Vitor José Moreira da Costa
Desenvolvimento de um
Conversor para um Gerador Eólico
Vit or José Mor eir a da Cos ta 2 Desen vol vimento de um Con ver
sor para um Gerador Eólico
Tese de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita de
Freitas
Vitor José Moreira da Costa
Desenvolvimento de um
Conversor para um Gerador Eólico
A presente dissertação apresenta-se como o culminar de um ciclo na minha vida, como tal, não posso deixar de agradecer a todos os que estiveram presentes e me apoiaram durante esta caminhada, sem os quais não seria possível chegar aqui.
Pretendo agradecer ao professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita de Freitas por ter aceitado ser meu orientador nesta dissertação e principalmente pela disponibilidade e ajuda que ofereceu durante a realização da mesma.
Aos meus colegas e amigos de laboratório, Rui Barros, Avelino Ferreira, Luís Pacheco, João Brás, Cláudio Gomes, Pedro Conceição, Anderson Baptista e Leandro Cruz, agradeço todo o apoio, amizade e bom ambiente de trabalho que existiu.
Agradeço aos funcionários do Departamento de Eletrónica Industrial, Joel, Carlos e Ângela por todo o apoio técnico e também pela simpatia e disponibilidade sempre presentes.
A todos os meus amigos, em especial o Yazalde Manganhela, o Tiago Rocha e o Romeu Rocha, fica a minha gratidão por todos os bons momentos passados e amizade partilhada por muitos anos neste ciclo acadêmico.
Para o fim deixo o agradecimento àqueles que mais amor, carinho e compreensão têm tido para com a minha pessoa, a minha família. À minha mãe Isabel Rodrigues, que é o grande pilar da minha vida, ao meu pai Emircio Costa a quem também devo muito do que sou, e a todos os meus seis irmãos sem exceção, Daniela, Marisa, Fátima, Cláudia, Tiago e Andreia, que além de irmãos são os meus maiores amigos, com quem sei que sempre posso contar. Também destaco os meus cunhados Pedro Ferreira, Miguel Thomas e Anis Abdelaoui por todo o apoio e amizade que me têm dado, e a toda a restante família que sempre demonstrou carinho e preocupação comigo e com o meu percurso acadêmico, em especial à minha madrinha Laurinda Moreira.
Atualmente, a produção de energia proveniente de fontes renováveis tem merecido grande aposta por parte de muitos países, uma vez que esta reduz a sua dependência de combustíveis fósseis e permite a redução da emissão de gases de efeito de estufa. A aposta na produção de energia eólica não é exceção e é das que mais têm crescido nos últimos anos em Portugal. É nesta temática que se insere a presente dissertação.
Os objetivos da presente dissertação consistem no estudo, simulação, implementação e teste de um sistema capaz de converter a energia gerada por uma turbina eólica para valores de amplitude e frequência da tensão idênticos aos que existem na rede elétrica.
O sistema desenvolvido consiste na ligação de um conjunto motor e gerador, que substitui o gerador eólico, a um conversor CA-CC (retificador) de forma a obter uma tensão contínua. Ligado ao retificador está o circuito inversor, que tem a função de converter a tensão contínua, que recebe do retificador, em tensão alternada. O controlo do inversor é implementado por um microcontrolador e é do tipo PWM unipolar.
Por fim, apresentam-se os resultados obtidos tanto em simulação computacional, como em testes experimentais após a implementação prática do sistema.
Palavras-Chave: Energia eólica; Geradores eólicos síncronos e de indução; Retificador
Nowadays, the production of energy that comes from sustainable sources has been gaining a lot of importance for many countries, because it reduces the dependence of fossil resources, reducing the emission of greenhouse gases. The investment on the production of the wind energy, is the one that has been growing the most in Portugal in the last years. And it’s addressing this issue that this dissertation is all about.
The objectives of dissertation consists in the study, simulation, implementation and a test of one system that will be capable of converting energy made by a wind turbine to amplitude and frequency of the voltage identical to those that exist in the power grid.
The developed system consists in connection of a set motor and generator which replaces the wind generator with an AC-DC converter (rectifier) to obtain a DC voltage. Connected to the rectifier is the inverter circuit, which has the function of converting the DC voltage that received by the rectifier in alternated voltage. The inverter control is implemented by a microcontroller and isunipolar PWM type.
Finally, it’s presented the results obtained by computer simulation and experimental tests after the practical implementation of the system.
Agradecimentos ... iii
Resumo ... v
Abstract ... vii
Índice ... ix
Índice de Figuras ... xiii
Índice de Tabelas ... xvii
Lista de siglas e acrónimos ... xix
Capítulo 1 ... 1 Introdução ... 1 1.1 Motivação e enquadramento ... 1 1.2 Objetivos da Dissertação ... 2 1.3 Organização da Dissertação ... 2 Capítulo 2 ... 5 Energia Eólica ... 5 2.1 Contextualização ... 5 2.2 Características do vento ... 8
Aproveitamento da energia do vento ... 10
2.3 Principais componentes de um sistema eólico ... 11
2.3.1 Torre ... 12 2.3.2 Pás ... 13 2.3.3 Rotor ... 13 2.3.4 Eixos ... 14 2.3.5 Caixa de velocidades ... 14 2.3.6 Travão ... 14
2.4.1 Turbinas de eixo horizontal ... 15
2.4.2 Turbinas de eixo vertical ... 16
2.5 Métodos de controlo de potência ... 19
2.5.1 Controlo por perda aerodinâmica ... 19
2.5.2 Controlo por variação do ângulo de ataque das pás ... 19
Capítulo 3 ... 21
Tecnologia de Geração de Energia Eólica ... 21
3.1 Geradores Elétricos ... 21 3.1.1 Geradores de indução ... 21 3.1.2 Geradores Síncronos ... 26 3.2 Eletrónica de Interface ... 31 3.2.1 Conversor CA-CC ... 32 3.2.2 Conversor CC-CC ... 34 3.2.3 Conversores CC-CA ... 41
3.3 Tipos de controlo de inversores ... 54
3.4 Filtro LC ... 59
3.5 Topologia desenvolvida... 61
Capítulo 4 ... 63
Simulações Computacionais ... 63
4.1 Ferramentas de simulação computacional ... 63
PSIM ... 63
4.2 Simulação de todo o sistema ... 65
4.3 Simulação do sistema de geração eólica ... 66
4.4 Simulação do Retificador ... 67
Capítulo 5 ... 77
Implementação e Resultados Experimentais... 77
5.1 Sistema de geração de energia ... 77
5.2 Circuito do retificador ... 79 5.3 Circuito de comando ... 81 5.3.1 Microcontrolador ... 81 5.3.2 Circuito de drive ... 84 5.4 Circuito do Inversor ... 87 5.5 Sistema Completo ... 89 Capitulo 6 ... 91
Conclusões e Trabalho Futuro ... 91
6.1 Conclusões ... 91
6.2 Propostas de Trabalho Futuro ... 92
Figura 2-1 - Evolução da potência instalada de energia eólica na Europa, no Mundo
(MW) [4]………6
Figura 2-2 - Evolução da potência instalada de energia eólica na EU na última década (MW) [4]………6
Figura 2-3 - Percentagem de consumo de energia eólica por país da EU [5]………7
Figura 2-4 – Evolução da energia produzida a partir de fontes renováveis (TWh) [3]….7 Figura 2-5 - Evolução da potência instalada de energia eólica em Portugal [3]………...8
Figura 2-6 - Ventos Globais [7]……….9
Figura 2-7 - Ventos locais, em zona costeira [8]………...9
