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Universidade Federal de Minas Gerais

Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis

Curso de Especialização em Energia Eólica

Apostila

“Tecnologia em Aerogeradores”

Prof. Selênio Rocha Silva

Belo Horizonte, 19 de junho de 2013

2

Sumário

1. Introdução:................................................................................................................. 5

2. Características Operacionais de Turbinas Eólicas: ..................................................... 6

2.1 Princípios Operativos de Turbinas Eólicas .................................................................................................... 7

2.2 Classificação de Turbinas Eólicas .................................................................................................................. 9

2.3 Características de Turbinas Eólicas ............................................................................................................. 11

2.4 Características de Potência Gerada em uma Turbina Eólica ...................................................................... 13

2.5 Características Operacionais de uma Turbina Eólica .................................................................................. 15

3. Sistemas de Geração Elétrica em Turbinas Eólicas: ................................................. 17

3.1 Geradores elétricos .................................................................................................................................... 19

3.1.1 Gerador de indução ............................................................................................................................... 19

3.1.2 Geradores síncronos com excitação elétrica ou a ímãs permanentes ................................................... 27

3.1.3 Análise comparativa dos geradores elétricos ........................................................................................ 31

3.2 Conversores estáticos ................................................................................................................................. 32

3.2.1 Características da Conversão Estática .................................................................................................... 33

4. Engenharia de Sistemas de Conversão de Energia Eólica: ...................................... 35

4.1 Arquitetura de Aerogeradores a Velocidade Fixa ...................................................................................... 38

4.2 Arquitetura de Aerogeradores a Velocidade Variável ............................................................................... 39

5. Tecnologias de Aerogeradores: ............................................................................... 41

5.1. Tecnologias Comerciais ..................................................................................................................................... 41

5.1.1 Gerador de Indução em Gaiola (IG) ....................................................................................................... 42

5.1.2 Gerador de Indução com Resistores Chaveados no Rotor ..................................................................... 43

5.1.3 Gerador Síncrono com Conversores PWM (GSINC) ............................................................................... 43

5.1.4 Gerador Síncrono com Retificador a Diodos .......................................................................................... 44

5.1.5 Gerador de Indução Duplamente Alimentado (DFIG) ............................................................................ 45

5.2. Distúrbios de Qualidade da Energia Elétrica ..................................................................................................... 46

5.1.6 Nível de curto-circuito ............................................................................................................................ 47

5.1.7 Flutuações de Tensão ............................................................................................................................. 48

5.1.8 Harmônicos ............................................................................................................................................ 49

5.1.9 Suportabilidade a Afundamentos de Tensão ......................................................................................... 51

6. Considerações Finais ................................................................................................ 54

7. Referências Bibliográficas ........................................................................................ 54

3

Índice de Figuras

Figura 1. Evolução da Tecnologia em Aerogeradores .................................................................................. 6 Figura 2. Passagem do Fluxo de Ar pela Turbina Eólica ............................................................................... 7 Figura 3. Vetores de velocidades e forças sob um perfil aerodinâmico ....................................................... 9 Figura 4. Turbinas de Eixo Horizontal (pequena potência e alta potência) .................................................. 9 Figura 5. Turbinas Eólicas de Eixo Vertical ................................................................................................. 10 Figura 6. Coeficiente de potência em função da relação de velocidades e ângulo de passo ..................... 12 Figura 7. Características de rendimento de diversos projetos de turbinas ................................................ 12 Figura 8. Características Cp e Cq de turbina eólica.................................................................................... 13 Figura 9. Característica de potência de uma turbina eólica ....................................................................... 14 Figura 10. Efeito do ângulo de passo no rendimento da turbina ............................................................... 15 Figura 11. Característica operacional típica de uma turbina eólica ........................................................... 16 Figura 12. Características operacionais de turbinas comerciais no Brasil .................................................. 17 Figura 13. Arquiteturas de Sistemas Eólicos Conectados à Rede Elétrica .................................................. 18 Figura 14. Tipos de geradores assíncronos................................................................................................. 20 Figura 15. Curva conjugado em função da rotação da máquina de indução ............................................. 21 Figura 16. Circuitos equivalentes da máquina de indução ......................................................................... 22 Figura 17. Circuito equivalente incluindo sistema externo e capacitor de correção de reativos............... 23 Figura 18. Desempenho do gerador de indução frente a condições particulares da rede e do circuito de rotor ........................................................................................................................................................... 23 Figura 19. Acoplamento de características entre gerador e rotor eólico ................................................... 24 Figura 20. Configuração básica da máquina de indução duplamente alimentada..................................... 24 Figura 21. Fluxo de potência na máquina em operação sub-sincrona ....................................................... 25 Figura 22. Fluxo de potência na máquina em operação super-sincrona .................................................... 25 Figura 23. Características de potências de estator e rotor geradas na máquina duplamente alimentada 26 Figura 24. Rotor de gerador síncrono de oito polos ................................................................................... 28 Figura 25. Avanço da tecnologia a ímãs permanentes ............................................................................... 28 Figura 26. Topologia da máquina a ímãs permanentes de fluxo radial ...................................................... 29 Figura 27. Modelo matemático da máquina síncrona conectada a rede elétrica ...................................... 29 Figura 28. Potências ativa e reativa fornecida por um gerador síncrono conectado a rede por conversores estáticos ................................................................................................................................. 30 Figura 29. Eficiência do gerador elétrico em função de uma estratégia operacional ................................ 30 Figura 30. – Arquiteturas de Sistemas de Geração para Aerogeradores ................................................... 32 Figura 31. Conversor limitador da corrente de conexão de gerador elétrico ............................................ 32 Figura 32. Retificador a diodos ................................................................................................................... 33 Figura 33. Conversor CC-CA a IGBT's .......................................................................................................... 33 Figura 34. Sistema de Conversão Estática com Três Conversores .............................................................. 34 Figura 35. Sistema de Conversão Estática com Dois Conversores PWM .................................................... 35 Figura 36. Curva da Potência Extraída em Função da Velocidade do Vento .............................................. 36 Figura 37 Características de potência de aerogerador a velocidade constante ......................................... 37 Figura 38 Características de potência de aerogerador a velocidade variável ............................................ 38 Figura 39 Comparação entre curvas de potência típicas de turbinas a velocidade constante e a velocidade variável ..................................................................................................................................... 40 Figura 40 Comparação da operação de uma turbina a velocidade constante e uma turbina a velocidade variável para ventos abaixo do vento nominal .......................................................................................... 41 Figura 41 Topologia do Aerogerador com Gerador de Indução com Rotor em Gaiola .............................. 42 Figura 42 Esquema do Aerogerador com Gerador de Indução com Resistores Chaveados no Rotor ....... 43 Figura 43 Configuração do Gerador Síncrono com Conversores PWM ...................................................... 44 Figura 44 Configuração de um Aerogerador Utilizando a Tecnologia Similar à Comercializada pela Enercon....................................................................................................................................................... 45 Figura 45 Sistema de um Aerogerador a Velocidade Variável Utilizando Gerador de Indução Duplamente Alimentado ................................................................................................................................................. 46 Figura 46 Tecnologias responsáveis pelos distúrbios harmônicos ............................................................. 50

4

Figura 47 Corrente de saída distorcida devido à frequência de chaveamento dos elementos dos inversores ................................................................................................................................................... 50 Figura 48 Afundamento de tensão trifásico para 50% ............................................................................... 52 Figura 49 Curva de suportabilidade requerida pelo código de rede brasileiro .......................................... 53 Figura 50 Gerador de afundamento de tensão sugerido pela norma IEC61400-21 ................................... 53

5

1. Introdução:

Este texto discute os aspectos gerais e específicos das principais tecnologias atualmente

comercializadas nos modernos aerogeradores. Procura-se, no estado da arte, os elementos norteadores

que guiem e forneçam subsídios para uma avaliação consubstanciada das arquiteturas existentes com

foco na qualidade da energia elétrica gerada.

Entende-se, como sistema de geração elétrica neste documento, o sub-sistema que consiste do

gerador elétrico e dos conversores estáticos que promovem a adequação da energia elétrica gerada nos

terminais deste gerador com a energia fornecida às redes elétricas ou cargas isoladas. A configuração

deste sub-sistema é dependente da aplicação pretendida e apresentou grande evolução nos últimos 20

anos, seguindo o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e da tecnologia de materiais, que permitiu

o advento de tecnologias modernas e de alta eficiência a velocidade variável.

A aplicação de geração de eletricidade por acionamento através de rotor eólico para conexão aos

sistemas elétricos convencionais consistia normalmente de máquinas de médio/grande porte,

inicialmente na faixa de centenas de kW e chegando aos aerogeradores de multi-MW atualmente

comercializados. Na última década contudo, o curso da tecnologia em turbinas eólicas alterou-se

definitivamente, garantindo visibilidade, confiabilidade e viabilidade.

As máquinas de pequeno porte são utilizadas na geração de energia elétrica em sistemas isolados

e no bombeamento de água, sendo que nestas duas aplicações o uso de geradores síncronos e a

presença de conversores estáticos representam uma realidade que consolidou esta tecnologia. Os

sistemas de geração elétrica presentes nas turbinas eólicas de pequeno porte migraram rapidamente da

concepção arcaica utilizando geradores de corrente continua para a solução com geradores síncronos

com excitação elétrica (bobina de campo) ou a imãs permanentes. Os equipamentos com geradores em

corrente continua se mantiveram no mercado por longas décadas do século passado, mas não

conseguiram consolidar a tecnologia e foram substituídos pelos equipamentos que utilizam a conversão

eletromecânica em corrente alternada. A presença de retificadores e de inversores estáticos, para a

necessária conversão de frequência e o adequado armazenamento energético em baterias de

acumuladores, já representavam uma realidade em equipamentos comercializados nos anos 70 e 80

[Silva, 1988]. Os primeiros equipamentos comercializados naquelas décadas apresentavam máquinas

com excitação elétrica em configuração auto-excitada e com caixa de multiplicação de velocidades,

ajustando a rotação do rotor eólico com a frequência de geração do alternador para garantir que a

frequência das ondas elétricas se aproximasse de frequências comerciais das redes elétricas. A

tecnologia presente nos conversores estáticos utilizava dispositivos semicondutores a base de diodos e

tiristores, chaveando em baixas frequências.

Em aerogeradores de grande porte, além da rápida evolução nas faixas de potência

comercializadas entre as últimas três décadas, como ilustra a Figura 1, uma diversidade de tecnologias

foi desenvolvida e continuam em operação. Destacam-se a utilização de gerador de indução e de

gerador síncrono (com excitação elétrica ou a imãs permanentes), e entre estes um continuo

crescimento de equipamentos com geradores a imãs permanentes.

É interessante observar como o desenvolvimento de sistemas de geração para aerogeradores

partiu de tecnologias distintas entre máquinas de grande porte e máquinas de pequeno po

finalmente convergindo para tecnologias bastante similares conceitualmente.

Neste trabalho encontra-se informações técnicas variadas sobre as tecnologias de rotores eólicos,

geradores elétricos e conversores estáticos, com ênfase nas combinações prefe

nos modernos aerogeradores. Busca

conhecimento neste amplo campo tecnológico.

2. Características Operacionais de Turbinas Eólicas:

A energia eólica resulta da transformação de parcinética da atmosfera. A diferença de radiação solar sobre regiões distintas do planeta provoca o deslocamento de camadas de ar, os ventos.

A energia cinética presente em um dado volume de vento V, pode ser expressa em Joules/m

onde ρ é a massa específica de ar (

A potência eólica disponível expressa em Watts por:

onde A é a área varrida pelo rotor eólico.

É possível mostrar que, apenas uma parte desta energia cinéticaconversível, uma vez que o ar deve conservar uma velocidade que permita através do rotor de uma turbina eólica

Figura


partiu de tecnologias distintas entre máquinas de grande porte e máquinas de pequeno po

finalmente convergindo para tecnologias bastante similares conceitualmente.

se informações técnicas variadas sobre as tecnologias de rotores eólicos,

geradores elétricos e conversores estáticos, com ênfase nas combinações preferencialmente utilizados

nos modernos aerogeradores. Busca-se desta forma produzir documento que permita agregar

conhecimento neste amplo campo tecnológico.

Características Operacionais de Turbinas Eólicas:

A energia eólica resulta da transformação de parte do efeito térmico solar em energia cinética da atmosfera. A diferença de radiação solar sobre regiões distintas do planeta provoca o deslocamento de camadas de ar, os ventos.

presente em um dado volume de vento, obtida em uma velocidaem Joules/m

3 por:

E Vc = 12

2ρ.

é a massa específica de ar ( ≅ 1,2 kg/m3).

A potência eólica disponível é calculada pela taxa de variação desta energia

P A Ve = 12

3ρ. .

onde A é a área varrida pelo rotor eólico.

apenas uma parte desta energia cinética contida nas massas de arconversível, uma vez que o ar deve conservar uma velocidade que permita a passagem através do rotor de uma turbina eólica, como ilustra a Figura 2. A melhor conversão

Figura 1. Evolução da Tecnologia em Aerogeradores

6


partiu de tecnologias distintas entre máquinas de grande porte e máquinas de pequeno porte,

se informações técnicas variadas sobre as tecnologias de rotores eólicos,

rencialmente utilizados

se desta forma produzir documento que permita agregar

Características Operacionais de Turbinas Eólicas:

te do efeito térmico solar em energia cinética da atmosfera. A diferença de radiação solar sobre regiões distintas do planeta provoca o

vento, obtida em uma velocidade de

é calculada pela taxa de variação desta energia eólica, sendo

contida nas massas de ar é a passagem de seu fluxo

. A melhor conversão teórica de

7

energia é obtida quando a velocidade na esteira do rotor (após passar pela área varrida pelo rotor eólico) é igual a 1/3 da velocidade do vento incidente. A partir desta relação aproximada, a potência mecânica, teoricamente recuperável de uma instalação eólica é calculada, no máximo, a 59.3% da potência disponível incidente. Este valor estimado da eficiência máxima de conversão é conhecido como limite de Betz, apesar de em turbinas comerciais os testes em campos tem indicado normalmente eficiências de conversão bem inferiores.

Figura 2. Passagem do Fluxo de Ar pela Turbina Eólica

O cálculo dos valores médios de energia eólica disponível em um determinado local requer o conhecimento da distribuição de probabilidade de vento ou dos registros dos valores de vento em um dado período de tempo. Os valores de velocidade de vento média, normalmente obtidos em um determinado período de tempo, não fornecem informações precisas sobre a energia eólica disponível no local, já que a potência eólica depende da velocidade de vento elevada ao cubo. Dois valores médios podem ser utilizados para estimativa da potência ou energia eólica disponível em um dado local, o valor médio e a raiz cúbica do valor médio cúbico, e são expressos por:

∫ ∑∞

==0

)(.).(. VpVdVVpVV

[ ]33

3

0

33 3 )(.).(. ∑∫ ==∞

VpVdVVpVV

Onde p(V) é a função densidade de probabilidade da velocidade de vento do local.

A raiz cúbica da média cúbica da velocidade de vento corresponde a um valor de velocidade de vento que permite uma mais precisa estimativa da potência existente no local e constitui parâmetro importante no dimensionamento de uma usina eólica. A razão entre a média do cubo da velocidade de vento e o cubo da média da velocidade de vento é chamada de "fator de padrão energético", que varia entre os valores 1.5 e 3. Embora a energia eólica disponível não possa ser obtida do valor da velocidade de vento média, já que o fator padrão energético não é constante, há suficiente correspondência entre altos valores de velocidade média e altas potências médias, possibilitando uma avaliação qualitativa.

2.1 Princípios Operativos de Turbinas Eólicas

Uma turbina eólica é formada essencialmente por um conjunto de pás sob a ação do vento. As forças que são exercidas sobre estas pás fazem com que estas girem em torno de um eixo. A ação do vento sobre um corpo pode ser definida por duas componentes de forças: o arrasto e a

8

sustentação. A força de arrasto é a componente na direção da velocidade de vento relativa, enquanto a força de sustentação é a componente perpendicular a esta direção (Figura 3).

A velocidade de vento relativa Vr é calculada levando em conta o fator de interferência (a) sobre a velocidade de vento incidente (V) em uma turbina e o efeito da velocidade rotacional do rotor eólico (w) na periferia do círculo de raio R, vale :

RwaVVr .)1( −−=

Lembrando que nesta expressão todas as velocidades são vetores, pois possuem direções distintas.

As forças de sustentação (FL) e de arrasto (FD) são proporcionais à densidade do ar, à área das pás e ao quadrado da velocidade de vento relativa do aerofólio. As constantes de proporcionalidade são definidas como coeficientes de sustentação (CL) e arrasto (CD), que são funções do ângulo de ataque (α) e constituem características implícitas ao perfil aerodinâmico das pás .

A força resultante sobre o rotor eólico, no plano de rotação, que contribui para o conjugado desenvolvido pela pá, vale (Gimpel and Stodhart, 1958):

θθ cos.. DLa FsenFF −=

onde βαθ +=

α = ângulo de ataque em relação ao plano de rotação (ângulo entre a velocidade de vento relativa e o eixo de simetria do perfil aerodinâmico)

β = ângulo de passo do perfil aerodinâmico (ângulo entre o eixo de simetria do perfil aerodinâmico e o plano de rotação)

As pás de turbinas eólicas modernas são construídas utilizando perfis aerodinâmicos projetados para produzirem elevados coeficientes de sustentação. Um aerofólio apresenta uma borda de ataque e uma borda de fuga, cuja distância entre seus pontos extremos constitui a corda do perfil (que passa pelo eixo de simetria do perfil). Os perfis de turbinas eólicas modernas são em geral do tipo plano-convexo (Gottingen) ou biconvexo (NACA). Ao longo da estrutura da pá, esta pode apresentar uma torção para garantir um ângulo de ataque aproximadamente constante em toda sua extensão.

As turbinas eólicas modernas apresentam um mecanismo de variação do ângulo de passo, a fim de controlar a velocidade e, portanto, regular a potência gerada, reduzindo-se o ângulo de ataque pelo aumento do ângulo de passo.

O projetista de turbinas eólicas, portanto tem à sua disposição diversas ferramentas para garantir um bom projeto aerodinâmico, isto é, alta sustentação com baixo arrasto. Para o sistema eólico como um todo, o projeto estrutural é vital a fim de garantir uma operação confiável, por prolongado período (maior que 20 anos), com baixo custo de construção.

Figura 3. Vetores de velocidades e forças sob um perfil aerodinâmico

2.2 Classificação de Turbinas Eólicas

Na literatura técnica é comum distinguir as turbinas eólicas segundo os seguintes critérios:

- direção do eixo de rotação em relação ao vento (eixo horizontal e eixo vertical);

- qualidade das forças predominantes (arrasto e sustentação);

- quantidade de material existente no rotor (baixa e alta solidez).

As turbinas de eixo horizontal apresentam seu eixo de rotação em paralelo com a direção do vento. Nestes tipos de turbinas se encontram os modelos multipás americano e as turbinas eólicas rápidas de 3, 2 e 1 pás. A Figura 4 ilustra dois tipos de turbinas de eixo horizontal, uma de pequeno porte e outra de alta potência. Nestes dois projetos distintos pode-se identificar as similaridades de possuírem três pás e alta eficiência de conversão, serem regidas por forças de sustentação predominantes, além de possuírem baixa área de material nas pás em relação à área varrida pelo rotor eólico em movimento (baixa solidez). Estas máquinas apresentam velocidades de rotação que produzem altas velocidades tangenciais nas pontas das pás (> 10 vezes a velocidade de vento incidente).

Figura 4. Turbinas de Eixo Horizontal (pequena potência e alta potência)

_________________________________________________

As turbinas de eixo vertical são representadas princiDarrieus e funcionam com qualquer direção de Diferentemente das turbinas de eixo horizontal, este dois modelos de eixo vertical possuem características extremamente distintas, que são expressas na Tabela 1.

Turbina Savonius

Figura

Tabela 1

Turbina Savonius

● Predomina o arrasto;

● Alta solidez e baixa rotação;

● Baixa eficiência (Cpmax=10%);

● Utilizado em aplicações

entreterimento;

● Simples construção;

● Inadequada para geração de eletricidade

A qualidade das forças predominantes na operação de uma turbina eólica dita praticamente suas características básicas. As turbinas que funcionam por arrasto (modelo Savonius, por exemplo) apresentam normalmente baixas velocidades roaerodinâmico e um custo elevado pela grande quantidade de material envolvido. As turbinas rápidas como as tri-pás, bi-pás, monópteros e Darrieus, se caracterizam por operarem por sustentação apresentando elevadas velocidades indicadas para geração de eletrici

Um importante parâmetro do projeto de turbinas eólicas é a relação entre a área total das pás do rotor e a área varrida por estas, num perímetro correspondente a 7

parâmetro adimensional é conhecido por solidez (

_____________________________________________________________________________________

Laboratório de Conversão e Controle da Energia Departamento de Engenharia Elétrica – UFMG

Av. Pres. Antônio Carlos, 6627 – CEP 31.270-010

Fone: (31) 3409 34 29

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As turbinas de eixo vertical são representadas principalmente pelos modelos Savonius e quer direção de velocidade de vento, como ilustradas na Figura

Diferentemente das turbinas de eixo horizontal, este dois modelos de eixo vertical possuem características extremamente distintas, que são expressas na Tabela 1.

Turbina Savonius Turbina Darrieus

Figura 5. Turbinas Eólicas de Eixo Vertical

1. Características de Turbinas de Eixo Vertical

Turbina Savonius Turbinas Darrieus

Alta solidez e baixa rotação;

Baixa eficiência (Cpmax=10%);

Utilizado em aplicações mecânicas e

Inadequada para geração de eletricidade

● Predomina a sustentação;

● Turbina de baixa solidez;

● Alta rotação e eficiência;

● Não tem partida autônoma;

● Esforços mecânicos severos sobre as pás;

● Frenagem complexa

● Turbina não-comercial

A qualidade das forças predominantes na operação de uma turbina eólica dita praticamente cas. As turbinas que funcionam por arrasto (modelo Savonius, por

exemplo) apresentam normalmente baixas velocidades rotacionais, baixos rendiaerodinâmico e um custo elevado pela grande quantidade de material envolvido. As turbinas

pás, monópteros e Darrieus, se caracterizam por operarem por sustentação apresentando elevadas velocidades e altos rendimentos aerodinâmicos sendo, portanto, indicadas para geração de eletricidade.

