geração de energia eólica – tecnologias atuais e futuras

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1GERAO DE ENERGIA ELICA TECNOLOGIAS ATUAIS E FUTURAS F. Rncos2, R.Carlson1, P. Kuo-Peng1, H.Voltolini1, N.J. Batistela1 1 GRUCAD-EEL-CTC-UFSC, C.P. 476, 88040-900Florianpolis-SC-BRASIL 2 WEG MQUINAS, C.P. 3000, 89250-900Jaragu do Sul-SC-BRASIL Abstract A gerao de energia eltrica atravs da utilizao da energia dos ventos tem avanado substancialmente na ltima dcada. A caracterstica principal desta forma de energia alternativa o fato dos ventos, ao longo da superfcie terrestre, no apresentarem velocidade constante. Conseqentemente a turbina elica opera com velocidade varivel. Isto exige que o gerador acoplado turbina elica seja capaz de gerar energia eltrica com freqncia constante numa certa faixa de variao de velocidade. Entre os diversos tipos de geradores eltricos atualmente utilizados, um dos que melhor atendem esta condio o Gerador Assncrono Trifsico Duplamente Alimentado com Escovas [GATDACE]. Neste gerador o enrolamento estatrico ligado diretamente rede eltrica, e o enrolamento do rotor ligado rede atravs do conversor que responsvel pelo controle da mquina. Esta soluo utilizada em modernos geradores elicos com potncias da ordem de at 5MW. O gerador [GATDACE], apesar de ser uma soluo vivel, apresenta a desvantagem da manuteno devido ao desgaste das escovas. Como na gerao elica, o baixo ndice de manuteno e a confiabilidade so pontos importantes no sentido de torn-la competitiva, muito se tem pesquisado para desenvolver o gerador Assncrono Trifsico Duplamente Alimentado Sem Escovas [GATDASE]. Este gerador, alm das vantagens do anterior, no necessita de escovas tornando-o mais confivel e diminuindo os custos de manuteno. Neste artigo, sero mostrados primeiramente as diversas tecnologias de geradores aplicados na gerao elica, o princpio de funcionamento e o controle do Gerador Assncrono Trifsico Duplamente Alimentado atravs de Escovas [GATDACE]. Em seguida, sero apresentados os resultados das pesquisas feitas pela WEG e UFSC no sentido de desenvolver o [GATDASE]. Sero mostrados o princpio de funcionamento, o controle e os resultados de performance do prottipo construdo para este objetivo. Como concluso mostraremos uma anlise comparativa entre o desempenho dos dois geradores. 1. - INTRODUO Toda atividade humana precisa de Energia para que possa ser realizada. Qualquer movimento s possvel se existir energia mecnica disponvel. Em funo desta necessidade muito cedo na histria do desenvolvimento humano a converso de formas de energia primria em energia Mecnica para a realizao de trabalhos motivou o ser humano a estudar e desenvolver tcnicas de converso de energia. Uma das formas de energia primria abundante na natureza a Energia dos Ventos, denominada energia Elica. A tcnica de converso da energia dos ventos em energia mecnica primeiramente foi explorada para utilizao em propulso de navios, moinhos de cereais, bombas de gua e na idade mdia para mover a industria de forjaria (figura 1). A converso da energia dos ventos em energia mecnica consiste numa tcnica relativamente simples, bastando apenas que se tenha um potencial elico disponvel e que resista aos caprichos da natureza. Figura 1- Moinho elico medieval 2No final do sculo XIX quando o uso da energia eltrica comeou a crescer rapidamente no planeta, as primeiras turbinas elicas foram aplicadas na converso da energia dos ventos diretamente em energia eltrica. No inverno de 1887-1888 Charles F. Brush colocou em operao a primeira turbina elica automtica com dimetro do rotor de 17m e 144 ps de madeira para gerar energia eltrica, (figura 2). Figura 2 Moinho com rotor de 17m e 144 ps de madeira A gerao de energia eltrica em grande escala, alimentando de forma suplementar o sistema eltrico atravs do uso de turbinas elicas de grande porte, evoluiu muito nas ltimas dcadas. Pode-se dizer que a moderna tecnologia das turbinas elicas surgiu na Alemanha na dcada de 1950, j com ps fabricadas com materiais compostos, controle de passo e torres na forma tubular e esbelta, (figura 3). Figura 3 Moderna turbina elica Na dcada de 1970 at meados da dcada de 1980, aps a primeira grande crise do petrleo, diversos pases, inclusive o Brasil, se preocuparam em desenvolver pesquisas na utilizao da energia elica como uma fonte alternativa de energia. Entretanto, foi a partir de experincias de estmulo ao mercado realizadas na Califrnia na dcada de 1980 e na Dinamarca e Alemanha na dcada de 1990 que o aproveitamento da energia elica como alternativa de gerao de energia eltrica atingiu escala de contribuio mais significativa ao sistema eltrico, em termos de gerao, eficincia e competitividade. O enorme desenvolvimento tecnolgico passou a ser capitaneado pela nascente indstria do setor, em regime de competio e estimuladas por mecanismos institucionais de incentivo. Devido a este avano tecnolgico e ao crescimento da produo em escala, foi possvel se desenvolver novas tcnicas de construo dos aero-geradores permitindo aumentar a capacidade unitria das turbinas, obtendo assim redues graduais e significativas nos custos do quilowatt instalado e, conseqentemente, uma substancial reduo no custo da gerao da energia eltrica. A figura 4, extrada da revista Windpower Monthly de Janeiro de 2004, mostra a tendncia da evoluo descendente dos custos de gerao da energia eltrica a partir de turbinas elicas, enquanto que o custo da energia gerada a partir do carvo e do gs constante ou ascendente. Figura 4 Reduo do custo da gerao elico - eltrica no tempo. O principal problema ambiental inicial, tal como impacto de pssaros nas ps, praticamente desapareceu com as turbinas de grande porte, com menores velocidades angulares dos rotores. Por ser uma fonte de energia quase inofensiva ao meio ambiente, os estudos de impacto ambiental so bem simplificados e mais rpidos, que os requeridos por fontes tradicionais de gerao de energia eltrica. Figura 5 Crescimento da gerao elico - eltrica. 