (3.3) notamos que quando a razão cíclica tende a zero, a 
tensão na saída do conversor também tende a zero e quando a razão cíclica tende a um, 
a tensão na saída do conversor tende a infinito, pois teríamos uma divisão por zero. Na 
prática, a tensão nunca alcançará um valor infinito, pois se a razão cíclica atingir o valor 
unitário, o núcleo do indutor presente no conversor saturaria, curto-circuitando a fonte 
de entrada e não transferindo nenhuma energia para a carga. Valores cuja a razão cíclica 
são da ordem de 70% são frequentemente utilizados na prática.13
Capítulo 4 
Técnicas de Rastreamento do Ponto de 
Máxima Potência 
 
4.1 – O que é o ponto de máxima potência 
Em sistemas eletrônicos interconectados, a transferência de potência entre eles 
obedece à relação existente entre as impedâncias de entrada e saída desses sistemas [8]. 
Na maioria dos sistemas, em que suas características não variam, existe um 
único ponto de máxima transferência de potência entre dois ou mais sistemas 
interconectados. Esse ponto de máxima transferência de potência ocorre quando a 
impedância de saída do primeiro sistema é igual ao complexo conjugado da impedância 
de entrada do segundo. A Figura 4.1 mostra um exemplo de sistemas interconectados. 
Neste exemplo a máxima transferência de potência entre eles ocorre quando o valor da 
impedância Z2 é igual ao complexo conjugado da impedância Z1. 
 
 
Figura 4.1 – Sistemas interconectados 
 
No entanto, existem casos onde as características dos sistemas mudam em 
função de outras variáveis internas ou externas e, consequentemente, não maximizamos 
a transferência de potência entre eles. Para solucionar esse problema, algumas técnicas 
de rastreamento do ponto de máxima potência foram criadas. Essas técnicas são 
comumente conhecidas como Técnicas de MPPT (MPPT – Maximum Power Point 
Tracking). A Figura 4.2 mostra o deslocamento do ponto de máxima potência em 
função da variação das características do sistema. 
 
 
14
 
Figura 4.2 – Gráficos do ponto de máxima transferência de potência. 
 
 Comparando as principais técnicas de rastreamento do ponto de máxima 
potência podemos citar que os principais métodos usados atualmente são: Tensão 
Constante (CV – Constant Voltage), Perturba e Observa (P&O – Pertubation & 
Observation) e Condutância Incremental (IncCond – Incremental Conductance) [9] [10] 
[11] [12]. 
 As técnicas de rastreamento do ponto de máxima potência são utilizadas, 
atualmente e principalmente, em sistemas fotovoltaicos. 
 
4.2 – Técnica da tensão constante 
 Esta técnica é muito utilizada em arranjos fotovoltaicos devido à sua 
simplicidade de implementação, a não necessidade de utilização de sensores de corrente 
e não necessitar de processamentos complexos por parte do microcontrolador. 
 Este método se baseia no fato de existir uma relação constante entre a tensão de 
circuito aberto (Voc) e a tensão do ponto de máxima potência (Vmppt), 
independentemente das variações de temperatura e irradiação [9] [10] [11] [12]. A 
equação (4.1) mostra a relação existente entre a tensão de circuito aberto e a tensão do 
ponto de máxima potência. 
 mppt ocV kV= (4.1) 
Onde: 
 
Vmppt – Tensão do ponto de máxima potência. 
k – Constante de proporcionalidade. 
Voc – Tensão de circuito aberto. 
 
 
 
15
 Em arranjos fotovoltaicos o valor da constante k assume valores da ordem de 0,7 
a 0,8. 
 Esta técnica, apesar de possuir as vantagens já citadas, possui uma série de 
desvantagens, como por exemplo, o uso adicionais de chaves para a desconexão 
momentânea do conversor eletrônico, para que a tensão de circuito aberto possa ser 
medida; a falta momentânea de geração, devido à desconexão do sistema para a 
medição da tensão de circuito aberto, e também o fato da constante k, que é definida 
empiricamente, não garantir que o sistema opere exatamente sobre o ponto de máxima 
potência. 
 