Um importante parâmetro do projeto de turbinas eólicas é a relação entre a área total das pás do rotor e a área varrida por estas, num perímetro correspondente a 70% do raio das pás. Este

parâmetro adimensional é conhecido por solidez (σ) e vale (Gimpel e Stodhart, 1958):

10

____________________________________

palmente pelos modelos Savonius e das na Figura 5.

Diferentemente das turbinas de eixo horizontal, este dois modelos de eixo vertical possuem

Turbina Darrieus

Turbinas Darrieus

Predomina a sustentação;

Turbina de baixa solidez;

Alta rotação e eficiência;

Não tem partida autônoma;

Esforços mecânicos severos sobre as pás;

A qualidade das forças predominantes na operação de uma turbina eólica dita praticamente cas. As turbinas que funcionam por arrasto (modelo Savonius, por

tacionais, baixos rendimento aerodinâmico e um custo elevado pela grande quantidade de material envolvido. As turbinas

pás, monópteros e Darrieus, se caracterizam por operarem por susten-dinâmicos sendo, portanto,

Um importante parâmetro do projeto de turbinas eólicas é a relação entre a área total das 0% do raio das pás. Este

) e vale (Gimpel e Stodhart, 1958):

_________________________________________________

onde n = número de pás;

c = corda a 0.7 do raio das pás (m);

D = diâmetro do rotor (m

A referência ao ponto de 70% do raio é utilizadaestá sujeita aos maiores esforçosobservado que a solidez pode fornecer informações mais detalhadas sUm rotor de alta solidez apresenta alto conjugado de partida e bom desempenho em baixas velocidades. Rotores de baixa solidez operam a velocidades elevadas, a rendimentos maiores e com pobre característica de partida. A5% e 10%, já que devem ser projetadas para altas eficiências e altas velocidades o que implica aplicações direcionadas à geração de energia elétrica. No caso de uma turbina eólica multipás a solidez excede 50%.

2.3 Características de Turbinas Eólicas

A potência desenvolvida por uma turbina eólica depende da velocidade do vento e da velocidade rotacional. A relação entre a potência, a velocidade do vento e a velocidade rotacional são normalmente apresentadasaplicável em diversas circunstâncias. Dois parâmetros adimensionais mais largamente utilizados

para descrever estas relações são a relação de velocidades primeiro é definido como:

onde R (em metros) é o raio do rotor eólico, medido na ponta da pá, wsegundo) é a rotação da turbina

O coeficiente de potênciaturbina eólica, é um parâmetro adimensional

velocidades λ e do ângulo de passo

A dependência do coeficiente de potência com os parâmetros aerodinâmico e de uma série de procedimentos de construção das de muito utilizada nos modelos matemáticos para integração de aerogeradores nas redes elétricas, representa uma relação matemática de

estimação prática. A Figura 6 ilustra umtécnica.

Outro parâmetro adimensional importante é o coeficien

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Fone: (31) 3409 34 29


σπ

=n c

D

.

.0 7

n = número de pás;

c = corda a 0.7 do raio das pás (m);

D = diâmetro do rotor (m).

A referência ao ponto de 70% do raio é utilizada pois esta região das pás da turbina eólicaestá sujeita aos maiores esforços estruturais. Pela análise de alguns projetos eólicos temobservado que a solidez pode fornecer informações mais detalhadas sobre a operação da turbina. Um rotor de alta solidez apresenta alto conjugado de partida e bom desempenho em baixas velocidades. Rotores de baixa solidez operam a velocidades elevadas, a rendimentos maiores e

terística de partida. A solidez de turbinas eólicas modernas atinge valores entre projetadas para altas eficiências e altas velocidades o que implica

aplicações direcionadas à geração de energia elétrica. No caso de uma turbina eólica multipás a

Características de Turbinas Eólicas

A potência desenvolvida por uma turbina eólica depende da velocidade do vento e da velocidade rotacional. A relação entre a potência, a velocidade do vento e a velocidade rotacional são normalmente apresentadas por coeficientes adimensionais, a fim de tornar esta informação aplicável em diversas circunstâncias. Dois parâmetros adimensionais mais largamente utilizados

para descrever estas relações são a relação de velocidades λ e o coeficiente de potência Cp. O

λ =w R

V

.

é o raio do rotor eólico, medido na ponta da pá, w (em radianos por eólica e V é a velocidade de vento (em metros por segundo)

O coeficiente de potência Cp, também chamado de rendimento aerodinâmico de uma é um parâmetro adimensional normalmente expresso em função da relação de

e do ângulo de passo β, é definido como:

CP

AVp

t=

12

3ρ

A dependência do coeficiente de potência com os parâmetros λ e β depende do projeto aerodinâmico e de uma série de procedimentos de construção das pás, logo esta relação, apesar

nos modelos matemáticos para cálculo da energia gerada e nos ção de aerogeradores nas redes elétricas, representa uma relação matemática de

ilustra uma relação teórica Cp(λ,β) muito presente na literatura

Outro parâmetro adimensional importante é o coeficiente de conjugado, definido como:

λρp

q

C

ARV

TC ==

2

21

11

____________________________________

das pás da turbina eólica . Pela análise de alguns projetos eólicos tem-se

ração da turbina. Um rotor de alta solidez apresenta alto conjugado de partida e bom desempenho em baixas velocidades. Rotores de baixa solidez operam a velocidades elevadas, a rendimentos maiores e

z de turbinas eólicas modernas atinge valores entre projetadas para altas eficiências e altas velocidades o que implica

aplicações direcionadas à geração de energia elétrica. No caso de uma turbina eólica multipás a

A potência desenvolvida por uma turbina eólica depende da velocidade do vento e da velocidade rotacional. A relação entre a potência, a velocidade do vento e a velocidade rotacional

por coeficientes adimensionais, a fim de tornar esta informação aplicável em diversas circunstâncias. Dois parâmetros adimensionais mais largamente utilizados

eficiente de potência Cp. O

(em radianos por e V é a velocidade de vento (em metros por segundo).

, também chamado de rendimento aerodinâmico de uma normalmente expresso em função da relação de

depende do projeto pás, logo esta relação, apesar

cálculo da energia gerada e nos estudos de ção de aerogeradores nas redes elétricas, representa uma relação matemática de difícil

) muito presente na literatura

te de conjugado, definido como:

_________________________________________________

onde T (em Newton vezes me

A Figura 7 ilustra as características de coeficientes de potênciavelocidades para diversos tipos de turbinas eólicas, permitindo a comparação entre estes projetos em termos de máxima eficiência e de faixa de velocidades rotacionais.

Figura 6. Coeficiente de potência em função da relação de velocidades e ângulo de passo

Figura 7. Características de rendimento de diversos projeto

As características Cp (Nesta pode-se verificar que a potência desenvolvida por um rotor eólico é nula (Cp = 0) em dovalores de relação de velocidades; quando o rotor está estacioponta da pá é várias vezes maior que a velocidade do vento. A máxima eficiência (C

em um valor intermediário de relação de velocidades, maneira análoga o conjugado desenvolvido pelo rotor é máximo (C

relação de velocidades, λQmax, o que determina a região de operação estável da

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Fone: (31) 3409 34 29


(em Newton vezes metro)é o conjugado desenvolvido pelo rotor eólico.

ilustra as características de coeficientes de potência em função da relação de velocidades para diversos tipos de turbinas eólicas, permitindo a comparação entre estes projetos

ma eficiência e de faixa de velocidades rotacionais.

. Coeficiente de potência em função da relação de velocidades e ângulo de passo

. Características de rendimento de diversos projetos de turbinas

As características Cp (λ) e Cq (λ) de uma turbina eólica são ilustradas na Figurase verificar que a potência desenvolvida por um rotor eólico é nula (Cp = 0) em do

valores de relação de velocidades; quando o rotor está estacionário e quando a velocidade na ponta da pá é várias vezes maior que a velocidade do vento. A máxima eficiência (Cpm

em um valor intermediário de relação de velocidades, λo (relação ótima de velocidades)maneira análoga o conjugado desenvolvido pelo rotor é máximo (Cqmax) em uma determinada

, o que determina a região de operação estável da turbina para

12

____________________________________

é o conjugado desenvolvido pelo rotor eólico.

em função da relação de velocidades para diversos tipos de turbinas eólicas, permitindo a comparação entre estes projetos

. Coeficiente de potência em função da relação de velocidades e ângulo de passo

s de turbinas

urbina eólica são ilustradas na Figura 8. se verificar que a potência desenvolvida por um rotor eólico é nula (Cp = 0) em dois

nário e quando a velocidade na pmax) é obtida

(relação ótima de velocidades). De a determinada

turbina para λ >

_________________________________________________

λQmax. A região de baixas relações de velocidades é caracterizada pelo "estolamento" das pás, isto é, a perda de sustentação que ocorre das seções externas da pá (ponta) para as ida pá).

Figura

2.4 Características de Potência Gerada em uma Turbina Eólica

A quantidade de potência que pode ser extraída de um regime de vento depende da quantidade de energia disponível e de características operativas do equipamento de conversão da energia eólica. A potência de saída de um sistema de conversão de energia eólica

onde Cp é chamado de coeficiente de potência, que represturbina eólica e depende da velocidade de vento e da velocidade rotacional do rotor eólico.

Algumas estimativas da energia eólica extraível podem ser obtidas utilizandomédio do coeficiente de potência ou a caraatravés da função de distribuição de probabilidade

∫=∞

(..0

21 VCAP pt ρ

Outra expressão da energia extraível é o "fator de capacidade", que pode ser calculado pela razão entre a potência extraível e a potência nominal

Como a turbina eólica possui um dado valor de máximo coeficiente de potência (Cpmax)

que ocorre em uma dada relação de velocidades avaliar o que representa a operação em pontos de Cpmax. Além disto, dvelocidades, os rotores de baixa solidez necessitam de dispositivos de controle e proteção a fim de garantir confiabilidade e segurança a

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


. A região de baixas relações de velocidades é caracterizada pelo "estolamento" das pás, isto é, a perda de sustentação que ocorre das seções externas da pá (ponta) para as i

Figura 8. Características Cp e Cq de turbina eólica

Características de Potência Gerada em uma Turbina Eólica

A quantidade de potência que pode ser extraída de um regime de vento depende da ergia disponível e de características operativas do equipamento de conversão da

energia eólica. A potência de saída de um sistema de conversão de energia eólica é expresso por

P C A Vt p= 12

3. . . .ρ

nde Cp é chamado de coeficiente de potência, que representa a eficiência aerodinâmica da turbina eólica e depende da velocidade de vento e da velocidade rotacional do rotor eólico.

Algumas estimativas da energia eólica extraível podem ser obtidas utilizandomédio do coeficiente de potência ou a característica Cp(V) de um rotor eólico característico, através da função de distribuição de probabilidade p(V), da seguinte forma:

∑= (.).(..).(.). 3

213 pVVCAdVVpVV pρ

Outra expressão da energia extraível é o "fator de capacidade", que pode ser calculado a potência extraível e a potência nominal do aerogerador ou da usina eólica


que ocorre em uma dada relação de velocidades λo para cada ângulo de passo, é importante avaliar o que representa a operação em pontos de Cpmax. Além disto, devido à operação em altas velocidades, os rotores de baixa solidez necessitam de dispositivos de controle e proteção a fim de garantir confiabilidade e segurança aos equipamentos.

13

____________________________________

. A região de baixas relações de velocidades é caracterizada pelo "estolamento" das pás, isto é, a perda de sustentação que ocorre das seções externas da pá (ponta) para as internas (raiz

Características de Potência Gerada em uma Turbina Eólica

A quantidade de potência que pode ser extraída de um regime de vento depende da ergia disponível e de características operativas do equipamento de conversão da

é expresso por:

enta a eficiência aerodinâmica da turbina eólica e depende da velocidade de vento e da velocidade rotacional do rotor eólico.

Algumas estimativas da energia eólica extraível podem ser obtidas utilizando-se o valor cterística Cp(V) de um rotor eólico característico,

)(V

Outra expressão da energia extraível é o "fator de capacidade", que pode ser calculado do aerogerador ou da usina eólica.


de passo, é importante evido à operação em altas

velocidades, os rotores de baixa solidez necessitam de dispositivos de controle e proteção a fim de

_________________________________________________

Uma turbina eólica, operando a relação de velocidades constantes, apresenta uma concordância linear entre a velocidade rotacional e a velocidade de vento, o que conduz a uma característica de potência dependente do cdeduzida pela expressão abaixo:

tP

Torna-se praticamente difícil prever uma carga cúbica em ampla escala de rotação.operariam acima de sua potência nominal.turbina eólica, de modo que, a partir da velocidade nominal de projeto VR, a rotação e, portanto a potência, permaneçam aproximadamente constantes.

Esta limitação de potência pode ser implementada por diversas maneiras, entre elas: o sistema de variação do passo (em turbinas de passo variávelo controle por "stall" (em turbinas de passo fixo). A variaçã

ângulo de passo da pá , β, com o aumento da rotação, levando a uma redução no ângulo de ataque, que reduz a sustentação e o rendimento aerodinâmico de turbina. O efeito da variação do ângulo de passo nas características de Cp de uma turbina típica é ilustrado nse compreender o impacto deste mecanismo de regulação sobre a rotação do aerogerador

Figura 9. Característica de potência de uma turbin

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


Uma turbina eólica, operando a relação de velocidades constantes, apresenta uma concordância linear entre a velocidade rotacional e a velocidade de vento, o que conduz a uma

rística de potência dependente do cubo da rotação, como ilustra a Figura deduzida pela expressão abaixo:

3

max33

21

max

3

21 .......

o

p

pt

CwRACVA

λρρ ==

se praticamente difícil prever uma carga cuja potência consumida varie de formaem ampla escala de rotação. Além disto, os próprios equipamentos de geração e

operariam acima de sua potência nominal. Assim é usual limitar a potência desenvolvida por uma a partir da velocidade nominal de projeto VR, a rotação e, portanto a

potência, permaneçam aproximadamente constantes.

Esta limitação de potência pode ser implementada por diversas maneiras, entre elas: o de variação do passo (em turbinas de passo variável- controle de passo passivo

o controle por "stall" (em turbinas de passo fixo). A variação do passo consiste no aumento do

, com o aumento da rotação, levando a uma redução no ângulo de tação e o rendimento aerodinâmico de turbina. O efeito da variação do

e passo nas características de Cp de uma turbina típica é ilustrado na Figura 10se compreender o impacto deste mecanismo de regulação sobre a rotação do aerogerador

. Característica de potência de uma turbina eólica

14

____________________________________

Uma turbina eólica, operando a relação de velocidades constantes, apresenta uma concordância linear entre a velocidade rotacional e a velocidade de vento, o que conduz a uma

igura 9 e pode ser

cuja potência consumida varie de forma equipamentos de geração elétrica não

é usual limitar a potência desenvolvida por uma a partir da velocidade nominal de projeto VR, a rotação e, portanto a

Esta limitação de potência pode ser implementada por diversas maneiras, entre elas: o controle de passo passivo ou ativo) e o do passo consiste no aumento do

, com o aumento da rotação, levando a uma redução no ângulo de tação e o rendimento aerodinâmico de turbina. O efeito da variação do

10, onde pode se compreender o impacto deste mecanismo de regulação sobre a rotação do aerogerador.

_________________________________________________

Figura 10. Efeito do ângulo de passo no rendimento da turbina

2.5 Características Operacionais

Das informações apresentadas anteriormente, podeoperacionais necessárias para uma aerogerador:

• Operação em máxima eficiência aerodinâmica (Cpmax), principalmente em ventos baixos até o vento nominal;

• A partida de uma aerogerador é bastante favorecida se o mecanismo de passo ajusta o ângulo partida);

• Acima da velocidade nominal a potência gerada e rotação deve ficar limitada evitando sobrecarga no gerador ou sobrevelocidades que podem significar sobretensões;

• Além de uma dado valaerogerador, reduzindo esforços excessivos sobre as pás.

Estas considerações estabelecem uma característica operacional Potência x velocidade de vento particularmente constituídavento são definidas pois representam pontos de transição da característica:

• VC velocidade de vento inicial ou de “cutvento média de um local;

• VR velocidade de vento nominal, tipicavento média;

• VF velocidade de vento máxima ou velocidade de “cuttipicamente 300% da velocidade de vento média.

A característica de operação Pe(V) de uma turbina eólica fica definida pela determdos parâmetros VC, VR e VF . Sabepotência de saída é nula, já que nestas convelocidades de vento compreendidas entre VC e VR, a potência

carga e fica limitada pela curva de máxima potência convertida pela turbina (operação a No intervalo entre VR e VF a potência absorvida é igual à nominal,caracterizado pela operação a rotação constantede regulação é por controle de passo ou por “stall”

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


. Efeito do ângulo de passo no rendimento da turbina

Operacionais de uma Turbina Eólica

Das informações apresentadas anteriormente, pode-se definir algumas características ias para uma aerogerador:

Operação em máxima eficiência aerodinâmica (Cpmax), principalmente em ventos baixos até o vento nominal;

A partida de uma aerogerador é bastante favorecida se o mecanismo de passo ajusta o ângulo β para altos valores (altos valores de Cq e altos conjugados de

Acima da velocidade nominal a potência gerada e rotação deve ficar limitada evitando sobrecarga no gerador ou sobrevelocidades que podem significar

Além de uma dado valor de velocidade de vento é importante desligar o aerogerador, reduzindo esforços excessivos sobre as pás.

stas considerações estabelecem uma característica operacional Potência x velocidade de constituída, como é ilustrado na Figura 11. Nesta algumas velocidades de

vento são definidas pois representam pontos de transição da característica:

velocidade de vento inicial ou de “cut-in” tipicamente em 60% da velocidade de vento média de um local;

velocidade de vento nominal, tipicamente entre 150 e 175% da velocidade de

velocidade de vento máxima ou velocidade de “cut-out” ou de “furling”, tipicamente 300% da velocidade de vento média.

A característica de operação Pe(V) de uma turbina eólica fica definida pela determ. Sabe-se que para velocidades inferiores a VC e superiores a VF, a

potência de saída é nula, já que nestas condições o sistema não deve estar acionado. Para velocidades de vento compreendidas entre VC e VR, a potência depende das carac

carga e fica limitada pela curva de máxima potência convertida pela turbina (operação a No intervalo entre VR e VF a potência absorvida é igual à nominal, e este intervalo é caracterizado pela operação a rotação constante, apesar de seu formato depender se o mecanismo de regulação é por controle de passo ou por “stall”.

15

____________________________________

se definir algumas características

Operação em máxima eficiência aerodinâmica (Cpmax), principalmente em ventos

A partida de uma aerogerador é bastante favorecida se o mecanismo de passo para altos valores (altos valores de Cq e altos conjugados de

Acima da velocidade nominal a potência gerada e rotação deve ficar limitada evitando sobrecarga no gerador ou sobrevelocidades que podem significar

or de velocidade de vento é importante desligar o

stas considerações estabelecem uma característica operacional Potência x velocidade de a 11. Nesta algumas velocidades de

in” tipicamente em 60% da velocidade de

mente entre 150 e 175% da velocidade de

out” ou de “furling”,

A característica de operação Pe(V) de uma turbina eólica fica definida pela determinação se que para velocidades inferiores a VC e superiores a VF, a

dições o sistema não deve estar acionado. Para depende das características da

carga e fica limitada pela curva de máxima potência convertida pela turbina (operação a λ = λo). e este intervalo é

, apesar de seu formato depender se o mecanismo

_________________________________________________

Figura 11. Característica operacional típica de uma turbina

Na Figura 12 são apresentadascomercializadas no Brasil, ilustrando escolhas de projeto e características operacionais distintaspodem ser identificadas pelas curvas de Cp e de potência

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


. Característica operacional típica de uma turbina eólica

são apresentadas as características de potência de três turbinas eólicas comercializadas no Brasil, ilustrando escolhas de projeto e características operacionais distintaspodem ser identificadas pelas curvas de Cp e de potência gerada simultaneas.

Turbina E-82 da Enercon/Wobben

16

____________________________________

as características de potência de três turbinas eólicas comercializadas no Brasil, ilustrando escolhas de projeto e características operacionais distintas, que

_________________________________________________

Figura 12. Características operacionais de turbinas comerciais no Brasil

3. Sistemas de Geração Elétrica em Turbinas Eólicas:

A conversão de energia mecânica em energia elétrica por meio de turbinas eólicas é

pelo uso de geradores trifásicos síncronos ou assíncronos de corrente alternada, em diversas

arquiteturas, como ilustrado na

série de fatores que consideram normalmente:

• As características de amortecimento;

• A capacidade de consumo e/ou fornecimento de potência reativa;

• A resposta dinâmica frente a

• A robustez de sua construção;

• A possibilidade de projeto e construção de equipamentos com alto número de pólos;

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


Turbina Suzlon 2MW

Turbinas da IMPSA/Vensys

. Características operacionais de turbinas comerciais no Brasil

Sistemas de Geração Elétrica em Turbinas Eólicas:

conversão de energia mecânica em energia elétrica por meio de turbinas eólicas é


arquiteturas, como ilustrado na Figura 13 [Heier, 1998]. O uso de cada tipo de gerador é função de uma

série de fatores que consideram normalmente:

As características de amortecimento;

A capacidade de consumo e/ou fornecimento de potência reativa;

A resposta dinâmica frente a curtos-circuitos;

A robustez de sua construção;

possibilidade de projeto e construção de equipamentos com alto número de pólos;

17

____________________________________

. Características operacionais de turbinas comerciais no Brasil

Sistemas de Geração Elétrica em Turbinas Eólicas:

conversão de energia mecânica em energia elétrica por meio de turbinas eólicas é promovida


tipo de gerador é função de uma

possibilidade de projeto e construção de equipamentos com alto número de pólos;

_________________________________________________

• Os custos de aquisição e de operação;

• As dificuldades de sincronismo com a rede elétrica.