3Por ser uma forma limpa de gerar energia e associada ao forte crescimento na escala industrial de produo e montagem de turbinas, com custos progressivamente decrescentes, a energia elica tornou-se uma fonte energtica com uma das maiores taxas de crescimento em capacidade geradora de energia eltrica (da ordem de 28% nos ltimos anos). A figura 5 mostra a evoluo acumulada da capacidade instalada em gigawatt. 2. - TECNOLOGIAS APLICADAS NA GERAO ELICA Uma turbina elica capta uma parte da energia cintica do vento que passa atravs da rea varrida pelo rotor e a transforma em energia mecnica de rotao. O eixo do rotor acionando o gerador eltrico transforma uma parte desta energia mecnica de rotao em energia eltrica. A potncia eltrica gerada em watts uma funo da velocidade ao cubo do vento, [1] dada por: ( ) 3221 vRCP P = (1) Onde representa a eficincia do aero-gerador, isto , o rendimento considerando as perdas no conjunto das transmisses mecnicas e as perdas no gerador. O termo PC representa o coeficiente aerodinmico de potncia do rotor, cujo valor mximo 593,0=PmC e o valor usual assume 45,0=PC . O termo representa a massa especfica do ar, que a Co15 e ao nvel do mar vale 3/225,1 mkg= . O termo R representa o raio do rotor da turbina em metros e v a velocidade dos ventos em metros por segundo. Com a acentuada expanso das estaes elicas no mundo nos ltimos anos, os geradores elicos se encontram em franco desenvolvimento tecnolgico, tendo como objetivo o aumento progressivo nas dimenses e capacidades de gerao das turbinas. Na figura 6 so ilustradas as dimenses de turbinas disponveis atualmente no mercado mundial, comparando-as com o Boeing 747. As turbinas elicas de potncia at 2MW podem ser consideradas tecnologicamente desenvolvidas. As de potncia maior que 2MW, apesar de j disponveis no mercado, ainda podem ser consideradas como em desenvolvimento. Os rotores das turbinas elicas so fabricados em materiais compsitos, com tecnologias e requisitos de peso, rigidez e aerodinmica, caractersticas de estruturas aeronuticas. A velocidade angular r do rotor da turbina em radianos por segundo inversamente proporcional ao seu raio R , e pode ser calculada, aproximadamente, por: +=Rr44590.630 (2) Usualmente a rotao otimizada no projeto para minimizar a emisso de rudo aerodinmico pelas ps. medida que a tecnologia propicia dimenses maiores para as turbinas a rotao se reduz. Figura 6- Dimenses tpicas das turbinas elicas no mercado atual comparando com as dimenses do Boeing 747. As baixas rotaes atuais tornam as ps visveis e evitveis por pssaros em vo. As turbinas elicas construdas aerodinamicamente satisfazem as exigncias de rudo, mesmo quando instaladas a distncia da ordem de 300m de reas residenciais. Estes aspectos tornam a tecnologia elico-eltrica ecologicamente correta, tornando-a assim uma fonte alternativa e limpa de energia, com capacidade de gerao da ordem de megawatts. A gerao de energia eltrica se inicia com velocidades de ventos da ordem de smv /5,20 = . Abaixo deste valor o contedo energtico do vento no justifica o seu aproveitamento. Esta faixa de velocidade corresponde a regio I na figura 7. Na regio II na figura 7 a velocidade do vento varia de smv /5,20 = at smvn /0,12= . Nesta regio a potncia disponvel no eixo do gerador varia com o cubo da velocidade do vento e corresponde a regio onde se inicia o processo de converso eletromecnica da energia do vento. Para velocidades de vento superiores a smvn /0,12= e menores que smvm /0,25= , regio III na figura 7, ativado o sistema de limitao automtico de potncia da turbina, que pode ser por controle do ngulo de passo das ps ou por estol aerodinmico, dependendo do modelo da turbina. Nesta regio a potncia disponvel no eixo do gerador constante. Para ventos muito fortes com velocidade superior a smvm /0,25= , regio IV na figura 7, atua o sistema automtico de proteo, reduzindo a rotao das ps e o gerador eltrico desconectado da rede eltrica. 4 Figura 7- Curva de gerao de energia eltrica extrada da turbina elica. A turbina elica, devido caracterstica de velocidade varivel do vento, no consegue transformar a energia do vento em energia mecnica mantendo a rotao do eixo constante. Em funo desta caracterstica necessrio construir um grupo gerador elico-eltrico que seja capaz de gerar energia eltrica e entregar a rede com freqncia constante. Outra caracterstica importante do grupo gerador elico-eltrico a baixa rotao desenvolvida pela turbina elica. Estas caractersticas fazem com que a tecnologia de Projeto e fabricao do grupo elico-eltrico apresente particularidades diferentes dos grupos convencionais de gerao de energia eltrica. Existem, basicamente, duas filosofias tecnolgicas aplicadas atualmente aos grupos elico-eltrico, ou seja: 1- Grupos Elico-Eltricos Assncronos Nestes grupos o eixo da turbina elica est acoplado ao eixo de um gerador assncrono trifsico, que pode ser com rotor de gaiola ou rotor bobinado. Como os geradores assncronos so mquinas eltricas que apresentam velocidade de operao bem superior a da turbina, exigem que entre a turbina elica e o gerador seja acoplado um ampliador de velocidade. O grupo elico-eltrico assncrono quando conectado a rede atravs de um conversor de freqncia ou quando duplamente alimentado se torna bastante flexvel atendendo perfeitamente as duas caractersticas da converso elico-eltrica da energia cintica dos ventos, ou seja, opera perfeitamente nas regies II e III do grfico mostrado na figura 7. 