 
4.3 – Técnica perturba e observa 
 A técnica de rastreamento perturba e observa, assim como a técnica da tensão 
constante, também é muito utilizada devido a não requerer um grande poder 
computacional por parte do microcontrolador. 
Este método de rastreamento perturba frequentemente o sistema de geração, 
através do incremento ou do decremento do ciclo de trabalho do conversor eletrônico 
(duty cycle), e após essa ação observa se a potência gerada aumentou ou diminuiu. Caso 
a potência tenha aumentado, por exemplo, o algoritmo irá perturbar o sistema 
novamente na mesma direção e, caso a potência tenha diminuído após a perturbação, o 
sistema adotará a ação contrária. 
A Figura 4.3 mostra o fluxograma do algoritmo da técnica perturba e observa 
[26]. 
 
 
 
16
 
Figura 4.3 – Fluxograma do algoritmo perturba e observa. 
 
Para a implementação desta técnica é necessária, além da utilização de um 
sensor de tensão, a utilização de um sensor de corrente. Temos como principal 
vantagem, em relação a técnica anterior, não termos que interromper a geração para 
rastrearmos o ponto de máxima potência. Outra vantagem está no fato desta técnica 
estar sempre buscando o real ponto de máxima potência, uma vez que a mesma se 
baseia nos valores de tensão e correntes advindos do sistema de geração. 
 Podemos citar como sendo a principal desvantagem desta técnica o fato de que 
nunca obtermos o ponto de máxima, pelo menos durante todo o tempo, pois o resultado 
deste tipo de rastreamento faz com que o sistema oscile ao redor do ponto, mas nunca 
permaneça sobre ele, resultando assim em um erro de regime permanente. 
 Para o bom funcionamento deste algoritmo, duas variáveis têm que ser bem 
definidas, são elas: o tamanho da perturbação aplicada ao sistema e o tempo de 
aquisição da tensão e da corrente. 
 
 
17
4.4 –Técnica da Condutância Incremental 
 Esta técnica está baseada na busca do ponto de máxima potência através do 
cálculo da derivada da curva potência x tensão. Podemos escrever a derivada da 
potência do sistema de geração da seguinte forma. 
 
 
 
( )dP d VI
dV dV
= (4.2) 
 
 
 Realizando algumas manipulações em (4.2), obtemos: 
 
 
 
1 dP I dI
V dV V dV
= + (4.3) 
 
 
 Através da equação (4.3), e sabendo que V sempre assumirá valores positivos, 
temos como resultado que o sinal da derivada da potência em relação à tensão é dado 
por (I / V + dI / dV), sendo a condutância instantânea (I / V) e a condutância 
incremental (dI / dV). Com esses resultados torna-se fácil determinar se estamos no 
ponto de máxima potência, já que a derivada da potência em relação a tensão será igual 
a zero no ponto de máxima potência[10]. 
 A vantagem desta técnica em relação as anteriores encontra-se no fato de 
conseguirmos determinar com exatidão o ponto de máxima potência do sistema de 
geração e, uma vez sendo este encontrado, torna-se desnecessária a mudança do ciclo de 
trabalho do conversor, evitando, assim, oscilações no sistema como acontece com a 
técnica perturba e observa. Todavia, para a realização dos cálculos da derivada, é 
necessário um maior poder de processamento por parte do microcontrolador. 
 
 
 
 
 
18
Capítulo 5 
Projeto do Conversor Buck 
 
5.1 – Escolha do Conversor CC-CC 
 Para este trabalho, foi escolhida a topologia de conversor CC-CC do tipo Buck, 
com o intuito de reduzir a corrente demandada da turbina eólica, a fim de reduzir as 
perdas nos enrolamentos, diminuindo a densidade de corrente. 
 A fim de reduzir as perdas durante a conversão CC-CC, o arranjo escolhido para 
o conversor foi o Buck síncrono. Neste tipo de arranjo, o diodo schottky é substituído 
por um transistor do tipo MOSFET, sendo que este segundo transistor recebe o 
comando de acionamento complementar em relação ao outro transistor, ou seja, quando 
um transistor recebe o comando para ligar o outro está recebendo o comando para 
desligar e assim sucessivamente. 
 As equações necessárias para o projeto do conversor foram retiradas de [7] e 
[16]. 
 Os componentes que deverão ter seus valores calculados são apresentados na 
Figura 5.1. 
 
Figura 5.1 – Conversor proposto. 
 