Figura 2-8- Energia do vento antes e depois de passar pela turbina………...10
Figura 2-9 - Principais elementos de um gerador eólico……….12
Figura 2-10 - Torre tubular de aço, torre tubular de betão e torre de estrutura [10]..…..13
Figura 2-11 - Turbina de eixo horizontal [11]……….15
Figura 2-12 - Turbina de eixo vertical [12].……….16
Figura 2-13 - Turbina Savonius [14]……….……..17
Figura 2-14 - Turbina Darrieus [15]………...18
Figura 2-15 - Turbina Giromill [16]………18
Figura 3-1 - Rotor e estator de um SCIG……….22
Figura 3-2 - Sistema de geração eólica com um SCIG….………...23
Figura 3-3 - SCIG ligado indiretamente à rede elétrica [15]………...23
Figura 3-4 - Rotor de um gerador de indução com rotor bobinado……….24
Figura 3-5 - Sistema de ligação de um WRIG à rede elétrica…………..…..………….25
Figura 3-6 - Ligação de um DFIG à rede elétrica………26
Figura 3-7 - Estator de um gerador síncrono [20]………...27
Figura 3-8 - Rotor de um WRSG a) Vista frontal b) Vista lateral………….………….28
Figura 3-9 - Ligação de um WRSG à rede elétrica……….………29
Figura 3-10 - Rotor e estator de um PMSG……….30
Figura 3-11 - Topologia de interface de um PMSG com a rede elétrica……….….…...31
Figura 3-12 - Retificador trifásico não controlado de onda completa [23]…..………...33
Figura 3-13 - Ondas das tensões do retificador [23]……….…..33
Figura 3-16 - Formas de onda da tensão e corrente na bobine em modo de condução
continua [25]………37
Figura 3-17 - Formas de onda de tensão e corrente na bobine em condução descontinua [25]………...39
Figura 3-18 - Ripple da tensão de saída [25]……….………..40
Figura 3-19 - Inversor CSI trifásico para acionamento de um motor [26]………..42
Figura 3-20 - Inversor monofásico de onda completa……….………43
Figura 3-21 - Inversor monofásico de onda completa……….44
Figura 3-22 - Inversores VSI trifásicos: a) meia onda; b) onda completa…….………..45
Figura 3-23 - Inversor push-pull……….……….46
Figura 3-24 - Inversor Flyback [29]………47
Figura 3-25 - Inversor em Z trifásico [31]………...49
Figura 3-26 - Primeiro estado de operação [31]……….……….49
Figura 3-27 - Segundo estado de operação do inversor z……….……...50
Figura 3-28 - Esquema de inversor trifásico de 3 níveis (NPC)……….……….52
Figura 3-29 - Inversor VSI multinível [33]……….………53
Figura 3-30 - Esquema de um inversor VSI de pontes monofásicas………...54
Figura 3-31 - Funcionamento do controlo PWM……….………...55
Figura 3-32 - Moduladoras e portadora do controlo PWM unipolar……….…………..57
Figura 3-33 - Tensão de controlo no a) braço A e b) braço B……….57
Figura 3-34 - Tensões de saída do inversor com controlo unipolar………58
Figura 3-35 - Tensão de saída do inversor com controlo bipolar………59
Figura 3-36 - Filtro LC………60
Figura 3-37 - Ganho de um filtro LC [26]……….………..61
Figura 3-38 - Diagrama de blocos do projeto a desenvolver………...62
Figura 4-1 - Ambiente de simulação em PSIM………...64
Figura 4-2 - Exemplo de resultados de uma simulação……….………..64
Figura 4-3 - Sistema simulado……….65
Figura 4-4 - Simulação do gerador eólico………...66
Figura 4-5 - Tensões Compostas Vab, Vbc e Vca à saída do gerador………….……...66
Figura 4-10 - Sistema implementado com inversor controlado por PWM unipolar..….69
Figura 4-11 - Formas de onda utilizadas para o controlo unipolar.…….……… 69
Figura 4-12 - Formas de onda dos sinais comparados………..………...70
Figura 4-13 - Tensão e Corrente à saída do inversor………..………….71
Figura 4-14 - Vista mais pormenorizada da tensão de saída……….……..72
Figura 4-15 - Sistema simulado com filtro LC à saída do inversor……… 72
Figura 4-16 - Tensão e Corrente à saída do inversor com filtro LC………73
Figura 4-17 - Tensão e corrente na carga com o sistema completo simulado………….74
Figura 4-18 - Tensão aos terminais dos semicondutores……….75
Figura 4-19 - Corrente na drain dos semicondutores no braço A………75
Figura 5-1 - Sistema de geração de energia e aparelhos auxiliares…….……..………..78
Figura 5-2 - Tacómetro utilizado para medição de velocidade………...78
Figura 5-3 - Tensão numa das fases do gerador síncrono a operar em vazio….….……79
Figura 5-4 - Esquema do circuito retificador implementado………...……80
Figura 5-5 - Circuito retificador implementado………..……80
Figura 5-6 - Tensão à saída do retificador………...81
Figura 5-7 - PIC18F4431……….81
Figura 5-8 - Diagrama de pinos do PIC18F4431 [36]……….82
Figura 5-9 - Esquema de ligação do microcontrolador………...83
Figura 5-10 - Programador MPLAB ICD2 In Circuit Debugger…….………...84
Figura 5-11 - Formas de onda dos sinais de controlo gerados pelo microcontrolador…84 Figura 5-12 - Acoplador ótico VO3120 e o seu esquema interno[38]………85
Figura 5-13 - Esquema de ligação do acoplador ótico……….………...85
Figura 5-14 - Circuito de controlo implementado……….86
Figura 5-15 - Sinais de controlo a enviar para os mosfets………...86
Figura 5-16 - Esquema de ligação do circuito inversor………...87
Figura 5-17 - Circuito inversor com filtro LC, ligado ao circuito de controlo……...88
Figura 5-18 - Forma de onda da tensão à saída do inversor…….……….…..88
Figura 5-19 - Forma de onda da tensão á saída do inversor com filtro LC……….89
Figura 5-20 - Sistema implementado………...89
Figura 5-21 - Tensão à saída do retificador com todo o sistema ligado………..90
Tabela 3-1 - Díodos em condução por cada tensão composta……….………34
Tabela 3-2 - Estados de comutação do inversor de meia onda………....43
Tabela 3-3 - Estados de comutação do inversor monofásico de onda completa….……45
Tabela 3-4 - Estados de comutação do inversor trifásico onda completa………...46
Tabela 3-5 - Estados de comutação do inversor push-pull………..47
Tabela 3-6 - Estados de operação do inversor flyback………48
Tabela 3-7 - Estados de comutação no braço a do inversor de 3 níveis………..52
Tabela 3-8 - Estados de comutação e níveis de tensão na saída………..58
C Capacidade f Frequência i Corrente I Corrente eficaz Corrente de pico L Indutância R Resistência P Potência Ativa v Tensão V Tensão eficaz Tensão de pico 0 Frequência angular de corte Coeficiente de amortecimento
CSI Current Source Inverter
(Inversor Fonte de Corrente)
DFIG Doubly-Fed Induction Generator (Gerador de
Indução Duplamente Alimentado)
EU European Union (União Europeia)
IGBT Insulated Gate Bipolar
Transistor (Transístor
Bipolar de Porta Isolada) PMSG Permanent Magnet
Synchronous generator
(Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes) PWM Pulse Width Modulation
(Modulação por Largura de Pulso)
SCIG Squirrel Cage Induction Generator (Gerador de
Indução com Rotor em Gaiola de Esquilo) VSI Voltage Source Inverter
(Inversor Fonte de Tensão)
WRIG Wound Rotor Induction
Generator (Gerador de Indução de Rotor Bobinado) WRSG Wound Rotor Synchronous Generator (Gerador Síncrono de Rotor Bobinado)
Capítulo 1
Introdução
1.1 Motivação e enquadramento
Desde os tempos mais remotos que a humanidade sente necessidade de aproveitar as várias fontes de energia existentes na natureza para produzir energia para seu próprio consumo. Sempre que o Homem conseguiu desenvolver novas formas de aproveitamento de energia proporcionou o desenvolvimento em geral da sua comunidade. Chegados aos dias de hoje, constata-se que a questão energética é algo vital para toda a humanidade e determinante para o desenvolvimento de cada país.