2- Grupos Elico-Eltricos Sncronos Nestes, o eixo da turbina elica est acoplada ao eixo de um gerador sncrono trifsico, que pode ser com circuito de excitao independente no rotor ou ms permanentes no rotor. Nesta tecnologia, nos grupos de menor potncia (menor do que 1MW), o gerador sncrono apresenta velocidade de operao bem superior da turbina exigindo um ampliador de velocidade acoplado entre a turbina e o gerador. Porm nos grupos de maior potncia (maior do que 1MW) normalmente o gerador sncrono fabricado com um nmero muito grande de plos e para uma freqncia nominal baixa, fazendo com que sua velocidade de operao seja da mesma ordem da turbina, no necessitando do multiplicador de velocidade, mas sim de um acoplamento planetrio entre a turbina e o gerador. Passaremos agora a mostrar esquematicamente os principais grupos elico-eltrico utilizados atualmente ao redor do planeta na converso eletromecnica da energia cintica dos ventos. Mostraremos em cada caso o tipo de gerador, a conexo rede, as principais vantagens e desvantagens de cada caso. a) O gerador est conectado diretamente rede eltrica operando com velocidade fixa Este grupo elico-eltrico pode ser constitudo de um gerador assncrono ou um gerador sncrono, conforme mostrado esquematicamente na figura 8. (a) (b) Figura 8- Grupo elico-eltrico conectado diretamente rede eltrica. a) Gerador assncrono de gaiola. b) Gerador sncrono com excitao independente Ambos trabalham com velocidade de rotao acima dada turbina exigindo um multiplicador de velocidade, normalmente de vrios estgios. O gerador sncrono deve trabalhar com rotao constante, tornando o grupo rgido, exigindo sincronizao com a rede e, conseqentemente, no permitindo nenhuma regulao de velocidade. J o gerador assncrono permite uma pequena variao de velocidade 5devido a sua caracterstica de funcionamento, ou seja, o escorregamento, fazendo com que o grupo seja um pouco mais flexvel. Para aumentar esta flexibilidade, em alguns casos aplicado um gerador assncrono de gaiola com duplo enrolamento no estator com polaridades diferentes. O grupo assncrono demanda o uso de um sistema de compensao de reativos, enquanto o grupo sncrono compensa os reativos na excitao independente. Esta configurao pode ser aplicada para potncias de at 1MW, em regies onde a velocidade dos ventos razoavelmente constante. O grupo assncrono apresenta a vantagem de ser robusto, ter menor custo e no emitir componentes harmnicos para a rede. Ambos apresentam baixa eficincia na transformao da energia devido a sua rigidez, no que se refere a regulao de velocidade. b) O gerador est conectado rede eltrica atravs de um conversor Nesta configurao o grupo elico-eltrico pode ser constitudo de um gerador assncrono ou um gerador sncrono, conforme mostrado esquematicamente na figura 9. (a) (b) Figura 9- Grupo elico-eltrico conectado rede eltrica atravs de um conversor. a) Gerador assncrono de gaiola. b) Gerador sncrono com excitao independente Ambos operam com velocidades acima da turbina exigindo um multiplicador de velocidades. O link DC do conversor desacopla o gerador da rede permitindo uma grande flexibilidade na regulao de velocidade. Esta filosofia de grupo elico-eltrico apresenta uma boa eficincia na transformao de energia quando comparada com a do grupo comentado no pargrafo a). Aqui tambm a soluo do grupo elico-eltrico com gerador assncrono apresenta a vantagem de ser robusto e de menor custo. O gerador sncrono compensa os reativos atravs da excitao independente. A demanda dos reativos necessrios para excitar o gerador assncrono provm do conversor, no exigindo um banco adicional de capacitores. Nas duas solues o conversor CA/CA apresenta um grande impacto no custo, j que toda a potncia, do grupo elico-eltrico passa para a rede atravs do conversor. Esta soluo no apresenta limite de potncia podendo ser empregada para qualquer potncia respeitando apenas a critrios tcnicos econmicos. c) Gerador Assncrono Trifsico de Rotor Bobinado Duplamente Alimentado com Escovas [GATDACE] Nesta configurao o grupo elico-eltrico constitudo de um gerador assncrono trifsico com rotor bobinado duplamente alimentado atravs de escovas [GATDACE], conforme mostrado esquematicamente na figura 10. Figura 10- Grupo elico-eltrico constitudo de gerador assncrono trifsico duplamente alimentado com escovas [GATDACE] Este gerador permite uma ampla faixa de regulao de velocidade da ordem de 30 % em torno de sua rotao sncrona. O controle da velocidade feito atravs do conversor conectado ao circuito rotrico. Devido a esta caracterstica de regulao de velocidade, esta soluo utilizada nas regies onde a velocidade dos ventos bastante varivel. Aqui tambm como nas solues anteriores o gerador trabalha numa rotao acima da turbina, exigindo um multiplicador de velocidade, que normalmente de vrios estgios. Projetando-se o circuito rotrico adequadamente, o conversor de freqncia para este grupo elico-eltrico, necessita ser dimensionado para no mximo 30% da potncia do grupo, devendo ser bidirecional para permitir o fluxo de potncia nos dois sentidos, isto , do gerador para a rede e da rede para o gerador, dependendo do ponto de operao. Esta uma grande vantagem de custos, fazendo com que esta soluo seja bastante competitiva. Esta filosofia apresenta uma grande eficincia na transformao eletromecnica da energia 6dos ventos, porque devido a sua caracterstica de regulao de velocidade que permite o aproveitamento energtico em toda a faixa de velocidade dos ventos, ou seja, regio I, II e III mostradas na figura 7. A outra grande vantagem, devido ao fato do estator estar ligado diretamente rede gerando uma onda senoidal pura. Dessa forma no introduz no sistema eltrico poluio harmnica, conseqentemente no exige o uso de filtros harmnicos. Esta configurao largamente utilizada