 
 
 
19
5.2 – Características do Projeto do Conversor CC-CC 
 O modelo de turbina eólica escolhido foi o Notus 138 24 V, do fabricante 
Enersud. Esta turbina tem uma capacidadede geração de 350 W. A partir destas 
informações, as características do conversor foram definidas como se segue. Por medida 
de segurança, o conversor foi dimensionado para fornecer uma potência de 500 W. 
 
Tensão nominal de entrada do conversor: 24 Volts 
Tensão máxima de entrada: 28 V 
Potência do conversor: 500 W 
Corrente nominal de entrada: 21 A 
Tensão nominal de saída: 13,8 V ± 0,05 V (Tensão de flutuação de baterias do tipo 
Chumbo-Ácidas) [21]. 
Potência nominal de saída: 500 W – perdas 
Corrente máxima de saída: 48 A ± 9,6 A (A corrente máxima ocorre quando a bateria 
encontra-se descarregada, ou seja, com uma tensão de 10,5 V). 
 
5.3 – Determinação do regime de trabalho. 
 
m n
min
10,5
0,375 38%
28
o í
imáx
V
D
V
= = = = (5.1) 
Onde: 
Dmín – Mínimo ciclo de trabalho (duty cycle). 
Vomín – Tensão mínima de saída. 
V imáx – Tensão máxima de entrada. 
 
5.4 – Determinação do Indutor 
 
m m n
1 1( ) ( ) (28 10,5) 0,375 ( )
18000 37.98
9,6
i áx o í mín
s
Lmáx
V V D
f
L H
I
µ
− ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅
= = =
∆
 (5.2) 
Onde: 
fs – Frequência de chaveamento. 
∆ILmáx – Variação máxima da corrente no indutor. 
 
 
 
 
20
5.5 – Cálculo Físico do Indutor 
 Para este projeto foi escolhido o modelo de núcleo em formato de duplo “E”, 
tendo como composição o material conhecido como ferrite ou ferrita. Para que 
possamos fazer a escolha de um modelo de núcleo comercial devemos calcular alguns 
parâmetros que são mostrados na Figura 5.2. 
 
Figura 5.2 – Núcleo de ferrite, carretel e seus parâmetros [16]. 
 
Os seguintes cálculos podem ser realizados para a determinação dos parâmetros 
do núcleo e do carretel [16]. 
 
 
410Lpico LRMS
e w
máx máx u
L I I
A A
B J F
⋅ ⋅ ⋅
⋅ =
⋅ ⋅ (5.3) 
Onde: 
Ae – Área da seção central do núcleo. 
Aw – Área da janela do carretel. 
ILpico – Corrente de pico no indutor. 
ILRMS – Corrente média quadrática no indutor. 
Bmáx – Densidade de fluxo magnético máximo. 
Jmáx – Densidade de corrente nos condutores do enrolamento. 
Fu – Taxa de ocupação dos condutores. 
 
Temos: 
Para o ferrite: Bmáx = 0,25T 
Densidade de corrente usual: Jmáx = 450 A/cm
2 
Taxa de ocupação típica: Fu = 0,7 (70%) 
 
 
21
Temos também: 
 
9,6
48 52,8
2 2
L
Lpico o
I
I I A
∆= + = + = (5.4) 
 
 2 2
1 1 9,6
1 ( ) 48 1 ( ) 48
3 2 3 2 48
L
LRMS o
o
I
I I A
I
∆= ⋅ + = ⋅ + ≅
⋅
 (5.5) 
 
Aplicando os resultados (5.4) e (5.5) em (5.3) temos: 
 
6 4
4 437,98 10 52,8 48 10 12,22 122200
0,25 450 0,7e w
A A cm mm
−⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅ = = =
⋅ ⋅ (5.6) 
 
5.5.1 – Escolha do Núcleo 
 Agora que já obtivemos o valor do produto da área da seção central do núcleo 
pela área da janela do carretel estamos aptos a selecionar um núcleo comercial. Para 
este projeto foi selecionado o fabricante nacional de núcleos de ferrite, THORNTON. 
Esse fabricante possui um núcleo com Ae = 532 mm
2 e um carretel com Aw = 370 mm
2. 
Sendo assim, o núcleo selecionado foi o NEE-65/33/26 e o carretel escolhido foi CE-
65/33/26-1/0-POM. 
 
