Propostas de controles de potência e otimização do desempenho do gerador de relutância variável aplicado em geração eólica conectada à rede elétrica baixa tensão

Texto

(1)UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS ´ ˜ FACULDADE DE ENGENHARIA ELETRICA E DE COMPUTAC ¸ AO. ´ DOS SANTOS BARROS TARCIO ANDRE. ˆ ˜ DO PROPOSTAS DE CONTROLES DE POTENCIA E OTIMIZAC ¸ AO ˆ ´ DESEMPENHO DO GERADOR DE RELUTANCIA VARIAVEL APLICADO EM ˜ EOLICA ´ ` REDE ELETRICA ´ ˜ GERAC ¸ AO CONECTADA A DE BAIXA TENSAO.. CAMPINAS 2015.

(2) ´ DOS SANTOS BARROS TARCIO ANDRE. ˆ ˜ DO PROPOSTAS DE CONTROLES DE POTENCIA E OTIMIZAC ¸ AO ˆ ´ DESEMPENHO DO GERADOR DE RELUTANCIA VARIAVEL APLICADO EM ˜ EOLICA ´ ` REDE ELETRICA ´ ˜ GERAC ¸ AO CONECTADA A DE BAIXA TENSAO.. Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computa¸caõ como parte dos requisitos exigidos para a obten¸caõ do t´ıtulo de Doutor em ´ Engenharia Elétrica, na Area de Energia Elétrica.. Orientador: ERNESTO RUPPERT FILHO ` VERSAO ˜ FINAL ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE A ´ DA TESE DEFENDIDA PELO ALUNO TARCIO ANDRE DOS SANTOS BARROS, E ORIENTADA PELO PROF. DR. ERNESTO RUPPERT FILHO. CAMPINAS 2015.

(3) n.

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(5) ` s pessoas que Dedico este trabalho a sempre me inspirei: meus pais (Zezito ´tua ) e meus avo ´ s (Flore ˆncio e Perpe ˆs). e Merce.

(6) Agradecimentos. Agrade¸co A DEUS! ao meu pai (Zezito), mesmo sem estar mais presente aqui sempre serás o motivo da minha inspira¸caõ. a minha mãe (Perpétua) por todo o seu amor. a minha linda esposa (Juliana) pelo amor, carinho, afeto e companheirismos. aos meus irmãos (Thiago e Tainã) pelo companheirismo de sempre. a minha fam´ılia por todo incentivo. ao meu orientador (Ruppert) pela valorosa orienta¸caõ, pelos ensinamentos e por acreditar em meu potencial. aos meus amigos de laboratório: Paulo Sérgio, Leonardo Ruffeil e Adson que me ajudaram bastante na execu¸caõ deste trabalho. aos meus amigos da Unicamp; Tiago Curi, Fernando, Vanessa, Ramon, Marcos, Dante, Rolando, Alex, Bacurau, Flávio e Lu´ıs, pela convivência descontra´ıda e as trocas de experiências. a todos os meus professores da escola Estadual Humberto Soares, do SENAI-PE, da Universidade Federal do Vale do São Francisco e da UNICAMP pelos ensinamentos durante esta minha jornada de estudos. aos membros da banca examinadora pelos comentários, sugestões e contribui¸co˜es, que ajudaram a melhorar a qualidade e a reda¸caõ final do manuscrito. a` FAPESP, pelo apoio financeiro (proc. 2012/04872−0 e proc. 2012/08911−0) concedido durante todo o per´ıodo de doutoramento. à CPFL pela ajuda financeira. à FEEC/UNICAMP pela ótima estrutura que oferece aos estudantes e pesquisadores..

(7) Não sabendo que era imposs´ıvel, foi lá e fez. Jean Cocteau.

(8) Resumo. Este trabalho é pioneiro no sentido de propor duas formas de acionamentos, para o gerador de relutância variável (GRV) aplicado em gera¸caõ eólica, que permitem a opera¸caõ em uma ampla faixa de velocidade. Com os sistemas propostos é poss´ıvel ter um maior aproveitamento da energia eólica em pequenos e médios aerogeradores quando comparado aos sistemas que utilizam geradores elétricos convencionais. Nesta tese propõe-se o controle direto de potência por histerese para opera¸caõ em baixas velocidades e o controle direto de potência por pulso u ńico para altas velocidades. Os controles de potências foram inicialmente desenvolvidos utilizando controladores proporcionais integrais e, para melhora do desempenho do sistema, foram utilizados controladores não lineares de modos deslizantes. Propõe-se um sistema de comuta¸caõ dos modos de controle de potências que permite a opera¸caõ do GRV em toda faixa poss´ıvel de varia¸caõ de velocidade. Outra originalidade deste sistema proposto é que, diferentemente dos trabalhos já realizados, o GRV funciona no modo autoexcitado utilizando o barramento comum do elo de corrente cont´ınua do inversor de frequência conectado com a rede elétrica de baixa tensão. Com isto elimina-se a necessidade de conversores adicionais e fontes de excita¸caõ para magnetiza¸caõ do GRV, reduzindo o custo e aumentando a eficiência do sistema. Toda modelagem do sistema desenvolvido é descrita detalhadamente. Foram realizadas simula¸co˜es dinâmicas para verifica¸cão dos constru´ıdas dos sistemas de controle propostos. Plataformas experimentais foram desenvolvidas para realiza¸caõ dos ensaios dos sistemas propostos. Os resultados dos ensaios experimentais comprovaram a eficiência do sistema. Palavras-chave: Gerador de Relutância Variável, Energia Eólica, Controle Direto de Potência, Conversor VSC, Conversor AHB..

(9) Abstract. This PhD thesis has as its main contribution the realization of proposed power control systems for the Switched Reluctance Generator (SRG) in wind power generation. This work pioneers two proposals of drives for switched reluctance generator that depend on the operating speed. With the proposed systems it’s possible to get 30% more wind energy those systems with conventional generator. It is proposed to direct power control by hysteresis for operation at low speeds and direct power control by single pulse for high speeds. The power controls were first developed using proportional integral controllers and to improve system performance sliding mode controllers were used. It introduces a switching system of modes operation which enables SRG to operate in large range of speed variation. The modeling of the developed system is described in detail and dynamic simulations were carried out to verify the performance of the proposed control systems. The SRG works in self- excited mode using the common DC link bus of the frequency inverter connected to electrical low-voltage grid. This eliminates the need for additional converters and excitation sources for magnetizing of SRG. An experimental platform was developed for testing of the proposed system. Keywords: Switched Reluctance Generator, Wind Energy, Direct Power Control, Sliding Mode Control,.

(10) Lista de Figuras. 2.1. MRV 12/8 polos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28. 2.2. Posi¸co˜es básicas do rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30. 2.3. Perfil da indutância da MRV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30. 2.4. Varia¸caõ de co-energia com posi¸caõ para uma mesma corrente i. . . . . . . 31. 2.5. Máquina de relutância variável 12/8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32. 2.6. Sistema de acionamento de um GRV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33. 2.7. Per´ıodo de excita¸caõ (durante derivada negativa da indutância) e gera¸caõ para uma fase do GRV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34. 2.8. a) Acionamento por MLP de tensão. b)Regulador por histerese de corrente. c)Acionamento por pulso u ńico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36. 2.9. Principais tópicos estudados sobre a opera¸caõ do GRV. . . . . . . . . . . . 37. 3.1. Diagrama geral do sistema automático para obten¸caõ das curvas de magnetiza¸caõ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49. 3.2. Fluxograma do software de gerenciamento do ensaio. . . . . . . . . . . . . 50. 3.3. Bancada experimental montada para realiza¸caõ dos ensaios. . . . . . . . . 51. 3.4. Resultados dos ensaios de magnetiza¸caõ obtido com o software de gerenciamento desenvolvido no LabView. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52. 3.5. Modelo de uma fase do GRV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52. 3.6. Procedimento para obter I(Φ, θ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54. 3.7. Curvas de magnetiza¸caõ obtidas pelas regressões polinomiais. . . . . . . . . 55. 3.8. a) Fluxo concatenado para diferente posi¸co˜es com corrente constante. b)Caso (a) com destaque para a região inferior das curvas. . . . . . . . . . . . . . . 56. 3.9. Indutância e torque em fun¸caõ da corrente para diferentes posi¸co˜es a-b) Smoothing spline. c-d) Interpola¸caõ cubica, e-f) Regressão polinomial g-h) Interpola¸caõ polinomial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58.