Figura 13. Arquiteturas de Sistemas Eólicos Conectados à R

Entre os diversos sistemas de conversão de energia eólica comercializados

esquematicamente na Figura 13,

• geradores de indução em gaiola conectados solidamente à rede elétrica

tecnologia que introduziu comercialmente a geração eólica e a viabilizou economicamente na

década de 80;

• geradores de indução com rotor bobinado com controle eletrônico de resistência elétrica

conectada ao enrolamento de rotor, que busc

mecânicos da primeira tecnologia;

• geradores de indução duplamente excitados, que hoje correspondem a cerca de 40% dos

sistemas instalados na Alemanha. Observa

turbinas eólicas instaladas e que a porcentagem de sistemas com estes geradores na Europa

pode chegar a valores percentuais maiores;

• geradores síncronos com bobina de campo (modelo ENERCON), que hoje atinge a cifra de 30%

das turbinas instaladas na Alemanha e

• geradores síncronos com imãs permanentes, que correspondem a cerca de 4% das turbinas

alemãs, devendo crescer muito nos próximos anos.

Uma análise superficial destas tecnologias

predominam:

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


Os custos de aquisição e de operação;

As dificuldades de sincronismo com a rede elétrica.

. Arquiteturas de Sistemas Eólicos Conectados à Rede Elétrica

sistemas de conversão de energia eólica comercializados e que são apresentados

esquematicamente na Figura 13, destacam-se os seguintes sistemas de geração:

geradores de indução em gaiola conectados solidamente à rede elétrica que caracterizam a


geradores de indução com rotor bobinado com controle eletrônico de resistência elétrica

conectada ao enrolamento de rotor, que buscou minimizar os problemas de estresses

mecânicos da primeira tecnologia;

geradores de indução duplamente excitados, que hoje correspondem a cerca de 40% dos

sistemas instalados na Alemanha. Observa-se que a Alemanha possui cerca de 2

instaladas e que a porcentagem de sistemas com estes geradores na Europa

pode chegar a valores percentuais maiores;

geradores síncronos com bobina de campo (modelo ENERCON), que hoje atinge a cifra de 30%

das turbinas instaladas na Alemanha e número significativo das turbinas instaladas no Brasil;

geradores síncronos com imãs permanentes, que correspondem a cerca de 4% das turbinas

alemãs, devendo crescer muito nos próximos anos.

Uma análise superficial destas tecnologias permite concluir que três tipos d

18

____________________________________

ede Elétrica

e que são apresentados

que caracterizam a


geradores de indução com rotor bobinado com controle eletrônico de resistência elétrica

ou minimizar os problemas de estresses

geradores de indução duplamente excitados, que hoje correspondem a cerca de 40% dos

cerca de 27GW em

instaladas e que a porcentagem de sistemas com estes geradores na Europa

geradores síncronos com bobina de campo (modelo ENERCON), que hoje atinge a cifra de 30%

das turbinas instaladas no Brasil;

geradores síncronos com imãs permanentes, que correspondem a cerca de 4% das turbinas

três tipos de geradores

_________________________________________________

• geradores de indução ou

• geradores síncronos com excitação elétrica;

• geradores síncronos a

Apesar das tecnologias discutidas nesta seção correspond

médias e grandes potências, os princípios que nortearam o desenvolvimento d

geração foram consolidados nas tecnologias em pequena potência, principalmente

se referia à conexão a redes elétricas

3.1 Geradores elétricos

Muitos tipos de máquinas elétricas servem para a função de gerad

contudo tanto em médias e grandes potências, em equipamentos conectados às redes elétricas, como

em pequenos aerogeradores para aplicações isoladas, o conceito de geradores

alternada se consolidou como alternat

Neste capítulo são discutidos os diversos tipos de geradores elétricos para sistemas de geração em

turbinas eólicas. As características que definem a escolha

assunto que transcende este capítulo

Diversos tipos de máquinas elétricas são/foram propostas para utilização em sistemas de geração

para turbinas eólicas, onde se pode elencar:

• Máquina de indução em gaiola

• Máquina síncrona com excitação elétrica;

• Máquina síncrona a imãs permanentes.

3.1.1 Gerador de indução

A máquina de indução, mais genericamente conhecida por máquina assíncrona, possui uma

simetria estrutural com enrolamentos trifásicos em es

rotor, possuindo duas construções particulares:

• Rotor em gaiola: onde os enrolamentos são

extrusadas a quente nas ranhuras do material ferromagnético. Em sua

barras são curto-

construção produz uma máquina robusta e de baixo custo;

• Rotor bobinado: onde os enrolamentos de rotor são

forma similar ao enrolam

terminais dos enrolamentos de estator por elementos passivos fechando seu

rotor ou por fontes externas, o que obriga a construção de um conjunto de três anéis

coletores e escovas que permit

fonte estática.

A Figura 14 ilustra estas duas estruturas de máquinas assíncronas.

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


geradores de indução ou assíncronos;

geradores síncronos com excitação elétrica;

geradores síncronos a ímãs permanentes.

Apesar das tecnologias discutidas nesta seção corresponderem a equipamentos em faixas de

cias, os princípios que nortearam o desenvolvimento destas

consolidados nas tecnologias em pequena potência, principalmente quando

elétricas.

Geradores elétricos

s elétricas servem para a função de geradores para turbinas eólicas,


em pequenos aerogeradores para aplicações isoladas, o conceito de geradores elétricos de c

como alternativa mais adequada.


turbinas eólicas. As características que definem a escolha por uma máquina elétrica

assunto que transcende este capítulo, mas suas bases se estabelecem aqui.


para turbinas eólicas, onde se pode elencar:

Máquina de indução em gaiola ou com rotor bobinado;

Máquina síncrona com excitação elétrica;

Máquina síncrona a imãs permanentes.

Gerador de indução


simetria estrutural com enrolamentos trifásicos em estator e em rotor. Esta estrutura se diversifica em

rotor, possuindo duas construções particulares:

Rotor em gaiola: onde os enrolamentos são construídos de barras de material condutor

extrusadas a quente nas ranhuras do material ferromagnético. Em sua

-circuitadas por anéis terminais de mesmo material condutor.

construção produz uma máquina robusta e de baixo custo;

Rotor bobinado: onde os enrolamentos de rotor são construídos com fios de cobre, de

forma similar ao enrolamento de estator. Esta construção permite a conexão

terminais dos enrolamentos de estator por elementos passivos fechando seu


coletores e escovas que permitam a conexão elétrica entre o enrolamento girante e a

duas estruturas de máquinas assíncronas.

19

____________________________________

m a equipamentos em faixas de

estas tecnologias de

quando a aplicação

ores para turbinas eólicas,


elétricos de corrente


elétrica específica serão



. Esta estrutura se diversifica em

de barras de material condutor

extrusadas a quente nas ranhuras do material ferromagnético. Em sua fabricação as

de mesmo material condutor. Esta

com fios de cobre, de

ento de estator. Esta construção permite a conexão dos

terminais dos enrolamentos de estator por elementos passivos fechando seu circuito em


am a conexão elétrica entre o enrolamento girante e a

_________________________________________________

Rotor em Gaiola

Figura

A máquina de indução requer mais material ativo em sua estrutura, sendo normalmente maior em

tamanho que uma máquina a imãs permanentes

magnético é provida pelo próprio enrolamento de estator e

carrega potência ativa obtida da conversão e potência reativa requerida para excitação magnética.

faz maiores as perdas no estator

Baseado neste fato, e principalmente para aplicações em

tema [Miranda, 1998; Barbosa, 1997; Lyra, 1995], o uso comercial de geradores de indução para

turbinas eólicas em aplicações isoladas

O funcionamento da máquina de indução está

velocidade (rotação) entre os campos magnéticos girantes produzidos pelos enrolamentos de estator e

de rotor. Ora cada enrolamento trifásico ou polifásico produz, sobre circulação de correntes

equilibradas, um campo magnético girante cuja rotação é diretamente proporcional à frequência destas

correntes. É importante estabelecer as rotações existentes e as relações sobre estas da seguinte forma:

• ns = rotação síncrona = 2

enrolamento de estator (rad/s);

• n = rotação do rotor

• nR = ns – n = rotação do escorregamento = 2

produzido pelo enrolamento de rotor (rad/s);

• fs – é a frequência das corr

• fR – é a frequência das correntes que circulam nos enrolamentos de rotor (Hz);

• s = (ns – n)/ns

compreensão do comportamento da máquina, pois

relativa entre o rotor e o campo magnético produzido pelo estator. Isto é, quando s = 1 a

máquina está parada e o campo magnético de estator cruza os enrolamentos do rotor na

rotação síncrona, mas quando s = 0 o rotor gira

estator, isto é na velocidade síncrona.

A máquina de indução com rotor em gaiola, devido a sua construção particular com enrolamento

de rotor fechado em curto-circuito por

estator, sendo induzidas correntes no rotor quando há diferença de rotação entre o rotor e o campo

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


Rotor em Gaiola Rotor Bobinado

Figura 14. Tipos de geradores assíncronos

ução requer mais material ativo em sua estrutura, sendo normalmente maior em

tamanho que uma máquina a imãs permanentes. Na máquina de indução a excitação de campo

magnético é provida pelo próprio enrolamento de estator e consequentemente

carrega potência ativa obtida da conversão e potência reativa requerida para excitação magnética.

faz maiores as perdas no estator, exige condutores com maior seção e maior espaço nas ranhuras

Baseado neste fato, e principalmente para aplicações em baixa potência, apesar de vários trabalhos no


em aplicações isoladas pode ser considerado inexistente.

O funcionamento da máquina de indução está extremamente relacionado


Ora cada enrolamento trifásico ou polifásico produz, sobre circulação de correntes

po magnético girante cuja rotação é diretamente proporcional à frequência destas


= rotação síncrona = 2πfs – é a rotação do campo magnético produzido

enrolamento de estator (rad/s);

n = rotação do rotor – é a rotação do rotor da máquina (rad/s);

n = rotação do escorregamento = 2πfr – é a rotação do campo magnético

produzido pelo enrolamento de rotor (rad/s);

é a frequência das correntes que circulam nos enrolamentos de estator (Hz);

é a frequência das correntes que circulam nos enrolamentos de rotor (Hz);

s = fR/fs – escorregamento: grandeza adimensional importante na

compreensão do comportamento da máquina, pois representa a fração da velocidade



rotação síncrona, mas quando s = 0 o rotor gira na mesma velocidade do campo de

estator, isto é na velocidade síncrona.


circuito por anéis terminais, é energizado apenas pelo enrolamen


20

____________________________________

Rotor Bobinado

ução requer mais material ativo em sua estrutura, sendo normalmente maior em

Na máquina de indução a excitação de campo

este enrolamento

carrega potência ativa obtida da conversão e potência reativa requerida para excitação magnética. Isto

seção e maior espaço nas ranhuras.

aixa potência, apesar de vários trabalhos no


o às diferenças de


Ora cada enrolamento trifásico ou polifásico produz, sobre circulação de correntes

po magnético girante cuja rotação é diretamente proporcional à frequência destas


é a rotação do campo magnético produzido pelo

é a rotação do campo magnético

entes que circulam nos enrolamentos de estator (Hz);

é a frequência das correntes que circulam nos enrolamentos de rotor (Hz);

: grandeza adimensional importante na

representa a fração da velocidade



na mesma velocidade do campo de


terminais, é energizado apenas pelo enrolamento de


_________________________________________________

magnético produzido pelo enrolamento de estator, isto é, quando o escorregamento é diferente de

zero. Assim, as correntes induzidas em rotor são extrem

o conjugado eletromagnético e a potência produzida são funções do escorregamento. Na Figura 15 é

ilustrada uma curva típica de conjugado em função da rotação do rotor

se nesta característica que em torno da rotação síncrona o conjugado é aproximadamente

ao escorregamento. Outro ponto singular é o de máximo conjugado, que ocorre em rotações não muito

distantes da rotação síncrona, e indica um limite de capacidade de geração

Figura 15. Curva conjugado em função da rotação da máquina de indução

O comportamento da máquina de indução, tanto no modo de operação como motor

(escorregamento positivo) ou como gerador (escorregamento negat

por circuitos equivalentes que expressam as relações e dependências entre as grandezas dos dois

enrolamentos da máquina e seus parâmetros de alimentação.

A Figura 16 ilustra dois deste

máquina elétrica. Nestes circuitos se destacam os parâmetros dos enrolamentos de rotor,

especificamente sua resistência elétrica, que tem agregada o escorregamento da máquina.

parâmetro explicita a dependência da tensão induzida em r

velocidade relativa entre campo girante de estator e rotação da máquina

escorregamento.

O primeiro circuito equivalente da Figura 16 representa o modelo genérico que pode ser utilizado

para estudo da máquina de indução com rotor em gaiola (bastando curto

rotor), da máquina de indução com rotor bobinado

(bastando incluir a resistência externa no lugar da tensão de rotor)

alimentação (bastando incluir uma fonte de tensão externa no circuito de rotor). O segundo circuito

equivalente desta Figura 16 constitui um modelo simplificado usualmente utilizado para estudos de

conexão da máquina de indução de rotor em gaiola na rede elétrica, e sua aproximação do circuito

original se deve apenas ao deslocamento do ramo de magnetização que simplifica bastante as equações

matemáticas.

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29



zero. Assim, as correntes induzidas em rotor são extremamente dependentes do escorregamento e logo


ilustrada uma curva típica de conjugado em função da rotação do rotor e do escorregamento, observa

rística que em torno da rotação síncrona o conjugado é aproximadamente

Outro ponto singular é o de máximo conjugado, que ocorre em rotações não muito

distantes da rotação síncrona, e indica um limite de capacidade de geração de potência ativa.

. Curva conjugado em função da rotação da máquina de indução


(escorregamento positivo) ou como gerador (escorregamento negativo), é normalmente determinado


enrolamentos da máquina e seus parâmetros de alimentação.

A Figura 16 ilustra dois destes modelos usualmente empregados para estudo deste tipo de

circuitos se destacam os parâmetros dos enrolamentos de rotor,

especificamente sua resistência elétrica, que tem agregada o escorregamento da máquina.

parâmetro explicita a dependência da tensão induzida em rotor e da impedância de rotor

velocidade relativa entre campo girante de estator e rotação da máquina, isto é, com a rotação do


udo da máquina de indução com rotor em gaiola (bastando curto-circuitar a fonte de tensão de

rotor), da máquina de indução com rotor bobinado com resistências externas

externa no lugar da tensão de rotor) ou da máquina de indução de dupla



dução de rotor em gaiola na rede elétrica, e sua aproximação do circuito


21

____________________________________


amente dependentes do escorregamento e logo


e do escorregamento, observa-

rística que em torno da rotação síncrona o conjugado é aproximadamente proporcional

Outro ponto singular é o de máximo conjugado, que ocorre em rotações não muito

de potência ativa.

. Curva conjugado em função da rotação da máquina de indução


normalmente determinado


udo deste tipo de

circuitos se destacam os parâmetros dos enrolamentos de rotor,

especificamente sua resistência elétrica, que tem agregada o escorregamento da máquina. Este

otor e da impedância de rotor com a

, isto é, com a rotação do


circuitar a fonte de tensão de

inseridas no rotor

ou da máquina de indução de dupla-



dução de rotor em gaiola na rede elétrica, e sua aproximação do circuito


_________________________________________________

Figura 16

3.1.1.1 Gerador de indução conectado solidamente na rede elétrica

Quando uma máquina de indução está conectada solidamente à rede elétrica, isto é, seus enrolamentos de estator estão diretamente energizados pela rede a tensão e frequência constante, o comportamento da máquina como geradormáquina normalmente opera a baixos escorregamentos, isto é, a rotação é praticamente cpróxima da rotação síncrona. Além disto, a máquina consome potência reativa para sua magnetização e seu conjugado eletromagnético é diretamente proporcional ao escorregamento, como pode ser verificado na expressão deduzida do circuito equivalent

�� 3�

��Observa-se nesta expressão que a inclinação da curva conjugado

inversamente proporcional à resistência de rotor, o que faz, em máquinas de grande poinclinação elevada dá a impressão de uma máquina que opera a velocidade constante, com escorregamento nominal abaixo de 1%. Além disto, esta expressão permite inferir que o potência gerada é função do quadrado da tensão terminal, o que fará a máquina acelerar em momento de afundamentos momentâneos de tensãona operação geradora é frenante

_____________________________________________________________________________________



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Circuito Equivalente Convencional

Circuito Equivalente Simplificado

16. Circuitos equivalentes da máquina de indução

Gerador de indução conectado solidamente na rede elétrica

Quando uma máquina de indução está conectada solidamente à rede elétrica, isto é, seus estão diretamente energizados pela rede a tensão e frequência constante, o

como gerador é tipicamente análogo à sua operação como motormáquina normalmente opera a baixos escorregamentos, isto é, a rotação é praticamente cpróxima da rotação síncrona. Além disto, a máquina consome potência reativa para sua magnetização e seu conjugado eletromagnético é diretamente proporcional ao escorregamento, como pode ser verificado na expressão deduzida do circuito equivalente simplificado:

��

��,� ��, ��,2��. � � 3�

�� 2��. �

nesta expressão que a inclinação da curva conjugado X proporcional à resistência de rotor, o que faz, em máquinas de grande po

a impressão de uma máquina que opera a velocidade constante, com escorregamento nominal abaixo de 1%. Além disto, esta expressão permite inferir que o potência gerada é função do quadrado da tensão terminal, o que fará a máquina acelerar em momento de afundamentos momentâneos de tensão, devido a grande perda de conjugado eletromagnético, que na operação geradora é frenante.

22

____________________________________

Quando uma máquina de indução está conectada solidamente à rede elétrica, isto é, seus estão diretamente energizados pela rede a tensão e frequência constante, o

sua operação como motor. Assim a máquina normalmente opera a baixos escorregamentos, isto é, a rotação é praticamente constante e próxima da rotação síncrona. Além disto, a máquina consome potência reativa para sua magnetização e seu conjugado eletromagnético é diretamente proporcional ao escorregamento, como pode ser

��,

escorregamento é proporcional à resistência de rotor, o que faz, em máquinas de grande porte, que a

a impressão de uma máquina que opera a velocidade constante, com escorregamento nominal abaixo de 1%. Além disto, esta expressão permite inferir que o conjugado e a potência gerada é função do quadrado da tensão terminal, o que fará a máquina acelerar em momento

, devido a grande perda de conjugado eletromagnético, que

_________________________________________________

A Figura 17 ilustra um circuito equivalente completo de um aerogerador com gerador de indução de rotor em gaiola, destacando o capacitor de correção de fator de potência e a impedância do sistema externo (transformador mais rede elétrica).comportamento deste gerador quando conectado a redes elétricas fracas (alta impedância) ou fortes (baixa impedância) ou quando sujeitas a quedas de tensão.

Figura 17. Circuito equivalente incluindo sistema exter

Na Figura 18 são ilustradas condições operacionais distintas e seu impacto sobre a característica conjugado versus velocidade da máquina de indução:

• Quando conectada a redes fracas, o conjugado se reduz, afetando a casobrecarga da máquina;

• Quando sujeitas a baixos níveis de tensão, o conjugado se reduz e a incliconjugado X velocidade também é muito afetada, fazendo a máquina operar com maiores escorregamentos, e consequentemente maiores perda

• Quando se alterarotor de uma máquina de rotor bobinado, a inclinação da curva conjugado versus velocidade é reduzida, mas isto não afeta a capacidade de conjugado, o que permitiria máquina amortecer estresses mecânicos. Esta característica justificou a introdução desta máquina em substituição ao gerador de indução em gaiola para aerogeradores.

Figura 18. Desempenho do gerador de indução frente a condiçõ

Finalmente, na Figura 19, a característica de potência de um gerador de associada à característica de potência de uma turbina eólica, através de caixa de multiplicação de velocidades, permitindo identificação dos pontos de intersecção das operação para cada velocidade de vento. Observaa rotação constante em ampla faixa de velocidades de vento.

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


tra um circuito equivalente completo de um aerogerador com gerador de indução de rotor em gaiola, destacando o capacitor de correção de fator de potência e a impedância do sistema externo (transformador mais rede elétrica). Da análise deste circuito pode-scomportamento deste gerador quando conectado a redes elétricas fracas (alta impedância) ou fortes (baixa impedância) ou quando sujeitas a quedas de tensão.

. Circuito equivalente incluindo sistema externo e capacitor de correção de reativos

Na Figura 18 são ilustradas condições operacionais distintas e seu impacto sobre a característica conjugado versus velocidade da máquina de indução:

Quando conectada a redes fracas, o conjugado se reduz, afetando a casobrecarga da máquina;

Quando sujeitas a baixos níveis de tensão, o conjugado se reduz e a inclivelocidade também é muito afetada, fazendo a máquina operar com

maiores escorregamentos, e consequentemente maiores perdas;

se altera a resistência de rotor, incluindo resistências externarotor de uma máquina de rotor bobinado, a inclinação da curva conjugado versus velocidade é reduzida, mas isto não afeta a capacidade de conjugado, o que permitiria máquina amortecer estresses mecânicos. Esta característica justificou a introdução desta máquina em substituição ao gerador de indução em gaiola para aerogeradores.

. Desempenho do gerador de indução frente a condições particulares da rede e do circuito de rotor

Finalmente, na Figura 19, a característica de potência de um gerador de induçãoassociada à característica de potência de uma turbina eólica, através de caixa de multiplicação de

tindo identificação dos pontos de intersecção das duas curvas, que serão pontos de para cada velocidade de vento. Observa-se nesta figura que aparentemente a máquina opera

a rotação constante em ampla faixa de velocidades de vento.

23

____________________________________

tra um circuito equivalente completo de um aerogerador com gerador de indução de rotor em gaiola, destacando o capacitor de correção de fator de potência e a impedância do sistema

se inferir sobre o comportamento deste gerador quando conectado a redes elétricas fracas (alta impedância) ou fortes

no e capacitor de correção de reativos

Na Figura 18 são ilustradas condições operacionais distintas e seu impacto sobre a característica

Quando conectada a redes fracas, o conjugado se reduz, afetando a capacidade de

Quando sujeitas a baixos níveis de tensão, o conjugado se reduz e a inclinação da curva velocidade também é muito afetada, fazendo a máquina operar com

a resistência de rotor, incluindo resistências externas no circuito de rotor de uma máquina de rotor bobinado, a inclinação da curva conjugado versus velocidade é reduzida, mas isto não afeta a capacidade de conjugado, o que permitiria a máquina amortecer estresses mecânicos. Esta característica justificou a introdução desta máquina em substituição ao gerador de indução em gaiola para aerogeradores.

es particulares da rede e do circuito de

indução em gaiola é associada à característica de potência de uma turbina eólica, através de caixa de multiplicação de

duas curvas, que serão pontos de se nesta figura que aparentemente a máquina opera

_________________________________________________

Figura 19. Acoplamento de características entre gerador e rotor eólico

3.1.1.2 Gerador de indução duplamente alimentado

O gerador de indução duplamente alimentado constitui uma operação particular da máquina de indução de rotor bobinado tendo alimentaenrolamentos de rotor.