Existem diversas formas de produzir energia, no entanto podem-se dividir as fontes em dois grupos:
Fontes de energia renovável - como o próprio nome indica são recursos que se renovam e como tal não se prevê que um dia se esgotem. São exemplo disso a água, o vento e o Sol.
Fontes de energia não renovável – são recursos que têm uma duração limitada, dependendo muitas vezes da quantidade consumida pela humanidade, ou seja, em que a taxa de reposição é menor que a taxa de consumo. Como exemplos citam-se os combustíveis fósseis petróleo, carvão e gás natural e os recursos nucleares.
Várias estimativas apontam para que nas próximas décadas a quantidade de combustíveis fósseis no Mundo comece a diminuir, ao ponto de um possível esgotamento. Dessa forma, torna-se urgente encontrar alternativas para produzir energia [1] [2]. A produção de energia elétrica a partir de combustíveis fósseis origina também graves problemas ambientais, devido à emissão de gases de efeito de estufa.
A aposta em energias renováveis, do ponto de vista económico, torna-se assim uma boa oportunidade de reduzir a dependência energética de um país que não possua no seu território reservas de combustíveis fósseis suficientes para produzir toda a energia que consome, como é o caso de Portugal.
1.2 Objetivos da Dissertação
Para a realização da presente dissertação definiram-se previamente alguns objetivos, que vão ao encontro do tema escolhido “Desenvolvimento de um conversor eletrónico para um gerador eólico”.
O primeiro objetivo definido consiste numa análise prévia de toda esta temática de forma a realizar todo o trabalho de pesquisa e estudo das várias componentes que o incluem, como a energia eólica, os diversos tipos de geradores e os conversores eletrónicos que possam ser utilizados para a realização da dissertação.
Do mesmo modo, outro objetivo apontado prende-se com a simulação computacional e desenvolvimento do sistema pretendido. A simulação computacional é bastante relevante para o sucesso do projeto e pode-se considerar o objetivo intermédio, uma vez que faz uma ponte de ligação entre a análise teórica que é feita inicialmente e a realização prática do projeto.
Por fim, como último objetivo estabeleceu-se a implementação prática do sistema e todos os exercícios práticos de teste ao sistema de forma a verificar se este vai de encontro àquilo que é proposto.
1.3 Organização da Dissertação
Esta dissertação encontra-se dividida em 6 capítulos. Cada capítulo descreve uma etapa diferente da realização do trabalho. Desta forma, a dissertação encontra-se organizada da seguinte forma:
No capítulo introdutório é feita uma abordagem ao tema, essencialmente da energia eólica e estabelecem-se os principais objetivos pretendidos para a realização da dissertação.
O segundo capítulo consiste numa análise e esclarecimento de vários aspetos relacionados com a energia eólica, que incluem estatísticas e fundamentos teóricos da tecnologia associada a esta energia.
No terceiro capítulo pretende-se analisar e descrever com mais detalhe alguns componentes necessários para desenvolvimento de um conversor eletrónico para um gerador eólico. A informação apresentada neste capítulo foca-se nos aspetos técnicos e
apresentam-se os vários tipos de geradores elétricos usados em aerogeradores, os diversos tipos de conversores que podem ser usados em topologias de interface entre um gerador e a rede elétrica e ainda métodos de controlo desses conversores.
O capítulo quatro consiste na apresentação de sistemas simulados no computador, assim como dos resultados obtidos nessas simulações.
No quinto capítulo apresentam-se as montagens práticas dos módulos pretendidos para o desenvolvimento do sistema e os resultados obtidos nos testes feitos ao sistema.
No sexto, e último, capítulo realiza-se uma análise e apreciação do trabalho realizado à luz dos objetivos traçados. Após um diagnóstico, apresentam-se sugestões de possíveis melhorias em trabalhos futuros.
Capítulo 2
Energia Eólica
2.1 Contextualização
A energia eólica consiste no aproveitamento da energia cinética dos ventos para gerar energia elétrica. Este método de geração de energia já é utilizado pela humanidade há centenas de anos, em moinhos de vento e também nos barcos à vela.
Com o tempo constatou-se que este tipo de energia poderia também ser utilizado para a geração de energia elétrica, uma vez que um dos métodos mais utilizados para obter energia elétrica consiste em aproveitar a energia cinética para gerar energia mecânica que através de geradores é transformada em energia elétrica.
O aproveitamento da energia dos ventos para geração de energia elétrica já existe há mais de um século, no entanto só a partir da década de 70 do século XX, devido à crise provocada pela escassez de petróleo, é que este tipo de geração de energia passou a justificar uma maior aposta, e consequentemente proporcionou o desenvolvimento da tecnologia dos geradores eólicos.
Atualmente, os países da União Europeia no seu todo são os responsáveis pela maioria da produção de energia eólica em todo o Mundo. Na figura 2.1 pode-se verificar a evolução da potência instalada na Europa e no resto do Mundo, assim como a comparação percentual da Europa em relação ao resto do Mundo até ao ano de 2003. Pode-se constatar que nesse ano a União Europeia possuía mais de 70% da potência instalada em todo o Mundo [4].
Figura 2-1 - Evolução da potência instalada de energia eólica na Europa, no Mundo (MW) [4]
Dados mais atuais indicam que em 2010 a potência instalada de energia eólica na União Europeia foi de mais de 75 000 MW, facto que revela o grande investimento que tem sido feito pelos governos destes países, assim como a importância que este tipo de energia adquiriu.
Figura 2-2 - Evolução da potência instalada de energia eólica na EU na última década (MW) [4]
Os países da EU com mais potência instalada de energia eólica são a Alemanha (27 214 MW) e a Espanha (20 676 MW), o que em conjunto corresponde a mais de
3 898 MW que corresponde a 5% do total. Por outro lado, Dinamarca e Portugal são os países que mais sentem o impacto deste tipo de energia, uma vez que a percentagem de energia consumida proveniente da energia eólica é maior, ver figura 2-3 [5].
Figura 2-3 - Percentagem de consumo de energia eólica por país da EU [5]
Em Portugal tem-se registado um crescimento significativo de produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis durante a última década, sendo que atualmente mais de 50% da energia total produzida no país provém deste tipo de fontes [3]. Na figura 2-4 pode-se verificar a evolução da produção de energia através dos diferentes tipos de fontes, ao longo dos últimos anos.
Pode-se verificar também pela figura 2-4 que a energia eólica teve um impacto muito grande nesse crescimento, o que revela a importância que este método de geração de energia tem tido.
A aposta na energia eólica em Portugal é recente. O primeiro parque eólico no país foi construído em 1985 na Ilha de Porto Santo, no entanto foi no fim da década de 90 que se deu um forte crescimento da potência instalada em Portugal. Na figura 2-5, pode-se verificar como a potência instalada de energia eólica cresceu a um grande ritmo em Portugal na última década. Esse crescimento pode ser explicado pelos compromissos que foram estabelecidos com os outros estados membros da EU, nomeadamente através da directiva 2001/77/EC que estabelecia uma meta de 22% de energia consumida a partir de fontes renováveis nos países da EU [6].
