Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018
Gabriela Rangel Guarabira1 Luiz Bizerra de Aguiar2
RESUMO
Este artigo apresenta alguns aspectos básicos sobre máquinas assíncronas utilizadas na geração de energia eolioelétrica. O aumento crescente da demanda de energia elétrica tem requerido soluções alternativas para produção de eletricidade em grande escala, dentre elas a energia eólica, com avanços tecnológicos significativos para sua integração aos sistemas de potência. O artigo analisa os desenvolvimentos atuais, com ênfase para o uso da máquina assíncrona ou de indução duplamente alimentada, com circuitos conversores duplos que utilizam um conversor do lado da rede e outro do lado do rotor. São feitas comparações entre as tecnologias para essa geração e apresentados os modos de controle dos geradores eólicos, com a utilização de dispositivos da eletrônica de potência e análise com simulações.
PALAVRAS-CHAVE: Energia eólica. Eolioelétrica. Gerador assíncrono. Gerador de
indução.
ABSTRACT
This article presents some basic aspects about asynchronous machines used in the generation of eolioelectric energy. The growing increase in demand for electricity has required alternative solutions for large-scale electricity production, among them wind energy, with significant technological advances for its integration into power systems. The article analyzes the current developments in this regard, with emphasis on the use of the asynchronous or double-fed induction machine, with dual converter circuits, which uses a converter on the network side and another on the side of the rotor. Comparisons are made between the technologies for this generation and the control modes of wind generators are presented, with the use of power electronics devices and analysis with simulations.
KEYWORDS: Wind energy. Eolioelectric. Asynchronous generator. Induction
generator.
1 Graduanda em Engenharia Elétrica, pela Faculdade Área1 Wyden. E-mail: gabirangel1@hotmail.com 2 M.Sc. em Engenharia Elétrica, Professor da Faculdade Área1 Wyden. E-mail: laguiar3@area1.edu.br
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1 INTRODUÇÃO
1.1 CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES
A energia elétrica é produzida, quase sua totalidade, através de geradores síncronos, principalmente nas usinas hidroelétricas e termoelétricas. Outras formas alternativas têm sido consideradas com geradores síncronos, mas também com geradores assíncronos, como no caso das usinas eolioelétricas.
Os geradores assíncronos, ou de indução, estiveram em uso desde o início do século XX, mas, “nas décadas de 1960 e 1970, eles deixaram de ser usados em grande escala. Entretanto, o gerador de indução ressurgiu com a crise do preço do petróleo de 1973” (CHAPMAN, 2013, p. 391). Devido à crise do setor energético, foram desenvolvidas soluções mais rentáveis para geração de energia elétrica, diante da expansão da demanda requerida.
Muitas fontes de energia renovável passaram a ser mais utilizadas como solução para um novo modelo de matriz energética global, sendo a energia eólica muito importante nesse contexto. Propor o uso da máquina assíncrona com rotor de anéis duplamente excitado é uma solução viável em sistemas de geração mais modernos visto que, devido a aspectos construtivos e de funcionamento, são a de melhor adequação para aplicação em parques eólicos, com potências que ultrapassam 1000 kW. Vários trabalhos têm sido desenvolvidos nessa área, a exemplos de dissertações e teses indicadas nas referências.
Geralmente as máquinas assíncronas são empregadas como motores, devido a boa relação custo-benefício em sua aplicabilidade. Porém, empregadas como geradores, torna-se necessário o controle da potência para que, com variações na rotação do eixo, seja possível manter estáveis a frequência e a tensão geradas, considerando, inclusive, a energia reativa necessária.
Diversas publicações foram consultadas como base para este trabalho, destacando-se os aspectos básicos em livros, como FITZGERALD (2006), CHAPMAN (2013) e KOSOV (1982), em dissertações, como BERNARDO (2013), sobre modelos de turbinas eólicas,
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 e CAMPOS (2004), sobre gerador assíncrono conectado a um conversor estático duplo, e em teses, como SALLES (2009), sobre modelagem e análises de geradores eólicos e VOLTOLINI (2007), sobre modelagem e controle de geradores de indução duplamente alimentados
1.2 OBJETIVO
Este artigo objetiva apresentar alguns aspectos básicos sobre os geradores assíncronos normalmente utilizados na geração da energia elétrica a partir da energia eólica, em outras palavras, a energia eolioelétrica, descrevendo suas características a fim de justificar a viabilidade para essa aplicação. Apresenta alguns elementos sobre a energia eólica e o aeorogerador, as configurações mais utilizadas para a geração de energia elétrica, detalha a máquina trifásica de indução no contexto de geração eólica e trata do sistema de controle para a máquina de indução duplamente alimentada com escovas, fazendo comparações com o tipo correspondente sem escovas. O artigo resulta do trabalho de conclusão de curso, conforme (GUABIRABA, 2016).
2 PRESSUPOSTOS BÁSICOS
Nos estudos da geração eólica são considerados alguns pressupostos básicos, tanto em relação à fonte primária, a energia eólica, quanto aos geradores de energia elétrica.
2.1 ENERGIA EÓLICA
A energia eólica é uma das formas de energia cuja utilização está em franco desenvolvimento para a produção da energia elétrica. Inicialmente, neste trabalho, apresenta uma breve visão do cenário energético atual, seguindo-se dos aspectos básicos dos aerogeradores e suas características principais.