A configuração padrão do sistema de geração elétrica utilizando uma máquina de indução de dupla alimentação, com aproveitamento da potência de escorregamento, é mostrada na Neste sistema, o estator da máquina é ligado diretamente na rede elétrica e o circuito de rotor é alimentado por dois conversores PWM e por um transformador responsável pela adequação do nível de tensão.

Figura 20. Configuraçã

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. Acoplamento de características entre gerador e rotor eólico

Gerador de indução duplamente alimentado

O gerador de indução duplamente alimentado constitui uma operação particular da máquina de tendo alimentação independente nos enrolamentos de estator e nos

A configuração padrão do sistema de geração elétrica utilizando uma máquina de indução de dupla alimentação, com aproveitamento da potência de escorregamento, é mostrada na Neste sistema, o estator da máquina é ligado diretamente na rede elétrica e o circuito de rotor é alimentado por dois conversores PWM e por um transformador responsável pela adequação do nível de

. Configuração básica da máquina de indução duplamente alimentada

24

____________________________________

. Acoplamento de características entre gerador e rotor eólico

O gerador de indução duplamente alimentado constitui uma operação particular da máquina de ção independente nos enrolamentos de estator e nos

A configuração padrão do sistema de geração elétrica utilizando uma máquina de indução de dupla alimentação, com aproveitamento da potência de escorregamento, é mostrada na Figura 20. Neste sistema, o estator da máquina é ligado diretamente na rede elétrica e o circuito de rotor é alimentado por dois conversores PWM e por um transformador responsável pela adequação do nível de

o básica da máquina de indução duplamente alimentada

_________________________________________________

Para controlar a velocidade, o conjugado e as potências ativa e reativa, tanto no modo subsíncrono (abaixo da velocidade síncrona) quanto no supersíncrono (acima da velocidade síncrona), é usada uma cascata estática, constituída de dois conversores PWM trifásicos com operação nos quatro quadrantes, ou seja, completamente controlados. O conversor conectado nos terminais dos anéis deslizantes é denominado de conversor do lado do rotor (conversor do lado da rede (Grid Side Converter fonte de alimentação pode ser controlado pela operação dos dois conversores.

O fluxo de potência pode fluir tanto do rotor do gerarede para o rotor. Para a transferência de potência elétrica do circuito de rotor para a fonte de alimentação, faz-se necessário que os conversores operem respectivamente nos modos de retificação e inversão. Quando os conversores são invertidos em suas funções, o fluxo de potência também muda de direção.

O comportamento da máquina de indução duplamente excitada difere bastante da máquina de rotor em gaiola, tendo em vista que a excitação da máquina (fluxo de potêconversor de rotor e que a potência ativa gerada é também controlada pela injeção/consumo de potência ativa no rotor. As particularidades desta operação são descritas por dois modos de operação distintas, a saber:

− Modo subsíncrono: quando a velocidade do gerador encontrasíncrona definida pela rede e pelo número de pólos da máquina. Nesta região, que convencionalmente caracterizaria a operação como motor de uma máquina de rotor em gaiola, a operação como potência ativa ao circuito rotórico;

− Modo supersíncrono: quando a velocidade do gerador encontrasíncrona. Nesta região, que convencionalmente caracterizaria a operação como gde uma máquina de rotor em gaiola, o controle de potência ativa é implementado pelo consumo controlado de potência ativa do rotor.

Figura 21. Fluxo de potência na máquina em operação sub

Figura 22. Fluxo de potência na máquina em operação super

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Para controlar a velocidade, o conjugado e as potências ativa e reativa, tanto no modo subsíncrono (abaixo da velocidade síncrona) quanto no supersíncrono (acima da velocidade síncrona), é

cata estática, constituída de dois conversores PWM trifásicos com operação nos quatro quadrantes, ou seja, completamente controlados. O conversor conectado nos terminais dos anéis deslizantes é denominado de conversor do lado do rotor (Rotor Side Converter -

Grid Side Converter - GSD). O fluxo de potência entre o circuito de rotor e a fonte de alimentação pode ser controlado pela operação dos dois conversores.

O fluxo de potência pode fluir tanto do rotor do gerador de indução para a rede elétrica, como da rede para o rotor. Para a transferência de potência elétrica do circuito de rotor para a fonte de

se necessário que os conversores operem respectivamente nos modos de retificação e ndo os conversores são invertidos em suas funções, o fluxo de potência também muda de

O comportamento da máquina de indução duplamente excitada difere bastante da máquina de rotor em gaiola, tendo em vista que a excitação da máquina (fluxo de potência reativa) é provida pelo conversor de rotor e que a potência ativa gerada é também controlada pela injeção/consumo de potência ativa no rotor. As particularidades desta operação são descritas por dois modos de operação

ono: quando a velocidade do gerador encontra-se abaixo da velocidade síncrona definida pela rede e pelo número de pólos da máquina. Nesta região, que convencionalmente caracterizaria a operação como motor de uma máquina de rotor em gaiola, a operação como gerador é possível a partir do fornecimento controlado de potência ativa ao circuito rotórico;

Modo supersíncrono: quando a velocidade do gerador encontra-se acima da velocidade síncrona. Nesta região, que convencionalmente caracterizaria a operação como gde uma máquina de rotor em gaiola, o controle de potência ativa é implementado pelo consumo controlado de potência ativa do rotor.

. Fluxo de potência na máquina em operação sub-sincrona

. Fluxo de potência na máquina em operação super-sincrona

25

____________________________________

Para controlar a velocidade, o conjugado e as potências ativa e reativa, tanto no modo subsíncrono (abaixo da velocidade síncrona) quanto no supersíncrono (acima da velocidade síncrona), é

cata estática, constituída de dois conversores PWM trifásicos com operação nos quatro quadrantes, ou seja, completamente controlados. O conversor conectado nos terminais dos anéis

RSC) e o outro de ). O fluxo de potência entre o circuito de rotor e a

dor de indução para a rede elétrica, como da rede para o rotor. Para a transferência de potência elétrica do circuito de rotor para a fonte de

se necessário que os conversores operem respectivamente nos modos de retificação e ndo os conversores são invertidos em suas funções, o fluxo de potência também muda de

O comportamento da máquina de indução duplamente excitada difere bastante da máquina de ncia reativa) é provida pelo

conversor de rotor e que a potência ativa gerada é também controlada pela injeção/consumo de potência ativa no rotor. As particularidades desta operação são descritas por dois modos de operação

se abaixo da velocidade síncrona definida pela rede e pelo número de pólos da máquina. Nesta região, que convencionalmente caracterizaria a operação como motor de uma máquina de rotor em

gerador é possível a partir do fornecimento controlado de

se acima da velocidade síncrona. Nesta região, que convencionalmente caracterizaria a operação como gerador de uma máquina de rotor em gaiola, o controle de potência ativa é implementado pelo

sincrona

sincrona

_________________________________________________

A direção do fluxo de potência de um gerador de dupla alimentação, operando nas velocidades supersíncronas e subsíncronas, resultado de um controle da potência gerada pelo circuito de rotoilustrado nas Figuras 21 e 22. Quando a turbina eólica é sujeita a velocidades de ventos capazes de levar o gerador a velocidades acima da velocidade síncrona, normalmente até 130%, o fluxo de potência é aquele ilustrado no diagrama da Neste caso, a potência gerada total (P(Ps). Por outro lado, quando as velocidades de vento são menores e o gerador de indução estiver trabalhando em velocidade inferior à síncrona, o fluxo de potência é aquele ilustrado pelo diagrama da Figura 21, conhecido como operação a velocidade subsíncrona. Neste modo de operação, onde a velocidade pode atingir até 70% da velocidade síncrona da máquinapara a rede elétrica, será obtida a partir da diferença entre as potências estatórica e rotórica.

Analiticamente, pode-se, portanto, representar o fluxo de potência da máquina de indução duplamente alimentada através d

− Região supersíncrona:

onde rsíncrono ww 1<<

− Região subsíncrona:

onde rsíncrono ww <7.0

As características de potências estatórica e rotóricana Figura 23, indicando a região onde se busca maximizar a limitar a potência gerada. Além disto, destacamsupersincrono.

Figura 23. Características de potências de estator e rotor geradas na

Devido a limitações no projeto de máquinas de indução com grande número de tecnologia de aerogeradores com geradores dobrigatoriamente uma caixa de transmissão,gerador na velocidade adequada à

0

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Potência Ativa [pu]

Vcutin

_____________________________________________________________________________________



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A direção do fluxo de potência de um gerador de dupla alimentação, operando nas velocidades supersíncronas e subsíncronas, resultado de um controle da potência gerada pelo circuito de roto

. Quando a turbina eólica é sujeita a velocidades de ventos capazes de levar o gerador a velocidades acima da velocidade síncrona, normalmente até 130%, o fluxo de potência é aquele ilustrado no diagrama da Figura 22, que caracteriza a operação a velocidade supersíncrona. Neste caso, a potência gerada total (PN), será a soma da potência rotórica (PR) com a potência estatórica

). Por outro lado, quando as velocidades de vento são menores e o gerador de indução estiver alhando em velocidade inferior à síncrona, o fluxo de potência é aquele ilustrado pelo diagrama da

, conhecido como operação a velocidade subsíncrona. Neste modo de operação, onde a velocidade pode atingir até 70% da velocidade síncrona da máquina, a potência total gerada e fornecida para a rede elétrica, será obtida a partir da diferença entre as potências estatórica e rotórica.

se, portanto, representar o fluxo de potência da máquina de indução duplamente alimentada através das seguintes equações:

Região supersíncrona: RsN PPP +=

síncronow3.1

Região subsíncrona: RsN PPP −=

síncronow<

As características de potências estatórica e rotórica em função da velocidade de vento é ilustrada na Figura 23, indicando a região onde se busca maximizar a potência gerada e a região onde se busca limitar a potência gerada. Além disto, destacam-se os fluxos em modos de operação sub

ticas de potências de estator e rotor geradas na máquina duplamente alimentada

Devido a limitações no projeto de máquinas de indução com grande número de tecnologia de aerogeradores com geradores de indução de dupla alimentação apresenta

mente uma caixa de transmissão, que multiplica a velocidade da turbina para acionar o gerador na velocidade adequada à frequência da rede e seu número de polos.

5 10 15 20 25

cutin Velocidade de Vento [m/s] Vcutout

Potência Estator

Potência Rotor

26

____________________________________

A direção do fluxo de potência de um gerador de dupla alimentação, operando nas velocidades supersíncronas e subsíncronas, resultado de um controle da potência gerada pelo circuito de rotor é

. Quando a turbina eólica é sujeita a velocidades de ventos capazes de levar o gerador a velocidades acima da velocidade síncrona, normalmente até 130%, o fluxo de potência é

aracteriza a operação a velocidade supersíncrona. com a potência estatórica

). Por outro lado, quando as velocidades de vento são menores e o gerador de indução estiver alhando em velocidade inferior à síncrona, o fluxo de potência é aquele ilustrado pelo diagrama da

, conhecido como operação a velocidade subsíncrona. Neste modo de operação, onde a , a potência total gerada e fornecida

para a rede elétrica, será obtida a partir da diferença entre as potências estatórica e rotórica.

se, portanto, representar o fluxo de potência da máquina de indução

em função da velocidade de vento é ilustrada gerada e a região onde se busca

se os fluxos em modos de operação sub-sincrono e

duplamente alimentada

Devido a limitações no projeto de máquinas de indução com grande número de polos, a e indução de dupla alimentação apresenta

que multiplica a velocidade da turbina para acionar o

30

cutout

Potência Estator

Potência Rotor

_________________________________________________

Sobre as demais tecnologias que utilizam gediversas vantagens, entre elas [Akhmatov, 2003]:

− Capacidade de controle de potência reativa e de tensão;

− Desacoplamento da independência do contro

3.1.2 Geradores síncronos com excitação elétrica ou a ímãs permanentes

As máquinas síncronas são

termoelétricas desde o início da história dos sistem

que operam a velocidade constante, tendo a frequência das tensões geradas

A máquina síncrona possui enrolamento trifásico em estator onde são induzidas as tensões

trifásicas que alimentam os sistemas elétricos modernos. Contudo, é no circuito de rotor que esta

máquina se diferencia, possuindo projetos particulares:

− Rotor bobinado: provê a excitação elétrica que induz as tensões no estator, regula tensões

e os fluxos de reativos ent

− Rotor a ímãs permanentes: a excitação é provida por ímãs

configurações, permitindo projetos especiais adequados a aplicações típicas;

− Rotor em relutância variável: não possui excitação no circuito de rotor

reativos, mas possui a vantagem de ter um rotor robusto e sem perdas

As máquinas síncronas têm a

meio de um eletroímã no rotor (bobina de campo) ou através d

síncrona com excitação elétrica tem uma interessante característica quando comparada com a máquina

a imãs permanentes: excitação ajustável e,

porquê do seu uso em sistemas de geração conectados à rede e a velocidade constante em

hidroelétricas e termelétricas.

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Sobre as demais tecnologias que utilizam geradores assíncronos, esta tecnologia apresenta diversas vantagens, entre elas [Akhmatov, 2003]:

Capacidade de controle de potência reativa e de tensão;

Desacoplamento da frequência elétrica da rede e controle da potência reativa com independência do controle do conjugado e da corrente de excitação.

Geradores síncronos com excitação elétrica ou a ímãs permanentes

As máquinas síncronas são tradicionalmente operadas como geradores em usinas hidroelétricas e

desde o início da história dos sistemas elétricos em corrente alternada

que operam a velocidade constante, tendo a frequência das tensões geradas proporcional


limentam os sistemas elétricos modernos. Contudo, é no circuito de rotor que esta

máquina se diferencia, possuindo projetos particulares:

Rotor bobinado: provê a excitação elétrica que induz as tensões no estator, regula tensões

e os fluxos de reativos entre máquina e rede;

Rotor a ímãs permanentes: a excitação é provida por ímãs instalados no rotor em diversas


Rotor em relutância variável: não possui excitação no circuito de rotor

reativos, mas possui a vantagem de ter um rotor robusto e sem perdas

As máquinas síncronas têm a capacidade de prover sua própria excitação, que pode ser obtida por

meio de um eletroímã no rotor (bobina de campo) ou através de imãs permanentes. A máquina


a imãs permanentes: excitação ajustável e, consequentemente tensão a vazio variável.

mas de geração conectados à rede e a velocidade constante em

27

____________________________________

radores assíncronos, esta tecnologia apresenta

elétrica da rede e controle da potência reativa com

Geradores síncronos com excitação elétrica ou a ímãs permanentes

operadas como geradores em usinas hidroelétricas e

alternada. São máquinas

proporcional à sua rotação.


limentam os sistemas elétricos modernos. Contudo, é no circuito de rotor que esta

Rotor bobinado: provê a excitação elétrica que induz as tensões no estator, regula tensões

no rotor em diversas


Rotor em relutância variável: não possui excitação no circuito de rotor, logo irá consumir

reativos, mas possui a vantagem de ter um rotor robusto e sem perdas elétricas.

capacidade de prover sua própria excitação, que pode ser obtida por

e imãs permanentes. A máquina


tensão a vazio variável. Isto explica o

mas de geração conectados à rede e a velocidade constante em

_________________________________________________

Figura

A Figura 24 ilustra um rotor de uma máquina síncrona de oito pólos, ainda em proce

bobinagem de seus enrolamentos de excitação.

Figura

As máquinas síncronas a ímãs permanentes se desenvolveram

ímãs permanentes. Na Figura 25 pode

ímãs permanentes de terras raras, de alta energia, que notadamente permitiu um projeto de máquina

elétrica muito mais adequado e tornou a tecnologia deste tipo de máquina elétrica viável. Mas a

criatividade e flexibilidade que a excitação a ímãs permanentes fornece ao projetista, produziu uma

riqueza de topologias de máquinas, que em muitos casos se distanciavam da máquina de fluxo radial

clássica, ilustrada na Figura 26.

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Figura 24. Rotor de gerador síncrono de oito polos

A Figura 24 ilustra um rotor de uma máquina síncrona de oito pólos, ainda em proce

bobinagem de seus enrolamentos de excitação.

Figura 25. Avanço da tecnologia a ímãs permanentes

As máquinas síncronas a ímãs permanentes se desenvolveram com o avanço da tecnologia

permanentes. Na Figura 25 pode-se identificar que no início da década de 70 houve o invento de





28

____________________________________

A Figura 24 ilustra um rotor de uma máquina síncrona de oito pólos, ainda em processo de

com o avanço da tecnologia dos

e identificar que no início da década de 70 houve o invento de





_________________________________________________

Figura 26. Topologia da máquina a ímãs permanentes de fluxo radial

Para a máquina síncrona convencional, o comportamento pode ser avaliado por modelos

matemáticos simples como ilustrado na Figura 27, nestes modelos o gerador é representado por uma

fonte de tensão e sua impedância série. Os fluxos de potência ativa e de potência reativa são regidas

pelas seguintes equações:

Figura 27. Modelo matemático da máquina síncrona conectada a rede elétrica

Observa-se do circuito equivalente da Figura 27 e das equações anteriores que os fluxos de

potência ativa e reativa dependem da amplitude e da fase angular da força eletromotriz interna da

máquina, frente às amplitude e fase angular da tensão da rede elétrica.

Apesar da simplicidade da operação da máquina síncrona conectada

operativo não é possível para aerogeradores. A operação a velocidade variável da turbina eólica é

incompatível com a operação do gerador síncrono conectado diretamente na rede elétric

caracteriza uma operação a velocidade constante, logo problemas de sincronismo com a rede e de

estresses dinâmicos devido a oscilações angulares tornariam a operação impossível.

A conexão de geradores síncronos

questões de sincronismo com a rede, o controle dos fluxos de potência ativa e reativa são resolvidos

s

af

X

EP

+=

_____________________________________________________________________________________



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. Topologia da máquina a ímãs permanentes de fluxo radial



onte de tensão e sua impedância série. Os fluxos de potência ativa e de potência reativa são regidas

. Modelo matemático da máquina síncrona conectada a rede elétrica

quivalente da Figura 27 e das equações anteriores que os fluxos de


máquina, frente às amplitude e fase angular da tensão da rede elétrica.

ade da operação da máquina síncrona conectada à rede elétrica, este modo

para aerogeradores. A operação a velocidade variável da turbina eólica é

com a operação do gerador síncrono conectado diretamente na rede elétric


estresses dinâmicos devido a oscilações angulares tornariam a operação impossível.

de geradores síncronos a redes elétricas através de conversores estáticos, onde as


δsinEQ

EQaf

X

V

+ EQs

EQEQaf

XX

VVEQ

+

−=

2cosδ

29

____________________________________

. Topologia da máquina a ímãs permanentes de fluxo radial



onte de tensão e sua impedância série. Os fluxos de potência ativa e de potência reativa são regidas

. Modelo matemático da máquina síncrona conectada a rede elétrica

quivalente da Figura 27 e das equações anteriores que os fluxos de


rede elétrica, este modo

para aerogeradores. A operação a velocidade variável da turbina eólica é

com a operação do gerador síncrono conectado diretamente na rede elétrica, que


ores estáticos, onde as


_________________________________________________

naturalmente no controle dos conversores,

a máquina opera como fonte de tensã

controlada, o controle dos fluxos de

de objetivos. Na Figura 28 é ilustrada a

ímãs permanentes, conectado a rede elétrica por conversores estáticos. Observa

busca neste caso maximizar a potência ativa gerada em função da velocidade de vento que atinge o

rotor eólico que o aciona, mantendo a potência reati

utilização da capacidade do conversor e reduz as

Figura 28. Potências ativa e reativa fornecida por um gerador síncrono conectado a rede por

Para exemplificar o sucesso da estratégia operativa da Figura 28, na Figura 29 é apresentada a

eficiência do gerador nos mesma faixa operacional. Assim ilustra

estático várias estratégias operacionais podem

buscar atender a um dado objetivo operacional.

Figura 29. Eficiência do gerador elétrico em função de uma estratégia operacional

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


naturalmente no controle dos conversores, representa uma operação completamente diferente. Como

a máquina opera como fonte de tensão e é possível operar os conversores como fonte de corrente

controlada, o controle dos fluxos de ativos e reativos pode ser projetado para uma grande diversidade

de objetivos. Na Figura 28 é ilustrada a característica de potência gerada por um gerador sínc

ímãs permanentes, conectado a rede elétrica por conversores estáticos. Observa-se que o projetista


rotor eólico que o aciona, mantendo a potência reativa nos terminais do gerador nula

utilização da capacidade do conversor e reduz as perdas na máquina elétrica.

. Potências ativa e reativa fornecida por um gerador síncrono conectado a rede por conversores estáticos


eficiência do gerador nos mesma faixa operacional. Assim ilustra-se que na presença de um conversor

estático várias estratégias operacionais podem ser desenvolvidas e o controle da potência gerada pode

buscar atender a um dado objetivo operacional.

. Eficiência do gerador elétrico em função de uma estratégia operacional

30

____________________________________

representa uma operação completamente diferente. Como

operar os conversores como fonte de corrente

e reativos pode ser projetado para uma grande diversidade

de potência gerada por um gerador síncrono a

se que o projetista


va nos terminais do gerador nula, o que maximiza a

. Potências ativa e reativa fornecida por um gerador síncrono conectado a rede por


se que na presença de um conversor

ser desenvolvidas e o controle da potência gerada pode

. Eficiência do gerador elétrico em função de uma estratégia operacional

_________________________________________________

3.1.3 Análise comparativa dos geradores elétrico

Não é trivial comparar diversas tecnologias de geradores elétricos para turbinas eólicas, sem

considerar os aspectos específicos da conversão de energia. As turbinas eólicas operam em baixa

rotação, e assim é necessária uma caixa de multiplicação de ve

conversão elétrica utilizando geradores convencionais. Contudo alguns aerogeradores f

com geradores para acionamento direto (do inglês “direct drive”), que prescindem desta caixa de

multiplicação e utilizam duas estratégias para adequação com a faixa de rotações típicas em turbinas

eólicas: grande número de polos

de aerogeradores se destacam: com caixa de multiplicação (do inglês, “ge

multiplicação (do inglês, “gearless”), como ilustra a

Os geradores de acionamento direto (“direct drive”) constituem uma possibilidade para melhoria

da conversão em aerogeradores [Grauers, 1996], desde que podem reduzir os

produzida nestes artefatos. Estes geradores diferem de outras máquinas elétricas principalmente

porque são projetados para operação em baixa rotação e baixa

carga específico da conversão eólica

geradores de acionamento direto constituírem soluções de menor custo são:

- Eliminação da caixa de multiplicação de velocidades: O custo e as perdas deste artefato são

evitados. Contudo os geradores de acionamento direto são mais caros e menos eficientes que os

geradores convencionais o que ameniza estes aspectos;

- Manutenção reduzida: Este constitui um fator muito relevante, pois afeta o custo operacional que

agrega o efeito de disponibilidade do aerogerador.

