Conversor de energia elétrica a partir de movimento mecânico oscilatório

Abstract

O trabalho se concentra no estudo de um sistema de conversão de energia a partir de movimentos oscilatórios. Toma-se como exemplo de aplicação e objetivo norteador do estudo o aproveitamento da oscilação de uma boia marítima, oriunda do movimento ondulatório da água, como fonte de energia mecânica primária oscilatória, para de prover energia elétrica ao sinalizador da referida boia. O movimento da boia é modelado por um movimento com forma de onda sinusoidal, de acordo com as referências bibliográficas. A baixa frequência do acionamento força a escolha da topologia por uma que propicie alta densidade magnética. Após uma revisão sobre os materiais magnéticos e das topologias, optou-se pela topologia radial com duplo rotor, imãs permanentes de NdFeB e enrolamento toroidal. Após a análise numérica através do Método dos Elementos Finitos foi projetado e construído o protótipo do gerador. A maioria das peças componentes do gerador foram fabricadas no próprio Laboratório de Máquinas Elétricas, Acionamentos e Energia, LAMEAE – UFRGS. Paralelamente a construção foi feita a modelagem analítica do gerador. Primeiro, foi feita a modelagem do campo magnético com a correção do efeito da ranhura, pelo Fator de Carter e após, foi modelada a tensão induzida a partir de movimento constante e de um movimento sinusoidal. A modelagem analítica do sistema dinâmico foi baseada no método de Lagrange. E finalmente, são apresentados os resultados e são feitas as validações entre os métodos analítico, numérico e experimental. Os ensaios experimentais foram feitos variando a frequência do acionamento e a amplitude do movimento do acionador. E finalmente, a utilização de um conversor CC-CC na saída do gerador, mostrou-se que pode ser uma solução para a utilização do protótipo em uma boia de sinalização.

This work focuses on the study of a power conversion system driven by an oscillating movement. The example of application taken into account as a guiding target of this study is the utilization of a sea buoy, exposed to the wave motion of the water, as the prime mover, a renewable source of oscillating mechanical energy, in order to supply power to the previously mentioned buoy flag. The movement of the float is modeled by a sine wave, according to the references. The low frequency of the sea waves requires a machine topology that provides high magnetic density. After a review of magnetic materials and topologies, the radial topology with dual rotor, permanent magnets NdFeB and toroidal winding was chosen. With the numerical analysis using the Finite Element Method the generator is designed and built. Most of generator parts were manufactured in the Electrical Machines Laboratory at UFRGS. In addition to the prototype construction, analytical modeling was studied. First, the magnetic field modeling was performed with the correction of the effect of the slotting, with the Carter’s factor and also the induced voltage was modeled for a sinusoidal constant prime mover’s movement. The analytical modeling of the dynamic system was based on the equation of Lagrange. Finally, the results are validated with the investigation on the analytical, numerical and experimental methods. Experimental tests were performed by varying the actuation frequency and amplitude of the prime mover’s oscillation. At the end, the use of a DC-DC converter is proposed as the generator’s power output to feed the signaling buoy.