pela maioria dos fabricantes de grupos elico-eltricos para potncias da ordem de at 5MW, por apresentar custo inicial baixo, robustez e grande eficincia na transformao eletromecnica da energia dos ventos. Porm, apresenta dois pontos fracos que so o uso do multiplicador de velocidades e o uso de escovas, onde principalmente o segundo aumenta a manuteno do grupo. d) Gerador Sncrono Trifsico conectado rede atravs de um conversor sem multiplicador de velocidade Nesta configurao o grupo elico-eltrico constitudo de um gerador sncrono trifsico com excitao independente ou com rotor de ms permanentes, conforme mostrado esquematicamente na figura 11. (a) (b) Figura 11- Grupo elico-eltrico conectado rede eltrica atravs de um conversor. a) Gerador sncrono com excitao independente b) Gerador sncrono de ms permanente. Nesta soluo tanto a configurao (a) como a (b) requerem um gerador de grande nmero de plos gerando em freqncia baixa e varivel de acordo com a velocidade da turbina. O conversor desacopla o gerador da rede permitindo a converso eletromecnica da energia numa ampla faixa de velocidade dos ventos, conforme mostrado na figura 7. Como os geradores apresentam um grande nmero de plos, trabalham em rotao mais baixa no exigindo um multiplicador de velocidade, mas apenas um planetrio de um nico estgio com custo e manuteno menor. Na configurao (a) a regulao da tenso gerada feita atravs da excitao independente, enquanto que na (b) no permitida a regulao da tenso gerada devido ao rotor ser de ims permanentes. Porm a soluo com ims permanentes no rotor apresenta um rendimento maior por que praticamente no tem perdas no rotor. Esta filosofia utilizada por alguns fabricantes de grupos elico-eltricos para potncias da ordem de at 5MW, por apresentar uma grande eficincia na transformao eletromecnica da energia dos ventos e por no necessitar do multiplicador vrios estgios de velocidade. Porm apresenta um custo inicial elevado e necessita de filtros para evitar a poluio da rede atravs dos harmnicos provenientes do conversor. 3. - GERADOR ASSNCRONO TRIFSICO DUPLAMENTE ALIMENTADO COM ESCOVAS [GATDACE] Fisicamente este gerador constitudo no estator por um enrolamento trifsico que est conectado diretamente rede eltrica e no rotor por um enrolamento trifsico que est conectado ao conversor atravs de um conjunto de anis coletores e escovas, ver figura 10. O escorregamento ps de uma mquina de induo dado por: 111pmpspmspp ffpfffs == (3) Onde: 1pf a freqncia da rede de alimentao da mquina em Hz; 1pp o nmero de pares de plos do enrolamento do estator; 11ppsp pff = rotao sncrona da mquina dada em Hz; mf a freqncia mecnica do eixo da mquina em Hz. A freqncia induzida 2pf no circuito rotrico, usando a equao (3) pode ser escrita como: mppppp fpffsf 1112 == (4) Isolando mf na equao (4), obtemos: 121pppm pfff= (5) Como a freqncia 1pf da rede de alimentao do estator constante e o nmero de pares de plos tambm no varia, baseado na equao (5) podemos controlar a rotao mf da 7mquina impondo adequadamente uma freqncia 2pf ao circuito rotrico. Na figura 12(a) mostrado a variao da freqncia imposta 2pf em funo da rotao mecnica mf . Figura 12- Variao da freqncia induzida no circuito rotrico em funo da rotao mecnica da mquina. A figura 12 (b) mostra a variao do mdulo da tenso nos terminais do enrolamento rotrico 2pU . O termo 2bpU representa a tenso nos terminais do circuito rotrico com o rotor bloqueado. O regime permanente do GATDACE pode ser analisado a partir do circuito equivalente clssico de uma mquina de induo [figura 13]. Figura 13 Circuito Equivalente do GATDACE. Onde os parmetros do circuito equivalente so: 1PU& a tenso de fase de alimentao no estator do gerador; 2PU& a tenso de fase de alimentao no rotor do gerador; 1PI& a Corrente de fase do estator do gerador; 2PI& a Corrente de fase do rotor do gerador; 0PI& a Corrente no ramo magnetizante do gerador; 1p1p1p XjRZ && += a impedncia do enrolamento do estator; 222 ppp XjRZ +=& a impedncia do rotor j referida ao estator; pmpm XjoZ +=& a impedncia do ramo magnetizante da mquina; 011 jRZ pfepfe +=& a impedncia de perdas no ferro do estator; 022 jRZ pfepfe +=& a impedncia de perdas no ferro do rotor j referida ao estator; Resolvendo o circuito equivalente desde 1pu at 2pu da rotao sncrona, obtemos a performance da mquina em regime permanente neste intervalo. A figura 14 mostra uma curva de torque no eixo e corrente no estator do GATDACE. Figura 14 Curva de torque e corrente no estator do GATDACE. Observa-se claramente pela curva de desempenho da figura 14 que o comportamento do GATDACE corresponde ao comportamento de mquina de induo com a vantagem que o torque pode ser controlado pelo conversor impondo a tenso 2PU& de freqncia varivel ao circuito rotrico conforme mostrado no grfico da figura 12. O conversor conectado entre o circuito rotrico e a rede conforme mostrado esquematicamente na figura 10 deve ser bidirecional, isto , de quatro quadrantes, permitindo o fluxo de potncia em ambos os sentidos. Na figura 15 mostrado esquematicamente o controle da GATDACE em duas malhas fechadas, uma de corrente e uma de rotao. Observa-se claramente que a tenso do rotor desacoplada da rede atravs do link DC. 8 Figura 15 Funcionamento esquemtico do GATDACE e o conversor O modelo analtico para o regime dinmico obtido pela transformao das equaes escritas em variveis da mquina em equaes escritas no sistema de referncia arbitrrio. A figura 16 mostra o sistema de referncia arbitrrio do GATDACE. Figura 16 Sistema de referncia arbitrrio para o GATDACE O circuito do estator considerado fixo ao eixo estacionrio 1p e todas as variveis do rotor so referidas ao estator. Na figura 16 os vetores f representam tenses ou correntes da mquina. O circuito rotrico gira