- Projeto da nacele do aerogerador pode ser simplificado: O gerador de acionamento direto deve

agregar um projeto em harmonia com o rotor eólico, simplificando o projeto total, com impacto nos

custos.

Definido o conceito de geradores

entre geradores síncronos a excitação elétrica e a imãs permanentes. Contudo considerando

para um dado conjugado nominal, as máquinas síncronas com maior número de

uma redução de massa no núcleo de estator e de rotor, além de naquelas máquinas com menor passo

polar podem agregar redução de massa e de custo [Grauers, 1996].

excitação elétrica não se adéquam a configurações de

possuírem rotores mais pesados e mais volumosos que aquelas com imãs permanentes, para criar a

mesma densidade de fluxo no entreferro.

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


Análise comparativa dos geradores elétricos



rotação, e assim é necessária uma caixa de multiplicação de velocidades para sua adequada operação na

conversão elétrica utilizando geradores convencionais. Contudo alguns aerogeradores f

acionamento direto (do inglês “direct drive”), que prescindem desta caixa de

lizam duas estratégias para adequação com a faixa de rotações típicas em turbinas

polos e conversão em baixa frequência (entre 10 a 30 Hz). Assim, dois tipos

de aerogeradores se destacam: com caixa de multiplicação (do inglês, “geared”) e sem caixa de

multiplicação (do inglês, “gearless”), como ilustra a Figura 30.


da conversão em aerogeradores [Grauers, 1996], desde que podem reduzir os custos da eletricidade


porque são projetados para operação em baixa rotação e baixa frequência, além de possuir um ciclo de

carga específico da conversão eólica, para o qual são otimizados. Os principais fatores que permitem os

geradores de acionamento direto constituírem soluções de menor custo são:

Eliminação da caixa de multiplicação de velocidades: O custo e as perdas deste artefato são

geradores de acionamento direto são mais caros e menos eficientes que os

geradores convencionais o que ameniza estes aspectos;

Manutenção reduzida: Este constitui um fator muito relevante, pois afeta o custo operacional que

idade do aerogerador.

cele do aerogerador pode ser simplificado: O gerador de acionamento direto deve


Definido o conceito de geradores de acionamento direto, persiste ainda questões sobre a escolha

entre geradores síncronos a excitação elétrica e a imãs permanentes. Contudo considerando

para um dado conjugado nominal, as máquinas síncronas com maior número de polos


polar podem agregar redução de massa e de custo [Grauers, 1996]. As máquinas síncronas com

étrica não se adéquam a configurações de enrolamentos com passo encurtado, além de


mesma densidade de fluxo no entreferro.

31

____________________________________



locidades para sua adequada operação na

conversão elétrica utilizando geradores convencionais. Contudo alguns aerogeradores foram projetados

acionamento direto (do inglês “direct drive”), que prescindem desta caixa de

lizam duas estratégias para adequação com a faixa de rotações típicas em turbinas

(entre 10 a 30 Hz). Assim, dois tipos

ared”) e sem caixa de


custos da eletricidade


, além de possuir um ciclo de

, para o qual são otimizados. Os principais fatores que permitem os

Eliminação da caixa de multiplicação de velocidades: O custo e as perdas deste artefato são

geradores de acionamento direto são mais caros e menos eficientes que os

Manutenção reduzida: Este constitui um fator muito relevante, pois afeta o custo operacional que

cele do aerogerador pode ser simplificado: O gerador de acionamento direto deve


de acionamento direto, persiste ainda questões sobre a escolha

entre geradores síncronos a excitação elétrica e a imãs permanentes. Contudo considerando-se que

polos são capazes de


As máquinas síncronas com

passo encurtado, além de


_________________________________________________

Figura 30. – Arquiteturas de Sistemas de Geração para Aerogerador

Apesar de serem mais caros, a presença de imãs permanentes

excitação e permitem menores passos polares do que aqueles permitidos pela excitação elétrica. Assim

as máquinas a imãs permanentes podem ser menores, sendo se

aumento do fluxo de dispersão nos imãs. A comparação feita constitui uma avaliação ainda simplificada

e não incluiu o impacto da reação de armadura das correntes de estator.

A solução em geradores síncronos a imãs permanen

grande número de projetos em desenvolvimento anuncia uma breve mudança na tecnologia

comercializada.

3.2 Conversores estáticos

Os conversores estáticos desempenham papeis diversos em um sistema de conversão de ener

eólica, podendo-se encontrar:

• Conversores estáticos para controle da corrente de conexão do gerador elétrico na rede

elétrica: muito comum na configuração com gerador de indução em gaiola (Figura 31);

Figura 31. Conversor lim

• Retificadores a diodos para a conversão corrente alternada em corrente continua (Figura

32); _____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


Arquiteturas de Sistemas de Geração para Aerogeradores

Apesar de serem mais caros, a presença de imãs permanentes eliminam as perdas da bobina de


as máquinas a imãs permanentes podem ser menores, sendo seus passos polares limitados pelo


e não incluiu o impacto da reação de armadura das correntes de estator.

A solução em geradores síncronos a imãs permanentes torna-se a cada dia mais competitiva e o


Conversores estáticos

Os conversores estáticos desempenham papeis diversos em um sistema de conversão de ener

Conversores estáticos para controle da corrente de conexão do gerador elétrico na rede


. Conversor limitador da corrente de conexão de gerador elétrico

Retificadores a diodos para a conversão corrente alternada em corrente continua (Figura

32

____________________________________

es

eliminam as perdas da bobina de


us passos polares limitados pelo


se a cada dia mais competitiva e o


Os conversores estáticos desempenham papeis diversos em um sistema de conversão de energia

Conversores estáticos para controle da corrente de conexão do gerador elétrico na rede


itador da corrente de conexão de gerador elétrico

Retificadores a diodos para a conversão corrente alternada em corrente continua (Figura

_________________________________________________

• Conversores CA-CC ou CC

(Figura 33)

• Conversores para proteção de circuitos: chopper de

de barramentos CC de conversores de potência.

3.2.1 Características da Conversão Estática

Para operação a velocidade variável, as usinas eólicas que utilizam geradores síncronos

apresentam-se em duas estruturas distintas dos conversores estáticos de potência. Estas arquiteturas

são:

• Aerogerador síncrono com retificado

• Aerogerador síncrono com retificador PWM

Estas alternativas apresentam diferenças apenas no estágio de retificação (conversão CA

conversores de potência, mantendo

diferenças nas características construtivas afetam o comportamento operacional destas tecnologias,

com reflexos sobre o custo de instalação, e merecem, portanto, estudos técnico

_____________________________________________________________________________________



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Figura 32. Retificador a diodos

CC ou CC-CA a IGBT’s: para operar como retificadores ou como inversores

Figura 33. Conversor CC-CA a IGBT's

Conversores para proteção de circuitos: chopper de descarga ou crow

de barramentos CC de conversores de potência.

cas da Conversão Estática


se em duas estruturas distintas dos conversores estáticos de potência. Estas arquiteturas

Aerogerador síncrono com retificador a diodos e conversor boost;

Aerogerador síncrono com retificador PWM

Estas alternativas apresentam diferenças apenas no estágio de retificação (conversão CA

conversores de potência, mantendo-se o inversor PWM no estágio de inversão (conversão CC


com reflexos sobre o custo de instalação, e merecem, portanto, estudos técnico

33

____________________________________

retificadores ou como inversores

ou crow-bar para proteção


se em duas estruturas distintas dos conversores estáticos de potência. Estas arquiteturas

Estas alternativas apresentam diferenças apenas no estágio de retificação (conversão CA-CC) dos

se o inversor PWM no estágio de inversão (conversão CC-CA). Estas


com reflexos sobre o custo de instalação, e merecem, portanto, estudos técnico-econômicos

_________________________________________________

comparativos que apontem a estrutura mais vantajosa. Ve

retificador a diodos prepondera, tendo como principal parâmetro de decisão o seu baixo custo.

Na figura 34 é apresentada a estrutura funcional elétrica básica da primeira tecnologia para

aerogeradores síncronos onde se destacam um conversor estático com retificador trifásico não

controlado, conversor CC/CC boost (elevador de tensão), dois barramentos CC e um conversor trifásico

PWM. Os dois barramentos CC são de características diferentes: o próximo do retificador

CC variável, enquanto aquele próximo ao inversor opera com tensão CC fixa ou aproximadamente

constante.

Esta tecnologia ao apresentar um retificador a comutação natural do lado do gerador elétrico,

atribui ao gerador a necessidade de gerar

barramento CC logo após o retificador. O conversor CC

para o segundo barramento CC em função da velocidade de rotação da turbina e portanto compatível

com a potência a ser convertida.

Apesar de não comentado na literatura técnica e pouquíssima informação estar disponível pelos

fabricantes, uma regulação parcial de tensão é feita no primeiro barramento CC através do ajuste no

nível de excitação de campo do alterna

CC.

Na figura 35 é apresentada a arquitetura com dois conversores PWM. Esta tecnologia apresenta

grande versatilidade já que os dois conversores são de projeto equivalente e controles similares. Alé

disto permite explorar com grande flexibilidade a operação a velocidade variável do gerador com alto

desempenho dinâmico. Sendo o barramento CC com nível de tensão fixo e mais elevado que os dois

barramentos CA (o do gerador a

controle forçar o consumo ou o fornecimento de potência ativa e reativa mesmo em velocidades

rotacionais extremas. Esta arquitetura de potência é mais comumente empregada quando o gerador

síncrono é a imãs permanentes.

Figura 34. Sistema de Conversão Estática com Três Conversores

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


comparativos que apontem a estrutura mais vantajosa. Verifica-se na literatura que a estrutura com


é apresentada a estrutura funcional elétrica básica da primeira tecnologia para

nde se destacam um conversor estático com retificador trifásico não


PWM. Os dois barramentos CC são de características diferentes: o próximo do retificador



atribui ao gerador a necessidade de gerar tensões sempre superiores que a tensão no primeiro

barramento CC logo após o retificador. O conversor CC-CC boost cumpre a função de elevar a tensão


ência a ser convertida.



nível de excitação de campo do alternador, garantindo melhoria no comportamento do conversor CC

é apresentada a arquitetura com dois conversores PWM. Esta tecnologia apresenta

grande versatilidade já que os dois conversores são de projeto equivalente e controles similares. Alé



barramentos CA (o do gerador a frequência variável e o da rede a frequência fixa) é possível para o



Sistema de Conversão Estática com Três Conversores

34

____________________________________

se na literatura que a estrutura com


é apresentada a estrutura funcional elétrica básica da primeira tecnologia para

nde se destacam um conversor estático com retificador trifásico não


PWM. Os dois barramentos CC são de características diferentes: o próximo do retificador opera a tensão



tensões sempre superiores que a tensão no primeiro

CC boost cumpre a função de elevar a tensão




dor, garantindo melhoria no comportamento do conversor CC-

é apresentada a arquitetura com dois conversores PWM. Esta tecnologia apresenta

grande versatilidade já que os dois conversores são de projeto equivalente e controles similares. Além



fixa) é possível para o



_________________________________________________

Figura 35. Sistema de Conversão Estática com Dois Conversores PWM

Ao lado de uma estrutura simplificada e com reduzidas perdas em di

topologia auxilia na partida do sistema de geraç

permanentes, já que permite injetar potência ativa em sentido inverso nos terminais do gerado como

ilustra a figura 35. Para manter a t

trabalhará como conversor elevador de tensão.

dimensionamento das chaves semicondutoras e as características de projeto do gerador

A conexão com a rede através de um transformador é normalmente composta também de filtros

para minimizar a penetração de harmônicos na ordem da

Destaca-se na literatura técnica a utilização de filtros RL série, LCL

nas frequências próximas à frequência

Com a topologia acima descrita, é possível implementar o controle

através do controle de corrente

ótimo de extração de potência para uma dada velocidade de vento local. O controle de conversor do

lado da rede possibilita entrega máxima da energia gerada para a rede, podendo ainda, contribuir para

compensação da potência reativa da rede elétrica aproveitando a ociosidade em sua potência aparente

nominal ou pode minimizar distúrbios como flutuações de tensão, harmônicos e desequilíbrios,

melhorando a qualidade da energia elétrica fornecida aos consumidores.

4. Engenharia de Sis

Eólica:

A operação de um aerogerador é caracterizada por faixas de variação de velocidade de vento,

tendo como referência a velocidade de vento nominal do equipamento.

Um aerogerador possui uma velocidade de vento mínima de pa

gerador à rede, chamada de velocidade (de vento) de acionamento (Vcut

razoável manter o gerador operando pela baixíssima potência gerada ou mesmo pela possibilidade de

motorização. De forma similar e

suportada pelo gerador que garante uma operação segura. Esta velocidade é

ultrapassada, pode impor danos tanto à turbina, quanto ao gerador e à caixa de transmissão.

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


Sistema de Conversão Estática com Dois Conversores PWM

Ao lado de uma estrutura simplificada e com reduzidas perdas em dispositivos de po

na partida do sistema de geração com acionamento direto do gerador a imãs

permite injetar potência ativa em sentido inverso nos terminais do gerado como

Para manter a tensão CC constante em larga faixa de velocidades, o retificador PWM

abalhará como conversor elevador de tensão. Mas nesta situação um grande compromisso há entre o

dimensionamento das chaves semicondutoras e as características de projeto do gerador

onexão com a rede através de um transformador é normalmente composta também de filtros

para minimizar a penetração de harmônicos na ordem da frequência de chaveamento na rede elétrica.

se na literatura técnica a utilização de filtros RL série, LCL série-paralela ou filtros sintonizados

frequência de chaveamento.

Com a topologia acima descrita, é possível implementar o controle da potência ativa gerada

de corrente do conversor do gerador, de forma tal a se trabalhar em um ponto



va da rede elétrica aproveitando a ociosidade em sua potência aparente

ou pode minimizar distúrbios como flutuações de tensão, harmônicos e desequilíbrios,

melhorando a qualidade da energia elétrica fornecida aos consumidores.

Engenharia de Sistemas de Conversão de Energia


tendo como referência a velocidade de vento nominal do equipamento.

Um aerogerador possui uma velocidade de vento mínima de partida que permite a conexão do

gerador à rede, chamada de velocidade (de vento) de acionamento (Vcut-in), abaixo da qual não é


motorização. De forma similar existe uma velocidade de retirada ou velocidade máxima (Vcut

suportada pelo gerador que garante uma operação segura. Esta velocidade é o limite superior e, se


35

____________________________________

Sistema de Conversão Estática com Dois Conversores PWM

spositivos de potência, esta

o com acionamento direto do gerador a imãs

permite injetar potência ativa em sentido inverso nos terminais do gerado como

em larga faixa de velocidades, o retificador PWM

nesta situação um grande compromisso há entre o

dimensionamento das chaves semicondutoras e as características de projeto do gerador.

onexão com a rede através de um transformador é normalmente composta também de filtros

de chaveamento na rede elétrica.

paralela ou filtros sintonizados

potência ativa gerada

a se trabalhar em um ponto



va da rede elétrica aproveitando a ociosidade em sua potência aparente

ou pode minimizar distúrbios como flutuações de tensão, harmônicos e desequilíbrios,

temas de Conversão de Energia


rtida que permite a conexão do

in), abaixo da qual não é


xiste uma velocidade de retirada ou velocidade máxima (Vcut-out)

limite superior e, se


_________________________________________________

Quando acionado por uma turbina eólica, um gerador elétrico deve se comportar da seguinte

forma, como ilustrado na Figura 36

• Na região sub-nominal (quando a velocidade de vento no local de instalação da turbina é

inferior à velocidade de vento nominal da

com potência ativa variável em função da velocidade de vento, podendo nas tecnologias a

velocidade variável garantir máxima eficiência da conversão. Por isto esta região é conhecida

como região de otimiz

elétrico ou eletrônico, se existir);

• Na região nominal (quando a velocidade de vento é igual ou superior à velocidade nominal da

turbina): neste caso, a potência ativa gerada deve ser constan

ação do sistema de controle de passo (nas tecnologias a velocidade variável) ou de regulação

por estol (nas tecnologias a velocidade constante). Esta região é também denominada de

região de limitação de potência e o control

Figura 36. Curva da Potência Extraída em Função da Velocidade do Vento

Estas características operacionais destacam, principalmente na região subdivisão das tecnologias: as arquiteturas a velocidade constante (ou fixa) e as arquiteturas a velocidade variável.

No que diz respeito à geraelétrica são classificadas basicamente pela tecnologia das msistemas de acionamento, definindo a operavariável. As centrais eólicas que operamcomparadas com centrais a velocidade constante, uma vez que uma potdo vento, tendo em vista a operação a constante na região sub-nominal. Alémecânico, ruídos de menor intensidade e a habilidade em fornecer potal., 2006).

00

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Potência Gerada [pu]

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29



, como ilustrado na Figura 36:

nominal (quando a velocidade de vento no local de instalação da turbina é

inferior à velocidade de vento nominal da turbina): neste caso, o gerador elétrico deve operar



como região de otimização de potência, e o controle de potência é eletromagnético (ou

elétrico ou eletrônico, se existir);

Na região nominal (quando a velocidade de vento é igual ou superior à velocidade nominal da

turbina): neste caso, a potência ativa gerada deve ser constante e igual ao valor nominal, por



região de limitação de potência e o controle de potência é mecânico ou aerodinâmico.

. Curva da Potência Extraída em Função da Velocidade do Vento

Estas características operacionais destacam, principalmente na região sub-nominal, uma grande as: as arquiteturas a velocidade constante (ou fixa) e as arquiteturas a velocidade

geração alternativa de energia, as centrais eólicas conectadas o classificadas basicamente pela tecnologia das máquinas elétricas e pelos seus respectivos

sistemas de acionamento, definindo a operação em velocidade constante e a operação a velocidadelicas que operam a velocidade variável oferecem mais benefí

ocidade constante, uma vez que uma potência maior pode ser extra, tendo em vista a operação a coeficiente de potência máximo e a relação de velocidades

nominal. Além disso, existem outras vantagens como: menor estressedos de menor intensidade e a habilidade em fornecer potência reativa à rede elé

0.5 1 1.5 2 2.5

Vcutin Velocidade de Vento [pu] Vcutout

Região Sub-

Nominal

Região

Nominal

36

____________________________________


nominal (quando a velocidade de vento no local de instalação da turbina é

turbina): neste caso, o gerador elétrico deve operar



ação de potência, e o controle de potência é eletromagnético (ou

Na região nominal (quando a velocidade de vento é igual ou superior à velocidade nominal da

te e igual ao valor nominal, por



e de potência é mecânico ou aerodinâmico.

. Curva da Potência Extraída em Função da Velocidade do Vento

nominal, uma grande as: as arquiteturas a velocidade constante (ou fixa) e as arquiteturas a velocidade

conectadas às redes tricas e pelos seus respectivos

e a operação a velocidade a velocidade variável oferecem mais benefícios quando

ncia maior pode ser extraída ncia máximo e a relação de velocidades

m disso, existem outras vantagens como: menor estresse à rede elétrica (Li et

2.5

_________________________________________________

As curvas características de potêilustram bem as diferenças em termos de ovelocidade constante ou variável. Conforme ilustra a Figura constante que é determinada pela frequtransmissão, independente da velocidade de vento incidente. Neste caso o gerador somenteatingir o ponto ótimo da curva quando a velocidade do ventoperda de potência para velocidades diferentes.

Quando a tecnologia de aerogerador

frequência, é possível realizar o controle de potéolica é capaz de atingir o ponto vento, já que o gerador opera a freqconforme mostra a Figura 38.

Para a produção de energia el

máquinas elétricas: as síncronas e as assgaiola de esquilo, são empregadosde indução com rotor bobinado e os sestáticos caracterizando sistemas que operam

Figura 37 Características de potência de aerogerador a velocidade constante

_____________________________________________________________________________________



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ísticas de potência versus rotação, para vários valores de velocidade de vento,as em termos de otimização da potência para aerogeradores que

vel. Conforme ilustra a Figura 37, o gerador opera em uma velocidade determinada pela frequência da rede elétrica, pelo número de pó

independente da velocidade de vento incidente. Neste caso o gerador somentetimo da curva quando a velocidade do vento, neste caso, é de 11 m/s, causando uma

ncia para velocidades diferentes.

de aerogerador é conectada ao sistema elétrico por meio de conversoresvel realizar o controle de potências ativa e reativa independentemente

capaz de atingir o ponto ótimo da curva de potência versus rotação para outras velocidadesque o gerador opera a frequência variável, resultando em maior efici

de energia elétrica através dos aerogeradores, são utilizadosncronas e as assíncronas. Os geradores assíncronos, quando de indu

o empregados para aplicações em velocidade constante, enquanto que os geradoreso com rotor bobinado e os síncronos são, geralmente, utilizados em conjunto com conversores

estáticos caracterizando sistemas que operam velocidade variável.

Características de potência de aerogerador a velocidade constante

37

____________________________________

ncia versus rotação, para vários valores de velocidade de vento, ncia para aerogeradores que operam a

o gerador opera em uma velocidade úmero de pólos e a relação de

independente da velocidade de vento incidente. Neste caso o gerador somente é capaz de m/s, causando uma

trico por meio de conversores de independentemente. A turbina

para outras velocidades de eficiência energética,

o utilizados dois tipos de ncronos, quando de indução em

es em velocidade constante, enquanto que os geradores conjunto com conversores

Características de potência de aerogerador a velocidade constante

_________________________________________________

Figura 38 Característica

4.1 Arquitetura de Aerogeradores a

Os sistemas de conversão de energia eólica podem ser classificados como sistemas que operam a

velocidade constante e sistemas que operam a velocidade variáv

da tecnologia de conexão do gerador à carga ou à rede elétrica.