5.5.2 – Número de Espiras 
 Considerando que o valor mínimo do indutor para o conversor operar no modo 
de condução contínua é de 37,98 µH e tendo em vista que o núcleo selecionado possui 
um considerável espaço vago no carretel, vamos considerar, por precaução, o valor de 
50 µH para o indutor a fim de garantir que ele estará sempre operando no modo de 
condução contínua. Foi verificado em (5.6) que o núcleo escolhido comporta este valor 
de indutor. 
 Calculando o número de espiras temos [16]: 
 
6
4 450 10 52,810 10 19,85
0,25 5,32
Lpico
máx e
L I
N
B A
−⋅ ⋅ ⋅= ⋅ = ⋅ =
⋅ ⋅ (5.7) 
 
Vamos considerar N = 20 espiras. 
 
 
22
5.5.3 – Cálculo da Bitola dos Condutores 
 Levando-se em consideração o efeito pelicular devemos colocar um certo 
número de condutores em paralelo para não aumentarmos as perdas no indutor, ou até 
mesmo danificá-lo devido à elevação da densidade de corrente. Sendo assim, aplicamos 
a equação do efeito pelicular [16], que evidencia até que profundidade a corrente 
penetrará no condutor. 
 
 
7,5 7,5
0,0559
18000s
cm
f
∆ = = = (5.8) 
 
O diâmetro do condutor não deverá ser menor do que 2∆ = 0,112 cm. 
A área mínima que o condutor deverá ter é [16]: 
 
 
248 0,1067
450
LRMS
cond
máx
I
A cm
J
= = = (5.9) 
 
Dados os resultados anteriores, o condutor escolhido foi o AWG19, que possui 
um diâmetro d = 0,091 cm e uma área de cobre igual a A = 0,006527 cm2. Através da 
equação (5.10) podemos calcular o número de condutores que devem ser postos em 
paralelo. 
 
0,1067
16,34
0,006527
cond
condutores
A
n
A
= = = (5.10) 
 
Considerar que o número de condutores a serem colocados em paralelo é igual a 17. 
 
5.6 – Dimensionamento do Capacitor de Entrada 
 A corrente na entrada do conversor é de característica pulsada [7], possuindo 
elevado conteúdo harmônico que pode causar interferência em outros equipamentos. O 
fato importante a ser levado em consideração é que a indutância parasita existente entre 
a turbina eólica e o conversor, causada pelas grandes distâncias de cabos utilizadas, 
pode acarretar na geração de sobretensões que poderão danificar o circuito. 
 
 
23
 Para evitar esses problemas durante a operação do sistema, será utilizado um 
capacitor eletrolítico como filtro de entrada no conversor. Este capacitor será 
dimensionado tomando como referência a equação (5.11). 
 
 
1
1 4
o
c
I
C
f V
=
∆ (5.11) 
Onde: 
Io – Corrente média na carga. 
f – Frequência de chaveamento. 
∆VC1 – Variação da tensão no capacitor de entrada. (Considerar ∆VC1 = 2 V). 
Efetuando os cálculos temos: 
1
48
240
4 25000 2
C Fµ= =
⋅ ⋅ 
 
5.7 – Dimensionamento do Capacitor de Saída 
 Para que possamos obter uma corrente constante na carga, é necessário que 
façamos uso de um capacitor eletrolítico na saída do conversor, por onde circulará a 
componente alternada da corrente que passa através do indutor [7]. 
 Podemos, através da equação (5.12), dimensionar o valor do capacitor 
necessário para atender às especificações iniciais do projeto. 
 
 2 2
LiC
f Vπ
∆=
∆ (5.13) 
Onde: 
∆iL – Variação da corrente no indutor L1, definida no início do projeto com o valor de 
9,6 A. 
f – Frequência de chaveamento. 
∆V – Variação da tensão de saída, definida no início do projeto com o valor de 0,05 x 
Vomin. 
Efetuando os cálculos temos: 
 2
9,6
116
2 25000 0,05 10,5
C Fµ
π
= ≅
⋅ ⋅ ⋅ (5.14) 
 
 
24
 
5.8 – Escolha do MOSFET 
 Sendo a potência máxima do conversor igual a 500 W e a tensão máxima 
presente na entrada do circuito igual a 28 V, foi escolhido o MOSFET IRFZ44 por ser 
um componente de fácil aquisição e custo reduzido. Este componente possui 
VDS = 60 V e IDmáx = 50 A. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
25
Capítulo 6 
Implementação da Técnica MPPT 
 
Para a construção do sistema foi utilizada a proposta de arranjo apresentada na Figura 
6.1. 
 
