COMPORTAMENTO DOS GERADORES DE INDUÇÃO DUPLAMENTE ALIMENTADOS EM TURBINAS EÓLICAS DE PEQUENO PORTE

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS CURITIBA DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA ÊNFASE ELETROTÉCNICA DIOGO MARTINS ROSA LUIZ ANDRÉ MOTTA DE MORAES MARCO ANTÔNIO BOLSON COMPORTAMENTO DOS GERADORES DE INDUÇÃO DUPLAMENTE ALIMENTADOS EM TURBINAS EÓLICAS DE PEQUENO PORTE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2012

2 DIOGO MARTINS ROSA LUIZ ANDRÉ MOTTA DE MORAES MARCO ANTÔNIO BOLSON COMPORTAMENTO DOS GERADORES DE INDUÇÃO DUPLAMENTE ALIMENTADOS EM TURBINAS EÓLICAS DE PEQUENO PORTE Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC, do curso de Engenharia Industrial Elétrica - Ênfase em Eletrotécnica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Professor Clider Adriane de Souza Silva CURITIBA

3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA Delimitação do tema PROBLEMA E PREMISSAS OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos específicos JUSTIFICATIVA PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ESTRUTURA DO TRABALHO CRONOGRAMA DO TRABALHO REFERÊNCIAS

4 LISTA DE FIGURAS Figura Energia Eólica Gerada em GWh... 7 Figura Complementariedade Hidroelétrica, Eólica e Biomassa

5 1 INTRODUÇÃO 1.1. TEMA Delimitação do tema O crescimento do consumo de energia elétrica no mundo é cada vez mais expressivo, com isso, encontrar novas formas de gerar a energia é de extrema importância. Quando falamos em energias sustentáveis, onde não se consome nenhum tipo de combustível fóssil ou de biomassa, o interesse econômico e ambiental cresce. Dentre todas as fontes renováveis de energia, a eólica é a que mais cresceu nos últimos 6 anos. Existem diversas maneiras de gerar energia eólica. Diferentes formas construtivas de turbinas e diferentes tipos de geradores. Os principais conceitos utilizados pelos fabricantes de turbinas eólicas são: Operação em duas velocidades, utilizando um gerador de indução em gaiola de esquilo; Operação em velocidade variável, utilizando um gerador síncrono de polos salientes; A operação em velocidade variável, utilizando um gerador de indução com dupla alimentação; Geração em tensão contínua com geradores de imã permanente. Um conceito muito utilizado pelos grandes fabricantes dentre esses mencionados é o de operação com gerador de indução duplamente alimentado. É de interesse para o sistema interligado de energia elétrica, que a geração seja bem distribuída, ou seja, que haja várias fontes de geração em localidades distribuídas no território onde o sistema se encontra. Para que com isso não exista grandes volumes de energia sendo transportados em longas distâncias gerando perdas e/ou elevados custos na transmissão. 5

6 Existem locais próximos às cargas onde não se aplica grandes parques eólicos, porém se aplicaria pequenos centros de geração eólica de pequeno porte, o que é interessante para um sistema bem distribuído PROBLEMA E PREMISSAS Visando analisar o comportamento de um gerador duplamente alimentado de pequeno porte conectado diretamente à rede elétrica, sendo que este geralmente é de médio porte para cima, são formuladas perguntas como: Qual a complexidade da montagem desse sistema de geração duplamente alimentado? Como controlar a velocidade do gerador utilizando o inversor de frequência no rotor? Como fazer com que o fluxo de potência em um inversor flua para ambos os sentidos? É de se esperar encontrar a resposta para tais perguntas durante o estudo, e que a máquina escolhida seja a melhor alternativa para os aerogeradores de até 100 kw OBJETIVOS Objetivo Geral Desenvolver, analisar e testar um sistema de geração utilizando uma máquina de indução com rotor bobinado duplamente alimentado, utilizando um sistema de inversão de frequência no rotor da máquina Objetivos específicos Realizar fundamentação teórica sobre a geração de energia utilizando um gerador de indução duplamente alimentado; 6

7 Criar um protótipo de geração utilizando uma máquina de indução duplamente alimentada; Verificar a funcionabilidade do sistema, testá-lo, extrair medidas e validar a sua aplicação; Equacionar matematicamente e vetorialmente o sistema em estudo; Validar o estudo do sistema de geração mediante a resultados experimentais JUSTIFICATIVA A geração eólica é a que mais cresce aqui no Brasil. A ONS disponibiliza toda a energia eólica gerada no SIN (Sistema Interligado Nacional) desde 2006: Figura Energia Eólica Gerada em GWh Fonte: ONS Operador Nacional do Sistema Na época em que o Brasil está com poucas chuvas a baixa umidade no ar da espaço aos ventos e quando está com muita chuva já não existe muito vento. É possível observar isso comparando dois gráficos disponibilizados pela ONS (Operador Nacional do Sistema) que mostram o montante de energia gerada de ambas as fontes de geração. Afigura a seguir mostra (em verde) a curva de afluência natural eólica e (em azul) a curva de afluência natura hídrica. 7