(11) 3.10 a) Curvas de magnetiza¸caõ estimadas a partir dos dados do ensaio b) Coenergia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.11 a) Dados da tabela I(Φ, θ) b) Dados da tabela T (I, θ). . . . . . . . . . . . 59 R 3.12 Diagrama do GRV desenvolvido no Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . 60. 3.13 Sistema de controle simulado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 R 3.14 Conversor AHB e cargas modelados no Simulink . . . . . . . . . . . . . . 62. 3.15 Modelagem do sistema de controle de tensão de barramento do GRV. . . . 63. 3.16 Diagrama da montagem experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.17 Foto da bancada experimental para realiza¸caõ do controle de tensão. . . . . 64 3.18 a) Tensão Vdc e referência. b) Ripple em Vcc e correntes do GRV. . . . . . 65 3.19 a) Indutância, corrente, fluxo e tensão na fase A do GRV. b) Corrente no Capacitor c)Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.20 a)Resultados experimentais para os mesmos instantes da Figura 3.18(b). b) Posi¸caõ, corrente elétrica da fase do GRV, corrente elétrica no capacitor e tensão na fase do GRV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.21 Resultado simula¸caõ para varia¸caõ em Vref . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.22 Resultado experimental para varia¸caõ em Vref . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.23 Corrente da fase do GRV na simula¸caõ e no experimento quando: a) Vdc = 100V b)transitório c) Vdc = 160V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.1. Compara¸caõ entre a potência mecânica para opera¸cão com velocidade fixa e variável. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73. 4.2. Sistema de controle de potência do GRV conectado à rede elétrica. . . . . . 74. 4.3. Curvas de magnetiza¸caõ do GRV de 2kW utilizado. . . . . . . . . . . . . . 75. 4.4. Curva de potência ótima para sistema eólico em estudo. . . . . . . . . . . . 75. 4.5. a)Per´ıodo de excita¸caõ do GRV b)Per´ıodo de gera¸caõ do GRV . . . . . . . 77. 4.6. Tipos de formas de onda das correntes do GRV. . . . . . . . . . . . . . . . 78. 4.7. a)For¸ca contra eletromotriz estimada b)Detalhe em e no intervalo de gera¸caõ. 79. 4.8. Tensão, corrente elétrica e fluxo magnético na fase do GRV. . . . . . . . . 81. 4.9. Estrutura controle de corrente por histerese. . . . . . . . . . . . . . . . . . 83. 4.10 Fluxograma otimiza¸caõ em baixas velocidades. . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.11 Resultados de simula¸co˜es para w = 80rad/s e θof f = 18◦ a) Fluxo magnético b)Corrente na fase a do GRV c)Torque eletromagnético. . . . . . . . . 86 4.12 a) Fun¸co˜es Tripple normalizas. b) Fun¸co˜es Imed normalizas. c)Fun¸co˜es Φmax normalizas d) Fun¸caõ custo para diferentes θof f. . . . . . . . . . . . . 87.

(12) 4.13 Diferentes situa¸co˜es de otimiza¸caõ a)Fluxo magnético b) Corrente média da fase do c) Ondula¸caõ de torque. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 ˆ 4.14 Angulos θonopt para velocidades de opera¸caõ do GRV. . . . . . . . . . . . . 88 4.15 Estrutura de controle de potência otimiza¸caõ para controle a pulso u ńico. . 89 4.16 Fluxograma para otimiza¸caõ em altas velocidades. . . . . . . . . . . . . . . 90 4.17 Resultados de simula¸co˜es para w = 120rad/s a) Fluxo magnético b)Corrente na fase a do GRV c)Torque eletromagnético d) Legenda. . . . . . . . . . . 91 4.18 Resultados de simula¸co˜es a) Fluxo magnético b)Corrente na fase a do GRV c)Torque eletromagnético. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.19 Resultados das simula¸co˜es normalizados a) Ripple de torque eletromagnético c)Corrente na fase a do GRV c)Fluxo magnético d) Fun¸cão custo . . . 93 4.20 Resultados de simula¸co˜es para otimiza¸caõ em w = 120rad/s a) Fluxo magnético b)Corrente na fase a do GRV c)Torque eletromagnético. . . . . . . . 94 ˆ 4.21 Angulos θon ótimos obtidos nas simula¸co˜es para diferentes velocidades. . . 95 4.22 a) Ajuste linear para velocidades de 100 a 165rad/s. b)Ajuste linear para velocidades de 100 a 180rad/s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.23 Instrumenta¸caõ experimental para verifica¸caõ de variáveis de otimiza¸caõ. . 96 4.24 . Resultados experimentais para comprova¸caõ da metodologia de otimiza¸caõ para opera¸caõ do GRV em baixa velocidades(tensão no elo cc, perfil de varia¸caõ da referência de potência e potência gerada). . . . . . . . . . . . . 97 4.25 Correntes experimentais controle potência em 80rad/s. . . . . . . . . . . . 97 4.26 Torque eletromecânico medido experimentalmente com GRV operando em 80rad/s. a) (θon = 20.0◦ , θof f = 39.7◦ )b)(θon = 41.5◦ , θof f = 18.0◦ )c)(θon = 48.0◦ , θof f = 18.0◦ ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.27 . Resultados experimentais para comprova¸caõ da metodologia de otimiza¸caõ para opera¸caõ do GRV em alta velocidades . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.28 Correntes experimentais GRV operando em 120rad/s. . . . . . . . . . . . . 100 4.29 Torque eletromecânico medido experimentalmente controle em 120rad/s. a) θon = 38.0◦ b) θon = 43.24◦ c) θon = 46.0◦ . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.1. Estrutura do controle direto de potência para opera¸cão em baixas velocidades CDP-BV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103. 5.2. Estrutura do controle direto de potência para opera¸cão em altas velocidades CDP-AV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104. 5.3. Regiões do sistemas definidos pela equa¸caõ s(x1, x2) = 0. . . . . . . . . . . 106. 5.4. Plano de fase do sistema completo com superf´ıcie de chaveamento. . . . . . 106.

(13) 5.5. Exemplo de trajetória do sistema controlado por modos deslizantes. . . . . 107. 5.6. Tipos de fun¸caõ de chaveamento eval. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108. 5.7. Controlador de modos deslizantes utilizado no CDP-BV-MD. . . . . . . . . 109. 5.8. Controlador de modos deslizantes utilizado CDP-AV-MD. . . . . . . . . . . 110. 5.9. Sistema de controle comutativo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111. 5.10 Sistema de controle comutativo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.11 Estrutura do conversor fonte de tensão dois n´ıveis conectado com a rede elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.12 Realimenta¸co˜es diretas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.13 Malhas de controle de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.14 Diagrama de blocos controle Vdc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5.15 Princ´ıpio de funcionamento básico de um PLL . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.16 PPL trifásica SRF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.17 Resposta em frequência da malha fechada do controle de corrente.. . . . . 122. 5.18 Resposta em frequência sem o compensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.19 Resposta em frequência com compensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 6.1 6.2. R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Estrutura geral modelada no Simulink R . . . . . . . . . . 127 Modelagem dos controles de potência usando o Simulink. 6.3. Modelagem dos controles do VSC no Simulink. . . . . . . . . . . . . . . . . 128. 6.4. Diagrama da montagem experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130. 6.5. Bancada experimental desenvolvida a)Visão geral b)Circuitos de controle c)Placa central d)DAC e DAQ e osciloscópio e)Conversor AHB f)Circuitos para conexão com rede elétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131. 6.6. Visualiza¸caõ das variávels da conexão com a rede elétrica.. . . . . . . . . . 132. 6.7. Visualiza¸caõ das variáveis do controle do GRV.. 6.8. Resultado da simula¸caõ do controle de potência em baixa velocidades. . . . 134. 6.9. Resultado experimental do controle de potência em baixa velocidades. . . . 134. . . . . . . . . . . . . . . . 132. 6.10 Corrente elétrica na fase A do GRV com controle por histerese(Simula¸caõ). 135 6.11 Corrente elétrica na fase A do GRV durante degrau de potência(Experimento).135 6.12 Resultado da simula¸caõ do controle de potência em altas velocidades. . . . 136 6.13 Resultado experimental do controle de potência em altas velocidades. . . . 137 6.14 Erro e derivada do erro do controle de modos deslizantes(Simula¸caõ). . . . 137 6.15 Erro e derivada do erro do controle de modos deslizantes( Experimento). . 138 6.16 Corrente elétrica nas fases do GRV durante controle pulso u ńico (Simula¸caõ).138.