Figura 2-5 - Evolução da potência instalada de energia eólica em Portugal [3]
As regiões de Portugal com melhores características para implementação de parques eólicos são as situadas na costa litoral e nas regiões mais montanhosas, no entanto como grande parte da zona litoral do país tem maior densidade populacional constata-se que os distritos com mais capacidade eólica instalada são Viseu, Coimbra, Vila Real, Viana do Castelo e Castelo Branco, portanto regiões não muito distantes do litoral e com mais montanhas.
2.2 Características do vento
O vento significa ar em movimento, de zonas de altas pressões para zonas de baixas pressões. Consoante a diferença de pressão entre essas zonas e a posição das mesmas, assim se define a sua velocidade e direção.
Na Terra, as diferenças de pressão no ar que originam os ventos são causadas pelo aquecimento não uniforme da superfície terrestre. Assim, em zonas onde a radiação solar é maior o ar aquece e sobe deslocando-se na direção das zonas mais frias onde o ar tem tendência a tornar-se mais pesado e assim baixar. Este deslocamento de ar (vento)
Os ventos globais são aqueles em que o deslocamento da atmosfera acontece em grande escala das zonas mais quentes do planeta para as zonas mais frias, tomando assim a direção do equador para os polos.
Figura 2-6 - Ventos Globais [7]
Os ventos locais são formados por diferenças de aquecimentos em zonas mais próximas, como por exemplo as diferenças de aquecimento do mar para a terra dão origem a ventos locais, mas também outros fatores como vales, montanhas ou locais com obstáculos como edifícios ou árvores vão determinar a formação e as características de ventos locais [8].
Figura 2-7 - Ventos locais, em zona costeira [8]
Para escolher uma área para instalação de um sistema de geração de energia eólica é necessário fazer um estudo que deve conter dados e variáveis relativas a pelo menos um ano de análise, de forma a avaliar a regularidade da velocidade e da direção
dos ventos, uma vez que estes fatores têm valores diferentes consoante a estação do ano que se atravessa.
Aproveitamento da energia do vento
Para aproveitar a energia do vento para geração de energia elétrica é necessário estudar e determinar alguns parâmetros e variáveis que permitam o cálculo da energia fornecida pelo vento e da potência por esta gerada.
A energia cinética do vento, que depende da massa de ar ( ) e da velocidade (V), é determinada através da equação 2.1:
Para a obtenção da potência gerada pela energia do vento, é necessário determinar previamente a densidade do ar (ρ), dada pela razão da massa pelo volume; a área do círculo que as pás percorrem (A), , em que corresponde ao comprimento das pás; e a velocidade do vento ( ). Assim, a equação que permite o cálculo da potência gerada pelo vento é:
A turbina eólica não é capaz de aproveitar toda a potência produzida pelo vento, uma vez que há uma percentagem de vento que passa pela turbina sem atingir as suas pás, tal como mostra a figura 2-8 [9].
Assim, existe um coeficiente de potência (Cp) que estabelece uma relação entre a potência consumida pela turbina e a potência transformada pelo vento:
Desta forma, conclui-se que a potência da turbina é da dada pela equação 2.4:
Segundo o físico alemão Albert Betz, o valor máximo que o coeficiente de potência pode ter é de 16/27, o que significa que a percentagem máxima de potência do vento aproveitada pela turbina eólica é de 59,3%. Esta proposição é conhecida como Limite de Betz.
2.3 Principais componentes de um sistema eólico
A energia eólica é hoje em dia vista como uma das mais importantes e promissoras tecnologias para a produção de energia a partir de fontes renováveis. O seu aproveitamento é feito recorrendo a aerogeradores, que têm como função transformar a energia dos ventos em energia elétrica. Estes, por sua vez, podem ser implementados em terra ou no mar e estar agrupados em parques eólicos ou funcionar de forma isolada.
O funcionamento do gerador eólico é resumidamente o seguinte: o vento ao passar pelas pás das turbinas provoca movimento das mesmas, fazendo rodar o eixo do rotor. Posto isto, o gerador transforma essa energia mecânica de rotação em energia elétrica. Dependendo da utilização e do tipo de turbina eólica, pode haver passos intermédios específicos.
Os aerogeradores podem variar na sua estrutura em vários aspetos: altura, comprimento das pás, potência do gerador, sistema de controlo e número de pás, mas têm alguns componentes em comum como as pás, travão, torre, gerador, caixa de velocidades, eixos e cubo do rotor, que podem ser identificados na figura 2-9.
Figura 2-9 - Principais elementos de um gerador eólico
2.3.1 Torre
As torres servem de suporte ao gerador para que esta esteja à altura pretendida, de forma a aproveitar os ventos mais intensos e menos turbulentos que se sentem a uma maior distância do solo. Estas devem ser projetadas para suportar o esforço provocado pela força do vento nas pás.
Existem três tipos de torres: torres tubulares de aço, torres de betão e torres de estrutura (ver figura 2-10). As mais usuais atualmente são as tubulares de aço, pois permitem a manutenção quando as condições meteorológicas são más, uma vez que possuem escadas no seu interior que permitem o acesso à parte superior do aerogerador, e são mais resistentes. As torres de betão têm uma forma semelhante às de aço, no entanto são normalmente mais pesadas e mais caras. As torres de estrutura ou em treliça são mais antigas e começam a ser cada vez menos usadas pelo facto de terem difícil acesso à nacelle (parte dos aerogeradores situada no topo da torre onde se situam os restantes elementos), no entanto têm a vantagem de usar menos material e deixar passar o ar por si, oferecendo-lhe menos resistência.
Figura 2-10 - Torre tubular de aço, torre tubular de betão e torre de estrutura [10]
2.3.2 Pás
As pás podem ser feitas de diversos tipos de materiais como madeiras, metais e compostos sintéticos. Independentemente das suas características, têm de garantir acima de tudo a resistência das pás e uma boa aerodinâmica para que estas tenham o máximo desempenho. O material mais usado nos dias de hoje é um plástico composto por fibras de vidro, uma vez que é um tipo de material mais barato, com boa resistência mecânica e leve. As pás podem ter ângulos fixos ou variar consoante a intensidade do vento.
2.3.3 Rotor
O rotor é o componente responsável pela conversão da energia cinética dos ventos em energia mecânica. É constituído pelas pás e pelo cubo do rotor e fica diretamente ligado ao eixo de rotação. Quanto maior o diâmetro do rotor, maior é a potência instalada no aerogerador.
2.3.4 Eixos
Os eixos têm como função fazer chegar a energia mecânica de rotação ao gerador, para que este a transforme em energia elétrica. Normalmente, existem dois eixos separados pela caixa de velocidades, o que está a montante é o eixo primário e tem uma velocidade inferior ao eixo secundário.
2.3.5 Caixa de velocidades
A caixa de velocidades permite elevar a velocidade de rotação gerada pelo rotor para uma velocidade superior que satisfaça os valores exigidos pelo gerador.
2.3.6 Travão
Num sistema eólico é necessário que existam sistemas de travagem de forma a evitar que a turbina ultrapasse a velocidade máxima de funcionamento e em caso de avarias mecânicas ou elétricas seja possível parar.
Existem dois tipos de travões usados em aerogeradores, o travão mecânico e a travagem dinâmica. O travão mecânico é apenas aplicado quando se pretende manter a turbina parada ou em casos em que seja muito urgente que a turbina pare de funcionar. A travagem dinâmica consiste na utilização de uma resistência externa ligada ao gerador. A resistência externa faz diminuir a corrente da armadura do gerador e por conseguinte a sua velocidade também diminui, assim como a velocidade do rotor e de toda a turbina.
