Conversores estáticos

Os conversores estáticos desempenham papeis diversos em um sistema de conversão de energia 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 limitador da corrente de conexão de gerador elétrico

 Retificadores a diodos para a conversão corrente alternada em corrente continua (Figura 32);

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Departamento de Engenharia Elétrica – UFMG Av. Pres. Antônio Carlos, 6627 – CEP 31.270-010

Fone: (31) 3409 34 29 Contato: selenios@dee.ufmg.br Figura 32. Retificador a diodos

 Conversores CA-CC ou CC-CA a IGBT’s: para operar como retificadores ou como inversores (Figura 33)

Figura 33. Conversor CC-CA a IGBT's

 Conversores para proteção de circuitos: chopper de descarga ou crow-bar para proteção de barramentos CC de conversores de potência (Figura 34).

Figura 34. Conversores estáticos em circuitos de proteção

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:

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 Aerogerador síncrono com retificador PWM

Estas alternativas apresentam diferenças apenas no estágio de retificação (conversão CA-CC) dos conversores de potência, mantendo-se o inversor PWM no estágio de inversão (conversão CC-CA). Estas diferenças nas características construtivas afetam o comportamento operacional destas tecnologias, com reflexos sobre o custo de instalação, e merecem, portanto, estudos técnico-econômicos comparativos que apontem a estrutura mais vantajosa. Verifica-se na literatura que a estrutura com retificador a diodos prepondera, tendo como principal parâmetro de decisão o seu baixo custo.

Na figura 35 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 opera a tensão 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 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 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 alternador, garantindo melhoria no comportamento do conversor CC-CC.

Na figura 36 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 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 frequência variável e o da rede a frequência fixa) é possível para o 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 35. Sistema de Conversão Estática com Três Conversores

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Figura 36. Sistema de Conversão Estática com Dois Conversores PWM

Ao lado de uma estrutura simplificada e com reduzidas perdas em dispositivos de potência, esta topologia auxilia na partida do sistema de geração com acionamento direto do gerador a imãs permanentes, já que permite injetar potência ativa em sentido inverso nos terminais do gerado como ilustra a figura 36. Para manter a tensão CC constante em larga faixa de velocidades, o retificador PWM trabalhará 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.

A conexão 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. Destaca-se na literatura técnica a utilização de filtros RL série, LCL série-paralela ou filtros sintonizados nas frequências próximas à frequência de chaveamento.

Com a topologia acima descrita, é possível implementar o controle da potência ativa gerada através do controle de corrente do conversor do gerador, de forma tal a se trabalhar em um ponto 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 Sistemas de Conversão de Energia