Figura 6.1 – Proposta de arranjo para a implementação do sistema. 
 
6.1 – Escolha do microcontrolador. 
 O microcontrolador escolhido possui internamente todos os módulos necessários 
para a implementação da técnica escolhida e também tem como atrativo o seu baixo 
preço de mercado. 
 Para este trabalho, o microcontrolador escolhido foi o PIC16F876A, da 
fabricante Microchip. Este dispositivo eletrônico possui em seu interior, além da CPU, 
uma memória EEPROM de 256 x 8 bits, dois módulos PWM com resolução de 8 bits e 
um conversor A/D de 10 bits [13]. A Figura 6.1 apresenta a estrutura interna do 
microcontroladorPIC16F876A, fornecida pela fabricante. 
 
 
 
26
 
Figura 6.2 – Estrutura interna do microcontrolador PIC16F876A [22]. 
 
A frequência de trabalho escolhida para o microcontrolador foi de 20 MHz, 
utilizando um oscilador externo a cristal. Esta frequência foi escolhida por simples 
conveniência, tendo em vista que este cristal já estava disponível para a utilização no 
momento do desenvolvimento deste trabalho. Frequências menores podem ser utilizadas 
sem problema, pois o sistema a ser controlado, uma turbina eólica, possui constante de 
tempo de segundos, devido à inércia da máquina elétrica. 
 
 
Figura 6.3 – Microcontrolador PIC16F876A com encapsulamento DIP-28 
 
 
 
 
27
 
Figura 6.4 – Cristal utilizado para a geração do sinal de clock do microcontrolador 
 
6.2 – Sensor de corrente. 
 Para o cálculo da potência durante o rastreamento do ponto de máxima potência 
é necessária a aquisição do valor da corrente fornecida pela turbina eólica. Para medir 
este valor de corrente foi utilizado um sensor de corrente por efeito Hall integrado, 
fabricado pela Allegro MicroSystems. Este sensor pertence a linha de sensores ACS712 
e o modelo escolhido tem a capacidade de medir correntes na faixa de -20 A a +20 A 
[14]. 
 A utilização deste sensor foi escolhida porque é um sensor de baixo custo, se 
comparado com sensores de outros fabricantes, é facilmente encontrado no mercado e já 
vem montado em uma pequena placa de circuito impresso, o que torna sua manipulação 
e instalação mais fácil. 
 A Figura 6.4 mostra a estrutura interna deste sensor integrado com os seus 
respectivos blocos de filtragem e condicionamento de sinal. 
 
 
Figura 6.5 – Estrutura interna do circuito integrado sensor de corrente [23]. 
 
 
 
28
 
Figura 6.6 – Aplicação típica sugerida pelo fabricante [23]. 
 
 
Figura 6.7 – Placa comercial com sensor já montado. 
 
 A saída do módulo sensor de corrente foi conectada diretamente à entrada de um 
dos canais do conversor A/D do microcontrolador. O módulo apresenta em sua saída 
uma tensão de 2,5 V, quando a corrente que o atravessa é igual a zero; 0 V de saída, 
quando a corrente que o atravessa é igual a -25 A e 5 V de saída, quando a corrente que 
o atravessa é igual a 25 A. Apesar do sensor ser especificado pelo fabricante como 
tendo a capacidade me medir correntes de -20 A a +20 A sua escala está dividida dentro 
do intervalo -25 A a +25 A, esta divisão resulta em 100 mV/A em sua saída. 
 O conversor A/D do microcontrolador foi configurado para ter como referência 
a sua própria tensão de alimentação, ou seja, 5 V. Com esta configuração temos uma 
resolução na conversão aproximadamente igual a 5 mV. Assim, temos que a menor 
corrente que pode ser medida será de 50 mA. Sendo esta a menor corrente que podemos 
medir nestas condições, torna-se importante escolhermos um valor para a perturbação 
do sistema que gere correntes iguais ou maiores que este valor, para que o algoritmo 
possa avaliar a posição do sistema em relação ao ponto de máxima potência. 
 
