Velocidade Fixa – SCIG (Gerador de indução em Gaiola de Esquilo)

Geradores de indução são os mais utilizados no mundo atualmente, principalmente em parques eólicos de baixa potência, porém, são também utilizados em sistemas isolados ou hidrelétricas e termelétricas de pequeno e médio porte. A grande utilização deste tipo de má-quina se dá em função de várias vantagens, dentre as quais pode-se citar:

Economia: O gerador de indução em gaiola de esquilo é economicamente viável para

potências de até 100 kVA, pelo fato de conseguir uma economia de até 40% na aquisição quando comparado à um gerador síncrono de mesma potência[8].

Robustez: Possui uma estrutura mais simples que as máquinas de polos salientes, o

Simplicidade: O fato deste tipo de máquina não possuir bobinas, anéis coletores no

rotor e escovas torna a manutenção neste tipo de máquina mínima (visto que não existe aco-plamento mecânico entre o estator e o rotor, o que reduz a quantidade de atritos e esforços nos eixos da máquina e consequentemente o desgaste da mesma), o que a torna uma excelente opção para a instalação em locais de difícil acesso;

Sincronismo: A máquina de indução conectada à rede e acionada por uma velocidade

superior à síncrona, gera uma tensão que tem a mesma amplitude e frequência da rede à qual está conectada, fazendo com que ele possa ser conectado diretamente à rede elétrica.

Como pode ser observado na figura 7, o gerador de indução é conectado às turbinas eólicas por intermédio de caixas de engrenagens (com a função de aumentar a velocidade an-gular do eixo na máquina de indução por estas funcionarem em elevadas velocidades com reduzido número de polos) [6] e posteriormente conectado à rede elétrica diretamente ou atra-vés de um dispositivo de controle de partida chamado “soft-starter”, dispositivo este que tem por finalidade reduzir a corrente de magnetização ou “inrush” que acontece quando a máquina é conectada à rede, pois a mesma ocorre devido ao fato de o gerador de indução exigir uma grande quantidade de reativo durante sua partida[9][10].

A forma de conexão do gerador de indução à rede utilizando a “soft-starter” é a mais comumente empregada, pois além de reduzir a corrente de “inrush”, proporciona uma partida mais suave para a máquina, reduzindo o torque sobre os acoplamentos e dispositivos durante a mesma e também não proporcionar “trancos” no sistema, além de provocar paradas mais sua-ves e proteções para o sistema mesmo.

A estrutura básicas de conexão um gerador de indução em gaiola à rede com o uso de uma “soft-starter” é apresentada na figura 7:

Figura 7 - Gerador de Indução Gaiola de Esquilo (SCIG) conectado à rede Através do Uso de uma “Soft-Starter”.

É verificada a presença de um banco de capacitores conectados à máquina de indução, sendo este incluído para autoexcitar o gerador, reduzindo o consumo de reativos e

melhoran-do os níveis de tensão da rede em regime permanente [6]. Tais bancos de capacitores são es-senciais em redes fracas e com alta impedância [9].

Para o melhor entendimento da máquina de indução, é necessário conhecer um modelo deste tipo de máquina, para que a mesma possa ser estudada. O circuito equivalente da má-quina de indução é apresentado na figura 7:

Figura 8 - Circuito Monofásico Equivalente para uma Máquina de Indução

onde,

I1: Corrente no Estator (A); I₂: Corrente no Rotor (A);

Im: Corrente de Magnetização (A); V: Tensão Nominal (V); R1: Resistência do Estator (Ω); R2: Resistência do Rotor (Ω); Xl1: Reatância do Estator (Ω); Xl2: Reatância do Rotor (Ω); Xm: Reatância de Magnetização (Ω); S: Escorregamento (adimensional).

A máquina de indução opera a velocidade fixa, porém possui escorregamento que em-bora pequeno, altera a velocidade de rotação do gerador (entre 1 e 2%), pois o mesmo varia conforme a potência gerada pela máquina[10].

A frequência da rede e o número de polos são os fatores que determinam a velocidade de rotação do gerador, como descreve a equação 3.1 mostrada abaixo:

(3.1) onde,

– Velocidade de Síncrona de Rotação do Gerador (rad/s); p – Número de Polos;

f – Frequência da Rede (Hz).

O escorregamento pode ser determinado pela equação 3.2:

(3.2) onde,

– Velocidade de Síncrona de Rotação do Gerador (rad/s); n – Velocidade Real de Rotação do Rotor (rad/s);

s – Escorregamento do Motor/Gerador.

Verifica-se também que a máquina de indução pode se comportar tanto como motor quanto como gerador, e esta alternância entre comportamentos se dá através da velocidade de giro do rotor em comparação com a velocidade síncrona da máquina. Quando o rotor gira em uma velocidade menor que a velocidade síncrona, a máquina funciona como um motor e, quando mais rápido, a máquina comporta-se como gerador. A figura abaixo demonstra este comportamento:

Figura 9 – Curva Característica Torque x Velocidade de Uma Máquina de Indução

Observa-se no gráfico que próximo à velocidade síncrona a curva possui comporta-mento linear. Ao afastar-se deste ponto, a máquina começa a apresentar uma disparidade entre os valores de torque e velocidade, o que ocasiona uma elevada perda de potência, o que nos

leva a comprovar que o ponto ótimo de funcionamento deste modelo de máquina é na veloci-dade síncrona ou próximo dela, do contrário desperdiçará potência nas formas de calor e som. Uma grande desvantagem em geradores de velocidade fixa reside no fato de, por não haver controle de velocidade, qualquer variação na velocidade de rotação do gerador acarreta-rá em uma grande variação no torque da mesma, o que resultaacarreta-rá em variações na tensão de saída, exigindo, como dito anteriormente, a presença de equipamentos reguladores de tensão acoplados aos geradores como as “soft-starters”, diminuindo drasticamente as flutuações de tensão e consequentemente melhorando a qualidade da energia gerada.