A conexão direta na rede elétrica de aerogeradores caracteriza o conceito de turbinas eólicas

operando a velocidade constante (“conceito dinamarquês”), q

durante as duas últimas décadas do século passado, prioritariamente utilizando geradores de indução

em gaiola. A operação a velocidade constante pressupõe normalmente o uso de geradores

excursão bastante restrita de velocidade

contrapartida, estes sistemas por estarem mais rigidamente conectados às redes elétricas, são mais

susceptíveis às variações de tensão (perda de excitação em geradores de indução)

estabilidade (principalmente quando se usam geradores síncronos, o que praticamente eliminou esta

opção entre os sistemas instalados no mundo). Neste tipo de conexão, o amplo uso de geradores de

indução em gaiola se justifica pela facili

contribuição a curtos-circuitos.

Em função da necessidade de geração de energia elétrica à custo das tecnologias a velocidade variável, os primeiros sistemas de geratopologias a velocidade constante, semelhantes aos sistemas de geração convencional. Assim, a rotação da turbina é vinculada à frequênciacaixa de transmissão mecânica. A será obtido apenas na velocidade de vento nominal, reduzindo a capacidade energética anual da usina. Além disso, gera maiores esforços mecânicos sobre o sistema, aumentando o risco de indispone impossibilita o controle do fluxo de reativos.

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


Características de potência de aerogerador a velocidade variável

Arquitetura de Aerogeradores a Velocidade Fixa


velocidade constante e sistemas que operam a velocidade variável. Estes modos de operação são função

da tecnologia de conexão do gerador à carga ou à rede elétrica.

a rede elétrica de aerogeradores caracteriza o conceito de turbinas eólicas

operando a velocidade constante (“conceito dinamarquês”), que dominou as usinas eólicas


em gaiola. A operação a velocidade constante pressupõe normalmente o uso de geradores

de velocidade, o que normalmente afeta seu aproveitamento energético. Em

, estes sistemas por estarem mais rigidamente conectados às redes elétricas, são mais

susceptíveis às variações de tensão (perda de excitação em geradores de indução) e aos problemas de



indução em gaiola se justifica pela facilidade de sincronismo com a rede elétrica e pela limitada

Em função da necessidade de geração de energia elétrica à frequência constante e do elevado custo das tecnologias a velocidade variável, os primeiros sistemas de geração eólica utilizaram topologias a velocidade constante, semelhantes aos sistemas de geração convencional. Assim, a rotação

frequência da rede, ao número de polos da máquina elétricacaixa de transmissão mecânica. A operação segundo esta estratégia implica que o rendimento ótimo será obtido apenas na velocidade de vento nominal, reduzindo a capacidade energética anual da usina. Além disso, gera maiores esforços mecânicos sobre o sistema, aumentando o risco de indispone impossibilita o controle do fluxo de reativos.

38

____________________________________

variável


el. Estes modos de operação são função

a rede elétrica de aerogeradores caracteriza o conceito de turbinas eólicas

usinas eólicas no mundo


em gaiola. A operação a velocidade constante pressupõe normalmente o uso de geradores com uma

aproveitamento energético. Em

, estes sistemas por estarem mais rigidamente conectados às redes elétricas, são mais

e aos problemas de



dade de sincronismo com a rede elétrica e pela limitada

constante e do elevado ção eólica utilizaram

topologias a velocidade constante, semelhantes aos sistemas de geração convencional. Assim, a rotação máquina elétrica e à relação da

operação segundo esta estratégia implica que o rendimento ótimo será obtido apenas na velocidade de vento nominal, reduzindo a capacidade energética anual da usina. Além disso, gera maiores esforços mecânicos sobre o sistema, aumentando o risco de indisponibilidade,

_________________________________________________

A limitação da potência transformada pelo sistema eólico garante a segurança operacional dos equipamentos. A potência de grande parte das usinas a velocidade constante é limitada de forma passiva, isto é, utiliza o efeito aerodinâmico de stall da turbina para garantir a geração de potência inferior à nominal para velocidades de vento superiores à velocidade de vento para a qual o sistema foi projetado. Apesar da simplicidade, pois não necessita de ao grampeamento da potência eólica, o controle por stall, além de causar maiores esforços mecânicos sobre os componentes do sistema, não se comporta idealmente, isto é, a potência gerada para velocidades de vento acima do valor nominal são inferiores à potência máxima, o que causa redução na capacidade de geração da usina.

4.2 Arquitetura de Aerogeradores a

Em sistemas de conversão de energia eólica que operam com velocidade variável, a conexão

rede elétrica é feita normalmente pela utilização de conversores estáticos e prioritariamente com uso

de barramentos intermediários em corrente contínua, tecnologia que é dominante nos sistemas

modernos de conversão de frequência

permite o controle desacoplado de potência ativa e reativa, o amortecimento efetivo das flutuações de

potência, a operação com máxima eficiência energética e a minimização dos problemas de qualidade da

energia gerada (dependente da tecnologia a ser utilizada), facilitando sua integração em redes fracas.

Em alguns equipamentos, o uso de geradores síncronos

embora representem investimentos mais elevados, se justifica pela possibili

retificadores à comutação natural, consideravelmente mais baratos. Além disto, a possibilidade de

projetos com alto número de polos

a eliminação das caixas de transmissão

pelo termo “direct drive”. Nesta tecnologia competem os aerogeradores com geradores síncronos com

excitação elétrica, a exemplo dos modelos de turbinas eólicas comercializadas pela ENERCON

(atualmente denominado “conceito alemão”)

Apesar do uso de geradores de indução com rotor em gaiola ser competitivo devido a sua inerente

robustez, esta máquina quando compondo um aerogerador a velocidade variável,

comutação forçada, que apresentam custos mais altos que as outras tecnologias disponíveis. Estes

conversores são projetados para uma potência aparente mais elevada, em razão do consumo de

potência reativa da máquina elétrica e logo,

Já o uso de geradores de indução com rotor bobinado, em sua estrutura mais utilizada com dupla

alimentação, embora represente, à semelhança dos geradores síncronos, investimentos e custos de

operação mais elevados, permite a especificação de conversores estáticos com potência aparente

bastante inferior (cerca de 30 a 40% da potência nominal da máquina), o que explica o elevado número

de modelos atualmente disponíveis no mercado. Todavia, os geradores de in

excitados permitem uma excursão de velocidade limitada a

dependendo da potência de seus conversores estáticos de rotor, limitando sua capacidade de

otimização energética. Além disto, ao utilizar

possuem menor capacidade de compensação de distúrbios nas tensões das redes elétricas onde se

encontram conectados.

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


A limitação da potência transformada pelo sistema eólico garante a segurança operacional dos equipamentos. A potência de grande parte das usinas a velocidade constante é limitada de forma

isto é, utiliza o efeito aerodinâmico de stall da turbina para garantir a geração de potência inferior à nominal para velocidades de vento superiores à velocidade de vento para a qual o sistema foi projetado. Apesar da simplicidade, pois não necessita de um sistema de controle e atuadores dedicados ao grampeamento da potência eólica, o controle por stall, além de causar maiores esforços mecânicos

sistema, não se comporta idealmente, isto é, a potência gerada para o acima do valor nominal são inferiores à potência máxima, o que causa redução na

capacidade de geração da usina.

Arquitetura de Aerogeradores a Velocidade Variável

Em sistemas de conversão de energia eólica que operam com velocidade variável, a conexão



frequência utilizados nos acionamentos industriais. A conexão estática



ependente da tecnologia a ser utilizada), facilitando sua integração em redes fracas.

, o uso de geradores síncronos com excitação elétrica (bobina de campo)

embora representem investimentos mais elevados, se justifica pela possibilidade da aplicação de


polos permite a redução das relações de transmissão mecânica, ou mesmo

a eliminação das caixas de transmissão, como nas turbinas “gearless”, atualmente identificadas também

. Nesta tecnologia competem os aerogeradores com geradores síncronos com


e denominado “conceito alemão”) e os geradores síncronos a imãs permanentes.


robustez, esta máquina quando compondo um aerogerador a velocidade variável, requer retificadores a



reativa da máquina elétrica e logo, esta tecnologia ainda é pouco atrativa ao mercado.



elevados, permite a especificação de conversores estáticos com potência aparente


de modelos atualmente disponíveis no mercado. Todavia, os geradores de indução duplamente

excitados permitem uma excursão de velocidade limitada a ±30% em torno do valor nominal,


otimização energética. Além disto, ao utilizar-se um conversor de menor potência, estes geradores


39

____________________________________

A limitação da potência transformada pelo sistema eólico garante a segurança operacional dos equipamentos. A potência de grande parte das usinas a velocidade constante é limitada de forma

isto é, utiliza o efeito aerodinâmico de stall da turbina para garantir a geração de potência inferior à nominal para velocidades de vento superiores à velocidade de vento para a qual o sistema foi

um sistema de controle e atuadores dedicados ao grampeamento da potência eólica, o controle por stall, além de causar maiores esforços mecânicos

sistema, não se comporta idealmente, isto é, a potência gerada para o acima do valor nominal são inferiores à potência máxima, o que causa redução na

Em sistemas de conversão de energia eólica que operam com velocidade variável, a conexão na



ntos industriais. A conexão estática



ependente da tecnologia a ser utilizada), facilitando sua integração em redes fracas.

com excitação elétrica (bobina de campo),

dade da aplicação de


permite a redução das relações de transmissão mecânica, ou mesmo

dentificadas também

. Nesta tecnologia competem os aerogeradores com geradores síncronos com


e os geradores síncronos a imãs permanentes.


requer retificadores a



sta tecnologia ainda é pouco atrativa ao mercado.



elevados, permite a especificação de conversores estáticos com potência aparente


dução duplamente

30% em torno do valor nominal,


sor de menor potência, estes geradores


_________________________________________________

Apesar do aumento do custo inicial do projeto, diversos benefícios são decorrentes da utilização de

topologias a velocidade variável. A capacidade de extração de potência com máximo rendimento, a

redução dos esforços mecânicos, a capacidade do controle da injeção de reativos no sistema, mesmo

em momentos de falta, a melhoria da qualidade da energia elétri

relevantes. Em (BURTON, et al., 2001), é realizado um cálculo comparativo da energia elétrica gerada

por usinas a velocidade constante e a velocidade variável. Relata

velocidade variável. Os custos adicionais das turbinas a velocidade variável são decorrentes da utilização

de dispositivos semicondutores de potência e da aplicação de mecanismos para variação do ângulo de

passo, garantindo regulação de potência próxima à curva ideal.

Figura 39 Comparação entre curvas de potência típicas de turbinas a velocidade constante e a

A Figura 39 compara a característica típica de operação de uma turbina à velocidade

limitação da potência máxima através da variação do ângulo de passo,

com controle por stall (HANSEN, 2008)

relação à segunda. A Figura 40

aplicações a velocidade variável e a velocidade constante, considerando valores para a velocidade de

vento inferiores ao valor nominal de 12 m/s.

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29



opologias a velocidade variável. A capacidade de extração de potência com máximo rendimento, a


em momentos de falta, a melhoria da qualidade da energia elétrica gerada são alguns dos fatores mais


por usinas a velocidade constante e a velocidade variável. Relata-se um ganho de 6% das topologias a

. Os custos adicionais das turbinas a velocidade variável são decorrentes da utilização


passo, garantindo regulação de potência próxima à curva ideal.

Comparação entre curvas de potência típicas de turbinas a velocidade constante e a velocidade variável

a característica típica de operação de uma turbina à velocidade

a máxima através da variação do ângulo de passo, e uma turbina a velocidade fixa

com controle por stall (HANSEN, 2008), podendo-se identificar o ganho de potência da primeira em

A Figura 40 compara a potência ativa gerada pela turbina de 2 MW em estudo em


vento inferiores ao valor nominal de 12 m/s.

40

____________________________________


opologias a velocidade variável. A capacidade de extração de potência com máximo rendimento, a


ca gerada são alguns dos fatores mais


se um ganho de 6% das topologias a

. Os custos adicionais das turbinas a velocidade variável são decorrentes da utilização


Comparação entre curvas de potência típicas de turbinas a velocidade constante e a

a característica típica de operação de uma turbina à velocidade variável, com

bina a velocidade fixa,

se identificar o ganho de potência da primeira em

de 2 MW em estudo em


_________________________________________________

Figura 40 Comparação da operação variável

5. Tecnologias de Aerogeradores:

5.1. Tecnologias Comerciais

Neste documento serão apresentadas cinco tecnologias de aerogeradores,

em velocidade constante, máquina de indu

com chaveamento de resistores no rotor, semelhante ao modelo comercializado

três operando em velocidade vari

com gerador de indução duplamente

Nota-se, atualmente, uma tend

posto que são mais comercializados

características elétricas e operacionais das tecnologias e

qualidade de energia elétrica.

A aplicação de cada um desses aerogeradores

normalmente:

• as características

• a capacidade de consumo e/ou fornecimento de pot

• o nível de contribui

• a robustez de sua constru

• a possibilidade de projeto

• os custos de aquisi

• as dificuldades de sincronismo com a rede el

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


Comparação da operação de uma turbina a velocidade constante e uma turbina ariável para ventos abaixo do vento nominal

Tecnologias de Aerogeradores:

5.1. Tecnologias Comerciais

o apresentadas cinco tecnologias de aerogeradores, sendo

quina de indução (GI), e uma com gerador de indução com rotor bobinado

chaveamento de resistores no rotor, semelhante ao modelo comercializado pela Suzlon

operando em velocidade variável, compreendendo duas tecnologias com gerador s

o duplamente alimentado (DFIG).

se, atualmente, uma tendência de maior utilização de aerogeradores em velocidade vari

o mais comercializados (Medeiros et al., 2005). Assim foram levadas em conta as

tricas e operacionais das tecnologias eólicas, estudadas sob o

desses aerogeradores é função de uma série de fatores, que consideram

cas de amortecimento do gerador;

de consumo e/ou fornecimento de potência reativa;

vel de contribuição para curtos-circuitos;

a robustez de sua construção;

a possibilidade de projeto e construção de equipamentos com alto número de p

aquisição e de operação e

as dificuldades de sincronismo com a rede elétrica.

41

____________________________________

uma turbina a velocidade

sendo duas operando

o com rotor bobinado

pela Suzlon e outras

com gerador síncrono e uma

aerogeradores em velocidade variável,

foram levadas em conta as

ponto de vista da

rie de fatores, que consideram

mero de polos;

_________________________________________________

As principais características de cada uma das tecnologias estudadas ser

buscando consolidar uma compreensão maior dos aerogeradores comercialmen

5.1.1 Gerador de Indução

A tecnologia que emprega o gerador de indu

opera a velocidade constante. A configura

indução com rotor em gaiola, conectado ao eixo da turbina por meio de uma caixa de transmiss

mecânica.

Os terminais elétricos do estator s

necessidade de conversores eletr

conversor tipo soft starter para a redu

indução, bem como de um banco de capacitores para corre

básico para esta tecnologia é ilustrado na

Figura 41 Topologia do Aerogerador com Gerador de Indução com Rotor em Gaiola

Esta tecnologia de aerogerador

potência, operando em velocidade constante, determinada

mesma encontra-se conectada, independente da velocidade do vento.

O gerador de indução trabalha em uma faixa de opera

supersíncrona, estabelecendo um escorr

de energia em sua estrutura permite

existente no vento (rajadas de vento)

diversos problemas de qualidade de energia para

quando esta tecnologia de aerogerador

(Mendes et al., 2008). Além destas desvantagens, esta configura

elevado em comparação com outros aerogeradores, proveniente,

constante de manutenção de sua caixa de

essa tecnologia vem sendo gradualmente

instalada de usinas eólicas utilizando geradores de indu

hoje, diversos estudos ainda devem ser

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


sticas de cada uma das tecnologias estudadas serão apresentadas

buscando consolidar uma compreensão maior dos aerogeradores comercialmente existentes

ção em Gaiola (IG)

A tecnologia que emprega o gerador de indução em gaiola é um exemplo de aerogerador que

opera a velocidade constante. A configuração construtiva mais empregada compõe-se de um gerador de

conectado ao eixo da turbina por meio de uma caixa de transmiss

tricos do estator são conectados diretamente à rede elétrica,

necessidade de conversores eletrônicos de potência em operação nominal. É usual

para a redução da corrente transitória de magnetizaçã

um banco de capacitores para correção do fator de potência local. O esquema

ilustrado na Figura 41.

Topologia do Aerogerador com Gerador de Indução com Rotor em Gaiola

Esta tecnologia de aerogerador é bastante simples e não possui qualquer tipo de controle de

dade constante, determinada pela frequência da rede el

independente da velocidade do vento.

o trabalha em uma faixa de operação de velocidade

ncrona, estabelecendo um escorregamento negativo. A ausência de elementos armazenadores

de energia em sua estrutura permite que todos os distúrbios inerentes às variações da potência

existente no vento (rajadas de vento) sejam diretamente transferidos à rede elé

os problemas de qualidade de energia para o consumidor final. Estes problemas se agravam

aerogerador é instalada em locais de baixa potência de curto

m destas desvantagens, esta configuração apresenta um custo

o com outros aerogeradores, proveniente, em grande parte, pela necessidade

o de sua caixa de transmissão mecânica. Devido aos problemas mencionados

vem sendo gradualmente substituída. Entretanto ainda há uma consider

licas utilizando geradores de indução em todo o mundo, razã

hoje, diversos estudos ainda devem ser considerados (Silva et al., 2006).

42

____________________________________

apresentadas a seguir,

te existentes.

de aerogerador que

se de um gerador de

conectado ao eixo da turbina por meio de uma caixa de transmissão

trica, eliminando a

usual a existência de um

ção do gerador de

ncia local. O esquema

Topologia do Aerogerador com Gerador de Indução com Rotor em Gaiola

tipo de controle de

ncia da rede elétrica à qual a

o de velocidade ligeiramente

ncia de elementos armazenadores

às variações da potência

étrica, ocasionando

o consumidor final. Estes problemas se agravam

ncia de curto-circuito

senta um custo final mais

em grande parte, pela necessidade

nica. Devido aos problemas mencionados

uma considerável potência

ão pela qual, ainda

_________________________________________________

5.1.2 Gerador de Induçã

Ainda existe no mercado mais uma tecnologia de aerogerador que opera

apesar desta classificação não ser acolhida com unanimidade na literatura técnica, pois é muito usual

encontrar a citação de “sistema com faixa velocidade restrita”

simplificado de um aerogerador similar ao comercializado pela Suzlon. Este aerogerador

por uma máquina de indução de rotor bobinado, um conjunto

retificador a comutação natural e um

comutação das resistências continuamente

Figura 42 Esquema do Aerogerador com Gerador de Indução com Res

Um sistema de controle denominado

de resistores e, por consequência, a pot

distúrbios mecânicos durante trans

desligadas, o valor total das resist

resistências externas são curto-circuitadas, restando apenas as resist

O valor da resistência externa pode ser definido pelo controle atrav

gerador e da potência ativa de sa

durante uma falta no sistema, a prote

crowbar, que instantaneamente

dissipando com isso a energia excedente provocada pelo defeito.

5.1.3 Gerador Síncrono com Conversores PWM (GSINC)

A utilização de geradores s

variável surge atualmente no mercado como uma alternativa

de transmissão mecânica. Conectadas

podem operar em baixa velocidade rotacional gra

gerador (Silva et al., 2006).

A configuração da tecnologia

independente de campo e de conversores de freq

retificadora e inversora. O conversor do lado da rede promove

_____________________________________________________________________________________



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ção com Resistores Chaveados no Rotor

Ainda existe no mercado mais uma tecnologia de aerogerador que opera a velocidade


ma com faixa velocidade restrita”. A Figura 42 apresenta o esquema

um aerogerador similar ao comercializado pela Suzlon. Este aerogerador

o de rotor bobinado, um conjunto de resistências ligadas no rot

o natural e um conjunto de chaves semicondutoras a IGBT’s

comutação das resistências continuamente.

Esquema do Aerogerador com Gerador de Indução com Resistores Chaveados no Rotor

Um sistema de controle denominado Suzlon Flexislip System controla a entrada ou sa

ncia, a potência gerada pela turbina, mas com o objetivo de minimizar

distúrbios mecânicos durante transitórios de vento ou da rede elétrica. Quando as chaves s

desligadas, o valor total das resistências está conectado no circuito de rotor. Do contr

circuitadas, restando apenas as resistências do enrolamento do rotor

ncia externa pode ser definido pelo controle através da mediçã

ncia ativa de saída. Quando as correntes de rotor excedem um valor pr

uma falta no sistema, a proteção do aerogerador atua através de uma estrutura denominada de

neamente substitui a resistência atual do rotor pela resist

excedente provocada pelo defeito.

ncrono com Conversores PWM (GSINC)

o de geradores síncronos na construção de usinas eólicas que operam

vel surge atualmente no mercado como uma alternativa bastante atrativa para elimina

Conectadas à rede por meio de conversores de frequ

operar em baixa velocidade rotacional graças a grande quantidade de polos

o da tecnologia adotada consiste de um gerador síncrono com excita

campo e de conversores de frequência PWM (Pulse-Width Modulation)

retificadora e inversora. O conversor do lado da rede promove o controle da tensão no barramento CC

43

____________________________________

a velocidade constante,


apresenta o esquema

um aerogerador similar ao comercializado pela Suzlon. Este aerogerador é constituído

ncias ligadas no rotor, um

a IGBT’s, responsável pela

istores Chaveados no Rotor

entrada ou saída do banco

, mas com o objetivo de minimizar

. Quando as chaves são

conectado no circuito de rotor. Do contrário, as

ncias do enrolamento do rotor.

ção da velocidade do

Quando as correntes de rotor excedem um valor pré-determinado,

estrutura denominada de

atual do rotor pela resistência do crowbar,

que operam a velocidade

bastante atrativa para eliminação da caixa

uência, estas usinas

magnéticos de seu

ncrono com excitação

Width Modulation) em operação

o no barramento CC

_________________________________________________

através da injeção de corrente na

energia elétrica gerada a frequê

a potência convertida da turbina, funcionando como um

gerada a frequência variável em

fornecidos aos conversores são provenientes de comandos PWM independentes.

