Mini-Projecto · Sistema de conversão de energia, do painel solar ao motor
Contexto
A "OficinaVerde", uma pequena oficina de manutenção industrial, quer modernizar uma bancada de testes com energia solar de apoio e um posto de controlo de motores. Foste contratado/a, como técnico/a de eletrónica e automação, para desenvolver e demonstrar três circuitos de conversão de energia que a oficina vai usar: um conversor CC-CC para carregar equipamento portátil a partir de uma bateria solar, um inversor CC-CA para alimentar uma ferramenta CA a partir da mesma bateria, e um conversor CA-CA com controlo de fase para ajustar a velocidade de um pequeno motor de bancada.
Trabalhas individualmente ou a pares, desenhando e simulando os três circuitos em software antes de montar e testar o conversor CA-CA na bancada, entregando um dossiê com cálculos, esquemas, resultados de simulação e medições reais.
Requisitos
Funcionais
- Conversor CC-CC (Buck ou Boost): entrada de uma bateria de 12 V, saída definida por ti (ex.: 5 V para carregar equipamento USB), com taxa de eficiência mínima de 80% para carga fixa e ondulação de tensão de saída calculada e verificada em simulação.
- Inversor CC-CA (VSI, ponte em H): entrada de 12 V CC, saída sinusoidal por PWM aproximada, com THD simulada abaixo de 8% e potência de saída especificada por ti (ex.: 20 W).
- Conversor CA-CA (controlo de fase com TRIAC): montado fisicamente, com potenciómetro para ajustar o ângulo de disparo α e regular a velocidade de um pequeno motor (ou a luminosidade de uma lâmpada, se não houver motor disponível em segurança).
- Esquemas desenhados e simulados em software de desenho e simulação de circuitos (KiCad, LTspice, Multisim, Proteus ou Tinkercad Circuits).
Não-funcionais
- Cálculos completos (duty cycle, ondulação, THD estimada) entregues antes da simulação, para comparar previsto vs simulado vs medido.
- Medições reais do conversor CA-CA feitas com osciloscópio e multímetro True RMS.
- Segurança: transformador de isolamento para o circuito ligado à rede, EPI, verificação de polaridades antes de qualquer alimentação.
- Dossiê organizado com esquemas, cálculos, capturas de simulação e fotos/medições da bancada.
Fases
Fase 1 · Especificação e cálculos (3h) Definir Vin, Vout e potência de cada um dos três circuitos. Calcular duty cycle do Buck/Boost, dimensionar bobina e condensador, estimar índice de modulação do inversor.
Fase 2 · Conversor CC-CC: desenho e simulação (5h) Desenhar o esquema (Buck ou Boost) no software, simular em regime transitório, medir eficiência e ondulação com sondas virtuais, ajustar componentes até cumprir os 80% de eficiência.
Fase 3 · Inversor CC-CA: desenho e simulação (5h) Desenhar a ponte em H com controlo PWM, simular a saída, medir a THD simulada e ajustar o filtro de saída até ficar abaixo de 8%.
Fase 4 · Conversor CA-CA: montagem física (6h) Montar o circuito de controlo de fase com TRIAC, DIAC e potenciómetro na bancada, com o devido isolamento de segurança. Ligar a carga (motor ou lâmpada).
Fase 5 · Medição e verificação (4h) Medir com osciloscópio e multímetro True RMS o comportamento do conversor CA-CA para diferentes posições do potenciómetro. Comparar os três circuitos (calculado, simulado, medido).
Fase 6 · Dossiê e apresentação (2h) Organizar o dossiê e apresentar os três circuitos à turma, justificando as escolhas de componentes e configurações.
Critérios de avaliação
| Critério | Peso |
|---|---|
| Cálculos e especificação corretos | 15% |
| Conversor CC-CC (desenho, simulação, eficiência ≥80%) | 20% |
| Inversor CC-CA (desenho, simulação, THD <8%) | 20% |
| Conversor CA-CA (montagem física, funcionamento, segurança) | 25% |
| Medições e verificação (osciloscópio, multímetro True RMS) | 10% |
| Dossiê e apresentação | 10% |
Erros comuns
- Esquecer o díodo de roda livre no Buck ou o tempo morto na ponte em H, arriscando destruir componentes.
- Escolher a bobina só pela indutância, sem verificar a corrente de saturação.
- Ligar o TRIAC à rede sem transformador de isolamento na bancada didática.
- Medir a saída PWM ou a saída do controlo de fase com um multímetro comum, não True RMS, e tirar conclusões erradas.
- Simular sem definir as resistências série dos semicondutores, obtendo eficiências irrealistas de quase 100%.
- Dar o circuito por concluído sem comparar valores calculados, simulados e medidos.
Bónus (opcional)
- Acrescentar deteção de passagem por zero e controlo digital (microcontrolador) ao conversor CA-CA, em vez do disparo analógico com DIAC.
- Implementar MPPT simplificado no conversor CC-CC, simulando uma entrada de painel solar variável.
- Medir e documentar o espectro harmónico (FFT) do inversor CC-CA antes e depois do filtro de saída.
- Substituir o TRIAC por um cicloconversor simples em simulação, comparando as duas abordagens CA-CA.
Reflexão
No dossiê final, responde: porque é que a corrente de entrada de um conversor Boost é sempre maior que a corrente de saída? E, comparando os três circuitos que desenvolveste, qual foi o que teve maior desvio entre o valor calculado e o valor medido, e a que atribuis essa diferença?