2.3.7 Gerador
O gerador é o componente responsável pela transformação da energia mecânica em energia elétrica. Para um gerador ser integrado num sistema de conversão eólica é necessário ter em consideração alguns aspetos como a variação da velocidade do vento, a variação do binário de entrada, a necessidade que alguns tipos de geradores têm de produzir energia elétrica com tensão e frequência constantes, entre outros.
Na energia eólica, os geradores utilizados podem ser de três tipos: geradores síncronos de ímanes permanentes, geradores síncronos de rotor bobinado e geradores assíncronos. No capítulo 3 é feita uma descrição das características destes geradores.
2.4 Tipos de turbinas
As turbinas eólicas podem ser divididas em vários tipos, sendo o critério mais usual de classificação das turbinas eólicas aquele que as classifica consoante a orientação do eixo, que podem ser turbinas de eixo horizontal, HAWT (Horizontal Axis
Wind Turbine), ou turbinas de eixo vertical, VAWT (Vertical Axis Wind Turbine).
2.4.1 Turbinas de eixo horizontal
Neste tipo de turbinas o eixo é horizontal, portanto é paralelo à superfície terrestre, o gerador elétrico e o rotor situam-se no topo da torre na parte oposta das pás, que devem estar projetadas de forma a estarem alinhadas com a direção do vento. Para que isso aconteça, é necessária a existência de mecanismos de controlo da direção da turbina.
Figura 2-11 - Turbina de eixo horizontal [11]
Este tipo de turbinas é o mais usado atualmente para geração de energia elétrica, principalmente para produção em larga escala, como por exemplo em parques eólicos, pois o facto de possuir o eixo localizado vários metros acima do solo tem a vantagem de
aproveitar muito mais o vento que se faz sentir com maior intensidade do que junto ao solo, como acontece no caso das turbinas de eixo vertical.
Dentro deste tipo de turbinas pode-se ainda verificar diferenças quanto ao número de pás, sendo o mais usual as turbinas com 3 pás.
2.4.2 Turbinas de eixo vertical
Como o próprio nome indica, estas turbinas têm o eixo perpendicular em relação ao solo, ficando as suas pás também dispostas na mesma direção, paralelas ao eixo.
Este tipo de turbinas apresenta como principal vantagem o facto de não necessitar de mecanismos de orientação das pás, uma vez que a sua posição perpendicular em relação ao vento e o sentido de rotação em torno do eixo faz com que estas estejam sempre numa posição favorável para serem arrastadas pelo vento. Por outro lado, grande parte das turbinas deste tipo ficam muito próximas do solo, o que tem vantagens e desvantagens, uma vez que faz com que seja mais fácil e menos dispendiosa a sua instalação, mas têm uma velocidade baixa, pois a velocidade do vento junto ao solo é bastante menor. Outra desvantagem de algumas turbinas deste tipo prende-se com o facto de em caso de avarias no rolamento principal, implicarem que toda a turbina tenha de ser desmontada [12].
Atualmente, este tipo de turbina é mais utilizado em sistemas de microgeração.
Existem vários tipos de designs deste tipo de turbinas, podendo estas ser divididas em 3 tipos: Savonius; Darrieus; Giromill.
2.4.2.1
Turbina Savonius
As pás deste tipo de turbina diferem muito das mais usuais, pois estão diretamente ligadas ao eixo central e têm uma superfície com uma concavidade para captar o ar.
Enquanto a maioria das turbinas consegue ter um coeficiente de potência máximo entre 30% a 45%, este tipo de turbinas não ultrapassa os 25%, tendo portanto um baixo rendimento. No entanto, podem ter mais que um andar de pás, tendo assim um maior rendimento [13].
Figura 2-13 - Turbina Savonius[14]
2.4.2.2
Turbina Darrieus
As pás deste tipo de turbina ficam na vertical e ligadas aos extremos do eixo, ficando com uma forma circular, ver figura 2-14. O apoio das turbinas situa-se junto ao solo, o que permite uma maior facilidade de manutenção e de instalação e dispensa um sistema de orientação.
Este tipo de turbinas têm um baixo rendimento e não permite um controlo da potência.
Figura 2-14 - Turbina Darrieus [15]
2.4.2.3
Turbina Giromill
Um estilo mais desenvolvido das turbinas Darrieus consiste em ter apenas as pás retas na vertical, fixas ao eixo por um suporte na horizontal, tal como mostra a figura 2-15. A este tipo de turbinas também se dá o nome de Giromill.
Estas turbinas podem ser colocadas a uma altura maior, permitindo assim maior rendimento e maior eficiência, uma vez que também possibilitam controlar a potência.
2.5 Métodos de controlo de potência
As turbinas eólicas são concebidas para produzir energia eólica da forma mais barata e eficaz possível. Como tal, estas são projetadas de forma a maximizar a potência à saída do gerador, uma vez que nem sempre é possível que os ventos tenham grandes velocidades. Por outro lado, quando os ventos são muito fortes, é necessário reduzir a velocidade para não danificar o gerador. Tendo em conta estas condicionantes, as turbinas eólicas são atualmente projetadas com algum tipo de controlo de potência, que pode ser de dois tipos: por perda aerodinâmica, stall, e pela variação do ângulo de ataque das pás, pitch.
2.5.1 Controlo por perda aerodinâmica
Nas turbinas com este método de controlo, também designado controlo stall, a aerodinâmica das pás é mais simples de projetar, uma vez que o ângulo entre as pás e o vento é fixo para qualquer velocidade do vento. No entanto, com o aumento da velocidade do vento o ângulo de incidência das pás aumenta, fazendo com que estas desaproveitem uma parte de energia em excesso que vem do vento.
O controlo stall pode ser ativo ou passivo, no caso de ser ativo tem a vantagem de o controlo ser mais preciso do que o passivo, evitando que ultrapasse a potência nominal do gerador no início de uma rajada de vento. Outra vantagem é que independentemente da velocidade do vento este opera sempre próximo da potência nominal, enquanto numa turbina com controlo stall passivo geralmente tem uma diminuição da produção de energia elétrica a velocidades do vento mais altas [17].
2.5.2 Controlo por variação do ângulo de ataque das pás
Numa turbina com controlo por variação do ângulo de ataque das pás, também designado controlo pitch, a potência de saída é controlada várias vezes por segundo, quando essa potência for alta o mecanismo de controlo faz com que as pás girem de forma a diminuir a velocidade do rotor. Assim como quando o vento tiver velocidades mais baixas as turbinas giram no sentido inverso, de forma a aumentar a velocidade e
controlo tem que permitir que as pás sejam capazes de girar sobre o seu próprio eixo. Dessa forma, é possível ter um ângulo ideal entre as pás e a direção do vento que se adeque às várias velocidades que o vento possa atingir.
Este tipo de controlo exige uma engenharia mais complexa e como tal é mais caro, no entanto é o mais usado devido à sua eficiência [17].
Capítulo 3
Tecnologia de Geração de Energia Eólica
3.1 Geradores Elétricos
Os geradores elétricos são os responsáveis pela conversão da energia mecânica de rotação em energia elétrica. Esta conversão baseia-se nas leis de Faraday de indução eletromagnética, em que perante o movimento de um corpo condutor no seio de um campo magnético constante, ou caso o corpo esteja fixo mas o campo magnético seja variável, é provocada uma força eletromotriz, gerando assim energia elétrica. Os geradores utilizados para geração de energia eólica são de corrente alternada, estes podem dividir-se em geradores de indução, ou assíncronos, e geradores síncronos.