8 Figura Complementariedade Hidroelétrica,Eólica e Biomassa Fonte: ONS Operador Nacional do Sistema A complementaridade da energia eólica e hídrica aqui no Brasil, segundo a EPE Empresa de Pesquisa Energética, é algo que faz com que a geração utilizando aerogeradores seja uma ajuda para a estabilidade do sistema interligado. Pois em épocas de seca terá muito vento e quando não tiver vento para ser turbinado as hidroelétricas terão água de sobra. Devido ao processo produtivo das turbinas eólicas, ou seja, por ser produzido em escala, seu custo vem baixando ao longo dos anos. Segundo o site CanalEnergia (1), as maiores empresas do setor eólico já estão se instalando aqui no Brasil, o que está fazendo com que os preços fiquem ainda menores, devido à eliminação do custo de importação dos equipamentos. Unindo os dois principais fatores que são, a complementaridade da energia eólica com a hídrica no Brasil e a redução dos custos por kw instalado, conclui-se que a fonte de energia renovável proveniente dos ventos possui um grande potencial de aproximadamente 143 GW, segundo o Atlas do Potencial Eólico 8

9 Brasileiro (2), que obteve os resultados com torres de medição de 50 metros de altura PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS sejam: O presente trabalho deverá ser dividido em duas etapas principais, quais 1ª etapa: pesquisa e fundamentação teórica para a análise do funcionamento de um gerador de indução duplamente alimentado; 2ª etapa: montagem, teste e análise do protótipo. Na primeira etapa, a pesquisa deverá abranger pontos como conceitos do funcionamento de um gerador de indução duplamente alimentado, bem como a suas atuais situações em termos de uso e custo no Brasil para que, a partir do conhecimento destes tópicos iniciais o protótipo possa ser desenvolvido de maneira correta e viável. A fundamentação também deverá conter tópicos sobre a estrutura, o funcionamento e a aplicabilidade do gerador. Por fim, a pesquisa deverá conter informações sobre a máquinas que será utilizada no protótipo, tal como a potência, o fabricante e fórmulas de montagem utilizadas. Na segunda etapa será montado o protótipo da máquina, sequência de medições, testes, verificação do fluxo de potencia, corrente, tensão, velocidade de rotação e utilizando para esse processo uma outra máquina elétrica para simular a potencia mecânica fornecida pelo eixo da turbina eólica ESTRUTURA DO TRABALHO O trabalho será apresentado, em seu primeiro capítulo, com uma introdução sobre o tema, seguido de uma fundamentação teórica sobre a geração elétrica utilizando um gerador de indução duplamente alimentado: seu histórico, soluções e padrões já estabelecidos, estado da arte, etc. 9

10 Em seu segundo capítulo, será feita a descrição detalhada do protótipo realizado: inversor de frequência, máquina, velocidade de rotação, equipamento de medição (frequencímetro, multímetro, wattímetro, varimetro, amperímetro). Feito isso, partir-se-á para a descrição e constatações pertinentes aos ensaios, montagem e funcionamento das máquinas. Isso incluirá dados, tabelas, fotos e demais materiais obtidos nos ensaios que serão feitos com o protótipo do sistema No último capítulo, serão apresentadas as conclusões e as soluções obtidas para os objetivos traçados anteriormente com o funcionamento do gerador de indução duplamente alimentado. 10

11 1.7. CRONOGRAMA DO TRABALHO Atividade Metodologia TCC.1 TCC.2 Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Abril Mai Jun Semana Defesa.da.proposta.de.projeto Levantamento.bibliográfico Fundamentação.teórica Criar.um.sitema.de.geração. utilizando.a.máquina Análise.do.sitema.em. funcionamento Análise.da.consistências.dos. dados Finalizar.estrutura.do.trabalho Preparação.para.a.defesa.do.TCC Defesa.do.TCC 1 11

12 1.8. REFERÊNCIAS ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica. Disponível em: < Acesso em: 20 abr ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico. Disponível em: < Acesso em: 20 abr SCHUBERT, C.; TRUE WIND SOLUTIONS. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. Eletrobrás, CEPEL e CRESESB CD-ROM. Site CANAL ENERGIA. Canal Energia. Disponível em: < Acesso em: 21 abr EPE Empresa de Pesquisa Energética. Disponível em: < Acesso em: 21 abr