 
29
 
6.3 – Sensor de tensão. 
 O sensor de tensão utilizado neste trabalho foi implementado através de um 
divisor resistivo e fazendo uso de dois resistores de precisão, um com valor de 56 kΩ e 
outro com valor de 5,1 kΩ, sendo a tensão sobre este segundo resistor direcionada para 
um dos canais do conversor A/D do microcontrolador. 
 A partir destes valores de resistor, foi definido um fundo de escala de 60 V, para 
a medição da tensão da turbina eólica. Sendo a referência do conversor A/D igual a 5 V, 
teremos uma resolução na medição da tensão de aproximadamente 60 mV. A Figura 6.7 
mostra o circuito divisor de tensão implementado como sensor de tensão. 
 
Figura 6.8 – Sensor de tensão. 
 
6.4 – Fluxograma do algoritmo. 
 Uma vez que já temos realizado a aquisição dos valores instantâneos da tensão e 
da corrente geradas pela turbina eólica, podemos realizar, dentro do microcontrolador, 
os cálculos necessários para obtermos o valor da potência gerada e o sentido da 
perturbação a ser aplicado no conversor eletrônico. A Figura 6.8 mostra o fluxograma 
(BRITO et al., 2010) [15] do algoritmo implementado no software que irá embarcado 
no microcontrolador. 
 
 
30
 
Figura 6.9 – Fluxograma do algoritmo Perturba e Observa implementado. 
 
 
 
31
Capítulo 7 
Placa de Controle 
7.1 – Visão geral. 
 Para o controle do sistema, foi desenvolvida uma placa de controle para a 
instalação do microcontrolador e do circuito driver de acionamento das chaves 
eletrônicas. Esta placa pode ainda ser usada para o controle do descarte do excesso da 
energia gerada pela turbina eólica, também conhecido como dump load, e acionamento 
do sistema de frenagem de emergência, em situações anormais de vento. Por hora, serão 
citadas apenas as características da placa utilizadas para o desenvolvimento deste 
trabalho. 
 
7.2 – Esquemático eletrônico. 
 A Figura 7.1 apresenta o esquemático do circuito eletrônico desenvolvido para o 
controle e acionamento do sistema. Como mencionado anteriormente, este circuito foi 
concebido para desempenhar funções que vão além do foco deste trabalho. Para melhor 
visualização consulte o Apêndice A. 
 
Figura 7.1 – Esquemático eletrônico da placa de controle. 
 
 
32
7.3 – Layout da placa de controle. 
 O resultado do roteamento da placa, a partir do esquemático eletrônico, pode ser 
observado na Figura 7.2. As duas cores presentes nas trilhas do layout são referentes às 
camadas superior e inferior do circuito impresso. Esta placa foi fabricada em um 
substrato de fibra com espessura de 1,6 mm. 
 
 
Figura 7.2 – Layout do circuito impresso da placa de controle. 
 
7.4 – Circuito de acionamento das chaves. 
 Como os sinais advindos do microcontrolador têm valores próximos a 5 V, faz-
se necessária a utilização de um driver para que o transistor responsável pelo 
chaveamento no conversor buck seja corretamente acionado, evitando, assim, danos por 
superaquecimento gerado pelas perdas do chaveamento. O circuito driver deverá ser 
capaz de fornecer ao gate do MOSFET uma tensão mínima de 10 V e máxima de 15 V. 
 Para este desenvolvimento, foi escolhido o circuito integrado IR2104, fabricado 
pela International Rectifier, por atender às necessidades deste projeto e ser de fácil 
aquisição no mercado nacional. A Figura 7.3 mostra uma sugestão de utilização 
fornecida pelo fabricante. 
 
 
 
33
 
Figura 7.3 – Sugestão de aplicação do driver IR2104 [24]. 
 
 Uma das grandes vantagens de se utilizar este tipo de circuito integrado está no 
fato dele já possuir proteções, como por exemplo, contra baixa tensão de alimentação e 
contra chaveamento simultâneo entre o transistor superior e o inferior, já implementadas 
internamente. 
 A Figura 7.4 mostra a arquitetura interna do circuito integrado, onde podemos 
observar uma das proteções citadas, contra baixa tensão de alimentação, representada 
pelo bloco UV DETECT – Undervoltage Detect. 
 