3.1.1 Geradores de indução
Este tipo de geradores caracteriza-se por serem robustos, de fácil manutenção e possibilitarem um longo tempo de duração. Uma razão para isso é o facto de não terem escovas e coletor, que são peças de maior desgaste.
Este tipo de máquinas tem a desvantagem de consumir potência reativa, sendo necessária a utilização de bancos de condensadores que proporcionem a compensação do fator de potência.
Estes geradores dividem-se em dois tipos:
- Geradores de indução com rotor em gaiola de esquilo; - Geradores de indução de rotor bobinado;
3.1.1.1
Gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo
Os geradores de indução com rotor em gaiola de esquilo (em inglês Squirrel Cage
Induction Generator - SCIG) têm essa nomenclatura porque o rotor se assemelha à roda
da gaiola de um esquilo. Estes têm um design muito simples e muito universal e são utilizados em várias aplicações comerciais e industriais. O rotor é feito de lâminas de aço e os enrolamentos consistem em barras condutoras paralelas ao núcleo e próximas da
eletricamente a um anel sólido, existindo ainda nessa extremidade ventiladores. O estator é constituído por um núcleo de chapa de aço laminado com ranhuras onde os enrolamentos são colocados isolados. Os enrolamentos são agrupados e ligados de modo a formar uma área definida polar e para produzir um campo magnético rotativo quando ligado a uma corrente alternada [18].
Figura 3-1 – Rotor e estator de um SCIG
Num SCIG, o enrolamento secundário equivale ao enrolamento de campo num motor síncrono, tal como neste as correntes no estator criam um campo magnético rotativo. Os enrolamentos são distribuídos de modo a que o deslocamento seja uniforme e contínuo, produzindo assim um campo magnético rotativo.
Um sistema de geração eólica com um gerador de indução é representado na figura 3-2, onde se pode verificar a existência de bancos dos condensadores, que têm a finalidade de compensar o fator de potência do SCIG em função da potência reativa medida num determinado período de tempo. Esta ligação é feita de forma direta, o que implica que o sistema seja de velocidade aproximadamente constante, tem a vantagem de ser um sistema mais simples tanto na instalação como na manutenção, no entanto é mais sensível a variações nas características do vento, e tem pouca durabilidade [19].
Os sistemas de velocidade constante são desenvolvidos para que a velocidade de rotação do gerador se mantenha constante e próxima da velocidade de sincronismo de forma que o sistema seja o mais estável possível. A frequência da rede é quem vai determinar a gama de velocidades do gerador.
Figura 3-2- Sistema de geração eólica com um SCIG
Para além de ser ligado de forma direta à rede elétrica este tipo de gerador pode ser ligado indiretamente através de conversores eletrónicos, o que faz com que seja um sistema de velocidade variável. Esta topologia implica uma maior complexidade do sistema e portanto maiores custos. Como se pode ver pela figura 3-3 são utilizados conversores eletrónicos que permitem que o sistema tenha uma velocidade variável. O objetivo do conversor é sincronizar a frequência variável da tensão produzida pelo gerador com a frequência da rede elétrica. Esta configuração tem como vantagens o facto de fazer um maior aproveitamento da energia eólica disponível e dispensa a necessidade de colocar um banco de condensadores, uma vez que o sistema é capaz de tirar a potência reativa necessária da rede. Por outro lado os conversores são mais caros em comparação com os utilizados no gerador de indução duplamente alimentado, pois necessitam de ter a mesma potência da máquina [20].
3.1.1.2
Gerador de indução com rotor bobinado
O gerador de indução com rotor bobinado (Wound Rotor Induction Generator - WRIG) tem o estator igual ao do SCIG, enquanto o seu rotor tem os enrolamentos semelhantes ao do estator e contém anéis coletores e escovas. No entanto, nenhuma energia é aplicada sobre os anéis coletores, estes têm apenas como finalidade colocar uma resistência em série com os enrolamentos do rotor durante o arranque.
Figura 3-4 - Rotor de um gerador de indução com rotor bobinado
Os sistemas de geração eólica que utilizem um WRIG são sistemas de velocidade variável, no entanto têm uma velocidade limitada. O gerador está diretamente ligado à rede elétrica. É necessário um banco de condensadores de forma a compensar a potência reativa.
A característica mais importante nesta configuração é a resistência variável ligada ao rotor, que pode ser substituído por um conversor controlado opticamente, sendo assim a resistência totalmente controlável. Na figura 3-5 está representada a ligação de um sistema deste tipo.
Figura 3-5 - Sistema de ligação de um WRIG à rede elétrica.
As vantagens desta configuração são que permite o controlo das potências reativa e ativa, assim como o controlo da velocidade do gerador. Por outro lado o facto de possuírem conversores de potência e caixa de velocidades constituem desvantagens claras para este tipo de sistemas. A necessidade de colocar um banco de condensadores para a compensação da potência reativa também faz com que o sistema seja menos robusto [21]. Esta topologia é utilizada mais em sistemas de baixa potência e em sistemas isolados devido à sua simplicidade. Esta tem sido utilizada desde meados da década de 1990 pelo fabricante dinamarquês Vestas.
3.1.1.3
Gerador de indução duplamente alimentado
Este tipo de gerador é também um gerador de indução com rotor bobinado, no entanto tem uma configuração diferente do que foi descrito no subcapítulo anterior, uma vez que este tem os enrolamentos do estator diretamente ligados à rede elétrica através de conversores de potência, enquanto no WRIG a velocidade do gerador é controlada pela variação de uma resistência aplicada no rotor.
Os geradores de indução duplamente alimentados (Doubly-Fed Induction
Generator - DFIG) são alimentados por corrente alternada tanto no estator como no rotor.
Este tipo de máquinas elétricas já foi desenvolvida há várias décadas, no entanto só com o crescimento das tecnologias eólicas para a geração de eletricidade é que passaram a ter um maior uso, sendo atualmente estes uns dos mais comuns na energia eólica [19].
A principal vantagem dos DFIG quando utilizados em turbinas eólicas é que eles permitem a amplitude e frequência da tensão de saída se mantenham constantes, independentemente da velocidade do vento, o que permite que sejam conectados diretamente à rede elétrica e assim permanecem sincronizados. Outras vantagens incluem a capacidade para controlar o fator de potência e os dispositivos de eletrónica de potência utilizados são mais baratos, porque a sua potência corresponde a um terço da potência da máquina [22].
Figura 3-6 - Ligação de um DFIG à rede elétrica
Na ligação entre o DFIG e a rede elétrica é necessário um sistema de conversão CA/CC/CA ligado entre o rotor e a rede, que torna possível controlar a velocidade através da potência ativa proveniente do rotor da máquina, tendo como base o princípio do aproveitamento da energia de deslizamento neste tipo de motores e, consequentemente nos geradores eólicos equipados com estas máquinas. A potência reativa da máquina também pode ser controlada, tanto na região indutiva como capacitiva, facto que constitui uma importante vantagem [23].
3.1.2 Geradores Síncronos
As máquinas síncronas têm essa designação porque funcionam a uma velocidade síncrona, a velocidade de rotação do rotor tem uma frequência que corresponde à frequência de alimentação, e são principalmente utilizadas como geradores síncronos de corrente alternada. Normalmente os geradores síncronos podem operar em conjunto para
Nos geradores síncronos a velocidade de rotação do rotor é idêntica à velocidade de rotação da turbina. São dos mais usados em sistemas de geração de energia elétrica como turbinas hídricas, eólicas, assim como em sistemas de energia não renovável como a energia termoelétrica e a energia nuclear.