(14) 6.17 Corrente elétrica na fases A do GRV durante controle pulso u ńico (Experimento). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.18 a)Variáveis do PLL(simula¸caõ) b)Variáveis do PLL (experimento). . . . . . 140 6.19 a)Processo de conexão com a rede elétrica a) Simula¸caõ b) Experimento). . 141 6.20 Degrau de potência ativa com gerador em (135rad/s), corrente na fase A do GRV e tensão e corrente elétrica da fase R da rede elétrica a)Simula¸caõ b)Experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.21 Correntes do GRV operando em alta velocidade e ângulo da fase A do GRV a)Simula¸caõ b)Experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.22 Tensão e corrente elétrica na fase A do GRV em alta velocidade a)Simula¸caõ b)Experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 6.23 Torque eletromecânico do GRV, corrente elétrica Ie, corrente na fase A do GRV e ângulo da fase A a)Simula¸caõ b)Experimento. . . . . . . . . . . . . 145 6.24 Degrau em Iq, tempo de resposta 2ms a)Simula¸caõ b)Experimento. . . . . 146 6.25 Degraus de potência ativa e reativa a)Simula¸caõ b)Experimento. . . . . . . 146 6.26 Tensão Vr e correntes trifásicas com P=1200W a)Simula¸caõ b)Experimento. 147 6.27 Tensão Vr e correntes elétricas trifásicas com P=1200W Q=1200VA a)Simula¸caõ b)Experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 6.28 Tensão Vr e correntes elétricas trifásicas com P=1200W Q=-1200VA a)Simula¸caõ b)Experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 6.29 THD das correntes enviadas para a rede elétrica (simula¸caõ) a)P=1200W b)P=1200W Q=1200VA c)P=1200W Q=-1200VA . . . . . . . . . . . . . . 148 6.30 THD das correntes enviadas para a rede elétrica (experimento) a)P=1200W b)P=1200W Q=1200VA c)P=1200W Q=-1200VA . . . . . . . . . . . . . . 148 6.31 Degrau de potência ativa gerador em (95rad/s), corrente na fase A do GRV e tensão e corrente elétrica da fase R da rede elétrica a)Simula¸caõ b)Experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.32 Correntes eletricas e ângulo da fase A do GRV operando em baixa velocidade a)Simula¸caõ b)Experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.33 Tensão e corrente elétrica na fase A do GRV em baixa velocidade a)Simula¸caõ b)Experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 6.34 Torque eletromecânico do GRV, corrente Ie, corrente na fase A do GRV e ângulo da fase A a)Simula¸caõ b)Experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . 152 6.35 Tensão Vr e correntes elétricas trifásicas a)P=400W b)P=400W(experimento).153.

(15) 6.36 Tensão Vr e correntes elétricas trifásicas a)P=400W Q=1200VA b)P=400W Q=1200VA (experimento) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.37 Tensão Vr e correntes elétricas trifásicas a)P=400W Q=-1200VA (simula¸caõ) b)P=400W Q=-1200VA (experimento). . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.38 THD das correntes enviadas para a rede elétrica (simula¸caõ) a)P=400W b)P=400W Q=1200VA c)P=400W Q=-1200VA . . . . . . . . . . . . . . . 154 6.39 THD das correntes enviadas para a rede elétrica (experimento) a)P=400W b)P=400W Q=1200VA c)P=400W Q=-1200VA. . . . . . . . . . . . . . . . 154 6.40 Rampa de velocidade aplicada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.41 Resultado de simula¸caõ do sistema de comuta¸caõ de controles sem realimenta¸caõ inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 6.42 Resultado experimental do sistema de comuta¸caõ de controles sem realimenta¸caõ inicial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.43 Resultados de simula¸caõ do sistema de comuta¸caõ de controles com realimenta¸caõ inicial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.44 Resultados experimentais do sistema de comuta¸caõ de controles com realimenta¸caõ inicial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.45 Corrente elétrica na fase A do GRV durante comuta¸caõ dos controles (Simula¸caõ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6.46 Corrente elétrica na fase A do GRV durante comuta¸caõ dos controles (Experimento). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 ˆ 6.47 Angulos de acionamento e corrente de referência do controle histerese (Simula¸caõ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 ˆ 6.48 Angulos de acionamento e corrente de referência do controle histerese (Experimento). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 6.49 Estrutura para gerar série temporal da velocidade do vento. . . . . . . . . 163 6.50 Velocidade de rota¸caõ do GRV e modo de controle. . . . . . . . . . . . . . 164 6.51 Velocidade de rota¸caõ do GRV e modo de controle. . . . . . . . . . . . . . 164 6.52 Potência de referência e potência gerada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 6.53 Correntes nas fases do GRV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 ˆ 6.54 a)Correntes de referência do controle de histerese b)Angulos de disparo durante simula¸caõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 6.55 Correntes id e iq do conversor fonte de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . 166 7.1. Curvas de magnetiza¸caõ do GRV1 de 2kW . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171. 7.2. Curvas de magnetiza¸caõ do GRV2 de 1.5kW . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.

(16) 7.3. Curvas de magnetiza¸caõ do GRV 3 de 1.5kW utilizado. . . . . . . . . . . . 173. 7.4. Diagrama PLL no Simulink. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174. 7.5. Controle de corrente do VSC no Simulink. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174. 7.6. Controle de modos deslizantes no Simulink. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174. 7.7. Modelo do Encoder absoluto Simulink. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175. 7.8. a)Conversor AHB b)Conversor VSC c) Circuito de pré carga d) Filtros anti aliasing e blocos de amostragem e discretiza¸caõ. . . . . . . . . . . . . . . . 176. 7.9. Circuito do conversor AHB 4 fases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177.

(17) Lista de Tabelas. 3.1. Resultados da análise estat´ıstica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68. 4.1. Variáveis de inicializa¸caõ para otimiza¸caõ em baixas velocidades. . . . . . . 85. 4.2. Variáveis de inicializa¸caõ para otimiza¸caõ em altas velocidades . . . . . . . 90. 4.3. Resultados experimentais otimiza¸caõ em 80rad/s . . . . . . . . . . . . . . 98. 4.4. Resultados práticos otimiza¸caõ alta velocidade . . . . . . . . . . . . . . . . 100. 5.1. Parâmetros dos controladores de potência do GRV. . . . . . . . . . . . . . 121. 5.2. Parâmetros do controladores do VSC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123. 6.1. Parâmetros do DSP TMS320F28335. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129. 7.1. Dados curvas de magnetiza¸caõ do GRV1 2kW. . . . . . . . . . . . . . . . . 171. 7.2. Dados curvas de magnetiza¸caõ do GRV2 1.5kW. . . . . . . . . . . . . . . . 172. 7.3. Dados curvas de magnetiza¸caõ do GRV3 1.5kW 12/8. . . . . . . . . . . . . 173.

(18) Lista de acrônimos e nota¸cão. AHB CC/cc CA CDP CDP-BV CDP-AV CDP-PI CDP-MD DSP DAC DAQ GRV IGBTs ITBL MAE MLP MPPT MRV PAC PLL PWM RMSE SRF SSR TTBL VCO VSC. Assimetric Half Bridge Corrente cont´ınua Corrente alternada Controle Direto de Potência Controle Direto de Potência em baixas velocidades Controle Direto de Potência em altas velocidades Controle direto de potência com controlador PI Controle direto de potência utilizando controlador por modos deslizantes Digital Signal Processor Digital to analog converter Data acquisition system Gerador a Relutância Variável Insulated Gate Bipolar Transistor A tabela das correntes Mean absolute error Modula¸caõ por largura de pulso Maximum power point tracking Máquina a relutância Variável Ponto de acoplamento comum Phase-locked loop Pulse widht modulation Root mean square error (Synchronous reference frame) Sum of squared residuals A tabela das torque Voltage Controlled Oscilator (Voltage Source Converter ).

(19) w θ i, I v Φ ℜ µ l A Wf T Te Ns Nr F fp N Pm ρ A ν Cp ωr ψ Rt β Cp ψ βt Popt R L Pcr Kcr s ke lmin lmax. velocidade Coordenada angular Corrente elétrica tensão elétrica é o Fluxo magnético concatenado Relutância do circuito magnético é permeabilidade equivalente (ferro entreferro) é o comprimento médio do circuito magnético é a área transversal por onde circula o fluxo enla¸cado Coenergia Torque eletromecânico Torque eletromagnético N´ umero de pólos do estator N´ umero de pólos do rotor N´ umero de fases da MRV Frequência dos pulsos é o n´ umero de espiras do enrolamento é a potência mecânica da turbina é a densidade do ar é a área varrida pelas pás da turbina é a velocidade do vento é o coeficiente de desempenho velocidade do rotor ωR é a rela¸caõ linear entre ν é o raio da turbina. é o ângulo de passo das hélices das turbina é o coeficiente de potencia. é a rela¸caõ linear entre a velocidade do vento e a velocidade da ponta da hélice. é o ângulo de passo das hélices. potência optima. é a resistência elétrica. é a indutância. é o per´ıodo cr´ıtico. é o Ganho proporcional cr´ıtico. é a Superf´ıcie de chaveamento. é o ganho da fun¸caõ. é o limite m´ınimo. é o limite máximo..

(20) θof f θon θA , θB , θC winicial wf inal ∆w θof f −inicial θof f −f inal ∆θof f θon−inicial θon−f inal ∆θon. é o ângulo de fim da magnetiza¸caõ é o ângulo de final da gera¸caõ são ângulos relativos a cada fase é a velocidade inicial é a velocidade final é o passo velocidade é o ângulo de desligamento inicial é o ângulo de desligamento final é o passo ângulo de desligamento é o ângulo de acionamento inicial é o ângulo de acionamento final é o passo do ângulo de acionamento.

(21) Sumário. 1 Introdu¸ c˜ ao. 23. Introdu¸ c˜ ao Geral. 23. 1.1. Organiza¸caõ do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25. 2 Estado da arte do gerador de relutˆ ancia vari´ avel. 27. 2.1. Aspectos gerais da MRV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28. 2.2. Estrutura e princ´ıpio de funcionamento da MRV . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.1. Variáveis elétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29. 2.2.2. Perfil da indutância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29. 2.2.3. Equa¸caõ do torque da MRV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30. 2.3. Aspectos construtivos da MRV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31. 2.4. O gerador de relutância variável (GRV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32. 2.5. 2.4.1. Acionamento do GRV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33. 2.4.2. Modos de controles e acionamentos do GRV . . . . . . . . . . . . . 34. Estado da arte sobre o GRV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.5.1. Modelagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37. 2.5.2. Otimiza¸caõ do desempenho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39. 2.5.3. Estratégias de controles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40. 2.5.4. Estudos para gera¸caõ eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41. 2.6. Principais contribui¸co˜es deste trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44. 2.7. Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46. 3 Metodologia para modelagem e simula¸c˜ oes da opera¸c˜ ao do GRV. 47. 3.1. Curvas de magnetiza¸caõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48. 3.2. Sistema de obten¸caõ das curvas de magnetiza¸caõ . . . . . . . . . . . . . . . 48. 3.3. Montagem experimental e ensaios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50.

(22) 3.4. Metodologia para obter dados para o modelo 3.4.1. 3.5. Processamento dos dados obtidos nos ensaios . . . . . . . . . . . . 53. Simula¸co˜es com o modelo obtido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.5.1. R . . . . . . . . . . . 60 Modelagem da máquina utilizando o Simulink. 3.5.2. Valida¸caõ do modelo do GRV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61. 3.5.3. Modelagem do sistema de controle usando Simulink . . . . . . . . . 61. 3.6. Montagem experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63. 3.7. Resultados das simula¸co˜es e dos experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . 64. 3.8 4. . . . . . . . . . . . . . . . . 51. 3.7.1. Varia¸caõ de carga no elo cc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65. 3.7.2. Varia¸caõ da tensão no elo cc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67. Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70. Estrutura de gera¸c˜ ao e´ olica utilizando o gerador de relutˆ ancia vari´ avel 71 4.1. Gera¸caõ eólica com extra¸caõ de potência máxima . . . . . . . . . . . . . . 72. 4.2. Estrutura de gera¸caõ eólica com GRV. 4.3. Sistema de gera¸caõ eólica estudado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75. 4.4. Estrutura de acionamento e controle de potência do GRV . . . . . . . . . . 76 4.4.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74. Etapas de funcionamento do GRV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76. 4.5. Formas de onda das correntes do GRV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77. 4.6. Velocidade de opera¸caõ do GRV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78. 4.7. Potência gerada pelo GRV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80. 4.8. Algoritmos de otimiza¸caõ das variáveis de acionamento do GRV . . . . . . 82. 4.9. 4.8.1. Otimiza¸caõ em baixas velocidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82. 4.8.2. Otimiza¸caõ em altas velocidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89. Resultados experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.9.1. Experimentos em baixa velocidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96. 4.9.2. Experimentos em alta velocidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99. 4.10 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5 Controles diretos de potˆ encia do GRV e conex˜ ao com rede el´ etrica 5.1. 5.2. 102. Controles de potência do GRV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.1.1. Controle direto de potência em baixas velocidades (CDP-BV) . . . 102. 5.1.2. Controle direto de potência em altas velocidades (CDP-AV) . . . . 103. Controladores utilizados nos CDPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.1. Controle direto de potência para baixas velocidades por controlador PI (CDP-BV-PI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.

(23) 5.2.2. Controle direto de potência por controlador PI para altas velocidades (CDP-AV-PI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104. 5.2.3. Estrutura de controle direto de potência do GRV utilizando controladores por modos deslizantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105. 5.2.4. Controle direto de potência para baixas velocidades utilizando controlador de modos deslizantes (CDP-BV-MD) . . . . . . . . . . . . 107. 5.2.5. Controle direto de potência para altas velocidades utilizando controlador de modos deslizantes (CDP-AV-MD) . . . . . . . . . . . . 110. 5.3. Jun¸caõ dos controles de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110. 5.4. Conversor conectado com a rede elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.4.1. Modelagem do VSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112. 5.4.2. Controle do elo de corrente cont´ınua (elo cc) . . . . . . . . . . . . . 116. 5.4.3. Sincronismo com a rede elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119. 5.4.4. Parâmetros de controle e discretiza¸caõ dos sistemas . . . . . . . . . 121. 5.5. Discretiza¸caõ dos controladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123. 5.6. Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124. 6 Resultados das propostas de controle de potˆ encias. 125. 6.1. Simula¸co˜es dos controles de potências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125. 6.2. Plataforma experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128. 6.3. Resultados das simula¸co˜es e dos experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . 133. 6.4. 6.3.1. Ensaio de desempenho dos controles de potências . . . . . . . . . . 133. 6.3.2. Gera¸caõ conectada com a rede elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . 139. 6.3.3. Sistema de comuta¸caõ dos controles de potência . . . . . . . . . . . 155. 6.3.4. Emula¸caõ do sistema de gera¸caõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163. Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166. 7 Considera¸ c˜ oes Finais. 167. Anexos. 171. Bibliografia. 178.

(24) 24. Cap´ıtulo. 1. Introdu¸cão. U. ma das principais formas de energias renováveis é a energia eólica que é a energia cinética contida nas massas de ar em movimento. Seu aproveitamento ocorre por. meio da conversão da energia cinética de transla¸caõ do vento em energia cinética de rota¸caõ, com o emprego de turbinas eólicas para a produ¸caõ de eletricidade. Para que haja o melhor aproveitamento da energia eólica é necessário o emprego turbinas eólicas e geradores elétricos que possam converter de forma mais eficiente poss´ıvel esta forma de energia que apresenta regimes de velocidade variável. As máquinas elétricas amplamente empregadas como gerador são as de indu¸caõ e as s´ıncronas convencionais. Entretanto, o gerador a relutância variável (GRV) tem sido apontado como uma boa alternativa para aplica¸co˜es em gera¸caõ eólica de pequena e média potências, devido às suas caracter´ısticas de funcionamento que permitem a opera¸caõ em uma ampla faixa de velocidades com alto rendimento [1–4]. Além da ampla faixa de opera¸caõ o GRV possui como caracter´ısticas atrativas a sua robustez mecânica, o alto rendimento, o baixo custo de fabrica¸caõ e a ausência de elementos magnéticos permanentes [5, 6]. Por gerar energia em corrente cont´ınua o GRV é tido, também, como solu¸caõ para microrredes de corrente cont´ınua [7, 8]. Estudos e aplica¸co˜es da máquina de relutância variável (MRV) têm aumentado de forma significativa nos u ´ltimos anos, principalmente para aplica¸co˜es em velocidade variável. Este fato foi impulsionado pelo desenvolvimento da eletrônica de potência e, principalmente, pelo aumento do poder de processamento de dados dos microprocessadores. De forma mais espec´ıfica, o uso da MRV operando como gerador tem se intensificado nos u ´ltimos 10 anos [4, 9, 10]. Os principais empecilhos para a utiliza¸caõ industrial do GRV são as oscila¸co˜es de torque, os ru´ıdos sonoros, a necessidade de sensores de posi¸caõ, necessidades de controles.

(25) 25 robustos para uma ampla faixa de velocidades e a falta metodologias para o projeto eletromagnético. São grandes os esfor¸cos para a mitiga¸caõ destes empecilhos [11]. Este trabalho tem como principal contribui¸caõ a realiza¸caõ de propostas de sistemas de controle de potência para o GRV em gera¸caõ eólica distribu´ıda. Este trabalho é pioneiro no sentido de propor duas formas de acionamento para o GRV que dependem da velocidade de opera¸caõ. Propõe-se um controle direto de potência por histerese para opera¸caõ em baixas velocidades e um controle direto de potência por pulso u ńico para altas velocidades. Os controles de potências foram inicialmente desenvolvidos utilizando controladores proporcionais integrais. Para melhora do desempenho foram utilizados controladores não lineares de modos deslizantes. Propõe-se um sistema de comuta¸caõ de modos de controles de potência que permite a opera¸caõ do GRV em toda faixa de varia¸caõ de velocidade. Isto permite o melhor aproveitamento da energia eólica dispon´ıvel. Toda modelagem do sistema desenvolvido é descrita detalhadamente e simula¸co˜es di´ importante destacar nâmicas são realizadas para verifica¸caõ dos sistemas propostos. E que neste trabalho o GRV opera no modo auto excitado através do barramento comum do elo de corrente cont´ınua, eliminando a necessidade de conversores adicionais e fontes de excita¸caõ para o GRV. Uma plataforma experimental foi desenvolvida para execu¸caõ dos sistemas propostos. Apresenta-se a plataforma desenvolvida em detalhes de modo a contribuir para a execu¸caõ prática de controles para o GRV. Na gera¸caõ eólica distribu´ıda em velocidade variável a potência gerada está diretamente relacionada com a velocidade de opera¸caõ. Baseado neste fato, neste trabalho foram propostos algoritmos para obter, através de simula¸co˜es dinâmicas, os parâmetros ótimos de acionamento do GRV para gera¸caõ eólica. Através de fun¸co˜es de otimiza¸caõ os parâmetros de acionamento do GRV para baixas e altas velocidades de opera¸caõ foram obtidos para manter o balanceamento entre as oscila¸co˜es de torque, perdas magnéticas e perdas elétricas. Para a realiza¸caõ das simula¸co˜es dos estudos propostos foi necessário o desenvolvimento de um modelo matemático dinâmico do sistema com alta precisão. Para isso um sistema experimental foi realizado para obten¸caõ das curvas de magnetiza¸caõ do GRV. Diferentemente de alguns trabalhos que utilizam redes neurais, séries de Fourier e métodos complexos, é realizado o uso de curvas amortecidas (smoothing splines) para tratar os dados dos ensaios de magnetiza¸caõ a fim de obter o modelo do GRV baseado em Tabelas de buscas (Lookup-tables). A metodologia proposta é detalhada de modo a enriquecer a literatura que trata da modelagem de MRV..

(26) 1.1. Organiza¸caõ do trabalho. 1.1. 26. Organiza¸ c˜ ao do trabalho. O cap´ıtulo 2 tem como objetivo apresentar os aspectos básicos do funcionamento do GRV e discutir os principais trabalhos já desenvolvidos. Inicialmente, apresentamse os princ´ıpios de funcionamento e os aspectos construtivos da máquina a relutância variável. Introduz-se o conceito do gerador a relutância variável e os métodos de controle e acionamentos. Na sequência, realiza-se um estudo do estado da arte dos principais temas estudados sobre o GRV que são: modelagem matemática do GRV, otimiza¸caõ do desempenho, estratégias de controles e estudos voltados para gera¸caõ eólica. Por fim, apresentam-se as principais contribui¸co˜es deste trabalho de doutorado. Para realiza¸caõ dos estudos sobre o GRV, através de simula¸co˜es computacionais, utilizou-se um modelo não linear baseado nas curvas de magnetiza¸caõ obtidas experimentalmente. Descreve-se o procedimento para obten¸caõ deste modelo no Cap´ıtulo 3. Apesar de não ser o objetivo principal deste trabalho detalhou-se a metodologia e a instrumenta¸caõ utilizada de modo contribuir para que outros trabalhos possam utilizar a metodologia como referência uma vez que são poucos trabalhos que apresentam metodologias experimentais para caracterizar e modelar o GRV. A comprova¸caõ da precisão do modelo obtido é verificada através da compara¸caõ de resultados de simula¸co˜es com resultados experimentais que são apresentados no final do cap´ıtulo. No cap´ıtulo 4 apresenta-se a estrutura proposta para a utiliza¸caõ do GRV em gera¸caõ eólica. Inicialmente descreve-se a estrutura dos conversores eletrônicos de potência utilizados e, em seguida, apresentam-se os controles diretos de potência propostos. ´ proposta a utiliza¸caõ de dois modos de opera¸caõ que dependem da velocidade. E Discutem-se os aspectos das caracter´ısticas do sistema eólico estudado e as formas de controles utilizadas para o GRV operando em baixas e altas velocidades. Por fim, detalham-se as metodologias propostas para obten¸caõ dos parâmetros ótimos de acionamento do GRV para gera¸caõ eólica. No cap´ıtulo 5 apresentam-se e modelam-se as duas estruturas propostas para o controle direto de potência do GRV. São propostos o controle de potência para opera¸caõ em baixas velocidades (CDP-BV) e o controle de potência para opera¸cão em altas velocidades (CDPAV). Na sequência, descreve-se o sistema proposto para comuta¸caõ dos modos de controles de potência em fun¸caõ da velocidade de opera¸caõ. Finalmente, apresenta-se a modelagem e o projeto dos controladores do conversor responsável por enviar a energia gerada para a rede elétrica. Apresentam-se os resultados das simula¸co˜es e dos experimentos com os sistemas de controle propostos no cap´ıtulo 6. Inicialmente, detalha-se a modelagem realizada para a.

(27) 1.1. Organiza¸caõ do trabalho. 27. simula¸caõ do sistema e descreve-se a plataforma experimental desenvolvida para realiza¸caõ dos ensaios. Por fim apresentam-se os resultados para os ensaios que comprovam a eficiência e funcionamento das propostas deste trabalho. As conclusões sobre o trabalho realizado são apresentadas no cap´ıtulo 7, juntamente com as propostas de trabalhos futuros e a lista de publica¸cões realizadas durante as pesquisas relativas a este trabalho. Disponibilizam-se os dados de curvas de magnetiza¸caõ, obtidas experimentalmente, de três GRVs no Anexo A. No Anexo B descreve-se em detalhes a modelagem do sistema estudado que foi realiR zada utilizando o Software Matlab-Simulink .. Devido à ausência de trabalhos experimentais em rela¸caõ ao GRV, alguns detalhes. construtivos dos experimentos são descritos no Anexo C..

(28) 28. Cap´ıtulo. 2. Estado da arte do gerador de relutância variável studos e aplica¸co˜es da máquina de relutância variável (MRV) têm aumentado de. E. forma significativa nos u ´ltimos anos, principalmente para aplica¸co˜es em situa¸co˜es de. velocidade variável operando como motor. Este fato foi impulsionado pelo desenvolvimento da eletrônica de potência e, principalmente, pelo aumento do poder de processamento dos microprocessadores. De forma mais espec´ıfica, o uso da MRV operando como gerador tem se intensificado nos u ´ltimos 10 anos. Neste cap´ıtulo, inicialmente, são introduzidos os aspectos e conceitos da máquina a relutância variável, permitindo ao leitor compreender o princ´ıpio de funcionamento do gerador de relutância variável. Apresenta-se também uma revisão da literatura com objetivo de situar o leitor sobre os principais tópicos estudados sobre o GRV. Finalmente, são apresentadas as principais contribui¸co˜es do presente estudo para o campo de estudos do GRV para aplica¸caõ em gera¸caõ eólica, que é o principal tópico deste trabalho..

(29) 2.1. Aspectos gerais da MRV. 2.1. 29. Aspectos gerais da MRV. A MRV é uma máquina elétrica de dupla saliência (no rotor e no estator) que possui bobinas de campo nas ranhuras do estator, e não possui bobinas ou imãs no seu rotor. O rotor é composto por material ferromagnético com saliências regulares [6]. Na Figura 2.1 observa-se uma MRV 12/8 (n´ umero de polos do estator/polos do rotor). O funcionamento da MRV como motor baseia-se no princ´ıpio da relutância m´ınima, ou seja, quando o enrolamento sobre um par de polos do estator é energizado, os polos do rotor são atra´ıdos para uma posi¸caõ que represente a relutância m´ınima (eixos alinhados), gerando um torque no rotor. Enquanto dois polos do rotor estão alinhados com os polos do estator os outros polos do rotor estão desalinhados. Estes outros polos do estator são acionados eletricamente trazendo os polos do rotor próximos para o alinhamento. Pelo chaveamento sequencial dos enrolamentos do estator, há produ¸caõ de torque eletromagnético. Para a opera¸caõ como gerador, a máquina deve ser excitada durante o desalinhamento dos polos do rotor e do estator e um torque mecânico deve ser aplicado no eixo da máquina [12, 13]. Devido às caracter´ısticas como robustez mecânica, alto torque de partida, alta eficiência e baixo custo de fabrica¸caõ, a MRV tem se tornado uma forte candidata para aplica¸co˜es que trabalham em regime de velocidade variável seja como motor ou como gerador. Dentre as principais aplica¸co˜es destacam-se a utiliza¸caõ da MRV em ve´ıculos elétricos, gera¸caõ eólica e bombas propulsoras de petróleo [1, 9].. Figura 2.1: MRV 12/8 polos..

(30) 2.2. Estrutura e princ´ıpio de funcionamento da MRV. 2.2 2.2.1. 30. Estrutura e princ´ıpio de funcionamento da MRV Vari´ aveis el´ etricas. Para simplificar a abordagem sobre o funcionamento da MRV considera-se que os efeitos de dispersão e satura¸caõ magnética sejam desprez´ıveis. Deste modo, realiza-se uma idealiza¸caõ desta máquina elétrica. O fluxo magnético Φ enla¸cado pelas bobinas do estator da MRV se relaciona diretamente com a corrente elétrica do circuito da fase e com a relutância magnética. A relutância do circuito magnético, Equa¸caõ 2.1, em máquinas de dupla saliência apresenta varia¸co˜es com a posi¸caõ angular do rotor devido às suas caracter´ısticas construtivas, pois o entreferro e consequentemente a permeabilidade equivalente variam em razão ao movimento relativo entre o rotor e o estator [13]. ℜ(θ) =. l(θ) A(θ)µ(θ). (2.1). µ é a permeabilidade equivalente, l é o comprimento médio do circuito magnético e A é a área transversal por onde circula o fluxo enla¸cado. A indutância L relaciona-se com a relutância do circuito magnético de acordo com: L(θ) =. N2 ℜ(θ). (2.2). N é o n´ umero de espiras do enrolamento. Como a indutância está relacionada com relutância, tem-se um indutância variável em rela¸caõ à posi¸caõ angular do rotor. A tensão elétrica nos terminais de uma fase da máquina de relutância variável é dada por: v(t) = Ri(t) +. ∂Φ(i, θ) ∂t. (2.3). em que v(t) e i(t) são respectivamente a tensão e a corrente elétrica instantâneas, R é a resistência ôhmica do enrolamento e Φ é o fluxo enla¸cado pelas bobinas do estator.. 2.2.2. Perfil da indutˆ ancia. Como a relutância do circuito magnético da MRV depende da posi¸caõ do rotor é importante destacar duas posi¸co˜es dos polos do rotor em rela¸caõ ao polos do estator. Na posi¸caõ definida como alinhada (quando um par de polos do rotor está alinhado com os polos do estator) a relutância do circuito magnético é m´ınima e, portanto a indutância ` medida que o polo do rotor se desalinha com o polo do estator é máxima (Figura 2.2). A.

(31) 2.2. Estrutura e princ´ıpio de funcionamento da MRV. 31. a relutância aumenta e consequentemente a indutância diminui. Isso ocorre até o ponto de máximo desalinhamento. Esta posi¸caõ é denominada como posi¸caõ desalinhada. O perfil idealizado da varia¸caõ da indutância com rela¸caõ à posi¸caõ rotor para uma corrente elétrica constante é apresentado na Figura 2.3.. Figura 2.2: Posi¸co˜es básicas do rotor. Figura 2.3: Perfil da indutância da MRV.. 2.2.3. Equa¸c˜ ao do torque da MRV. O torque eletromagnético em uma máquina de relutância é desenvolvido em virtude da varia¸caõ da relutância equivalente com rela¸caõ à posi¸caõ do rotor. A produ¸caõ de torque ′. na máquina de relutância variável é resultante da varia¸caõ da co-energia Wf (Figura 2.4) em fun¸caõ da posi¸caõ do rotor [6]. Em que co-energia é dada por: ′. Wf =. Z. Φ(I, θ)dI. (2.4).