 
 
Figura 7.4 – Arquitetura interna do driver IR2104 [24]. 
 
 
 
34
Capítulo 8 
Placa de Potência 
8.1 – Visão geral. 
 Os principais componentes formadores do conversor Buck estão instalados na 
placa de potência. Nela estão presentes os transistores, responsáveis pelo chaveamento, 
os capacitores de entrada e de saída do conversor e os terminais de conexão do indutor. 
 Através de um conector IDC de 10 vias, presente tanto na placa de controle 
como também na placa de potência, trafegam as informações e os sinais necessários 
para o devido funcionamento do conversor e do algoritmo. 
 
8.2 – Esquemático eletrônico. 
 Na Figura 8.1 é apresentado o esquemático eletrônico da placa de potência, onde 
podem ser observados os principais componentes integrantes do conversor CC-CC. 
 
Figura 8.1 – Esquemático eletrônico da placa de potência. 
É possível observar no esquemático a presença de dois pares de transistores(Q1, 
Q2, Q3 e Q4) em ligação de meia ponte (half bridge) responsáveis pela configuração 
síncrona do conversor CC-CC. Este tipo de configuração garante maior eficiência 
energética, uma vez que a queda de tensão sobre um transistor MOSFET é menor do 
que sobre um diodo Schottky. Para uma melhor visualização do esquemático consulte o 
Apêndice B. 
 
 
35
8.3 – Layout da placa de controle. 
 A partir do esquemático eletrônico apresentado na Figura 8.1, foi possível a 
concepção do layout do circuito impresso para a fabricação da placa protótipo usada 
neste trabalho. O layout da placa de potência é mostrado na Figura 8.2. 
 
Figura 8.2 – Layout da placa de potência. 
 
 Podemos observar, no lado direito da placa, a presença do conector IDC por 
onde trafegam os sinais responsáveis pelo controle do conversor CC-CC. 
 As trilhas mais espessas foram reforçadas com uma camada de solda durante a 
fabricação para que pudessem suportar as correntes que deveriam conduzir. 
 
 
 
 
 
 
36
Capítulo 9 
Resultados Experimentais 
9.1 – Testes do conversor Buck. 
 Antes da verificação do funcionamento do algoritmo MPPT, faz-se necessário o 
teste do conversor Buck para comprovar se os cálculos realizados anteriormente 
correspondem à realidade. 
 O primeiro teste é a verificação da operação do conversor no modo contínuo, 
através da observação do formato de onda da corrente que circula no indutor. A Figura 
9.1 mostra a forma de onda observada em um osciloscópio durante o funcionamento do 
conversor. 
 
Figura 9.1 – Forma de onda da corrente no indutor do conversor Buck. 
 
 A escala utilizada para a medição foi de 400 mV/A, sendo assim, foi observada 
uma variação na corrente do indutor com valores próximos a 2,4 A, quando o conversor 
fornecia uma corrente de 24 A para a carga. Este valor está dentro do esperado. 
Segundo [7] o conversor CC-CC não deverá apresentar variações de corrente maiores 
que o intervalo de 20% - 40% da corrente máxima. Com esta medida concluímos que o 
conversor está operando no modo contínuo. 
 
 A Figura 9.2 mostra o resultado do teste realizado com o conversor Buck, a fim 
de verificar a sua capacidade de regulação da tensão de saída em 13,8 Volts. 
 
 
 
37
 
Figura 9.2 – Forma de onda da tensão na saída do conversor Buck. 
 
 Para a realização deste teste o conversor foi alimentado com uma tensão de 24 
Volts. Em sua saída foi conectada uma carga com capacidade de drenar uma corrente de 
5 Ampères. 
 
9.2 – Testes do algoritmo MPPT realizados na bancada experimental. 
 Para a realização do teste em bancada, resistores de valores diferentes em série 
foram conectados a uma fonte de alimentação, simulando a resistência interna da 
turbina eólica, para que o funcionamento do algoritmo em diferentes circunstâncias 
fosse verificado. A Figura 9.1 apresenta um gráfico com os diferentes pontos de 
máxima transferência, obtidos por experimentação para os diferentes valores de 
resistores. 
 
Figura 9.3 – Gráfico da transferência de potência para diferentes resistências de entrada. 
 