De acordo com a disposição do campo e enrolamentos da armadura, as máquinas síncronas podem ser classificadas por ser de armadura rotativa, o enrolamento do induzido está no rotor e o campo é no estator, ou de campo rotativo, o enrolamento do induzido está no estator e o sistema de campo é no rotor [25].
O estator do WRSG é constituído por condutores de cobre isolados com resina, um núcleo de ferro laminado com ranhuras, que é suportado por uma caixa de aço, e os condutores. É no estator que se encontram os enrolamentos do induzido.
Figura 3-7 - Estator de um gerador síncrono [25]
O campo magnético no rotor pode ser criado de duas diferentes formas, usando dois diferentes tipos de geradores. Assim, se o campo magnético for gerado pelo enrolamento de campo o gerador síncrono usado é de rotor bobinado; caso seja através de ímanes permanentes trata-se de um gerador síncrono de ímanes permanentes.
3.1.2.1
Gerador síncrono de rotor bobinado
Os geradores síncronos de rotor bobinado (Wound Rotor Synchronous Generator – WRSG) são usados em máquinas de grande dimensão, mas com velocidades mais lentas. Este tipo de geradores pode ser o mais adequado para aerogeradores com ligação direta a rede elétrica e de grandes dimensões. Normalmente estes geradores necessitam de sistemas de eletrónica de potência para que possam ser integrados em sistemas de velocidade variável.
Figura 3-8 - Rotor de um WRSG a) Vista frontal b) Vista lateral [26]
O rotor destes geradores é constituído por um núcleo de ferro não laminado com ranhuras no núcleo, nessas ranhuras são colocadas condutores de cobre isolados.
O funcionamento deste gerador consiste na aplicação de uma tensão contínua ao enrolamento do rotor através de dois anéis coletores. Esta tensão aplicada ao enrolamento dá origem a uma corrente, que por sua vez cria um campo magnético no rotor, também designado por campo de excitação. Quando é aplicado um binário ao eixo do gerador o rotor entra num movimento de rotação, assim como o campo magnético deste à mesma velocidade. A velocidade a que rodará e a frequência vão determinar qual o número de polos, através da equação 3.1:
Em que corresponde ao número de polos do gerador, [Hz] à frequência das tensões no estator e n [rpm] à velocidade de rotação do gerador.
Na ligação do WRSG à rede elétrica são utilizados dois módulos de controlo, um entre o rotor e a rede elétrica e outro entre o estator e a rede elétrica. O controlo sobre a excitação do rotor faz com que seja possível um melhor controlo do binário do rotor, e o conversor a usar é do tipo CC-CA, que se comporta como uma fonte variável. No
controlo do estator tem dois conversores, um do tipo retificador (CA-CC) e outro do tipo inversor (CC-CA).
Figura 3-9 - Ligação de um WRSG à rede elétrica
Esta topologia apresenta como vantagem o controlo da velocidade a várias gamas de funcionamento, e controlo independente da potência reativa e ativa. Por outro lado o facto de ter três conversores eletrónicos de potência faz com que o controlo seja mais complexo. Além disso o facto de ter conversor de potência ligado ao rotor implica que tenha de usar escovas ou anéis coletores, o que faz com que esta topologia se torne mais cara [27].
3.1.2.2
Gerador síncrono de ímanes permanentes
Os geradores síncronos de ímanes permanentes (Permanente Magnet Synchronous
Generator – PMSG) têm uma configuração simples, dispensando a excitação CC nos
enrolamentos do rotor através de ímanes permanentes. Inicialmente, eram apenas utilizados em sistemas de energia eólica de média ou baixa potência, mas hoje em dia são também muito utilizados em sistemas de alta potência, pois são bastante estáveis quando estão em funcionamento.
Neste tipo de geradores os enrolamentos de campo são substituídos por ímanes permanentes. Estes dispensam o uso de escovas ou fonte de tensão contínua, o que contribui para a redução do custo com manutenções, aumento do rendimento e uma melhor relação binário/volume.
Figura 3-10 - Rotor e estator de um PMSG [28]
Este tipo de geradores atuam a velocidade variável, recorrendo a controlo pitch ou
stall-ativo para ajuste dos ângulos das pás de forma a extrair o máximo de potência
possível. A ligação entre este tipo de geradores e a rede elétrica é feita através de conversores eletrónicos de potência, que têm como objetivo adaptar a frequência e amplitude da tensão gerada à da tensão da rede.
Os geradores síncronos de ímanes permanentes podem-se definir quanto à orientação do fluxo no entreferro relativamente ao eixo de rotação: radial ou axial, e quanto à orientação do fluxo no núcleo do estator relativamente à direção do movimento do rotor: transversal ou longitudinal [29].
Um sistema de geração eólica com geradores do tipo PMSG contém à saída do gerador um conversor CA-CC, ou retificador, que é responsável pelo controlo da velocidade da turbina de modo a que esta tenha um ponto de funcionamento compatível com o do gerador. Isso é conseguido através do controlo do binário elétrico do gerador. O conversor eletrónico do lado da rede, CC-CA ou inversor, é responsável por manter constante a tensão que é injetada na rede. Ao contrário de outros tipos de geradores, estes dispensam a utilização de caixa de velocidades. Desta forma, é necessário que o gerador seja de polos salientes e possua um número de polos elevado para compensar a baixa velocidade do gerador. Na figura 3-11, pode ser visualizado o esquema de interface entre um gerador PMSG e a rede elétrica.
Figura 3-11 - Topologia de interface de um PMSG com a rede elétrica
Os PMSGs são bastante utilizados em geradores eólicos. Uma das maiores vantagens destes é possuírem autoexcitação, o que permite que operem com um fator de potência mais elevado e com maior eficiência. Outra importante vantagem prende-se com o facto de não possuírem caixa de velocidades, melhorando assim a eficiência do sistema e proporcionando uma redução no peso do aerogerador, no ruído e nos custos de manutenção do sistema.
3.2 Eletrónica de Interface
Para fazer a ligação entre um gerador eólico e a rede elétrica é necessário o desenvolvimento de circuitos eletrónicos que permitam que os parâmetros de tensão e corrente gerados tenham amplitude e frequência igual à que se pretende na rede, ou nas cargas que a estes vão ser ligadas.
Tal como visto no subcapítulo 3.1, nas topologias de interface entre os geradores e a rede elétrica, podem existir vários tipos de conversores eletrónicos, dependendo do gerador utilizado. No entanto, existem três tipos de conversores que são muito comuns neste tipo de ligação e na eletrónica de potência em geral, que são:
- Conversores CA-CC. - Conversores CC-CC. - Conversores CC-CA.
3.2.1 Conversor CA-CC
O conversor CA-CC designa-se retificador e é um sistema eletrónico que tem como finalidade converter corrente alternada em corrente contínua. Esta conversão tanto pode ser feita através de uma ponte retificadora monofásica ou trifásica. Os retificadores são o principal bloco de eletrónica de potência.
Os retificadores podem ser de meia onda ou onda completa, consoante a disposição dos semicondutores, assim como podem ser controlados, semi-controlados ou não controlados. Se um retificador for controlado significa que o circuito tem componentes, normalmente tirístores, que fazem com que sejam modificados os parâmetros de funcionamento do circuito e que a tensão na saída seja controlada. No caso de o retificador ser não controlado a tensão de saída apenas está dependente da tensão de entrada.
Normalmente à saída dos retificadores é colocado um filtro capacitivo de forma a reduzir o ripple da tensão de saída.
Nos sistemas de geração eólica, os retificadores a usar são geralmente trifásicos de onda completa não controlados, utilizando depois ainda outros tipos de conversores quando é necessário controlar a tensão de saída.