com uma velocidade angular 2p radianos eltricos por segundo; os eixos q e d giram com uma velocidade angular 0qd radianos eltricos por segundo e o deslocamento angular entre o circuito rotrico e o eixo arbitrrio q 2p . Transformando o sistema de equaes diferenciais escritas em variveis da mquina para o sistema de referncia arbitrrio, obtemos o conjunto de seis equaes diferenciais dadas por: (6) No sistema de equaes acima, os ndices 1 e 2 so relacionados ao estator e ao rotor respectivamente. Os termos 01pqd e 02pqd representam os enlaces de fluxo, 01pqdi e 02pqdi as correntes, 1pR e 2pR as resistncias , 01pqdu e 02pqdu as tenses, do estator e rotor respectivamente, 0qd representa a velocidade dos eixos de referncia arbitrrio, 2p a Velocidade do eixo do enrolamento do rotor. Todos os parmetros do rotor na equao (6) esto referidos ao estator. A equao dinmica que rege o movimento da mquina pode ser escrita como: ( ) mavmTotalpeixoExterno BdtdJTT = (7) O termo TotalJ representa a inrcia total do sistema dado pela soma da inrcia do gerador e das partes externas acopladas, avB representa o coeficiente de atrito viscoso do sistema, ExternoT representa o torque externo aplicado ao eixo do gerador. A velocidade angular mecnica m dada por: ( )mm dtd = (8) O sistema de equaes diferenciais dadas por (6), (7) e (8) so resolvidas simultaneamente pelo mtodo de Runge-Kutta de quarta ordem, obtendo assim o comportamento dinmico do GATDACE. Nas figuras 17.a , 17.b e 17.c esto mostrados os torques, a corrente no rotor e a velocidade Mecnica respectivamente considerando que o GATDACE acionado por um torque externo. [ ][ ][ ][ ] ++020120000pqdpqdpqdqd[ ][ ][ ][ ][ ][ ] +=020121020100pqdpqdpppqdpqdiiRRuu[ ][ ]+0201pqdpqddtd 9 Figura 17.a- Torque no eixo do GATDACE Figura 17.b- Correntes de fase no rotor do GATDACE Figura 17.c- Rotao mecnica do GATDACE Conforme j comentado no pargrafo 2.c o GATDACE uma soluo largamente utilizada pela maioria dos fabricantes de grupos elico-eltricos at a faixa de potncia de 5MW, devido a sua grande flexibilidade de controle e baixo custo, porm necessitam de um multiplicador de vrios estgios de velocidade e o sistema de escovas e porta escovas os quais so componentes que requerem manuteno. 4. - GERADOR ASSNCRONO TRIFSICO DUPLAMENTE ALIMENTADO SEM ESCOVAS [GATDASE] No pargrafo 2 mostramos as diversas tecnologias utilizadas atualmente na fabricao dos grupos elico-eltricos. As solues com mquinas sncronas apresentam custos mais elevados e as solues com mquinas assncronas apresentam custos menores, porm, mais manuteno, devido a necessidade do multiplicador de velocidades e do sistema de escovas. O maior problema devido as escovas a necessidade de inspees peridicas ao gabinete das mesmas para garantir que o funcionamento esteja se processando adequadamente. Esta inspeo onerosa devido ao fato do nmero de grupos elico-eltricos em parques elicos ser grande e o acesso ao gerador no topo da torre nem sempre ser fcil, principalmente em aplicaes onde o parque elico se localiza no mar [Offshore]. Os geradores que necessitam de escovas apresentam um outro problema que a reduo do nvel de isolamento provocado pelo p das escovas proveniente do desgaste das mesmas. O desgaste das escovas mais acentuado quando no h uma formao adequada da ptina que uma pelcula de grafite que deve se formar na superfcie do anel coletor onde as escovas formam o contato. A formao da ptina fortemente influenciada pelas condies ambientais e de carga do gerador. Como na gerao elica a carga, isto , potncia gerada, varia praticamente de zero at o valor nominal em funo da velocidade dos ventos a ptina pode ficar prejudicada, levando ao desgaste mais rpido das escovas. Uma alternativa para eliminar os problemas decorrentes do uso de escovas o Gerador Assncrono Trifsico Duplamente Alimentado Sem Escovas [GATDASE]. A WEG, em conjunto com a Universidade Federal de Santa Catarina [UFSC], elaboraram um projeto no sentido de desenvolver o GATDASE. Este gerador uma mquina assncrona trifsica onde o ncleo magntico do estator compartilha dois enrolamentos trifsicos. Ao enrolamento de potncia chamaremos de enrolamento principal e conectado diretamente rede eltrica. O enrolamento de controle ao qual chamaremos de enrolamento auxiliar ligado rede atravs do conversor de controle vetorial regenerativo de quatro quadrantes. A figura 18 mostra esquematicamente o GATDASE. O Enrolamento principal com pp pares de plos est representado em cor azul e o auxiliar com ap pares de plos em cor vermelha. O sistema mostrado na figura 18 permite controlar o torque, a velocidade e o fator de potncia do enrolamento principal atravs do conversor conectado no enrolamento auxiliar. 10 Figura 18- Grupo elico-eltrico constitudo de gerador assncrono trifsico duplamente alimentado sem escovas [GATDASE] A gaiola especial mostrada na figura 18 projetada com loops internos para reduzir o contedo harmnico das ondas de indues no entreferro geradas pela gaiola [4], [5]. A vantagem deste sistema de ser compacto e no necessitar de escovas. A performance desta mquina depende fortemente da construo da gaiola especial do rotor [6], [7], [8]. A melhor performance obtida quando as barras do rotor geram 2pN plos que acoplam eletromagneticamente os enrolamentos principal e auxiliar produzindo torques aditivos. Nesta condio dizemos que a mquina est operando na condio de CASCATA MAIS, onde 2pN dado por: app ppN +=2 (9) A equao (9) nos fornece a condio de como escolher o nmero de barras da gaiola do rotor na condio cascata mais. Para minimizar o contedo harmnico das ondas de indues no entreferro geradas pela gaiola, cada plo da gaiola pode ser construdo no s por uma barra, mas sim por vrios loops conforme mostrado na figura 18. A onda