2.1.1 Cenário Energético
A primeira turbina eólica comercial ligada à rede elétrica pública foi instalada em 1976, na Dinamarca. Atualmente há mais de 30 mil turbinas eólicas em operação no mundo. Há
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 uma forte tendência de expansão desse tipo de energia devido a sua grande viabilidade. A energia hidrelétrica é muito significativa na matriz energética de vários países e possui o inconveniente de utilizar grandes áreas impactadas ambientalmente, além de ter sua oferta diminuída em períodos de seca. Dados da Resenha Energética do Ministério de Minas e Energia enfatizam o aumento da demanda por energia eólica no Brasil, com redução relativa de energia hidrelétrica, conforme mencionado a seguir:
Em 2015, a Oferta Interna de Energia Elétrica (OIEE) ficou em 615,9 TWh, montante 1,3% inferior ao de 2014 (624,3 TWh) – crescimento de 2,1% em 2014. Por fonte, merecem destaque os aumentos de 77,1% na oferta por eólica, de 7,1% por lixívia e outras bioenergias, e de 5,8% por bagaço de cana. As ofertas por óleo fóssil e gás natural recuaram 19,0% e 2,0%, respectivamente. A supremacia da geração hidráulica ficou menos acentuada em 2015, ficando com 64,0% na estrutura da OIEE (incluindo a importação de Itaipu), contra os 65,2%, verificados em 2014, e 70,6% em 2013 (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2016, p. 6).
2.1.2 Componentes Básicos do Aerogerador
Normalmente os aerogeradores apresentam as seguintes partes ou componentes:
Turbina – É o próprio aerogerador ou, segundo alguns autores, apenas a estrutura referente às pás e ao eixo;
Torre – Base que possui a função de sustentar o aerogerador na altura apropriada para fazer a captação dos ventos;
Pás – Estrutura onde é feita a captação da energia do vento, bem como a transferência dela para o eixo da turbina; os aerogeradores mais modernos apresentam três pás com diâmetro que varia de 20 a 130 m;
Cubo (Hub) – Peça de fixação entre as pás e o rotor de baixa rotação do aerogerador;
Multiplicador de velocidade (gearbox) – Realiza o acoplamento do rotor de baixa rotação ao rotor do gerador (alta rotação), elevando a rotação do primeiro para uma faixa de velocidade compatível com a máquina geradora;
Gerador elétrico – Máquina que é responsável em converter a energia mecânica do movimento das pás em energia elétrica;
Controle eletrônico – Formado por um controlador eletrônico responsável pelo constante controle do gerador elétrico e de mecanismos como controle de potência
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 ativa e reativa entregue à rede, ajuste de direção do aerogerador e controle de passo (pitch control), entre outros;
Nacele – Carcaça que envolve o gerador e a caixa multiplicadora;
Eixo – Estrutura responsável por transferir a energia de rotação para o gerador. Normalmente a configuração básica dos aerogeradores de média e alta potência é composta de turbinas eólicas de eixo horizontal, três pás com controle de passo (pitch
control) e são sustentadas por uma torre tipo tubular. O seu aspecto visual é mostrado na
Figura 1.
Figura 1. Componentes de uma turbina eólica.
Fonte: Adaptados pelos autores (2016).
2.1.3 O Vento e suas Características
O vento é um fluido composto de mistura de gases, da ordem de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 0,03% de gás carbônico, principalmente com influência da incidência desigual dos raios solares e dos movimentos de translação e rotação da Terra. Varia de acordo com a latitude local, pois os raios solares incidem perpendicularmente na Linha
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 do Equador e, quanto mais próximos das zonas polares, menores são seus ângulos bem como a sua incidência, com a proximidade ou não de montanhas e mares, já que a água possui uma capacidade de armazenamento de calor diferente da terra, além das estações do ano, influenciada pela translação da Terra.
Os parques eólicos, portanto, possuem locais mais apropriados para sua instalação e os fatores envolvidos devem ser analisados. A velocidade mínima do vento na qual o conteúdo energético justifica seu aproveitamento para a geração de energia elétrica é da ordem de 𝑉0 = 2,5 𝑚/𝑠, mas, usualmente, a velocidade indicada por fabricantes está em torno de 5,5 a 7 𝑚/𝑠. Num projeto de instalação de um sistema eólico são necessários estudos da frequência e velocidade dos ventos, com tratamento estatístico dos dados e obtenção de curvas frequência versus velocidade dos ventos. Não havendo disponibilidades de dados reais, as velocidades podem ser obtidas a partir da velocidade média do vento, fundamentada em modelagem matemática.
A energia cinética captada pelo conjunto de pás do aerogerador, decorrente do movimento das massas de ar, é dada pela fórmula 𝐸 = 𝑚𝑣 2, onde m é a massa de ar e v é a velocidade, sendo m = vol (volume de certa quantidade de ar) x 𝜌 (densidade do ar). Essa energia é convertida em energia mecânica de rotação. O eixo do rotor do aerogerador aciona o eixo do gerador elétrico que converte parte dessa energia mecânica em energia elétrica. A Figura 2 ilustra um modelo utilizado na análise dos ventos para geração de energia.
Figura 2. Volume de ar no cilindro, com superfície 𝑆 (𝜋𝑅2) e comprimento L.
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 Considerando L como comprimento percorrido pela massa de ar, dado que o volume é a área S que a hélice da pá realiza o movimento circular multiplicado pelo comprimento L, pode-se escrever a equação:
𝐸 = 12・ 𝑆 ・ 𝐿 ・ 𝜌 ・ v 2
A potência P é a derivada da energia E no domínio do tempo e a velocidade v é a derivada do comprimento L, obtém-se o modelo aproximado para a potência gerada em um sistema eólico, incluindo as perdas:
𝑃 = 12・ 𝐶𝑝 ・ 𝜋 ・ 𝑅 2 ・ 𝜌 ・ v 3
O valor 𝐶𝑝 é o coeficiente aerodinâmico da potência do rotor, cujo valor máximo é 0,59, sendo normalmente utilizado 0,45. Esse coeficiente teórico relaciona a energia cinética total do ar que passa pela área do círculo de R com a energia realmente captada pela turbina. Para cada turbina há um valor determinado, pois depende da aerodinâmica das lâminas da hélice, do tipo de controle empregado à turbina e dos valores instantâneos de velocidade do vento e da rotação da turbina; 𝜌 é a massa específica do ar, que a 15oC e ao nível do mar corresponde a 1,225 kg/m3.
Outro parâmetro importante a considerar no cálculo da potência da turbina é o fator de capacidade que é, basicamente, a capacidade da instalação para cada 1 kW instalado. Tomando-se, como exemplo, uma instalação de 1 kW, com a velocidade do vento mantendo-se constante em 15 m/s ao longo do ano, possui o fator de capacidade igual a
1 e outra instalação com a mesma potência instalada passa metade do ano com velocidade
do vento em 30 m/s e a outra metade em 0 m/s. A segunda instalação possui a mesma velocidade média que a primeira 15 m/s, embora seu fator de capacidade seja de 0,5, pois ela só funciona em 50 % do tempo. Devido à própria característica do vento, o fator de capacidade de um sistema eólico nunca será de 1.
2.2 MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS
Na geração eolioelétrica são utilizadas máquinas rotativas. São considerados nesta análise alguns aspectos gerais sobre os geradores, síncronos e assíncronos, com destaque para os assíncronos ou de indução, com os correspondentes circuitos equivalentes utilizados.
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2.2.1 Aspectos Gerais
A máquina rotativa converte a energia mecânica em elétrica, quando empregada como gerador, e o contrário ocorre caso a mesma trabalhe como motor. De acordo com Fitzgerald:
A conversão eletromagnética de energia surge quando há variações no fluxo concatenado 𝜆 oriundos do movimento mecânico. Nas máquinas rotativas, as
tensões são geradas nos enrolamentos ou grupos de bobinas quando estes giram mecanicamente dentro de um campo magnético, ou quando um campo magnético gira mecanicamente próximos aos enrolamentos, ou ainda quando o circuito magnético é projetado de forma que a relutância varie com a rotação do rotor. Por meio desses métodos o fluxo concatenado em uma bobina específica é alterado ciclicamente e uma tensão variável no tempo é gerada (FITZGERALD, 2006, p. 174).
As máquinas de corrente contínua (CC) podem operar com alimentação de corrente contínua, no caso de motor, ou produzir esse tipo de corrente, sendo gerador; geralmente o campo fica no estator e a tensão principal no rotor. Nas máquinas de corrente alternada (CA), a alimentação é em corrente alterada, no caso de motor ou produzida, esse tipo de corrente, sendo gerador; geralmente o campo fica no rotor e a tensão principal no estator.
As máquinas de corrente alternada são síncronas e assíncronas. As máquinas síncronas apresentam sincronismo entre a velocidade do rotor e a frequência da tensão principal. As assíncronas não possuem esse sincronismo, visto que a tensão e corrente no rotor é induzida nos seus enrolamentos, que são curto-circuitados. Uma máquina de indução não dispõe de campo excitado por corrente contínua, como na máquina síncrona, e apresenta uma rotação diferente da síncrona, portanto com um escorregamento.
Normalmente as estruturas das máquinas são constituídas de aço de alta permeabilidade que maximiza o acoplamento entre as bobinas e aumenta a densidade de energia magnética, e na sua construção, considera-se a redução das perdas por correntes parasitas e histerese.
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2.2.2 Máquina Assíncrona ou de Indução
Em termos de estrutura, o estator da máquina de indução é semelhante ao da máquina síncrona; a diferença ocorre em aspectos construtivos no rotor. Ao ser excitada por uma fonte equilibrada polifásica, um campo magnético é produzido no entreferro da máquina girando na velocidade síncrona, determinada pelo número de polos do estator e pela frequência aplicada ao estator. Há duas configurações de rotor para essa máquina: bobinado ou gaiola de esquilo.
A diferença básica em relação a máquina síncrona é que não necessitam excitar o enrolamento de campo do rotor com alimentação contínua. As correntes surgem no rotor através de indução eletromagnética proveniente do campo girante do estator. Nesse caso, o rotor é movimentado através de uma corrente proveniente do estator, a máquina funciona como motor.
O rotor bobinado possui um conjunto de enrolamentos polifásicos, semelhantes aos enrolamentos do estator, usualmente conectados em ligação estrela (Y) e suas três terminações são conectadas aos anéis deslizantes do eixo. De maneira relativa, essas máquinas são incomuns, embora haja aplicações especiais em que sua utilização é favorável. Os enrolamentos do rotor são curto-circuitados através das escovas apoiadas nos anéis deslizantes do eixo.
Por meio da Figura 3 é possível ter-se uma visão geral dessa máquina assíncrona.
Figura 3. Máquina assíncrona de rotor bobinado.
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 As máquinas que possuem o rotor em gaiola de esquilo, disponível na Figura 4, são constituídas de barras condutoras que ficam alojadas em ranhuras de ferro presentes na superfície do rotor. Essas barras são curto-circuitadas em ambos os lados por anéis condutores.
Figura 4. Rotor gaiola de esquilo.
Fonte: Chapman (2013, p. 308).
Devido à simplicidade de construção, as máquinas de indução com rotor gaiola de esquilo são as mais utilizadas, e seu emprego vai de aplicações de pequena à alta potência. O rotor bobinado apresenta desvantagem também em relação ao custo com a manutenção, devido ao frequente desgaste das escovas e anéis deslizantes.
Considerando a velocidade síncrona do estator em rpm e a velocidade assíncrona do rotor da máquina de indução, o escorregamento s é um fator para mensurar quanto da velocidade do rotor é diferente da velocidade do estator, expresso por:
𝑠 = (𝑛𝑠 – 𝑛) /𝑛𝑠 Daí resulta a velocidade do rotor:
𝑛 = (1 − 𝑠) 𝑛𝑠
Em termos da velocidade angular mecânica da máquina 𝜔𝑚 e da velocidade síncrona 𝜔𝑠, em rad/s ou em Hz, tem-se:
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 A frequência do rotor 𝑓r representa uma fração da frequência do estator 𝑓s, em rpm, dada por:
𝑓𝑟 = 𝑠 𝑓s
A máquina de indução comporta-se de modo similar a um transformador, porém possui movimento relativo entre os enrolamentos do estator e do rotor. Durante a partida, o rotor está parado (n = 0), o escorregamento é unitário (s = 1) e a frequência do rotor é igual à frequência do estator, produzindo um conjunto de partida que faz o rotor tender a girar no sentido da rotação de campo de indução do estator. Se esse conjugado for suficiente para superar a oposição à rotação criada pela carga no eixo, então, o motor atingirá a sua velocidade de operação. Essa velocidade não pode ser a mesma que a velocidade síncrona, porque os condutores do rotor estariam estacionários em relação ao campo do estator, e nenhuma corrente seria induzida neles e, consequentemente, não haveria conjugado (FITZGERALD, 2006).
O conjugado produzido pela máquina é dado pela expressão:
𝑇 = −𝐾𝐼𝑟𝑠𝑒𝑛𝛿𝑟
Em que K é uma constante 𝛿𝑟 é o ângulo que indica de quanto a onda de FMM do rotor está adiantada em relação à onda resultante de FMM no entreferro e 𝐼𝑟 é a corrente no rotor, que é igual ao negativo da tensão induzida pelo fluxo de entreferro dividida pela impedância do rotor, ambas na frequência de escorregamento. Essa corrente tem sentido que desmagnetiza o fluxo do entreferro, sendo, por isso, utilizado o sinal negativo.
A curva característica de conjugado versus velocidade para a máquina de indução é mostrada na Figura 5; quando um motor de indução é acionado por uma máquina motriz externa com uma velocidade superior a velocidade síncrona, inverte-se o sentido do seu conjugado induzido e a máquina funcionará como gerador. O aumento do conjugado aplicado ao seu eixo é proporcional ao aumento da potência produzida pelo gerador de indução (CHAPMAN, 2013).
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Figura 5. Curva característica de conjugado versus velocidade.
Fonte: Chapman (2013, p. 337).
O gerador de indução não é capaz de produzir potência reativa, pois não possui um circuito de campo separado. Ele consome potência reativa e, portanto, uma fonte externa de potência reativa deve ser ligada permanentemente a ela para manter o campo magnético em seu estator.
Essa fonte externa de potência reativa também é responsável por controlar a tensão de terminal do gerador sem corrente de campo, um gerador de indução não pode controlar sua própria tensão de saída.
A Figura 6 possui um esquema elétrico, que mostra o gerador conectado a um banco de capacitores para o fornecimento de potência reativa.
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Figura 6. Gerador de indução com um banco de capacitores para fornecer potência reativa.
Fonte: Chapman (2013, p. 389).
2.2.3 CIRCUITO EQUIVALENTE DA MÁQUINA ASSÍNCRONA
O circuito equivalente. na Figura 7, esquematiza uma das três fases da máquina de indução para determinar algumas de suas características em regime permanente.
Figura 7. Circuito equivalente da máquina assíncrona.
Fonte: Elaborado pelos autores (2016).
𝑉𝜑 = Tensão de fase de terminal do estator.
E2 = FCEM (de fase) gerada pelo fluxo de entreferro resultante.
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R1= Resistência efetiva no estator.
X1 = Reatância de dispersão no estator.
R2 = Resistência no rotor referido.
X2 = Reatância de dispersão no rotor referido.
Rc = Resistência de perdas no núcleo.
XM = Reatância de magnetização.
I2 = Corrente de excitação.
IM = Corrente no rotor.
A potência total Pg transferida através do entreferro desde o estator é: 𝑃𝑔 = 𝑛fases 𝐼22 𝑅2 / 𝑠
Em que nfases = número de fases do estator (normalmente igual a 3 por ser trifásico). No rotor tem-se para a máquina trifásica:
𝑃rotor = 3 𝐼2 2 𝑅2
Por fim, a potência mecânica do eixo é de fato a potência capaz de realizar trabalho é obtida através da subtração da potência do rotor e do entreferro:
𝑃mec = 𝑃𝑔 – 𝑃rotor
Como a potência do rotor é dada por:
𝑃rotor = s 𝑃𝑔
Obtém-se:
𝑃mec = (1 − 𝑠) 𝑃𝑔
Essa expressão indica a potência mecânica como um percentual da potência gerada, através do fator (1-s).
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3 TECNOLOGIAS APLICADAS NA GERAÇÃO EOLIOELÉTRICA
Devido à característica da velocidade variável do vento, a turbina eólica não é capaz de transformar a energia do vento em energia mecânica do eixo a rotação constante. Em razão dessa característica é necessário implementar um grupo gerador elétrico capaz de entregar energia elétrica a rede com frequência constante. Portanto, é possível classificar as turbinas eólicas pela sua capacidade de controle de velocidade, podendo serem classificadas em quatro tipos predominantes, sendo:
Gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo – sistema de velocidade fixa; Gerador de indução com rotor bobinado e resistências rotóricas – sistema de
velocidade variável;
Gerador de indução duplamente alimentado – sistema de velocidade variável; Gerador síncrono de velocidade variável – sistema de velocidade variável. Ao estudar o comportamento do vento, questiona-se qual o tipo de gerador mais adequado para ser empregado. Geralmente as máquinas síncronas são perfeitas quando utilizadas como gerador, mas a fonte de energia em questão possui um comportamento bastante irregular, o que inviabilizaria seu uso porque não haveria uma rotação fixa no eixo desse gerador. Para máquinas de corrente contínua também sem viabilidade devido ao alto custo de manutenção e fabricação, além de haver pouca literatura a respeito do seu emprego nesse tipo de geração. Tomando como base os fundamentos apresentados, é possível observar que a máquina assíncrona é a mais pertinente para geração eolioelétrica.
3.1 GERADOR CONECTADO DIRETAMENTE À REDE ELÉTRICA OPERANDO COM VELOCIDADE FIXA
O esquema de grupo eólico-elétrico pode ser constituído tanto por um gerador assíncrono como por um gerador síncrono, conforme pode ser ilustrado esquematicamente através da Figura 8:
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Figura 8. a) Gerador assíncrono de gaiola; b) Gerador síncrono com excitação independente.
Fonte: Rüncos et al. (2005, p. 4).
Em ambos os tipos, a velocidade de rotação fica acima da rotação da turbina, isso exige um multiplicador de velocidade de vários estágios, normalmente. Comparando ao gerador assíncrono gaiola de esquilo, o síncrono é o mais rígido, pois deve trabalhar com rotação constante, exigindo sincronização com a rede e não permitindo regulação de velocidade. Em contrapartida, o gerador assíncrono permite uma pequena variação de velocidade devido ao escorregamento, fazendo com que o grupo seja um pouco mais flexível. Essa flexibilidade é praticamente desprezível, visto que os valores de escorregamento normalmente são menores que 5%; como medida a ser tomada para aumentar essa faixa de variação de velocidade é aplicar um gerador assíncrono de gaiola com duplo enrolamento no estator com polaridades diferentes.
O grupo assíncrono demanda o uso de um sistema de compensação de reativos, enquanto o grupo síncrono compensa os reativos na excitação independente. Essa configuração aplica-se a potências de até 1 MW, em regiões onde a velocidade dos ventos é razoavelmente constante. As vantagens do grupo assíncrono são ser robusto, ter menor custo e não emitir componentes harmônicos para a rede. Ambos apresentam baixa eficiência na transformação da energia devido a sua rigidez, no que se refere a regulação de velocidade.
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 3.2 GERADOR CONECTADO À REDE ELÉTRICA ATRAVÉS DE UM
CONVERSOR
Nessa configuração, o grupo eólico-elétrico pode ser constituído de um gerador
assíncrono ou um gerador síncrono, conforme mostrado esquematicamente na Figura 9.
Figura 9. a) Gerador assíncrono de gaiola; b) Gerador síncrono com excitação independente.
Fonte: Rüncos et al. (2005, p. 5).
Ambos necessitam de um multiplicador de velocidades. O link DC do conversor desacopla o gerador da rede permitindo uma grande flexibilidade na regulação de velocidade. A configuração apresenta uma boa eficiência na transformação de energia quando comparada com a do grupo comentado na solução anterior. Na solução do grupo eólico-elétrico, o gerador assíncrono também é vantajoso em relação a robustez e menor custo em relação ao síncrono.
O gerador síncrono compensa os reativos através da excitação, enquanto os reativos necessários para excitar o gerador assíncrono provêm do conversor, não exigindo banco de capacitores adicional. Nos dois casos, o conversor CA/CA apresenta custo elevado, já que toda a potência do grupo eólico-elétrico passa para a rede através do conversor. Com essa configuração, não há limite de potência devendo-se respeitar apenas a critérios técnicos e econômicos.
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 3.3 GERADOR ASSÍNCRONO DUPLAMENTE ALIMENTADO
O primeiro protótipo de uma turbina eólica do porte superior a 3 MW utilizando o gerador de indução com dupla alimentação, começou a ser projetado no final da década de 1970, porém, devido a dificuldades construtivas, essas máquinas não puderam ser logo empregadas.
Essa máquina é mais complexa quando comparada com a de rotor gaiola de esquilo pois, além do enrolamento trifásico no estator, possui enrolamento trifásico no rotor e anéis coletores no eixo para acesso aos enrolamentos através das escovas de carbono. Portanto, o modelo matemático do gerador assíncrono duplamente alimentado é equivalente ao modelo de uma máquina assíncrona com rotor em gaiola de esquilo, com a diferença de que no gerador duplamente alimentado a tensão no rotor não é nula, pois seus enrolamentos não estão curtos-circuitados, o que permite controlar as correntes rotóricas.
Para essa modelagem matemática, em que se estuda o comportamento do gerador em regime transitório, utiliza-se a transformação de Park, ou seja, utiliza-se o referencial DQ, em que D refere-se ao eixo direto e Q ao eixo em quadratura da máquina.
O controle orientado por campo aplica-se às máquinas de indução através da transformada DQ0. Através da transformação, as grandezas do rotor e do estator são convertidas em um sistema de referência que gira sincronicamente. Em sistema trifásico operando em regime permanente, as grandezas de sequência zero serão nulas e as demais grandezas de eixo direto e em quadratura serão constantes. O devido equacionamento pode ser encontrado em Fitzgerald (2006).
Essa configuração é bastante adequada para a aplicação em sistemas eólicos pois, diante do que foi pesquisado e implementado, corresponde a utilizar o gerador assíncrono rotor bobinado duplamente alimentado, conectado via rotor a dois conversores estáticos em ligação back-to-back com circuito CC. A rotação da máquina restringe-se a uma faixa de 30 a 40% acima e abaixo da rotação síncrona. Portanto, o conversor da máquina tem a sua potência dimensionada para a faixa de 30 a 40% acima ou abaixo da potência nominal do gerador.
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 3.4 GERADOR ASSÍNCRONO DE ROTOR BOBINADO DUPLAMENTE
ALIMENTADO COM ESCOVAS
Há duas configurações básicas para o gerador assíncrono de rotor bobinado duplamente alimentado: com escovas - DFIG (Doubly Fed Induction Generator) e sem escovas – BDFIG (Brushless Doubly Fed Induction Generator). Na configuração DFIG, a mais usual, o grupo eólico-elétrico é constituído de um gerador assíncrono trifásico com rotor bobinado duplamente alimentado através de escovas, conforme mostrado esquematicamente na Figura 10.
Figura 10. Gerador assíncrono trifásico duplamente alimentado com escovas – DFIG.
Fonte: Rüncos et al. (2005, p. 5).
Com esse tipo de gerador é possível operar numa ampla faixa de regulação de velocidade, da ordem de +/-30 % em torno de sua rotação síncrona; sua rotação de trabalho é superior à da turbina e exige multiplicador de velocidade como nas soluções já apresentadas. Através de um conversor conectado ao circuito rotórico é possível realizar o controle de velocidade da máquina. Pela característica de boa regulação, essa solução é utilizada nas regiões onde a velocidade dos ventos é bastante variável.
Com um bom projeto do circuito rotórico, o conversor de frequência para esse grupo é dimensionado para no máximo 30% da potência do grupo, devendo ser bidirecional para permitir o fluxo de potência nos dois sentidos, isto é, do gerador para a rede e da rede para o gerador, dependendo do ponto de operação. É uma grande vantagem em termos de custos, sendo uma solução bastante competitiva. Estando o estator ligado diretamente à
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 rede é gerada uma onda senoidal pura, portanto, sem introdução de harmônicos, dispensando-se o uso de filtros. Através dessa configuração é possível gerar potências da ordem de até 5 MW, por apresentar custo inicial baixo, robustez e grande eficiência na transformação eletromecânica da energia dos ventos. Porém, como necessitam de escovas, a manutenção é onerosa.
3.5 GERADOR SÍNCRONO CONECTADO À REDE ATRAVÉS DE UM CONVERSOR SEM MULTIPLICADOR DE VELOCIDADE
Na configuração, o grupo eólico-elétrico é constituído de um gerador síncrono trifásico com excitação independente ou com rotor de ímãs permanentes, conforme mostrado esquematicamente na Figura 11.
Figura 11. Gerador síncrono: a) Com excitação independente; b) De ímãs permanentes.
Fonte: Rüncos et al. (2005, p. 6).
Ambas as configurações requerem um gerador de grande número de polos, que geram em frequência baixa e variável, de acordo com a velocidade da turbina. Esses geradores trabalham em rotação mais baixa, não exigindo um multiplicador de velocidade, mas apenas um planetário de um único estágio com menor custo de aquisição e manutenção. Na configuração a, a regulação da tensão gerada é feita através da excitação independente, enquanto que na b não é permitida a regulação da tensão gerada devido ao rotor ser de imã permanente, cuja solução apresenta maior rendimento porque as perdas no rotor são insignificantes.
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 As configurações são empregadas para potências até 5 MW, devido à grande eficiência na transformação eletromecânica da energia dos ventos e por dispensar o uso do multiplicador vários estágios de velocidade. Em contrapartida, a desvantagem é o custo inicial elevado e a necessidade de filtros para evitar ou reduzir os harmônicos provenientes do conversor.
4 CONTROLE DO GERADOR DE INDUÇÃO
Um dos aspectos mais importantes para a geração de energia elétrica através dos ventos está nos modos de controle. A seguir são analisados alguns aspectos sobre os tipos de controles, o sistema Scherbius, o conversor estático duplo e os esquemas elétricos utilizados nas simulações.
4.1 INTRODUÇÃO
Com o advento das chaves de potência de estado sólido, ou seja, através da eletrônica de potência, foi possível controlar melhor a velocidade das máquinas CA. Até final do século passado elas funcionavam com frequências fixas (50 ou 60 Hz). As aplicações que necessitavam de controle de velocidade eram solucionadas com o uso de máquinas CC, o que era dispendioso e complexo. Com a eletrônica de potência foi possível substituir máquinas CC pelas de CA.
Muitos sistemas de acionamento são provenientes de uma fonte de tensão e frequência constantes, ao passo que a saída do acionamento deve fornecer potência de tensão variável e/ou frequência variável da máquina. Tipicamente, é feito a retificação de CA para CC e depois a inversão para CA.
Para controlar a velocidade das máquinas CC, três métodos são os mais comuns: através do controle da corrente de campo, variação de resistência associada ao circuito de armadura e variação da tensão dos terminais de armadura. No caso das máquinas síncronas, a velocidade é determinada pela frequência das correntes de armadura, e vice-versa.
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 A máquina assíncrona permite basicamente cinco possibilidades de variar a velocidade:
Mudando o número de polos (aplicado somente para os motores tipo gaiola de esquilo);
Variando a frequência de linha; Variando a tensão de linha;
Através da variação das resistências rotóricas;
Aplicando tensões de frequências adequadas ao circuito do rotor.
4.2 SISTEMA SCHERBIUS
Esse sistema consiste em aplicar tensão e frequência variável no rotor da máquina de indução em função da velocidade desejada, forma comumente utilizada em sistemas eólicos atuais. São muitas as variações desse sistema, no qual é possível que a máquina opere com velocidade síncrona (neste caso injetando corrente contínua no rotor), sub-síncrona e super-sub-síncrona. O primeiro sistema Scherbius comercializado foi empregado pela General Eletric por volta de 1916.
A configuração proposta na Figura 12 é feita com dois conversores alimentados por tensão e controlados por corrente, conectados back-to-back no circuito do rotor.
Figura 12. Esquema de cascata sub-síncrona proposta para geração de energia eólica.
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 Por meio dessa solução há possibilidade de uma baixa distorção harmônica nas correntes de estator e rotor, em decorrência da utilização das chaves comutadoras de velocidade e ao PWM, e também do controle independente de torque e excitação da máquina, através do controle vetorial do inversor do lado do rotor e controle do fator de potência de energia gerada pelo controle do inversor do lado do fornecimento.
4.3 CONVERSOR ESTÁTICO DUPLO
O estator é conectado diretamente na rede elétrica e o rotor é alimentado por dois conversores de potência conectados back-to-back. Um dos conversores fica conectado à rede e o outro aos enrolamentos do rotor. Os conversores são conectados através de um capacitor que faz o link CC (corrente contínua). Os conversores são constituídos por chaves IGBT, que são transistores com gate, elemento responsável em controlar o ângulo de disparo do componente.
A Figura 13 mostra um esquema de conversor para aplicação desse sistema de controle, constituído por duas pontes trifásicas de 6 pulsos conectadas em antiparalelo com as chaves semicondutoras de alta velocidade de chaveamento, associados a um sistema de comando por modulação da largura de pulso (PWM – Pulse Width Modulation).
Figura 13. Conversor eletrônico de potência CA/CC/CA.
Fonte: Bernardo (2013).
Para velocidades de vento inferiores a nominal, o controle não é feito através do ângulo de passo das pás. O controle é feito indiretamente através da tensão e da frequência
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 aplicadas nos enrolamentos do rotor. Também é controlada a injeção e alimentação de potência reativa e ativa pelo gerador. Em contrapartida, quando a velocidade do vento é maior que a velocidade nominal, o ângulo de passo atua para limitar a potência gerada. A tensão e a frequência do rotor são mantidas constantes, permanecendo o gerador na mesma velocidade. Também é controlada a injeção e alimentação de potência reativa e ativa pelo gerador.
O sistema de controle vetorial é a técnica mais moderna empregada na indústria atualmente. O sistema propicia rápida resposta a variação de velocidade, rápida resposta à variação de torque, controle sobre a magnitude do fluxo, bem como o controle das potências ativa e reativa já comentadas, sobre o fator de potência do sistema. Operando em velocidade super-síncrona (s < 0), o rotor fornece potência ativa para a rede. Durante velocidades sub-síncrona (s > 0), o rotor consome potência ativa da rede.
4.4 CONTROLE DO RSC E GSC EM REGIME PERMANENTE
Através de uma biblioteca do MATLAB, a SimPowerSystem (SALLES, 2009) faz as adaptações necessárias para definir o diagrama de blocos para o controle dos conversores do lado do rotor Rotor Side Conversor (RSC) e do lado da rede Gride Side Conversor (GSC). O RSC controla, indiretamente, a velocidade ótima de operação e o fator de potência unitário do DFIG através de um controle em cascata. O valor de potência mecânica ótima (𝑃*opt) da turbina é calculada, sendo a referência para comparação com a potência presente, gerando um sinal de erro, que é processado por um controlador PI (Proporcional Integral), que funciona como mestre na malha.
A saída do controlador fornece a corrente de referência de eixo em quadratura 𝐼*𝑞 desejada no rotor. Este valor é comparado com o valor presente no eixo em quadratura 𝐼𝑞 e processado em um segundo regulador PI, funcionando como escravo; a saída do último é a tensão de referência de eixo em quadratura 𝑉 * especificada para o rotor.
A outra atuação do RSC visa manter o fator de potência unitário no ponto de conexão com a rede, atuando no controle de potência reativa através de um controle também em cascata. A potência reativa no ponto de conexão é comparada com o valor de referência
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018
(Q* = 0). O sinal de erro é processado em um controlador PI, funcionando como mestre
na malha, no qual se gera uma saída em valor de referência para a corrente de eixo direto
I*𝑑 desejada no rotor. A corrente de referência é comparada com a corrente de eixo direto
atual 𝐼𝑑, sendo processado por um segundo controlador PI, que funciona como escravo da malha cascata, que fornece a tensão de referência de eixo direto 𝑉 *𝑑 desejada no rotor.
A Figura 14 mostra o diagrama de blocos esquemático do controle do lado do rotor.
Figura 14. Diagrama esquemático do controle do RSC do DFIG em regime permanente.
Fonte: Salles (2009, p. 39).
Uma das funções do GSC é manter a tensão constante no link de corrente contínua (link CC) por meio da injeção/absorção de potência ativa na rede. A tensão presente no link CC é comparada com o valor de tensão de referência (𝑉 *dc = 1pu), o erro processado em um controlador PI gera uma saída em valor de corrente de referência de eixo direto 𝐼*𝑑. Essa corrente de referência é comparada com a corrente de eixo direto presente e processado no controlador escravo PI da malha em cascata, responsável por gerar a tensão de referência de eixo direto 𝑉 *𝑑 .
A corrente de referência do eixo em quadratura (𝐼*𝑞 = 0) é comparada com a corrente medida no eixo em quadratura (𝐼𝑞), gerando um erro que será processado num controlador PI. A saída desse regulador fornece tensão de referência de eixo em quadratura V*q desejada no GSC. O controle é feito com o objetivo de não haver valores imaginários de
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 corrente injetada/consumida, portanto, não havendo consumo ou injeção de potência reativa. A Figura 15 mostra o diagrama de blocos esquemático do controle do lado do rotor.
Figura 15. Diagrama esquemático do controle do GSC do DFIG em regime permanente.
Fonte: Salles (2009, p. 42).
4.5 COMPARATIVO ENTRE AS MÁQUINAS DFIG E BDFIG
Um estudo comparativo entre a máquina DFIG (com escovas) e BDFIG (sem escovas) é mostrado em Voltolini (2007). A primeira já é muito implementada na geração eólica, mas apresenta o inconveniente do desgaste com as escovas. Muitos estudos recentes abordam uma nova variante da máquina assíncrona sem as escovas. O autor utilizou parâmetros de geradores fornecidos pelo fabricante (WEG Máquinas S.A.) e fez simulações através da ferramenta SimPowerSystem. Para a realização deste estudo foi considerada uma turbina eólica com potência nominal de 100 kW acoplada ao eixo dos geradores através de um gearbox (caixa multiplicadora de velocidades).
Na referência (VOLTOLINI, 2007), são apresentados resultados de simulação que comparam o desempenho dinâmico dos geradores em uma faixa de operação de 30% em torno da velocidade síncrona dos geradores. A potência nominal dos geradores utilizados é igual a 75 kW. O DFIG apresenta 10 pares de polos no enrolamento do estator e o
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 BDFIG possui 6 pares de polos no enrolamento de potência e 4 pares de polos no enrolamento de controle. Desta forma, a velocidade síncrona para os dois geradores é igual a 360 rpm. O esquema básico utilizado está mostrado na Figura 16.
Figura 16. Representação do sistema eólico empregando o DFIG ou BDFIG
Fonte: Voltolini (2007, p. 111).
O referido estudo mostra, entre outros resultados, o comportamento da máquina através da variação da potência de uma turbina em função da velocidade de rotação do gerador, a relação entre as potências ativa, reativa e aparente e da corrente RMS dos geradores, considerando os enrolamentos do DFIG e BDFIG e a rede elétrica. Também analisa os aspectos relativos aos rendimentos dos sistemas eólicos baseados no DFIG e BDFIG.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este artigo apresentou os resultados dos estudos realizados sobre a máquina assíncrona para a geração eolioelétrica. Pode-se verificar a importância dessa fonte energética, diante da expansão da energia eólica no Brasil, tendência atual também no cenário mundial, pelo que estão sendo desenvolvidos muitos trabalhos a respeito do tema.
Os primeiros parques eólicos não contavam com esse tipo de gerador devido à falta de tecnologia para empregá-lo, principalmente quanto ao seu controle. Devido ao desenvolvimento da eletrônica de potência, o gerador de indução ou assíncrono passou a ser o mais utilizado para esse tipo de aplicação. Os parques eólicos atuais apresentam
Cientefico. V. 18, N. 38, Fortaleza, jul./dez. 2018 uma tendência de geração de média e alta potência, com o aumento do tamanho das suas pás, sendo o gerador de indução muito apropriado para tal, diante dos recentes desenvolvimentos tecnológicos.
Os geradores de indução duplamente alimentado com escovas, configuração empregada nos aerogeradores mais recentes, apresenta alguns fatores negativos quanto ao seu controle, como o desgaste das escovas. As máquinas de indução duplamente alimentadas sem escovas vêm sendo estudadas e desenvolvidas; estudos comparativos mostram que esse caso apresenta um rendimento menor que a máquina com escovas, mas essa diferença tende a ser menor em velocidades de operação mais elevadas. Verifica-se também que a corrente dos conversores da máquina sem escovas é da ordem de 20% acima do caso da máquina com escovas.
Alguns estudos podem ser desenvolvidos, considerando o caso em que sejam feitas análises de viabilidade técnica e econômica entre os geradores DFIG e BDFIG, alternativas para obtenção de sistemas mais viáveis com máquinas de indução sem escovas em velocidades de operação mais baixas e realização de simulações através da ferramenta SimPowerSystem para verificar na prática os resultados dos estudos desenvolvidos.
REFERÊNCIAS
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