Retificador trifásico de onda completa não controlado
O retificador trifásico de onda completa não controlado é constituído por seis díodos, divididos em três braços que estão ligados a cada uma das fases. Existem sempre dois díodos em condução em cada instante de tempo, um no semi-ciclo positivo e outro no semi-ciclo negativo. Assim, quando a tensão de entrada em cada fase é positiva o díodo que conduz é o da parte superior do circuito e quando essa mesma tensão é negativa é o díodo da parte inferior do circuito que conduz. Na figura 3-12 está representado um retificador deste tipo.
Figura 3-12 - Retificador trifásico não controlado de onda completa [30]
Tendo em conta que a tensão simples de cada fase está desfasada entre si 120º, e as tensões compostas estão desfasadas destas 30º, pode-se determinar o valor médio de saída que corresponde a uma junção da parte superior de cada uma das tensões compostas, como mostra a figura 3-13, em que a parte mais escura corresponde à tensão de saída do retificador.
Figura 3-13 - Ondas das tensões do retificador [30]
Na tabela seguinte mostra quais os díodos em condução em cada uma das formas de onda das tensões compostas que corresponde à forma de onda da tensão na saída do retificador, representadas a negrito na figura 3-13.
Tabela 3-1- Díodos em condução por cada tensão composta
Período (º) Tensão Composta (v) Díodos em condução
[0 ; 30] [30 ; 90] e [90 ; 150] e [150 ; 210] e [210 ; 270] e [270 ; 330] e [330 ; 360]
O valor médio da onda de saída pode também ser obtido pela seguinte expressão:
Ao colocar um filtro capacitivo na saída da ponte retificadora é possível diminuir o ripple nas formas de ondas da tensão e da corrente, aproximando-as cada vez mais de um valor constante ao longo do tempo.
3.2.2 Conversor CC-CC
Este tipo de conversores tem como objetivo converter a tensão ou a corrente contínuas à entrada do circuito em tensão ou corrente também elas contínuas, mas com níveis diferentes de amplitude, nos terminais de saída do conversor, ou seja a tensão ou corrente de saída são reguladas. Os seus circuitos são não lineares e utilizam semicondutores de potência como interruptores estáticos e elementos passivos para armazenamento temporário da energia transferida entre a fonte de entrada e a carga.
Os conversores CC-CC podem ser utilizados para os mais variados fins como por exemplo fontes de alimentação de computadores e outros aparelhos, UPSs, sistemas fotovoltaicos, sistemas eólicos, e diversas aplicações com motores, etc.
Existem vários tipos de conversores CC-CC, os mais importantes são os seguintes: Step-down ou buck, são circuitos abaixadores de tensão.
Step-up ou boost, são circuitos elevadores de tensão.
Step-up/Step-down ou buck-boost, tanto podem baixar como elevar os níveis de tensão ou corrente.
Figura 3-14 - Conversores CC-CC: Step-up, Step-down e Step-up/Step-down.
Os conversores CC-CC que se usam normalmente em sistemas de energia eólica são do tipo elevador de tensão e costumam ser mais aplicados nos sistemas de micro-geração eólica, nomeadamente em sistemas que utilizem um circuito MPPT (Maximum
Power Point Tracker) que tem como objetivo que o gerador funcione sempre no ponto
máximo de potência, independentemente das condições do vento.
3.2.2.1
Conversor Step-Up
O conversor step-up tem como objetivo aumentar o valor da tensão contínua à entrada do circuito para um nível mais alto de amplitude. Para aumentar a tensão é utilizada a técnica de controlo PWM (Pulse Width Modulation) [31].
Figura 3-15 - Conversor Step-up
Este circuito é constituído por um semicondutor de potência S, que funciona como interruptor e está ligado a um circuito de controlo, uma bobine L, um díodo D, um condensador C e uma carga, que neste caso é representada como uma resistência R. O controlo aplicado ao interruptor (S) é do tipo PWM e dita a frequência de comutação do interruptor, ficando durante um determinado período de tempo ligado ( ) e durante
outro período desligado ( ).
O modo de funcionamento destes conversores é o seguinte: Quando o interruptor S está ligado a tensão de alimentação é aplicada na bobine L e o díodo D fica inversamente polarizado ( < ). Dessa forma não passa energia da fonte de alimentação para a carga, sendo a carga alimentada pelo condensador, enquanto que, por seu lado, a bobine vai acumulando energia. Assim que o interruptor é desligado o díodo fica polarizado e passa a conduzir e a energia que se acumulou na bobine passa a alimentar a carga e o condensador.
O conversor step-up pode operar em modo de condução contínua ou modo de condução descontínua. O que determina esse modo em que o conversor funciona é a corrente na bobine ( ), se esta nunca for nula significa que opera em modo de condução contínua, caso contrário opera no modo de condução descontínua.
Modo de Condução Contínua
No modo de condução contínua o conversor step-up funciona de duas diferentes formas durante o período , quando o interruptor está ligado ( ) e quando está desligado ( ). Na figura 3-16 estão representadas as formas de onda da tensão ( ) e da corrente ( ) na bobine durante um período .
Figura 3-16 - Formas de onda da tensão e corrente na bobine em modo de condução continua [32]
Como se pode verificar pelos gráficos a corrente na bobine aumenta tanto quando o interruptor está ligado quanto o que decresce quando este é desligado, independentemente dos tempos que demora em e .
A seguinte equação reflete a relação entre a tensão de entrada e a tensão na carga no modo de condução contínua:
Em que corresponde à tensão de entrada no circuito, à tensão de saída, ao tempo em que o interruptor está ligado e ao tempo em que o interruptor está desligado.
Sabendo que o valor do duty-cycle (D) quando o semicondutor está ligado é dado por:
Em que corresponde ao período da onda.
Quando está desligado, a equação do duty-cycle é a seguinte:
Então substituindo em 3.3, obtém-se:
Fazendo a relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada, obtém-se:
Admitindo que as perdas são nulas ( ):
Logo, obtém-se uma relação entre a corrente de entrada ( ) e a corrente de saída ( :
Modo de condução descontínua
Quanto ao modo de condução descontínua caracteriza-se por haver um instante de tempo em que a corrente na bobine é zero. Na figura 3-17 pode-se verificar que ao longo de um período a corrente passa por 3 estados diferentes, o primeiro corresponde ao tempo em que o interruptor está ligado ( ) e a corrente está sempre a aumentar até atingir o valor máximo. O momento em que atinge esse valor corresponde ao momento em que o interruptor é desligado, a partir desse momento a corrente começa a baixar até ter um valor nulo (na figura 3-17 este tempo corresponde ao valor ). No estado seguinte a corrente mantém-se com o valor zero, e isso ocorre porque a corrente chegou a zero antes do novo ciclo.
Figura 3-17 - Formas de onda de tensão e corrente na bobine em condução descontinua [32]
Para obter a relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída são seguidas estas equações:
Substituindo os por ( D * ) e por ( ) tem-se:
Desenvolvendo a equação em ordem a :
Admitindo que as perdas são nulas ( ), pode obter-se a relação entre a corrente de entrada e a de saída:
A corrente média de entrada é calculada da seguinte forma:
Fazendo agora a mesma equação em ordem a e substituído na equação 3.14:
Desta forma tem-se todas as equações necessárias para o cálculo do duty-cycle:
Ripple na Tensão de saída
Para calcular o valor da variação da tensão de saída pode-se recorrer à forma de onda representada na figura 3-18, em que se pode determinar a variação da carga (∆Q) pela área a sombreado.
Figura 3-18- Ripple da tensão de saída [32]
As equações para o cálculo da variação da tensão do ripple são as seguintes:
