Conversão da Energia Mecânica em Energia Elétrica

Para a conversão da energia mecânica, proveniente da turbina eólica, em energia elétrica é necessário a utilização de um gerador. As soluções que mais aparecem no mercado são geradores trifásicos de corrente alternada, podendo estes ser síncronos ou assíncronos. Estas também podem ser classificadas segundo o sistema de conversão eólico, podendo ser velocidade fixa ou variável.

2.5.5.1 Geradores Eólicos de Velocidade Fixa

Num sistema de conversão eólico de velocidade fixa, a velocidade da turbina é determinada pela frequência da rede, o número de par de polos do gerador, o deslizamento da máquina e do caixa de velocidades da mesma. No caso de não haver grandes alterações da velocidade do vento, a turbina pode não alterar a sua velocidade, havendo, por sua vez, alteração no binário magnético, o que implica diretamente a alteração da potência de saída da mesma. Os geradores mais utilizados para este caso são os geradores de indução. O normal destes aerogeradores é serem limitados através das limitações aerodinâmicas, como o Pitch Control,Stall Control ou Active Stall Control, falados no ponto anterior. Como estes se encontram ligados diretamente à rede, torna- se necessário o uso de compensadores de potência reativa, com o objetivo de reduzir ou mesmo eliminar a potência reativa que possa ser consumida pelo próprio gerador. A vantagem deste sistema encontra-se no seu baixo custo e alta fiabilidade. Porém, não consegue produzir tanta energia como os sistemas de velocidade variável.

2.5.5.2 Geradores Eólicos de Velocidade Variável

Os sistemas de conversão eólico de velocidade variável têm uma grande vantagem face aos de velocidade fixa, visto que permitem alterar a velocidade da turbina, adaptando-se, assim, à velocidade do vento, permitindo aumentar o nível de eficiência do aerogerador, visto que permite a absorção das flutuações de potência, como contribuir para a diminuição dos esforços mecânicos feitos sobre a transmissão. Além disto, a partir de controlos de busca do ponto máximo de potência (MPPT), é possível manter a potência mecânica no valor nominal. Estes normalmente têm nas suas

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configurações conversores estáticos, podendo ter a presença do barramento intermédio entre dois conversores, permitindo o controlo da potência reativa e ativa entre a rede, facilitando também o arranque e a travagem do sistema eólico, já que permite fazer a separação do controlo do sistema mecânico e do sistema elétrico, sendo isto observável no próximo ponto.

2.5.5.3 Geradores Síncronos aplicados em Aerogeradores de Velocidade Variável

Os geradores síncronos são muito utilizados em Sistemas de Energia Isolados, fazendo o con- trolo da energia reativa do sistema. Dentro dos geradores síncronos temos os geradores síncronos de ímanes permanentes (Permanent Magnet Synchronous Generator - PMSG) e o gerador sin- crono de rotor bobinado(Electrically Excited Synchronous Generator - EESG), representados nas imagens2.29e2.30, respetivamente.

Figura 2.29: Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes

Figura 2.30: Gerador Síncrono de Rotor Bobinado

A configurações utilizada na imagem2.29e na imagem2.30são muito idênticas, estando a única diferença na alimentação do rotor da EESG, que permite fazer um controlo direto do binário do gerador, visto que se pode controlar a excitação do rotor através do conversor AC/DC, que faz a ligação entre a rede e o rotor bobinado, e, por consequente, ter o controlo da velocidade em toda a gama de funcionamento da mesma, melhorando, assim, o seu desempenho. Em ambos os geradores é possível fazer o controlo separado da potência ativa e reativa. No entanto, no PMSG o conversor que fica do lado da turbina é responsável pelo controlo do binário do gerador,

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ou seja, para permitir a aceleração ou abrandamento da velocidade da turbina, este deve ter em conta as forças resultantes do binário mecânico e elétrico, para obter o melhor desempenho. Os conversores do lado da rede estão responsáveis por manter a tensão do barramento e ao mesmo tempo do trânsito de potência reativa entre o sistema e a rede, tendo em conta o desfasamento da corrente e a tensão. A desvantagem do EESG perante o PMSG é a necessidade do EESG necessitar de anéis e escovas na sua configuração, para lhe permitir a excitação do rotor bobinado, encarecendo o sistema devido à manutenção do mesmo. Já o PMSG apresenta um custo mais elevado devido à utilização de ímanes permanentes, apesar disto, deve-se ter em conta que este é mais eficiente porque com o uso dos ímanes permanentes são diminuidas as perdas de joule. Isto implica um aumento de rendimento da máquina geradora. Apesar disto deve-se ter em atenção que as sobrecargas do PMSG pode levar à desmagnetização dos ímanes. Também é importante mencionar, que o PMSG não é aplicável a geradores de grande de porte, visto que seria necessário aumentar o tamanho dos ímanes permanentes e o que implicava um aumento do peso e do tamanho do rotor.

2.5.5.4 Geradores Assíncronos Aplicados em Aerogeradores de Velocidade Variável Os geradores assíncronos são muito utilizados nos dias que correm, apresentando algumas vantagens sobres os geradores síncronos. Em relação aos geradores síncronos, estes são caracte- rizados por serem de baixo custo, robustos e de precisarem de pouca manutenção, apresentando, também, uma resposta dinâmica boa, permitindo-lhe gerar potência a velocidade variável. Es- tes tanto podem ser utilizados em sistemas de energia isolados como com ligação à rede. Estes apresentam desvantagens a nível do consumo de potência reativa, podendo ser usados bancos de condensadores ou utilizando o controlo de conversores de potência. Sendo de seguida demons- trada a topologia do gerador de indução duplamente alimentado (Doubly Fed Induction Generator - DFIG), representado na imagem2.31.

2.5 Sistemas de Micro-geração Eólica 31

O DFIG apresenta uma configuração no qual os terminais do estator estão conectados dire- tamente à rede e os terminais do rotor estão ligados aos conversores de eletrónica de potência. Através da imagem2.31, observa-se que o conversor que se encontra do lado do rotor da máquina é responsável pelo controlo das correntes rotóricas, tendo dois objetivos distintos, no qual o pri- meiro é controlar a variação da velocidade de rotação do aerogerador, e além deste controlo da potência ativa e reativa entre o aerogerador e a rede. O conversor que se encontra do lado da rede é utilizado para manter a tensão no barramento intermédio, este não é independente do conversor que se encontra do lado do gerador, visto que é este que lhe vai impor a corrente que passa nele. As vantagens deste residem na possibilidade de controlar a potência de saída da máquina, com a variação da velocidade. Além disto, o custos dos conversores são mais baixos em relação aos outros tipos de máquinas, já que parte da potência produzida pela máquina pode ser entregue di- retamente à rede através do estator, enquanto que os conversores apenas lidam com cerca de 1/3 da potência do gerador. As desvantagens deste tipo de configuração prende-se no facto de ter de haver a manutenção dos anéis e escovas que são necessários para a excitação do rotor, aumentando o custo do sistema, e devido à própria configuração deste não permitir uma velocidade variável da turbina em toda a sua gama de funcionamento.