2.7 Topologias de Aerogeradores
2.7.4 Topologia Usando o Regulador Eletromagnético de Frequência
Depois de analisar as principais topologias, pode-se notar que nenhuma executa ope- ração isolada da rede elétrica e permitiu perceber que um dos pontos mais importantes do sistema de conversão da energia mecânica para a energia elétrica é o controle de ve- locidade. A eficiência nesse controle interfere na frequência da energia elétrica gerada,
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Figura 2.12: Diagrama esquemático ilustrando os principais componentes de um aeroge- rador utilizando um Gerador de Indução Duplamente Excitado
na qualidade da energia no ponto de conexão e no aproveitamento da energia cinética do vento pela turbina. Partindo desse ponto, foi desenvolvida uma nova máquina, que a variável de controle principal é a frequência, por isso a denominação Regulador Eletro- magnético de frequência (ou simplesmente REF). O diagrama esquemático pode ser visto na figura 2.13 (Silva 2015).
Como foi visto, dependendo do número de polos do gerador, é necessária a presença de caixa de engrenagens, para adaptar a baixa velocidade de rotação da turbina eólica ao eixo de alta velocidade do gerador elétrico. Como foi visto, a caixa de engrenagens, tem a finalidade de realizar o acoplamento entre os dois sistemas que operam em velocidades diferentes: a turbina e o gerador. A caixa de engrenagens, que procura garantir em sua saída a velocidade síncrona exigida pelo gerador, envolve tecnologia muito sofisticada e de difícil acesso a informação, e é o equipamento que têm vida útil mais curta, em comparação aos demais componentes do aerogerador, representando um ponto frágil do sistema, necessitando de manutenção mais frequente e apresentando perdas elétricas e mecânicas, além de ser fonte de ruídos audíveis. (Liu 2011)
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Figura 2.13: Diagrama esquemático ilustrando os principais componentes de um aeroge- rador utilizando o regulador Eletromagnético de Frequência (REF)
Estrutura do Sistema
O REF é um equipamento que recebe velocidade variável e entrega velocidade cons- tante. Esse equipamento foi desenvolvido a partir de uma máquina que se assemelha a uma máquina de indução, e que permite ao sistema trabalhar com velocidade variável, proveniente dos ventos, mantendo constante a velocidade de saída que, movendo um ge- rador síncrono, dispensa o uso da caixa de transmissão. Diferente das outras topologias, essa máquina utiliza um inversor de frequência, que injeta correntes na armadura, princi- pal responsável pelo controle de velocidade. O estator convencional da máquina (que foi denominado rotor assíncrono), foi adaptado para que também gire, acompanhando o eixo da turbina eólica. A Figura 2.14 traz uma ideia de como poderia ser a distribuição dos componentes com o REF. Onde podemos destacar: a turbina eólica (1), o REF (2),o gera- dor síncrono (3),e o inversor de frequência (4), apresenta a topologia de um aerogerador com o REF.
Para a implementação da turbina eólica emulada em bancada experimental foi utili- zada uma máquina de corrente contínua (CC), para reproduzir as condições dinâmicas e
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Figura 2.14: Ilustração de uma turbina eólica usando o REF
de regime permanente da operação real de um sistema eólico. O motor de corrente con- tínua (CC) irá representar o torque da turbina eólica e o gerador elétrico (síncrono) está acoplado mecanicamente ao rotor síncrono do REF. A imagem do protótipo é mostrada na figura 2.15.
Figura 2.15: Imagem Ilustrativa do Protótipo
O REF, apesar de ter uma estrutura que assemelha-se a uma maquina de indução, diferencia-se de uma máquina de indução com rotor em gaiola de esquilo, em dois deta-
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lhes. Primeiro, seu estator é apoiado em mancais que o permitem girar, movimentado pelo eixo da turbina eólica, sendo denominado “rotor assíncrono”. Anéis coletores são coloca- dos no eixo do rotor assíncrono para permitir o contato elétrico do inversor de frequência com os enrolamentos de armadura. O inversor de frequência alimenta a armadura para nela produzir um campo girante (WCG_RASRA ). A figura 2.16 apresenta uma imagem ilustra- tiva representando em corte a estrutura física do protótipo. Já a Figura 2.17 mostra uma vista explodida dos REF.