(32) 2.3. Aspectos construtivos da MRV. 32. Supondo linearidade no circuito magnético, o torque de relutância é dado por: ′. ′. δWf (i, θ) δWf dL(i, θ) i2 = = Te = δθ δθ dθ 2. (2.5). ′. no qual (Wf ) é a coenergia.. θ=θ2. Fluxo, F F2 Wf 2 ' = DWf ' + Wf1 '. θ=θ1. DWf '. F1. Wf1 '. 0. I. Corrente. Figura 2.4: Varia¸caõ de co-energia com posi¸caõ para uma mesma corrente i.. Assim verifica-se, por meio de (Equa¸caõ 2.5), que o torque é proporcional ao quadrado da corrente elétrica na fase da máquina. Isso implica no fato de que a MRV pode ser acionada por correntes unipolares e tenha um alto torque de partida. Pela Equa¸caõ 2.5 também permite-se observar que a MRV pode operar com a¸caõ geradora, bastando que uma corrente percorra os enrolamentos das fases durante a derivada negativa da indutância.. 2.3. Aspectos construtivos da MRV. Na Figura 2.5 apresenta-se uma MRV 12/8 polos. O rotor e o estator são geralmente constitu´ıdos de material magnético laminado, limitando as correntes parasitas. Os polos salientes do rotor e do estator podem ter largura iguais ou diferentes, fato que implica diretamente nas caracter´ısticas elétricas da MRV [13]. Devido à necessidade da dualidade dos polos magnéticos para criar um caminho para o fluxo no estator, é necessário que o n´ umero de polos do estator (Ns ) seja par [6, 13]. O n´ umero de polos no rotor (Nr ) tem que ser tal que sempre exista um polo no rotor desalinhado com um polo no estator. Portanto, os n´ umeros de polos no estator e no rotor devem seguir a seguinte rela¸caõ: Ns = 2kF. (2.6).

(33) 2.4. O gerador de relutância variável (GRV). 33. Figura 2.5: Máquina de relutância variável 12/8. Nr = 2k(F ± 1). (2.7). sendo F o n´ umero de fases , 2k o n´ umero de polos por fase. A escolha da configura¸caõ da MRV depende da aplica¸caõ a que se destina e do n´ umero de fases do conversor eletrônico dispon´ıvel para opera¸caõ. Um n´ umero maior de fases melhora a tensão de sa´ıda e reduz o capacitor de filtro do barramento de corrente cont´ınua do conversor eletrônico quando a MRV opera como gerador. Quando se utiliza uma MRV que possui um n´ umero reduzido de polos tem-se uma alta oscila¸caõ de torque, por outro lado, o custo do conversor é reduzido quanto menor for o n´ umero de polos da máquina [6].. 2.4. O gerador de relutˆ ancia vari´ avel (GRV). O gerador de relutância variável, assim como qualquer outra máquina elétrica operando como gerador, é um conversor eletromecânico de energia capaz de transformar energia mecânica em energia elétrica. Para a opera¸caõ como gerador, a máquina deve ser excitada durante a diminui¸caõ da indutância do enrolamento do estator e um torque mecânico deve ser aplicado no seu eixo mecânico. A alimenta¸caõ elétrica do enrolamento de estator(magnetiza¸caõ do enrolamento) somada à entrada de energia mecânica no eixo da máquina faz com que apare¸ca uma for¸ca contra eletromotriz no enrolamento de estator que aumenta a corrente elétrica, caracterizando assim o processo de gera¸caõ de energia elétrica [5, 14]..

(34) 2.4. O gerador de relutância variável (GRV). 34. Um sistema de acionamento t´ıpico para o gerador de relutância variável é mostrado na Figura 2.6. Esta estrutura de acionamento do GRV consiste em um conversor e um sistema de controle em malha fechada, visto que o GRV é instável para opera¸caõ em malha aberta [5]. O conversor da Figura 2.6 está representado para acionamento de apenas uma fase do GRV. O GRV pode alimentar a carga diretamente como mostrado na Figura 2.6 ou enviar a energia para a rede elétrica utilizando outro conversor eletrônico de potência.. Figura 2.6: Sistema de acionamento de um GRV.. 2.4.1. Acionamento do GRV. O acionamento básico do GRV funciona em duas etapas : excita¸caõ e gera¸caõ. A etapa de excita¸caõ é realizada quando um das fases do GRV é submetida à tensão de excita¸caõ, o que provoca a passagem de uma corrente crescente através do enrolamento desta fase. O ângulo do rotor em que é iniciada a magnetiza¸caõ é definido como ângulo de liga¸caõ (θon ). Na gera¸caõ a corrente passa da fase do GRV para a carga. O ângulo em que é iniciada a gera¸caõ é definido com angulo de desligamento (θof f ). A cada per´ıodo de excita¸caõ a tensão de excita¸caõ transfere energia para o campo magnético da fase correspondente. No per´ıodo de gera¸caõ essa energia flui para a carga em conjunto com a parcela resultante da conversão da energia mecânica em elétrica [1, 6, 15]. O conversor responsável por acionar o GRV deve ser capaz de aplicar tensão elétrica nas fases da máquina individualmente e criar um caminho para que a energia gerada possa ser captada. A excita¸caõ do GRV pode ser realizada de duas formas: excita¸caõ independente ou auto-excita¸caõ. A excita¸caõ independente utiliza uma fonte de corrente cont´ınua para obter a energia utilizada para excita¸caõ do GRV. Esta forma de excita¸caõ torna o controle do GRV mais simples. A excita¸caõ independente também reduz o ripple de corrente no barramento de gera¸caõ, diminuindo o capacitor de filtro do elo de corrente cont´ınua. Diversos trabalhos estudam o comportamento do GRV operando com excita¸caõ indepen-.

(35) 2.4. O gerador de relutância variável (GRV). 35. indutância, corrente motor. gerador. Ipico L max. L min Ɵon excitação. Ɵoff. geração. Figura 2.7: Per´ıodo de excita¸caõ (durante derivada negativa da indutância) e gera¸caõ para uma fase do GRV. dente [10, 13, 14]. A necessidade de uma fonte externa que possa magnetizar o GRV é o principal empecilho para utiliza¸caõ deste método pois aumenta o pre¸co do sistema e diminui o rendimento devido às perdas na fonte de excita¸cão. Na opera¸caõ auto-excitada uma excita¸caõ inicial é requerida para o funcionamento do controle do GRV. Geralmente a excita¸caõ inicial é fornecida por uma fonte externa (por exemplo, uma bateria ) até que o capacitor do elo cc seja carregado. Outra forma de auto excita¸caõ consiste em adicionar imãs permanentes que criam um fluxo inicial capaz de magnetizar o GRV no in´ıcio da opera¸caõ [16–19]. Após a etapa inicial o capacitor do elo cc passa a excitar as fases do GRV. O capacitor também tem a fun¸caõ de estabilizar a tensão entregue à carga. Pode-se criar um estágio de regenera¸caõ e repor a energia de uma bateria utilizada para excita¸caõ inicial das fases.. 2.4.2. Modos de controles e acionamentos do GRV. Realiza-se o controle do GRV por meio do acionamento das chaves do seu conversor eletrônico de potência. Os requisitos para o controle do GRV dependem de cada aplica¸caõ. As grandezas que permitem controlar a potência gerada pelo GRV são o per´ıodo de excita¸caõ (θon , θof f ), a velocidade de opera¸caõ e a tensão de excita¸caõ [12]. Quando a carga está conectada diretamente ao conversor é necessário fornecer uma tensão elétrica controlada à carga. Caso ocorra varia¸caõ na carga o controle deve atuar sobre as grandezas supracitadas a fim de manter a tensão gerada constante. Este controle é conhecido como controle de tensão de barramento do GRV. Em aplica¸co˜es em que se deseja gerar a máxima potência poss´ıvel é desejável controlador a potência gerada pelo GRV [20, 21]. As principais aplica¸co˜es deste tipo de controle são em gera¸caõ eólica e em geradores acionados por turbinas a vapor. Observa-se que,.