fundamental da induo no entreferro gerada pelo enrolamento principal induz uma densidade de corrente na gaiola com freqncia 2pf calculada por: mppp fpff = 12 (10) Onde 1pf a freqncia do enrolamento principal e mf a freqncia mecnica do eixo ambas em Hertz. No enrolamento auxiliar induzida uma densidade de corrente com a seqncia de fase negativa com a freqncia 1af em Hertz, dada por: ( )[ ]mappa fppff +=1 . (11) Isolando a freqncia mecnica do eixo mf em hertz da equao (11), obtemos: apapm ppfff++= 11 (12) A equao (12) mostra que possvel controlar a velocidade do GATDASE variando a freqncia da tenso imposta no enrolamento auxiliar [3]. O conversor de freqncia conectado ao enrolamento auxiliar, conforme mostrado na figura 18 pode variar no s a freqncia, mas tambm, a amplitude e a fase da tenso imposta, controlando desta maneira o torque e a rotao da mquina. A figura 19 mostra a variao das freqncias das correntes induzidas na gaiola 2pf e no enrolamento auxiliar 1af em funo da freqncia mecnica mf no eixo da mquina. Figura 19- Variao da freqncia induzida na gaiola e no enrolamento auxiliar em funo da rotao mecnica da mquina. Quando a freqncia da corrente induzida no enrolamento auxiliar 1af nula, a mquina est rodando na sua freqncia sncrona natural snf que de acordo com a equao (12) pode ser escrita como [6], [7], [8]: appsn ppff+= 1 (13) No ponto da rotao sncrona natural a freqncia e a amplitude da corrente induzida no enrolamento auxiliar so nulas. A rotao sncrona da mquina principal spf dada por: 11ppsp pff = (14) A rotao sncrona da mquina auxiliar saf dada por: 11apsa pff = (15) 11O comportamento em regime permanente obtido usando o circuito equivalente da mquina considerando a condio de operao em cascata mais, mostrado na figura 20. Com este modelo possvel analisar a mquina operando em regime permanente tanto como motor ou como gerador para qualquer condio de carga com fator de potncia indutivo ou capacitivo. Figura 20- Circuito equivalente do GATDASE em cascata mais Na figura 20 os sub-ndices p e a esto relacionados com o enrolamento principal e auxiliar respectivamente. As impedncias do circuito equivalente so 1_ cZ& , a impedncia do estator, 2_ cZ& , a impedncia do rotor, 1_ cfeZ&, a impedncia de perdas no ferro do estator, 2_ cfeZ& a impedncia de perdas no ferro do rotor e cmZ _& a impedncia magnetizante. cadZ& a impedncia externa conectada em srie com o enrolamento auxiliar. A tenso 1acU& representa a tenso imposta pelo conversor esttico. Resolvendo o circuito equivalente mostrado na figura 20 obtemos o comportamento do GATDASE em regime permanente. A figura 21 mostra as curvas de torque em regime permanente. A curva azul representa o torque desenvolvido pelo enrolamento auxiliar (8 plos), a curva verde o torque do enrolamento principal (12 plos), e a vermelha representa o torque total, isto , a soma dos dois torques comprovando que nesta construo de gaiola os torques so aditivos, ou seja a mquina opera em cascata mais. Figuras 21 Curvas de torques em regime permanente No ponto de velocidade de 1pu, os trs torques passam por zero indicando que a mquina se encontra na rotao sncrona natural snf mostrada na figura 19. Em 1,667pu de rotao, novamente os trs torques passam por zero. Neste ponto temos a rotao sncrona da mquina principal spf conforme mostrado na figura 19. Na figura 21 tambm possvel observar que no intervalo de 0 at 1pu de velocidade a mquina se comporta como motor, os trs torques so positivos. De 1pu at 1,667pu de velocidade a mquina se comporta primeiro como gerador, torques negativos, at que o torque da mquina principal se torna positivo novamente. Ento o torque total se torna positivo e a mquina se comporta como motor novamente. Para velocidades acima de 1,667pu os trs torques so negativos novamente e a mquina trabalha como gerador uma vez mais. A figura 22 mostra um conjunto de curvas de torque em regime permanente a te 2,5 pu de velocidade com um reostato de 5 taps conectados em srie com o enrolamento auxiliar. Figura 22- Curvas de torque total em regime permanente com resistncia externa em srie com o enrolamento auxiliar. O GATDASE pode trabalhar perfeitamente como motor ou como gerador quando controlado por um conversor esttico, conforme mostrado na figura 18. O modelo dinmico do GATDASE obtido pela transformao das equaes em variveis da mquina para o sistema de referncia arbitrrio. A figura 23 mostra o sistema de referncia arbitrrio usado na anlise dinmica da GATDASE. O enrolamento principal do estator considerado fixo ao eixo estacionrio 1p e todas as variveis da mquina, como do rotor e do enrolamento auxiliar so referidas ao enrolamento principal do estator. Na figura 23 os vetores f representam as tenses e correntes da mquina. O circuito do rotor gira com uma velocidade angular 2p . Os eixos q e d giram com uma velocidade 0qd e o deslocamento angular do circuito do rotor e o eixo arbitrrio 2p . 