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Figura 2.17: Vista explodida da Estrutura Física do REF
Os componentes ilustrados nas figuras 2.16 e 2.17 são relacionados na Tabela 2.1 . Tabela 2.1: Componentes da Estrutura Física do REF
Numero Componente
1 Rotor Síncrono
2 Rotor Assíncrono
3 Rolamento do Rotor Assíncrono 4 Eixo do Rotor Assíncrono
5 Anel coletor
6 Mancais
7 Acopladores
8 Rolamentos dos Mancais
9 Ventilador
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O rotor assíncrono acomoda o enrolamento de armadura tal qual o estator em uma máquina de indução convencional. No seu interior, separado da armadura pelo entreferro, encontra-se o rotor síncrono, do tipo gaiola de esquilo. Este rotor síncrono gira solidaria- mente ao eixo rotórico do gerador síncrono (WC_RSF ).
O sistema de referência entre o rotor síncrono e o rotor assíncrono permanece equiva- lente ao de uma máquina de indução convencional, encontrado amplamente na literatura. Contudo, a velocidade relativa entre o rotor síncrono e o eixo de referência fixo (F) passa a ser diferente já que o rotor assíncrono sofre um deslocamento vetorial (Wv) referente à
velocidade da turbina, resultando em um novo eixo de referência (RA), como ilustrado pelo diagrama da Figura 2.18. Assim, os campos girantes dos dois rotores permanecem estacionários, condição essencial para que seja mantido o torque eletromagnético que move o rotor síncrono.
Figura 2.18: Diagrama com a Ilustração do Sistema de Referência-REF.
Pode-se perceber que para velocidade de vento nula (Wv=0), temos o sistema tradicio-
nal de referência (F), com o vetor do campo do rotor assíncrono girando com velocidade igual ao vetor do campo girante das correntes nele injetadas, com isso, teríamos a veloci-
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dade do campo do rotor assíncrono (WC_RASF ) igual a velocidade do rotor síncrono(WC_RSF ) mais o escorregamento. Logo:
→ WC_RASF = → WC_RASRA + → WV (2.12)
Para maiores detalhes desse sistema,(Silva 2015), apresenta a descrição física do tra- balho proposto, junto com a estratégia de controle implementada. Também faz a modela- gem matemática que será utilizada para a turbina, para o REF, para o gerador síncrono e a adequação para a estratégia de controle. Também apresenta a descrição física da monta- gem. Além disso, foram detalhadas as equações de modelagem necessárias para o estudo dos ventos, do REF, do gerador síncrono assim como as equações que envolvem a estra- tégia de controle. Por fim faz a análise dos resultados computacionais e dos resultados obtidos no teste prático.
Cenários do REF nas Atuais Topologias
Analisando a topologia que ultiliza o REF e comparando xom os principais topologias, é possível perceber concepção tecnológicas em seu uso para aplicações em aerogeradores. Com o uso do REF pode ser feito o acoplamento direto do gerador com a rede elétrica, dispensando o uso de conversores eletrônicos de potência, bastante usados nas tradici- onais topologias, aumentando o rendimento, a confiabilidade, e reduzindo custos. E o não uso de conversores apresenta algumas vantagens: Uma boa integração à rede elétrica; não injeta harmônicos na rede elétrica ; maior confiabilidade por usar menos conversores estáticos.
Outra vantagem no uso do REF, é a possibilidade de uso de gerador síncrono ou de indução convencional (e não multipolar), reduzindo o custo do equipamento.
A semelhança do REF com um motor de indução com rotor em gaiola, assegura a substituição da transmissão mecânica por um equipamento robusto dotado de elevada confiabilidade e rendimento
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fontes energéticas (baterias, painel solar, células de hidrogênios) somar-se-ão à energia da fonte eólica, porém, dispensando a necessidade da multiplicidade do controle da injeção de energia na rede elétrica, já que, com ele, todas as fontes de energia injetarão suas contribuições exclusivamente através do gerador acoplado ao REF. (Silva 2015)