(36) 2.4. O gerador de relutância variável (GRV). 36. neste caso, o GRV não está conectado diretamente com a carga e, sim com outro conversor de potência que é responsável por processar a energia oriunda do GRV, podendo este conversor enviar a energia gerada para a rede elétrica ou mesmo armazenar a energia em baterias. Formas de acionamentos do GRV O fluxo magnético do gerador de relutância variável não é constante e deve ser estabelecido a cada per´ıodo de chaveamento. Na opera¸caõ como gerador, o fluxo magnético deve ser estabelecido quando os polos do rotor estão se desalinhando dos polos do estator. O processo de chaveamento é controlado pelos ângulos de energiza¸caõ θon e de desligamento θof f . O acionamento do GRV pode ser acionado basicamente por três modos [22, 23]: opera¸caõ através de modula¸caõ por largura de pulso (MLP), regulador de corrente por histerese e opera¸caõ a pulso u ńico. Acionamento via MLP de tens˜ ao Esta forma de acionamento do GRV é geralmente utilizada para opera¸caõ em baixas e médias velocidades. Durante a opera¸caõ, pulsos de tensão são aplicados nas fases do GRV de forma a manter a corrente constante durante o per´ıodo de magnetiza¸caõ. Um controlador regula a modula¸caõ PWM. Na Figura 2.8(a) ilustra-se esta forma de acionamento. Acionamento via regulador histerese de corrente Esta forma de acionamento também é utilizada para opera¸co˜es em médias e baixas velocidades. O acionamento por histerese apresenta melhor resposta do que o controle PWM devido à não linearidade do GRV afetar o desempenho do controlador PI durante a opera¸caõ do GRV [21]. A Figura 2.8(b) ilustra esta forma de acionamento. O controle por histerese atua nas chaves do conversor do GRV de acordo com a corrente da fase acionada. Ambas as chaves do conversor são acionadas em θon até que a corrente da fase aumente até o valor superior da histerese. Quando ambas as chaves são desligadas a corrente elétrica flui pelos diodos até o momento em que se torna menor do que o n´ıvel m´ınimo de histerese em que as chaves são novamente ligadas. A partir desse momento a corrente elétrica come¸ca a aumentar até atingir o valor máximo da histerese. Este ciclo se repete até o ângulo θof f ..

(37) 2.4. O gerador de relutância variável (GRV). 37. Acionamento por pulso u ´ nico Em altas velocidades a for¸ca contra eletromotriz induzida atinge valor maior do que a do barramento de corrente cont´ınua fazendo com que a corrente continue crescendo depois da abertura das duas chaves do conversor eletrônico. Isto impossibilita o controle por histerese e por MLP [12,24]. Neste caso apenas um pulso u ńico é aplicado no intervalo (θon -θof f ). Na Figura 2.8(c) apresenta-se o acionamento por pulso u ńico. indutância da fase. L max vcc L min. corrente na fase. Ɵon. Ɵoff. Ɵ tensão na fase. -vcc (a) indutância da fase. L max vcc. i max i min. L min corrente na fase. Ɵon. Ɵoff. Ɵ tensão na fase. -vcc (b) indutância da fase. L max. vcc I max. L min corrente na fase. Ɵon. Ɵoff. Ɵ tensão na fase. -vcc (c). Figura 2.8: a) Acionamento por MLP de tensão. b)Regulador por histerese de corrente. c)Acionamento por pulso u ńico..

(38) 2.5. Estado da arte sobre o GRV. 2.5. 38. Estado da arte sobre o GRV. A seguir realiza-se uma revisão sobre os principais trabalhos que tratam sobre o GRV. Os principais empecilhos para a utiliza¸caõ do GRV são as oscila¸co˜es de torque, os ru´ıdos sonoros, a necessidade de sensores de posi¸caõ, as necessidades de controles robustos para uma ampla faixa de velocidade e a ausência de procedimentos para projetos eletromagnéticos. São grandes os esfor¸cos para a mitiga¸caõ destes empecilhos [11]. No diagrama da Figura 2.9 apresenta-se uma visão sobre os principais tópicos estudados sobre o GRV, enfatizando-se os estudos sobre a gera¸caõ eólica, tema principal deste trabalho. A seguir descrevem-se os principais trabalhos deste escopo de pesquisa.. Figura 2.9: Principais tópicos estudados sobre a opera¸cão do GRV.. 2.5.1. Modelagem. A eficiência das simula¸co˜es está inteiramente relacionada com a precisão do modelo matemático utilizado. Assim, o modelo matemático deve reproduzir fielmente o comportamento das grandezas do sistema em simula¸caõ. Devido às saliências duplas e ao fato de operar geralmente na região de satura¸caõ magnética, o GRV tem caracter´ısticas altamente não lineares que dificultam o projeto e o desenvolvimento de controles visto que não é poss´ıvel representá-lo por um modelo linear eficiente [25]. Diversos modelos não lineares vêm sendo estudados e são de fundamental importância para viabilizar os estudos de novas técnicas de controle, projeto e estima¸caõ de velocidade dos GRVs [26–28]. Para modelar o comportamento elétrico e mecânico do GRV é preciso obter as curvas de magnetiza¸caõ Φ(I, θ). As curvas de magnetiza¸caõ Φ(I, θ) são não lineares devido ao.

(39) 2.5. Estado da arte sobre o GRV. 39. fato que o GRV opera principalmente na região de satura¸caõ [6, 29]. Estas curvas podem ser obtidas, sobretudo de três maneiras : calculadas por elementos finitos, constru´ıdas através de aproxima¸co˜es anal´ıticas ou por medi¸co˜es experimentais. Quando as caracter´ısticas e dimensões f´ısicas do GRV estão dispon´ıveis é poss´ıvel utilizar o método de elementos finitos para construir as curvas de magnetiza¸caõ. Entretanto, para realizar os cálculos por elementos finitos são necessários alguns detalhes construtivos da máquina como: dimensões das diversas partes da máquina e do entreferro, caracter´ısticas magnéticas do material e o n´ umero e as dimensões das espiras do enrolamento do estator. Isto torna este método de dif´ıcil realiza¸caõ para casos em que não se tem os dados do projeto da máquina [30–32]. Quando o objetivo é projetar o conversor e sistemas de controles básicos ou quando apenas os dados básicos do GRV são dispon´ıveis é conveniente determinar as curvas de magnetiza¸caõ por meio de expressões anal´ıticas. Em [33, 34] apresentam-se algumas fun¸co˜es que calculam as curvas de magnetiza¸caõ do GRV de forma aproximada. Em [26, 27] utilizam-se lógica fuzzy ou redes neurais inteligentes para calcular as caracter´ısticas magnéticas e modelar matematicamente a MRV. Outra forma é a de obter as equa¸co˜es que relacionem I(Φ, θ) a partir de dados de ensaios experimentais. Dos modelos anal´ıticos destacam-se os métodos utilizados por [28] em que se utiliza uma expansão em série de Fourier para representar as equa¸co˜es necessárias para simular o GRV. As curvas de magnetiza¸caõ do GRV mais precisas podem ser obtidas por meio de ensaios experimentais. Nestes testes são obtidas as curvas de magnetiza¸caõ para posi¸co˜es diferentes do rotor. Lookup-tables (tabelas de buscas) e redes neurais são geralmente utilizadas para realizar os modelos do GRV [25, 35]. Estes modelos são desenvolvidos com as curvas de magnetiza¸caõ Φ(I, θ). Um n´ umero grande de curvas é necessário para realiza¸cão destes modelos [36]. O n´ umero de curvas obtidas por ensaios experimentais é limitado devido à precisão e ao tempo de execu¸caõ do ensaio. Portanto, um processamento matemático é geralmente utilizado para obter um n´ umero maior de curvas de magnetiza¸caõ. Em [37–39] equa¸co˜es anal´ıticas foram desenvolvidas para obter as curvas de magnetiza¸caõ intermediárias às constru´ıdas com dados de ensaios. Em [36, 40, 41] apresentam-se métodos para obter as curvas de magnetiza¸caõ rapidamente a partir poucos ensaios experimentais. Estes métodos são recomendados para aplica¸co˜es em que não é poss´ıvel bloquear o eixo do GRV. Entretanto, estes métodos têm menor precisão do que o método de bloquear o rotor em diversas posi¸co˜es [29, 30]. Devido à simplicidade, precisão e velocidade de computa¸cão a utiliza¸caõ de lookup-table é.