12 Figura 23- Sistema de referncia arbitrrio para o GATDASE Sabemos que o enrolamento auxiliar est fisicamente fixo ao estator, isto , ao eixo estacionrio 1p , mas para considerar o efeito cascata no nosso modelo dinmico, somos forado a admitir que o eixo do enrolamento auxiliar 1a gira com uma velocidade angular 1a dada por: ( ) mapa pp 111 += (16) Onde m representa a velocidade mecnica do eixo da mquina, 1pp e 1ap o nmero de pares de plos do enrolamento principal e auxiliar respectivamente. Transformando o sistema de equaes diferenciais escritas em variveis da mquina para o sistema de referncia arbitrrio, obtemos o conjunto de nove equaes diferenciais dadas por: [ ][ ][ ][ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ][ ][ ][ ]++=010201122101010000000aqdpqdpqdaappaqdpqdiiiRRRRuu [ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ][ ][ ][ ]++01020110200000000aqdpqdpqdaqdpqdqd [ ][ ][ ]+010201aqdpqdpqddtd (17) No sistema de equaes acima, os ndices 1 e 2 so relacionados ao estator e ao rotor respectivamente. Os termos 01pqd e 02pqd representam os enlaces de fluxo, 01pqdi e 02pqdi as correntes, 1pR e 2pR as resistncias , 01pqdu e 02pqdu as tenses, do estator e rotor respectivamente, 0qd representa a velocidade dos eixos de referncia arbitrrio, 2p a Velocidade do eixo do enrolamento do rotor, 1a a velocidade do eixo do enrolamento auxiliar do estator. Todos os parmetros do rotor e do enrolamento auxiliar do estator na equao (17) esto referidos ao enrolamento principal do estator. Associando as equaes dinmicas (7) e (8) s nove equaes diferenciais dadas por (17) e resolvendo o sistema pelo mtodo de Runge-Kutta de quarta ordem obtemos o comportamento dinmico da mquina. A figura 24 mostra o torque dinmico em funo do tempo obtido pela simulao de uma acelerao do GATDASE, acima da velocidade sncrona natural, atravs de um torque externo aplicado ao eixo da mquina. Figura 24- Torque dinmico da GATDASE Podemos identificar na figura 24 o instante em que o rotor passa pela velocidade sncrona natural st 08,1 e pela rotao sncrona do enrolamento principal st 45,1 . Estes pontos caractersticos do GATDASE j foram identificados na figura 21 para o regime permanente. 4.1 RESULTADOS EXPERIMENTAIS Para validar o modelo em regime permanente e o modelo dinmico, primeiramente foi criado um modelo em elementos finitos. Os resultados comparativos dos trs modelos foram analisados na referncia [6]. Como segunda etapa de validao dos modelos foi construdo um prottipo de 15kW-440V/760V-60Hz com 12 plos no enrolamento principal e 8 plos no enrolamento auxiliar. Os ensaios foram realizados com o enrolamento principal conectado em Y-760V-60Hz. O enrolamento auxiliar tambm conectado em Y, com os terminais externos em curto circuito ou ligados em srie com uma resistncia externa. 13As tabelas I e II mostram os resultados tericos e experimentais do GATDASE operando como motor e como gerador com o enrolamento principal alimentado por 760V e o enrolamento auxiliar sem resistncia externa = 100,0 aad RR e os terminais em curto circuito. A tabela I apresenta os valores para 100% de carga e a tabela II para valores de 75% de carga. Tabela I Valores para 100% de carga Motor Gerador Terico Ensaiado Terico Ensaiado Rotao (rpm) 351,3 355,1 370,8 366,3 Torque (N.m) 433,6 403,0 609,.0 578,0 Ip1 (A) 43,1 48,1 51,5 59,4 Fator Potncia 0,.37 0,330 0,22 0,20 Rendimento (%) 74,1 74,2 63,4 67,6 Tabela II Valores para 75% de carga Motor Generator Terico Ensaiado Terico Ensaiado Rotao (rpm) 354,3 356,6 368,3 365,9 Torque (N.m) 308,7 300,0 474,8 500,0 Ip1 (A) 41,1 46,4 47,5 55,7 Fator Potncia 0,31 0,270 0,18 0,16 Rendimento (%) 69,1 68,9 61,4 58,7 O ensaio dinmico realizado aplicando um torque negativo ao eixo do GATDASE. Este torque imposto acelera a mquina at aproximadamente 2,5 vezes a rotao sncrona natural. A medio do torque feita atravs de um sensor de torque rotativo instalado entre o eixo do gerador e o eixo do dinammetro, cujo sinal registrado diretamente num ploter analgico. Analisando os resultados experimentais com os tericos, observamos que eles apresentam uma boa concordncia. A figura 25 mostra os valores medidos de corrente no enrolamento principal em funo da velocidade com o enrolamento auxiliar em curto. Figura 25- Corrente no enrolamento principal com o auxiliar em curto = 100,0 aad RR Na figura 26 mostrado o valor medido de corrente no enrolamento principal com resistncia externa conectada ao enrolamento auxiliar. Figura 26- Corrente no enrolamento principal para uma resistncia externa conectada ao enrolamento auxiliar = 100,2 aad RR A figura 27 mostra os dados medidos de potncia em funo da velocidade no enrolamento principal sem resistncia externa conectada ao enrolamento auxiliar. Figura 27 Potncia no enrolamento principal com o auxiliar em curto = 100,0 aad RR A figura 28 mostra os dados medidos de potncia em funo da velocidade no enrolamento principal com resistncia externa conectada ao enrolamento auxiliar. Analisando as figuras de 25 a 28 notamos que as curvas medidas esto deslocadas para a direita quando comparadas com as curvas tericas obtidas pelo regime permanente. Este fato causado pelo mtodo de ensaios dinmicos. Este deslocamento no observado nas figuras 29 e 30 porque as curvas medidas so comparadas com as tericas obtidas pelo modelo dinmico. 14 Figura 28-Potncia no enrolamento principal para uma resistncia externa conectada ao enrolamento auxiliar = 100,2 aad RR . A figura 29 mostra o torque medido em funo da velocidade, sem resistncia externa, conectada ao enrolamento auxiliar. Comparando os resultados experimentais com o terico, obtido pela simulao dinmica, observamos uma boa concordncia. Figura 29- Torque dinmico sem resistncia externa. Na figura 30 mostrado o torque medido com uma resistncia externa conectada ao enrolamento auxiliar, comparando com a simulao terica. Nesta figura tambm se observa a boa concordncia entre os valores medidos e calculados. A tabela III mostra alguns valores de performance do prottipo medidos com 50%, 75% e 100% de carga como motor e como gerador com uma resistncia externa = 100,2 aad RR conectada ao enrolamento auxiliar. Figura 30- Torque dinmico com resistncia externa conectada ao enrolamento auxiliar = 100,2 aad RR . Tabela III - Valores Medidos com resistncia externa = 100,2 aad RR Motor Gerador 50%. 75% 100%t 50%. 