No barramento CC, que conecta os conversores, um chopper de frenagem

a energia excedente do capacitor durante transit

capacitor ultrapassa um determinado

tempo, evitando um aumento excessivo na tens

suportabilidade do aerogerador frente

de ride-through (Ramos, 2010

chaveamento dos conversores. O diagrama simplif

Figura 43 Configuração do Gerador Síncrono com Conversores PWM

5.1.4 Gerador Síncrono com Retificador a Diodos

A quarta tecnologia de aerogerador estudada tamb

no estágio de retificação um retificador a diodos.

aerogerador fabricado pela empresa

com excitação elétrica por bobina de

tensão, barramento CC regulado e um conversor PWM

encontra-se em potência nominal

encontram-se em fase de testes na Alemanha (Silva et al., 2006).

Comparada com as outras tecnologias com gerador s

características principais que as diferem: a presen

a comutação natural do lado do gerador para realizar a retifica

estrutura básica desta tecnologia para aerogeradores s

com retificador não controlado, conversor CC/CC boost

corrente contínua e um conversor

_____________________________________________________________________________________



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o de corrente na rede funcionando como um inversor. Ele tem a fun

ência fixa do sistema elétrico. Já o conversor do lado do gerador controla

ncia convertida da turbina, funcionando como um retificador controlado, converte

vel em corrente contínua para o barramento CC intermedi

o provenientes de comandos PWM independentes.

No barramento CC, que conecta os conversores, um chopper de frenagem é utilizado para dissipar

xcedente do capacitor durante transitórios. O chopper é acionado cada vez que a tens

capacitor ultrapassa um determinado limite, equilibrando variações no fluxo de pot

tempo, evitando um aumento excessivo na tensão do barramento. O chopper

suportabilidade do aerogerador frente às faltas e pode ser considerado como um importante dispositivo

Ramos, 2010). Um filtro do tipo LC minimiza os harmônicos produzidos

chaveamento dos conversores. O diagrama simplificado dessa tecnologia está apresentado na Figura

Configuração do Gerador Síncrono com Conversores PWM

ncrono com Retificador a Diodos

a tecnologia de aerogerador estudada também é constituída de um gerador s

o um retificador a diodos. Sendo bastante difundido em todo o mundo, o

aerogerador fabricado pela empresa alemã Enercon caracteriza-se por apresentar geradores s

trica por bobina de campo, uma ponte retificadora a diodos, um chopper elevador de

o, barramento CC regulado e um conversor PWM conectado à rede elétrica. Esta tecnologia

ncia nominal superior a 2,0 MW, sendo que protótipos em potência elevada

se em fase de testes na Alemanha (Silva et al., 2006).

Comparada com as outras tecnologias com gerador síncrono, esta alternativa

sticas principais que as diferem: a presença de um gerador síncrono hexafásico e um conversor

do gerador para realizar a retificação CA-CC. A Figura

sica desta tecnologia para aerogeradores síncronos, onde se destacam o conversor est

o controlado, conversor CC/CC boost (elevador de tensão), dois barramentos de

nua e um conversor trifásico PWM.

44

____________________________________

tem a função de converter a

do gerador controla

retificador controlado, convertendo a energia

nua para o barramento CC intermediário. Os pulsos

utilizado para dissipar

acionado cada vez que a tensão no

es no fluxo de potência e, ao mesmo

opper aumenta a

considerado como um importante dispositivo

nicos produzidos pelo

apresentado na Figura 43.

Configuração do Gerador Síncrono com Conversores PWM

um gerador síncrono tendo

Sendo bastante difundido em todo o mundo, o

se por apresentar geradores síncronos

chopper elevador de

trica. Esta tecnologia

s em potência elevada

ncrono, esta alternativa apresenta duas

sico e um conversor

CC. A Figura 44 apresenta a

o conversor estático

o), dois barramentos de

_________________________________________________

Figura 44 Configuração de um Aerogerador Utilizando a Tecnologia Similar à Comercializada pela

Os dois barramentos de corrente cont

retificador a diodos opera a tens

CC regulada ou aproximadamente

comutação natural do lado do gerador el

que a tensão no primeiro barramento CC logo ap

O conversor CC-CC boost cumpre a fun

CC em função da velocidade de rota

convertida.

5.1.5 Gerador de Induçã

O gerador de indução duplamente alimentado (DFIG)

para aerogeradores que operam a velocidade vari

indução com rotor bobinado e, portanto, com alimenta

está solidamente ligado à rede atrav

por um conversor CA/CC/CA constru

si através de um circuito intermedi

como ilustra a Figura 45.

Essa configuração possibilita que o gerador de indu

velocidade dentro dos limites de opera

e supersíncrona. Essa tecnologia

abaixo, acima e, inclusive, na velocidade s

estabelecer tanto do rotor do gerador de indu

transferência de potência elétrica do circuito de rotor para a fonte de alimenta

que os conversores operem respectivamente nos modos de retifica

conversores são invertidos em suas fun

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Configuração de um Aerogerador Utilizando a Tecnologia Similar à Comercializada pela Enercon

Os dois barramentos de corrente contínua são de características diferentes:

opera a tensão CC variável, enquanto aquele próximo ao inversor opera com tens

CC regulada ou aproximadamente constante. Como esta tecnologia apresenta um retificador

do lado do gerador elétrico existe a necessidade de gerar tensões sempre

o no primeiro barramento CC logo após o retificador.

CC boost cumpre a função de elevar e regular a tensão para o segundo barramento

o da velocidade de rotação da turbina e, portanto, compatível com a pot

ção Duplamente Alimentado (DFIG)

o duplamente alimentado (DFIG) é uma das tecnologias

ue operam a velocidade variável. Esta tecnologia é composta de uma m

e, portanto, com alimentação através de anéis deslizantes onde o estator

rede através do transformador. O circuito de rotor, por sua vez,

por um conversor CA/CC/CA construído por duas pontes conversoras trifásicas PWM e conectadas entre

intermediário em corrente continua (barramento CC)(Mendes et al.,

o possibilita que o gerador de indução de dupla alimentação trabalhe variando a

velocidade dentro dos limites de operação impostos pela turbina eólica, isto é, em rota

ncrona. Essa tecnologia permite fornecer energia para a rede, com a má

abaixo, acima e, inclusive, na velocidade síncrona (Oliveira, 2004). O fluxo de pot

estabelecer tanto do rotor do gerador de indução para a rede elétrica como no sentido inverso. Para a

trica do circuito de rotor para a fonte de alimentação, faz

que os conversores operem respectivamente nos modos de retificação e invers

o invertidos em suas funções, o fluxo de potência também muda de sentido.

45

____________________________________

Configuração de um Aerogerador Utilizando a Tecnologia Similar à Comercializada pela

sticas diferentes: o próximo do

ximo ao inversor opera com tensão

constante. Como esta tecnologia apresenta um retificador à

es sempre superiores

o segundo barramento

vel com a potência a ser

uma das tecnologias mais competitivas

composta de uma máquina de

is deslizantes onde o estator

sua vez, é alimentado

sicas PWM e conectadas entre

rio em corrente continua (barramento CC)(Mendes et al., 2008),

o trabalhe variando a

, em rotação subsíncrona

áquina trabalhando

de potência pode se

trica como no sentido inverso. Para a

o, faz-se necessário

o e inversão. Quando os

m muda de sentido.

_________________________________________________

Figura 45 Sistema de um Aerogerador a Velocidade Variável Utilizando Gerador de Indução Duplamente

Uma estratégia de controle vetorial

de potência pelo rotor, gerando pulsos PWM independes

Transistor ). O conversor do lado da rede controla a tens

rotor. O conversor do lado do rotor controla a pot

utilizando uma estratégia de orienta

desacoplamento quase ideal entre os canais de controle de pot

A tecnologia com gerador de indu

velocidade variável, possuir menor impacto nas redes

em gaiola e apresentar conversores est

aerogerador, em torno de 30

representa um elo de fragilidade desses eixos, assim como no IG.

Nesta tecnologia também é

um chopper de frenagem que limi

(crowbar ) para limitar as correntes de rotor.

5.2. Distúrbios de Qualidade da Energia Elétrica

Nos últimos 20 anos, o crescimento vertiginoso do núm

como eólica e solar, agregou estes novos sistemas de geração ao moderno sistema de suprimento de

eletricidade no mundo, e afetou a interação entre os produtores tradicionais (termelétricas,

hidroelétricas e nucleares) e seus consumidores.

consumidores constitui uma via de sentido duplo que chamamos de “qualidade da energia”, apesar de

ser mais apropriado falar de “qualidade de tensão” [Gerdes e Santjer, 1996].

A qualidade da energia elétrica tem sido assunto

décadas, contudo o impacto da instalação de turbinas eólicas na rede elétrica é tema relativamente

recente. Vários entre os trabalhos publicados no país foram

usinas eólicas, principalmente a Usina do Morro do Camelinho (CEMIG) e a Usina de Taiba (COELCE).

Estes trabalhos enfocaram, em caráter experimental, a avaliação da qualidade da energia gerada [Silva

et alli, 1999 e Junior et alli, 1999] e já indicavam as

artefatos eólicos.

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Sistema de um Aerogerador a Velocidade Variável Utilizando Gerador de Indução Duplamente Alimentado

gia de controle vetorial é adotada para a realização do controle de inje

gerando pulsos PWM independes para os IGBT’s (Insulated Gate Bipolar

do lado da rede controla a tensão no barramento CC e a pot

rotor. O conversor do lado do rotor controla a potência ativa do rotor e a potência r

gia de orientação das grandezas segundo o fluxo de estator, garantindo um

ideal entre os canais de controle de potência ativa e reativa.

A tecnologia com gerador de indução duplamente alimentado é atrativa por ser uma tecnologia a

vel, possuir menor impacto nas redes elétricas que a tecnologia com gerador de indu

conversores estáticos de apenas uma fração da pot

% da mesma. A caixa de transmissão que une o gerador

representa um elo de fragilidade desses eixos, assim como no IG.

é previsto um filtro LCL para minimizar os harmônicos de ordem elevada,

um chopper de frenagem que limita a tensão do capacitor do barramento CC e um banco de resistores

as correntes de rotor.

Qualidade da Energia Elétrica

Nos últimos 20 anos, o crescimento vertiginoso do número de fontes renováveis de energia, tai



hidroelétricas e nucleares) e seus consumidores. Esta interação entre o sistema de geração e


ser mais apropriado falar de “qualidade de tensão” [Gerdes e Santjer, 1996].

A qualidade da energia elétrica tem sido assunto de estudos desenvolvidos no Brasil há algumas


recente. Vários entre os trabalhos publicados no país foram consequência da implantação das primeiras

ólicas, principalmente a Usina do Morro do Camelinho (CEMIG) e a Usina de Taiba (COELCE).


et alli, 1999 e Junior et alli, 1999] e já indicavam as consequências do contínuo avanço tecnológico dos

46

____________________________________

Sistema de um Aerogerador a Velocidade Variável Utilizando Gerador de Indução Duplamente

de injeção/consumo

para os IGBT’s (Insulated Gate Bipolar

o no barramento CC e a potência reativa do

ncia reativa do estator,

grandezas segundo o fluxo de estator, garantindo um

por ser uma tecnologia a

tricas que a tecnologia com gerador de indução

o da potência nominal do

o que une o gerador à turbina

nicos de ordem elevada,

capacitor do barramento CC e um banco de resistores

ero de fontes renováveis de energia, tais



entre o sistema de geração e os


de estudos desenvolvidos no Brasil há algumas


da implantação das primeiras

ólicas, principalmente a Usina do Morro do Camelinho (CEMIG) e a Usina de Taiba (COELCE).


do contínuo avanço tecnológico dos

_________________________________________________

Atualmente existe um código de rede nacional que define os procedimentos e delimita os critérios

para conexão nas redes nacionais de usinas eólicas

favoreceu a instalação de novos equipamentos adequados à realidade nacional. Além disto, uma nova

edição da norma IEC61400-21 [2007] consolida os procedimentos de medição e de avaliação da

qualidade da energia em usinas eólicas.

Uma característica peculiar da eletricidade é sua impossibilidade de armazenamento na sua forma

própria. Tecnologias de armazenamento energético, tais como baterias, sistemas hidráulicos e células

de combustíveis, armazenam energia elétrica mas con

energia química, energia potencial ou hidrogênio.

quando o suprimento está disponível

aumenta ou quando o vento flui no local.

uma parcela modesta da capacidade total instalada

de renovável é fração significativa na quantidade de energia demandada pelo sistema. Logo com uma

maior penetração de turbinas eólicas na rede ou quando a turbina é instalada em locais de bons ventos

mas de fraca rede elétrica (baixa relação potência de curto

questões de qualidade da energia gerada atingem dimens

Próximo ao local de instalação, as

problemas associados à qualidade da energia em usinas eólicas.

de longa duração encontram-se

frequência de poucos Hz, podem produzir distúrbios significativos se sua amplitude ai

na escala de 0,3% ou em redes fracas.

que pode ser instalada.

Na seção seguinte é apresentada uma discussão sucinta sobre os parâmetros elétricos que

caracterizam os diversos distúrbios de qualidade da energia, tendo como f

ser causados por turbinas eólica

5.1.6 Nível de curto-circuito

O nível de potência de curto

robustez e, mesmo não sendo diretamente um indicador da qualidade da energia, afeta a esta

significativa. A capacidade da rede de absorver distúrbios está diretamente relacionada com o nível de

curto-circuito no ponto em questão, afinal a potência de curto

a impedância equivalente deste ponto.

Se variações de carga ou de geração ocorrem em um ponto do sistema elétrico, isto

variações na corrente que flui deste ou para este ponto, resultando em quedas de tensão sobre a

impedância do sistema e, logo, outros consumidores estarão sujeitos a v

redes fortes ou fracas são muito comuns nos procedimentos e critérios de c

eólicas. É obvio que se a impedância de curto

tensão serão altas e a rede elétrica é dita “fraca”, isto é, com baixa potência de curto

redes são fortes pequenas variações de tensão irão causar as variações na produção

Para uma dada instalação eólica de capacidade de potência instalada

curto-circuito RCC = Scc/Snom é uma medida de sua robustez relativa.

instalação se a RCC está acima de 20 a 25, enquanto

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Fone: (31) 3409 34 29


ualmente existe um código de rede nacional que define os procedimentos e delimita os critérios

para conexão nas redes nacionais de usinas eólicas [ONS, 2008], com sua aprovação pela ANEEL muito


21 [2007] consolida os procedimentos de medição e de avaliação da

qualidade da energia em usinas eólicas.

r da eletricidade é sua impossibilidade de armazenamento na sua forma


de combustíveis, armazenam energia elétrica mas convertendo-a para outra forma e

energia química, energia potencial ou hidrogênio. Todas as fontes renováveis de energia produzem

quando o suprimento está disponível, por exemplo, na energia eólica quando a velocidade de vento

aumenta ou quando o vento flui no local. Isto tem pouca importância quando a quantidade de energia é

uma parcela modesta da capacidade total instalada mas torna-se um grande obstáculo quando a parcela


r penetração de turbinas eólicas na rede ou quando a turbina é instalada em locais de bons ventos

mas de fraca rede elétrica (baixa relação potência de curto-circuito/potência da instalação eólica), as

questões de qualidade da energia gerada atingem dimensões extremamente restritivas.

Próximo ao local de instalação, as variações e flutuações de tensão constituem

à qualidade da energia em usinas eólicas. As tolerâncias para variações de tensão

se na faixa de aproximadamente ±10%. Contudo, flutuações de tensão na

de poucos Hz, podem produzir distúrbios significativos se sua amplitude ai

na escala de 0,3% ou em redes fracas. Isto constitui fator limitante para a quantidade d


caracterizam os diversos distúrbios de qualidade da energia, tendo como foco os distúrbios que podem

eólicas ou que as afetam particularmente.

circuito

ncia de curto-circuito (Scc) de um dado local na rede elétrica é uma medida de sua

robustez e, mesmo não sendo diretamente um indicador da qualidade da energia, afeta a esta

A capacidade da rede de absorver distúrbios está diretamente relacionada com o nível de

circuito no ponto em questão, afinal a potência de curto-circuito é inversamente relacionada com

a impedância equivalente deste ponto.

Se variações de carga ou de geração ocorrem em um ponto do sistema elétrico, isto


impedância do sistema e, logo, outros consumidores estarão sujeitos a variações de tensão.

redes fortes ou fracas são muito comuns nos procedimentos e critérios de conexão de instalações

É obvio que se a impedância de curto-circuito é alta, a queda de tensão é alta

ede elétrica é dita “fraca”, isto é, com baixa potência de curto

redes são fortes pequenas variações de tensão irão causar as variações na produção de energia.

o eólica de capacidade de potência instalada em MVA

é uma medida de sua robustez relativa. Uma rede é forte com respeito à

instalação se a RCC está acima de 20 a 25, enquanto se diz fraca se encontra abaixo de 8 a 10.

47

____________________________________

ualmente existe um código de rede nacional que define os procedimentos e delimita os critérios

[ONS, 2008], com sua aprovação pela ANEEL muito


21 [2007] consolida os procedimentos de medição e de avaliação da

r da eletricidade é sua impossibilidade de armazenamento na sua forma


a para outra forma energética, tal como

Todas as fontes renováveis de energia produzem

, por exemplo, na energia eólica quando a velocidade de vento

em pouca importância quando a quantidade de energia é

se um grande obstáculo quando a parcela


r penetração de turbinas eólicas na rede ou quando a turbina é instalada em locais de bons ventos

circuito/potência da instalação eólica), as

ões extremamente restritivas.

constituem os principais

As tolerâncias para variações de tensão

±10%. Contudo, flutuações de tensão na

de poucos Hz, podem produzir distúrbios significativos se sua amplitude ainda encontra-se

Isto constitui fator limitante para a quantidade de energia eólica


oco os distúrbios que podem

de um dado local na rede elétrica é uma medida de sua

robustez e, mesmo não sendo diretamente um indicador da qualidade da energia, afeta a esta de forma

A capacidade da rede de absorver distúrbios está diretamente relacionada com o nível de

circuito é inversamente relacionada com

Se variações de carga ou de geração ocorrem em um ponto do sistema elétrico, isto causa


ariações de tensão. Os termos

onexão de instalações

circuito é alta, a queda de tensão é alta e as variações de

ede elétrica é dita “fraca”, isto é, com baixa potência de curto-circuito. Se as

de energia.

(Snom), a razão de

Uma rede é forte com respeito à

se diz fraca se encontra abaixo de 8 a 10.

_________________________________________________

Dependendo do tipo do sistema

sucesso em redes ditas fracas. Cuidado adicional deve se ter com instalaç

unidades de turbinas eólicas e com t

redes fracas, tendo em vista que poucas unidades são mais perturbadoras que usinas com grande

número de turbinas.

5.1.7 Flutuações de Tensão

As flutuações de tensão causadas pelo consumo ou produção de energia variável é a mais comum

causa de reclamações de qualidade d

de soldas elétricas, fornos e a partida

faixa de 10% podem não perturbar e

3%, embora visíveis ao olho nu.

cintilação luminosa, conhecida como “flicker”, que representa uma flutuação no fluxo luminoso de

lâmpadas incandescentes que produzem uma série de efeitos fisi

A avaliação destas flutuações de tensão utilizam p

quase todo mundo e no Brasil, seus níveis e procedimentos de medição são definidos no

2.8 dos Procedimentos de Rede [ONS, 2008].

As flutuações de tensão produzidas pela operação de turbinas eólicas são c

formas [Pinheiro et alli, 2005]:

• Emissões devido a operação continua;

• Emissões devido a operações chaveadas.

As emissões devido a operação con

variações normais de vento e aos fenômenos cíclicos devido ao movimento das pás frente à torre de

sustentação e ao posicionamento em alturas diversas. As emissões por operação chaveada são função

da entrada e saída de unidades geradoras e de dispositivos de compensação de reativos, frente a

regimes de vento não uniformes de uma usina eólica.

Uma vez identificadas as causas do fenômeno de “flícker” em usinas eólicas, faz

apontar fatores que apresentem influência direta sobre a severidade do fenômeno. Uma vez que o

fenômeno de “flicker” apresenta causas inerentes ao processo e que, via de regra, são de difícil

mitigação, outros fatores devem ser apontados, de forma a contribuir de forma efet

do problema. Dentre as várias soluções apresentadas na literatura sobre o tema, algumas merecem

destaque:

- Conexão da central eólica em pontos com elevada razão de curto

localização de uma usina eólica é determinad

médios de vento locais desejáveis, não ocorrendo estes, via de regra, em pontos do

sistema elétrico de elevada potência de curto

- Instalação de centrais eólicas com tecnologias que operem à velocidade variá

que estas, devido a suas características construtivas e operacionais são mais robustas.

- Utilização dos conversores estáticos existentes nas usinas eólicas como compensadores

estáticos de reativos para o sistema elétrico.

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Fone: (31) 3409 34 29


Dependendo do tipo do sistema de geração que compõe a turbina eólica, este poderá operar com

Cuidado adicional deve se ter com instalação de uma única ou

unidades de turbinas eólicas e com tecnologias não adequadamente projetadas para operarem em

tendo em vista que poucas unidades são mais perturbadoras que usinas com grande

Flutuações de Tensão


causa de reclamações de qualidade da energia. Grandes distúrbios podem ser causados pela operação

de soldas elétricas, fornos e a partida frequente de motores elétricos. Lentas variações de tensão na

faixa de 10% podem não perturbar e nem aquelas variações infrequentes (poucas vezes ao dia

3%, embora visíveis ao olho nu. Pequenas e rápidas flutuações de tensão geralmente produzem


lâmpadas incandescentes que produzem uma série de efeitos fisiológicos desagradáveis ao ser humano.

A avaliação destas flutuações de tensão utilizam procedimentos constantes em normas aceitas em

quase todo mundo e no Brasil, seus níveis e procedimentos de medição são definidos no

ede [ONS, 2008].

As flutuações de tensão produzidas pela operação de turbinas eólicas são classificadas em duas

Emissões devido a operação continua;

Emissões devido a operações chaveadas.

As emissões devido a operação contínua são oriundas do funcionamento da turbina frente a



ntrada e saída de unidades geradoras e de dispositivos de compensação de reativos, frente a

regimes de vento não uniformes de uma usina eólica.