 
 
38
 Os gráficos obtidos através de medições realizadas com osciloscópio, utilizando 
duas resistências diferentes na entrada, podem ser observados nas Figuras 9.3 e 9.4. 
Nelas estão demonstrados os casos em que o algoritmo MPPT atua até alcançar a 
máxima potência. Estes gráficos apresentam uma análise qualitativa do funcionamento 
do algoritmo implementado. A escala do eixo vertical é de 6 W/div. Os resultados 
demonstram que o ponto de máxima potência está localizado próximo a 20 W, como era 
esperado. 
 
 
Figura 9.4 – Evolução da potência no Figura 9.5 – Evolução da potência no 
tempo para uma carga de 13,6 Ohms. tempo para uma carga de 2,6 Ohms. 
 
9.3 – Testes do algoritmo MPPT realizados no túnel de vento. 
 Para a verificação do sistema completo, foi necessária a utilização do túnel de 
vento existente na empresa Enersud. A realização dos testes em um túnel de vento faz-
se justa devido a este ser um ambiente controlado, permitindo assim a análise do 
funcionamento do sistema em diferentes regimes. 
 Este teste ficou limitado até a velocidade de 6 m/s, devido às características do 
próprio túnel de vento. Túneis de vento com velocidades mais altas são grandes e 
dispendiosos e não têm aplicabilidade para os fins da Enersud. 
 Três testes diferentes foram realizados: carregamento direto de uma bateria 12 V 
75 Ah, carregamento direto de uma bateria 24 V 75 Ah e carregamento de uma bateria 
de 12 V 75 Ah usando o rastreamento do ponto de máxima potência. 
 Mesmo com a velocidade máxima limitada em 6 m/s, podemos observar, através 
da Figura 9.5, a melhora na eficiência da turbina quando utiliza o algoritmo de 
rastreamento de máxima potência. Durante a operação de carregamento de bateria, 
 
 
39
notamos que a medida que a velocidade do vento aumenta, zonas mais interessantes 
para geração, a turbina perde eficiência. 
 A menor geração alcançada pelo sistema, em baixa velocidade, é devido à baixa 
sensibilidade do sensor de corrente utilizado a valores de corrente menores que 1 A. 
 
 
Figura 9.6 – Resultado dos testes realizados em túnel de vento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
40
Capítulo 10 
Conclusão e Trabalhos Futuros 
Os objetivos propostos para este trabalho foram alcançados e sendo assim, conclui-se 
que: 
 
- A placa de controle desenvolvida funcionou corretamente, sem apresentar falhas ou 
reinicializações do microcontrolador. 
- O conversor Buck atendeu às expectativas do projeto. Durante os testes não apresentou 
mau funcionamento e nem aquecimento dos componentes. 
- O algoritmo demonstrou ser eficiente para aumentar o rendimento da turbina eólica e 
apresentou pequenas variações de potência durante o rastreamento do ponto de máxima 
potência. 
 
 Como estudos futuros fica a proposta de implementar, junto ao algoritmo MPPT, 
um determinado procedimento de carga para bateria, podendo ser este: carregamento 
com corrente constante, carregamento com tensão constante ou uma mistura de ambos. 
Também é proposta a experimentação de novos parâmetros do algoritmo e da 
fabricação da turbina eólica e a utilização de outros tipos de turbina, como a de eixo 
vertical, por exemplo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
41
Bibliografia 
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Marco Regulatório do Setor Elétrico Brasileiro. Dissertação de M.Sc., 
Programa de Planejamento Energético, COPPE/UFRJ , Rio de Janeiro, Brazil, 
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 http://www.uern.br/museu/default.asp?item=museu-joao-batista3 
 
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 Vol. LXIII, n. 25 cover and p. 389. apud SHEFHERD, 1994 Op. cit. 
 
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Florianópolis, Edição dos Autores, 2006. 
 
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[15] BRITO, Moacyr A. G. de; JUNIOR, Luigi G.; SAMPAIO, Leonardo P.; 
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[16] Projeto Físico de Indutores e Transformadores, Ivo Barbi, Carlos Henrique Illa 
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[17] http://www.thornton.com.br/ 
 
[18] Fartusi, Nada Al, (2010). “Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) to 
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43
Apêndice A 
Esquemático da Placa de Controle 
 
 
 
44
Apêndice B 
Esquemático da Placa de Potência