75% 100% Rotao (rpm) 357,0 353,9 349,6 399,5 412,7 424,7 Torque (N.m) 200,0 304,0 410,0 389,0 508,0 598,0 Ip1 (A) 44,8 46,4 48,9 52,3 56,5 61,6 Fator Potncia 0,223 0,284 0,343 0,12 0,17 0,21 Rendimento (%) 57,2 64,3 67,2 46,1 51,2 56,3 Analisando todos os dados de performance calculados e medidos fica bem claro que a nica desvantagem do GATDASE o baixo fator de potncia. Este valor baixo conseqncia direta do baixo nmero de barras (plos) 2pN da gaiola do rotor. Este nmero de barras dado pela equao (9) e a condio necessria para a mquina funcionar em Cascata MAIS. O baixo fator de potncia corrigido quando a mquina passa a ser controlada pelo conversor. 5. CONCLUSO Neste artigo apresentamos um resumo sobre a evoluo histrica da converso eletromecnica da energia dos ventos em energia eltrica. Mostramos tambm que a tecnologia de fabricao das turbinas elicas evoluiu muito nas duas ltimas dcadas, aumentando a sua capacidade e eficincia na captao da energia do vento. Junto com esta evoluo ocorreu a aplicao dos modernos mtodos de controle de velocidade e torque, tanto da turbina quanto do gerador, ao projeto permitindo a fabricao de grupos elico-eltricos de maior capacidade, reduzindo drasticamente os custos por quilowatt instalado, confirmando desta maneira a energia elica como uma alternativa limpa e vivel de energia. Mostramos tambm as diversas tecnologias de gerador eltrico atualmente aplicados na gerao elica de energia eltrica. Comentamos as vantagens e desvantagens de cada soluo e realamos que a soluo com a MATDACE apresenta o menor 15custo, porm a desvantagem do uso de escovas. O uso de escovas implica em vrios problemas, conforme comentado no incio do pargrafo 4. O estudo do GATDASE pode se constituir numa boa alternativa para aplicao em gerao elica, principalmente se levarmos em conta o fato de no necessitar de escovas e permitir uma grande flexibilidade no controle do torque e na velocidade, numa ampla faixa de %30 em torno de sua velocidade sncrona natural atravs do conversor. Os resultados experimentais medidos no prottipo de 15kW fabricado mostraram que os modelos tericos aqui apresentados, ou seja, o modelo em regime permanente, o modelo em regime dinmico e o modelo em elementos finitos [6], so ferramentas satisfatrias para se fazer o projeto e anlise do comportamento do GATDASE. A pesar da grande vantagem apresentada pelo gerador aqui analisado, o estudo terico e as medies experimentais mostraram que a limitao desta soluo o seu baixo fator de potncia, aumentando a corrente nas condies de operao e como conseqncia aumentando as perdas Joules nos condutores reduzindo o rendimento da mquina. O rendimento uma caracterstica de performance muito importante que pode ser melhorada durante a fase de projeto, bastando para isto dimensionar os condutores do circuito estatrico e rotrico adequadamente. Quanto ao fator de potncia baixo, visto pela rede, pode ser corrigido dimensionando adequadamente um banco de capacitores no link CC do conversor. Utilizando a tcnica do controle vetorial possvel, atravs do conversor, fazer o sistema gerador conversor operar com o fator de potncia desejado. Para podermos ser mais conclusivos com relao aplicao do GATDASE, em estaes elicas reais, necessrio aprofundar-se mais no controle da mquina. Neste sentido o trabalho em conjunto da WEG com a UFSC prev mais duas etapas importantes: 1- Fabricao de um novo prottipo de 75kW. Este prottipo tem como objetivo validar em detalhes os critrios de projeto, visando melhorar a performance, principalmente o fator de potncia. De posse dos resultados experimentais do prottipo analisar e comparar com a perfomance obtida atravs dos modelos analticos. 2- Elaborar e Implementar o Algoritmo de controle vetorial da mquina O objetivo desta fase do trabalho estudar teoricamente e experimentalmente, atravs da fabricao de um conversor prottipo, o controle vetorial do prottipo do gerador de 75kW em fabricao. O objetivo principal do algoritmo fazer o controle e corrigir o fator de potncia do sistema. Os resultados obtidos at agora mostram que o GATDASE pode ser a uma boa alternativa para o uso em gerao de energia eltrica atravs de turbinas elicas, faltando para isto apenas que o conversor corrija o fator de potncia. 6. -REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS [1] Atlas Elico Estado do Rio de Janeiro-Secretaria de Estado de energia. [2] Yuefeng Liao. Design of a Brushless Doubly-Fed Induction Motor for Adjustable Speed Drive Applications. GE - Corporate Research Development Center, Building K1 - EP118, P.O. Box 8, Schenectady, NY 12301, USA. [3] Ruqi Li , Spe R., Wallace A.K., and Alexander G.C.: Synchronous Drive Performance of Brushless Doudly-Fed Motors. IEEE Transactions on Industry Aplications, Vol. 30, NO 4, July/August 1994. [4] Williamson S., Ferreira A.C., Wallace A.K.: Generalized Theory of Brushless Doubly-Fed Machine - Part 1: Analysis. IEE Proc-Elect. Power Appl. Vol 144, No 2, March 1997. [5] Williamson S., Ferreira A.C., Wallace A.K.: Generalized Theory of Brushless Doubly-Fed Machine . Part 2: Model verification and Performance. IEE Proc.-Elect. Power Appl. Vol 144, No 2, March 1997. [6] F. Rncos , R. Carlson, A.M.Oliveira , P. Kuo-Peng , N. Sadowski, Performance Analysis of a brushless Double Fed Cage Induction Generator . Nord Wind Power Conference, 1-2 March, 2004 , Chalmers University of Technology . [7] F. Rncos ,R. Carlson, A.M.Oliveira , P. Kuo-Peng , N. Sadowski, C.G.C. Neves. Vibration Analysis of a Doubly-Feed Twin Stator Cage Induction Generator . Speedam , Italy , June 2004. [8] F. Rncos, A. M. Oliveira, P. Kuo-Peng, N. Sadowski, R. Carlson. Performance Analysis of a Double Fed Twin Stator Cage Induction Generator, 6th International Conference on Electrical Machines [ICEM] , Institute of Mechatronics and Information Systems, Technical University of Lodz, Poland 5-8,September 2004, Cracow, Poland. [9] WindPower Monthly January 2004.

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