Uma vez identificadas as causas do fenômeno de “flícker” em usinas eólicas, faz

apresentem influência direta sobre a severidade do fenômeno. Uma vez que o


mitigação, outros fatores devem ser apontados, de forma a contribuir de forma efet


Conexão da central eólica em pontos com elevada razão de curto-circuito. Entretanto, a

localização de uma usina eólica é determinada, sobretudo, pela ocorrência de valores


sistema elétrico de elevada potência de curto-circuito.

Instalação de centrais eólicas com tecnologias que operem à velocidade variá


Utilização dos conversores estáticos existentes nas usinas eólicas como compensadores

estáticos de reativos para o sistema elétrico.

48

____________________________________

eólica, este poderá operar com

o de uma única ou de poucas

ecnologias não adequadamente projetadas para operarem em

tendo em vista que poucas unidades são mais perturbadoras que usinas com grande


Grandes distúrbios podem ser causados pela operação

Lentas variações de tensão na

poucas vezes ao dia) acima de

geralmente produzem


ológicos desagradáveis ao ser humano.

rocedimentos constantes em normas aceitas em

quase todo mundo e no Brasil, seus níveis e procedimentos de medição são definidos no Sub-módulo

lassificadas em duas

tínua são oriundas do funcionamento da turbina frente a



ntrada e saída de unidades geradoras e de dispositivos de compensação de reativos, frente a

Uma vez identificadas as causas do fenômeno de “flícker” em usinas eólicas, faz-se relevante

apresentem influência direta sobre a severidade do fenômeno. Uma vez que o


mitigação, outros fatores devem ser apontados, de forma a contribuir de forma efetiva para a redução


circuito. Entretanto, a

a, sobretudo, pela ocorrência de valores


Instalação de centrais eólicas com tecnologias que operem à velocidade variável, uma vez


Utilização dos conversores estáticos existentes nas usinas eólicas como compensadores

_________________________________________________

5.1.8 Harmônicos

Os harmônicos constituem um fenômeno associado à distorção de forma de onda das tensões da

rede, distanciando do seu format

O conceito remete ao desenvolvimento do matemático francês Josef Fourier que no início do

século 19, descobriu que uma função

frequências diferentes da frequência

As distorções harmônicas são pro

dependendo da ordem da frequência

equipamentos elétricos. Todos os harmônicos produzem crescimento da amplitude das correntes e

possível sobreaquecimento destrutivo

danos a circulação de correntes harmônicas provoca em diversos equipamentos: sobreaquecimento de

conexões em delta, aumento expressivo em correntes no condutor de neutro em sistemas trifásicos,

ruído em circuitos analógicos de telef

Conversores estáticos antigos, baseados em tecnologia a tiristores,

de harmônicos. Os novos projetos de conversores baseados em IGBT’s ou o

dispositivos semicondutores modernos são utiliza

a velocidade variável. O método de comutação destes conversores utilize uma técnica de comando

conhecida por “Pulse Width Modulation”

chaves semicondutores a muitos chaveamentos em cada período, produzindo harmônicos em

frequências bem mais altas que os antigos equipamentos, isto é, normalmente acima de 2kHz.

harmônicos de mais alta ordem são menores em amplitude e mais fáceis de serem

passivos.

As distorções por harmônicos é um problema das tecnologias que utilizam conversores de

frequência em sua operação de chaveamento. Nas máquinas de indução duplamente alimentadas, que

utilizam conversores alimentando o circuito de ro

(aproximadamente 1/3 da potência total da turbina) passa através dos conversores, enquanto nas

máquinas síncronas, que utilizam conversores em

forma, a tecnologia que utiliza conversores em

distorções harmônicas para uma mesma potência gerada.

Ambas as topologias têm em comum o fato de usar conversores eletrônicos (PWM) que

programam a modulação por largura

variável e adaptação dos limites fator de potência.

No entanto, esta topologia caus

por largura de pulso e inter-harmônicos devido a n

conversor, desequilíbrios do sistema e reflexões entre estator e rotor (como na máquina duplamente

alimentada).

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Fone: (31) 3409 34 29


os constituem um fenômeno associado à distorção de forma de onda das tensões da

rede, distanciando do seu formato ideal senoidal.


século 19, descobriu que uma função periódica pode ser expressa como uma soma de senóides com

frequência fundamental da própria onda original e múltiplas inteiras desta

As distorções harmônicas são produzidas por diversos tipos de equipamen

frequência harmônica podem produzir diferentes tipos de danos em outros

Todos os harmônicos produzem crescimento da amplitude das correntes e

possível sobreaquecimento destrutivo em capacitores instalados no sistema elétrico.



circuitos analógicos de telefonia, entre outros.

Conversores estáticos antigos, baseados em tecnologia a tiristores, produzem grande quantidade

Os novos projetos de conversores baseados em IGBT’s ou outras tecnologias de

dispositivos semicondutores modernos são utilizados na maioria dos projetos de sistemas de conversão

O método de comutação destes conversores utilize uma técnica de comando

conhecida por “Pulse Width Modulation” – PWM ( Modulação por Largura de Pulsos), o q

ndutores a muitos chaveamentos em cada período, produzindo harmônicos em

bem mais altas que os antigos equipamentos, isto é, normalmente acima de 2kHz.

harmônicos de mais alta ordem são menores em amplitude e mais fáceis de serem removido


em sua operação de chaveamento. Nas máquinas de indução duplamente alimentadas, que

alimentando o circuito de rotor, apenas uma pequena parcela da potência


que utilizam conversores em estator, toda potência passa pelos conversores. Desta

ogia que utiliza conversores em plena potência são maiores os impactos causados pelas

distorções harmônicas para uma mesma potência gerada.


programam a modulação por largura de pulso, estratégia que permite a operação com velocidade

variável e adaptação dos limites fator de potência.

No entanto, esta topologia causa harmônicos característicos inerentes ao processo de modulação

harmônicos devido a não idealidade da forma de onda da tensão do

desequilíbrios do sistema e reflexões entre estator e rotor (como na máquina duplamente

49

____________________________________

os constituem um fenômeno associado à distorção de forma de onda das tensões da


periódica pode ser expressa como uma soma de senóides com

fundamental da própria onda original e múltiplas inteiras desta.

uzidas por diversos tipos de equipamentos elétricos e

harmônica podem produzir diferentes tipos de danos em outros

Todos os harmônicos produzem crescimento da amplitude das correntes e

elétrico. Vários outros



produzem grande quantidade

utras tecnologias de

dos na maioria dos projetos de sistemas de conversão

O método de comutação destes conversores utilize uma técnica de comando

PWM ( Modulação por Largura de Pulsos), o que leva as

ndutores a muitos chaveamentos em cada período, produzindo harmônicos em

bem mais altas que os antigos equipamentos, isto é, normalmente acima de 2kHz. Estes

removidos por filtros


em sua operação de chaveamento. Nas máquinas de indução duplamente alimentadas, que

apenas uma pequena parcela da potência


toda potência passa pelos conversores. Desta

são maiores os impactos causados pelas


de pulso, estratégia que permite a operação com velocidade

a harmônicos característicos inerentes ao processo de modulação

ão idealidade da forma de onda da tensão do

desequilíbrios do sistema e reflexões entre estator e rotor (como na máquina duplamente

_________________________________________________

Figura 46 Tecnologias responsáveis pelos distú

Figura 47 Corrente de saída distorcida devido à frequ

O dispositivo semicondutor usualmente utilizado para integrar os conversores é o

Gate Bipolar Transistor), por ser um dispositivo totalmente controlável, e por apresentar uma potência

de saída elevada a uma faixa de

semicondutores. A frequência

dependendo da potência do conversor

O comando de inversores utilizando modulação por largura de pulso tem como objetivo principal

minimizar as distorções em frequências

mais significativas passem a estar localizadas na região da

assim, os custos com filtros, que passam a poder possuir

Normalmente são usados os filtros

frequências próximas à frequência

penetração de harmônicos na ordem da

permitidos para o fornecimento de energia.

Corrente (A)

I1

G

Retificador no estator

Gerador síncrono

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Tecnologias responsáveis pelos distúrbios harmônicos

saída distorcida devido à frequência de chaveamento dos elementos dos

inversores

O dispositivo semicondutor usualmente utilizado para integrar os conversores é o


de saída elevada a uma faixa de frequência de chaveamento bastante ampla, se comparada com outros

de chaveamento dos inversores a IGBT’s pode che

ncia do conversor.


frequências baixas. A utilização do PWM faz com as frequências

s passem a estar localizadas na região da frequência de chaveamento, minimizando,

assim, os custos com filtros, que passam a poder possuir frequências de corte mais elevadas.

malmente são usados os filtros L série, LC ou LCL série-paralelo ou filtros sintonizados nas

frequência de chaveamento. Estes filtros são fundamentais para minimizar a

penetração de harmônicos na ordem da frequência de chaveamento na rede elétrica a valores

tidos para o fornecimento de energia.

T

I2 I3

Inversor na rede

ncrono

D

Retificador no rotor

Inversor na rede

Gerador de indução duplamente

50

____________________________________

ência de chaveamento dos elementos dos

O dispositivo semicondutor usualmente utilizado para integrar os conversores é o IGBT (Insulated


de chaveamento bastante ampla, se comparada com outros

a IGBT’s pode chegar a 10kHz,


frequências de distorção

de chaveamento, minimizando,

de corte mais elevadas.

paralelo ou filtros sintonizados nas

de chaveamento. Estes filtros são fundamentais para minimizar a

de chaveamento na rede elétrica a valores

Inversor na rede

o duplamente

_________________________________________________

5.1.9 Suportabilidade a Afundamentos de Tensão

Além dos distúrbios destacados anteriormente, outros devem ser considerados quando planeja

a conexão de aerogeradores em redes fracas:

- Variações de tensão: Este é um tema de

tanto quando aplicado a sistemas industriais, quanto em sistemas de geração distribuída.

Neste caso, a ênfase de investigação situa

tecnologia em aerogeradores frente a afund

- Desequilíbrios de tensão: O desequilíbrio de tensão se caracteriza pelo aparecimento de

tensões de sequencia

conectados à rede e os sistemas de sincronismo com a

presentes nos modernos sistemas de conversão a velocidade variável.

- Ilhamento: O desligamento de redes elétricas por ação de proteção ou por manobra

podem isolar os sistemas de geração e uma parcela de consumidores criando u

fornecimento/consumo de energia elétrica, onde o desequilíbrio entre oferta e demanda

produzem distorções danosas de tensão e de

Um sistema de conversão de energia eólica pode tanto ser um gerador de distúrbios na rede

elétrica, isto é, causador de fenôme

distorção harmônica, entre outros, quanto sofrer o efeito de dist

estes, o efeito dos afundamentos moment

Segundo os Procedimentos de Rede, subm

valor eficaz da tensão atinge a faixa entre

a um ciclo (16,67 ms) e menor ou igual a 3 segundos. Estes

de variação de tensão de curta dura

Define-se que a amplitude da VTCD

relação à tensão nominal do sistema no

VTCD é o intervalo de tempo decorrido entre o instante em que o valor eficaz da tens

tensão nominal do sistema no ponto considerado ultrapassa determinado

essa variável volta a cruzar esse limite (ONS, 2008).

A Figura 48 ilustra um afundamento de tensão, resultante de falta trifásica, com duração de

500ms e com amplitude para 50%.

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


Suportabilidade a Afundamentos de Tensão

Além dos distúrbios destacados anteriormente, outros devem ser considerados quando planeja

a conexão de aerogeradores em redes fracas:

Variações de tensão: Este é um tema destacadamente estudado nos últimos 10 anos,


Neste caso, a ênfase de investigação situa-se na sensibilidade de uma determinada

tecnologia em aerogeradores frente a afundamentos equilibrados e desequilibrados.

Desequilíbrios de tensão: O desequilíbrio de tensão se caracteriza pelo aparecimento de

sequencia negativa que afetam os sistemas de geração diretamente

conectados à rede e os sistemas de sincronismo com a rede dos conversores estáticos

presentes nos modernos sistemas de conversão a velocidade variável.

Ilhamento: O desligamento de redes elétricas por ação de proteção ou por manobra

podem isolar os sistemas de geração e uma parcela de consumidores criando u


produzem distorções danosas de tensão e de frequência.


é, causador de fenômenos de qualidade de energia como as flutuações de tensão (fl

nica, entre outros, quanto sofrer o efeito de distúrbios existentes na rede elétrica

o efeito dos afundamentos momentâneos de tensão (AMT) em sistemas de gera

Segundo os Procedimentos de Rede, submódulo 2.8 (ONS, 2008), um AMT é um evento em que o

o atinge a faixa entre 10% e 90% da tensão nominal e cuja duraçã

menor ou igual a 3 segundos. Estes eventos estão incluídos entre os fen

duração (VTCD).

se que a amplitude da VTCD é definida pelo valor extremo do valor eficaz da tens

o nominal do sistema no ponto considerado, enquanto perdurar o evento. A dura

de tempo decorrido entre o instante em que o valor eficaz da tens

o nominal do sistema no ponto considerado ultrapassa determinado limite e o instante em qu

vel volta a cruzar esse limite (ONS, 2008).

ilustra um afundamento de tensão, resultante de falta trifásica, com duração de

500ms e com amplitude para 50%.

51

____________________________________

Além dos distúrbios destacados anteriormente, outros devem ser considerados quando planeja-se

stacadamente estudado nos últimos 10 anos,


se na sensibilidade de uma determinada

amentos equilibrados e desequilibrados.

Desequilíbrios de tensão: O desequilíbrio de tensão se caracteriza pelo aparecimento de

negativa que afetam os sistemas de geração diretamente

rede dos conversores estáticos

Ilhamento: O desligamento de redes elétricas por ação de proteção ou por manobra

podem isolar os sistemas de geração e uma parcela de consumidores criando uma ilha de



as flutuações de tensão (flicker),

existentes na rede elétrica. Entre

) em sistemas de geração se destaca.

um evento em que o

ção é maior ou igual

dos entre os fenômenos

valor eficaz da tensão em

considerado, enquanto perdurar o evento. A duração da

de tempo decorrido entre o instante em que o valor eficaz da tensão em relação à

e o instante em que

ilustra um afundamento de tensão, resultante de falta trifásica, com duração de

_________________________________________________

Figura

Um AMT pode ser causado por curtos

(Mendes, 2009). Eles são classificados como fase

dependendo de como as fases do sistema

atinge as usinas eólicas, pois podem ser causados por faltas que ocorrem em pontos nas barras

transmissão a centenas de quilô

da sua origem, o perfil do AMT p

uma recuperação mais suave. Tamb

fase da tensão, durante o afundamento.

Em vários países, os operadores do sistema el

de usinas eólicas à rede elétrica. Estes crit

usinas frente a faltas (“ride-through fault capability“ ou RTF) (Erlich and Bachmann, 2005), isto

capacidade de manter-se conectadas

em vários paises, um requisito de suportabilidade

apresentado na Figura 49, buscando garantias para a manuten

estabilidade do sistema elétrico. Nesta figura o eixo x representa a dura

a tensão remanescente no PCC e a regi

conectada à rede. Os requisitos

turbinas eólicas, são muito mais abrangentes e tratam a gera

convencional.

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Fone: (31) 3409 34 29


Figura 48 Afundamento de tensão trifásico para 50%

Um AMT pode ser causado por curtos-circuitos, sobrecargas e pela partida de grandes motores

o classificados como fase-terra, fase-fase, fase-fase-terra ou trif

dependendo de como as fases do sistema são afetadas. Esse é um fenômeno que freq

licas, pois podem ser causados por faltas que ocorrem em pontos nas barras

ômetros do ponto de conexão da usina com a rede elé

o perfil do AMT pode ser diferente, caracterizando-se por uma qued

o mais suave. Também podem ocorrer saltos de fase, isto é, mudanç

o, durante o afundamento.

ses, os operadores do sistema elétrico têm desenvolvido critérios para a integra

trica. Estes critérios agregam, entre outros requisitos, a suportabilidade de

through fault capability“ ou RTF) (Erlich and Bachmann, 2005), isto

se conectadas à rede durante AMT´s no ponto de conexão (PCC). No Brasil, como

, um requisito de suportabilidade frente a AMT´s foi proposto pelo ONS, e

, buscando garantias para a manutenção da qualidade da energia e da

trico. Nesta figura o eixo x representa a duração do afundamento, o eixo y

o remanescente no PCC e a região hachurada caracteriza a exigência da usina manter

rede. Os requisitos presentes nos códigos de rede mais modernos, no que se refere

o muito mais abrangentes e tratam a geração eólica cada vez mais

52

____________________________________

de grandes motores

terra ou trifásicos,

meno que frequentemente

licas, pois podem ser causados por faltas que ocorrem em pontos nas barras de

étrica. Dependendo

se por uma queda inicial brusca e

é, mudanças no ângulo de

rios para a integração

agregam, entre outros requisitos, a suportabilidade de

through fault capability“ ou RTF) (Erlich and Bachmann, 2005), isto é, a

ão (PCC). No Brasil, como

frente a AMT´s foi proposto pelo ONS, e é

lidade da energia e da

afundamento, o eixo y é

ncia da usina manter-se

digos de rede mais modernos, no que se refere às

lica cada vez mais como uma usina

_________________________________________________

Figura 49 Curva de suportabilidade requerida pelo códi

Um passo importante para a verifica

normalização de testes proposta pela norma IEC

contempla questões relacionadas ao comportamento de

que testes devem ser conduzidos

e para níveis e tipos de afundamentos

e que tipo de gerador de afundamento de tensão que deve ser utilizado, como ilustra a Figura

Figura 50 Gerador de afundamento de tensão sugerido pela norma IEC61400

Assim o universo de distúrbios de qualidade da energia é amplo e pode en

ou específica determinadas tecnologias, o que alerta os projetistas para uma nova orientação de seus

equipamentos conectados a redes elétricas.

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Fone: (31) 3409 34 29


Curva de suportabilidade requerida pelo código de rede brasileiro

Um passo importante para a verificação dos impactos dos aerogeradores

o de testes proposta pela norma IEC61400-21 (IEC,2007) e sua recente revis

es relacionadas ao comportamento de aerogeradores durante AMT’s. É

que testes devem ser conduzidos para os aerogeradores operando a 20% e a 100% da pot

veis e tipos de afundamentos. Além disto, esta norma sugere a forma de procedimento do teste

rador de afundamento de tensão que deve ser utilizado, como ilustra a Figura

Gerador de afundamento de tensão sugerido pela norma IEC61400

Assim o universo de distúrbios de qualidade da energia é amplo e pode envolver de forma genérica


equipamentos conectados a redes elétricas.

53

____________________________________

go de rede brasileiro

o dos impactos dos aerogeradores na rede foi a

recente revisão. Esta

geradores durante AMT’s. É especificado

para os aerogeradores operando a 20% e a 100% da potência nominal

. Além disto, esta norma sugere a forma de procedimento do teste

rador de afundamento de tensão que deve ser utilizado, como ilustra a Figura 50.

Gerador de afundamento de tensão sugerido pela norma IEC61400-21

volver de forma genérica


_________________________________________________

6. Considerações Finais

Este documento foi concebido para consolidar a disciplina de Tec

oferecida no âmbito do Curso de Especialização em Energia Eólica, sobre a responsabilidade da

Universidade Federal do Rio Grande do Norte e com o apoio do Centro de Tecnologias do Gás e Energias

Renováveis.

Busca-se situar o estado da arte de tecnologias em sistemas de geração de energia elétrica que

compõem os modernos aerogeradores

desempenho energético e da qualidade da energia elétrica

Este texto, contudo não pode ser consi

atual e vários desenvolvimentos

bibliográficas fornecidas devem ser consideradas para uma compreensão mais completa do tema.

7. Referências Bibliográficas

[1] ACHILLES, S. & PÖLLER, M.,

Wind Farms, site www.digsilent.de

[2] AKHAMATOV, V. Analysis of Dynamic Behaviour of Electric Power Syst

Wind Power, PhD Thesis, Technical University of Denmark, 2003.

[3] ANAYA-LARA, O.; JENKINS, N.

[4] BARBOSA, A. L. B.; Sistema de Geração de Energia Elétrica a Velocidade Va

(Mestrado em Engenharia Elétrica)

[5] BAROUDI, J.A. DINAVAHI, V.

Generators, Electric Machines and Drives, 2005 IEEE International Conference,

465.

[6] BLAABJERG, F. AND CHEN, Z.;

2006.

[7] BOULAXIS, N.G., PAPATHANASSIOU, S.A. e PAPADOPOU

Voltage Profile of Distribution Network

[8] BOUTSIKA, T.H. & PAPATHANASSIOU, S.A.;

Generation. Electric Power Systems Research, Vol. 78, No. 7, July 2008, pp. 1181

[9] CHEN, Y.; PILLAY, P.; KHAN, A.;

Applications, Volume 41, Issue 6, Nov.

_____________________________________________________________________________________



Fone: (31) 3409 34 29


Considerações Finais

Este documento foi concebido para consolidar a disciplina de Tecnologias de Aerogeradores



do da arte de tecnologias em sistemas de geração de energia elétrica que

compõem os modernos aerogeradores e contextualizar estes equipamentos nos aspectos de

desempenho energético e da qualidade da energia elétrica.

não pode ser considerado documento conclusivo tendo em vista que o tema é

atual e vários desenvolvimentos encontram-se em realização no Mundo e no Brasil. Assim as referências


rências Bibliográficas

ACHILLES, S. & PÖLLER, M., Direct Drive Synchronous Machine Models for Stability Assessment of

www.digsilent.de

Analysis of Dynamic Behaviour of Electric Power Systems with Large Amount of

, PhD Thesis, Technical University of Denmark, 2003.

LARA, O.; JENKINS, N. & ALL, Wind Energy Generation: Modelling and Control

Sistema de Geração de Energia Elétrica a Velocidade Va

(Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Minas Gerais, 1996.

DINAVAHI, V. KNIGHT, A.M., A Review of Power Converter Topologies for Wind

Electric Machines and Drives, 2005 IEEE International Conference,

BLAABJERG, F. AND CHEN, Z.; Power Electronics for Modern Wind Turbines; Morgan & Claypool,

BOULAXIS, N.G., PAPATHANASSIOU, S.A. e PAPADOPOULOS, M.P., Wind Turbine Effect on the

Voltage Profile of Distribution Network, Renewable Energy, 25, 2002, p.401-415.

BOUTSIKA, T.H. & PAPATHANASSIOU, S.A.; Short Circuit Calculations in Networks wi

. Electric Power Systems Research, Vol. 78, No. 7, July 2008, pp. 1181-

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