PAPER 1/6. Micro central hidrelétrica com turbina hidrocinética (Estudo de caso no Rio Caçadorzinho)

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1 PAPE 1/6 itle Miro entral hidrelétria om turbina hidroinétia (Estudo de aso no io Caçadorzinho) egistration Nº: (Abstrat) AWLC6774 Universidade enológia Federal do Paraná UFP (Campus Pato Brano) Via do Conheimento, Km 1, , Pato Brano, Paraná, Brasil. Authors of the paper Name Country César Augusto Portolann ua Franiso Xavier, 44, , Centro, Pato Brano, P, Brasil (055) Sergio Luis ibas Pessa ua Manaus, 55, , Bairro Pinheiros, Pato Brano, Paraná, Brasil (055) Juliana Kok Brasil Geovane Snizer ua Duque de Caxias, SN, , Coronel Vivida, P, Brasil hiago Prado De Campos Brasil om Daniel Prado De Campos Brasil Key words Carga dump, Controle de tensão, Efiiênia energétia, Miro-entral hidrelétria, urbina hidroinétia. esumo O Sudoeste do Paraná neessita de inentivos para um desenvolvimento mais sustentado. Pequenos e médios agriultores dessa região podem ontribuir nisso, se tiverem maior oferta de energia elétria para manufatura de produtos. Grande parte dos agriultores reebe potênia em 5 KVA. Com maior apaidade instalada, poderão industrializar e agregar valor a produtos antes omerializados in natura, e também ofereer serviços. O inremento na oferta de eletriidade poderá ser feito por meio de miro-entrais hidrelétrias, que sejam atrativas ténia e eonomiamente. Em geral, pequenas plantas de geração onvenional não são atrativas devido ao usto da turbina e dos reguladores de tensão e veloidade. Este estudo propõe uma miro usina que usa turbina hidroinétia, e os ontroles de tensão e frequênia se utilizam de link de orrente ontínua, arga dump e inversor de tensão. Este tipo de geração se arateriza pelo baixo usto, aliado à onfiabilidade, onde se evita a onstrução de barragem, operando de forma a extrair máxima potênia, om usto iniial e de manutenção baixos, operação automátia onfiável, poua exigênia de manutenção e espera-se vida longa. O projeto tem o objetivo de desenvolver uma miro-entral hidroinétia que tenha boa aeitação entre os agriultores, e onsequentemente failidade para a difusão do seu uso. Neste artigo a ênfase é dada ao ontrole de tensão, que é uma parte vital do projeto, pois é também responsável pela qualidade da energia elétria gerada. Uma equação mostra a relação entre a tensão terminal da miro-entral e a ação do ontrolador sobre a arga dump. São obtidos resultados de um protótipo que onfirmam a teoria preestabeleida. 1 / 6

2 PAPE /6 1 - Introdução Este trabalho visa ontribuir para a difusão de miro-usinas hidrelétrias (MCH) nas regiões sudoeste do Estado do Paraná e Oeste de Santa Catarina (Brasil), onde se verifiam baixos índies de desenvolvimento humano (IDH). Uma maior oferta de energia elétria permite que famílias manufaturem produtos, agregando valor, ao invés de omerializá-los in natura, omo é o aso de frutas, legumes, ereais e arnes, que poderiam ser transformados em geléias, ompotas, vinhos, bisoitos e embutidos, et. ambém, os agriultores sofrem om interrupções frequentes no forneimento de energia elétria, que implia em ordenha manual e falta de refrigeração do leite. A difusão destas usinas oorre basiamente por meio da minimização dos ustos globais, ao mesmo tempo que se mantém a onfiabilidade e a boa qualidade da energia. Para alançar esses objetivos, neste projeto, duas ações básias são onsideradas. A primeira refere-se à utilização de turbina hidroinétia, que evita a onstrução de barragem, analização, tubulação forçada e omporta, onferindo mais eonomia. A segunda ação diz respeito ao proessamento da energia gerada, que deve ser de boa qualidade, porém, os ontroladores devem ser simples e robustos. De modo mais espeífio, é neessário que a amplitude e a frequênia da tensão gerada sejam mantidas ontroladas, através de dispositivos baratos e onfiáveis. O ontrole da frequênia será de responsabilidade de inversor(es) de tensão, uja saída fornee uma frequênia fixa; assim, a ênfase deste trabalho será o ontrole da amplitude da tensão. O projeto desta miro usina está previsto para ser implementado no io Caçadorzinho, muniípio de Vitorino ou no io Marmeleiro no muniípio de Marmeleiro, ambos no estado do Paraná. O artigo está estruturado omo segue. Depois da introdução será vista uma breve desrição geral do esquema proposto. Na sequênia serão abordados os aspetos teórios, que justifiam por meio de equações, a relação da tensão om alguns parâmetros. Em ontinuidade são apresentados os resultados, obtidos de um protótipo, om a finalidade de atestar o ontrole de tensão. Finalmente são feitas as onlusões. - Desrição suinta do sistema A Figura 1 representa o sistema, que é omposto de turbina hidroinétia, gerador de indução auto-exitado (ou gerador de ímã permanente ou sínrono), retifiador a diodos, ontrolador de tensão e inversor de tensão. Fig. 1 - Esquema da miro-entral proposta. Uma parte fundamental da MCH é a turbina, que no aso optou-se por uma do tipo hidroinétia, onforme justifiado anteriormente. A foto dessa máquina a ser utilizada no projeto, pode ser vista na Figura. A apliação do gerador de indução tipo gaiola de esquilo, em sistemas autônomos ou isolados, omo nesse aso, é muito difundida, prinipalmente por sua robustez, e poua neessidade de manutenção. O retifiador trifásio, sendo do tipo não ontrolado, oferee simpliidade e baixo usto. É seguido de um filtro passa-baixas que minimiza a ondulação da tensão gerada, ontribuindo para a boa efiiênia do ontrolador de tensão. Fig. urbina hidroinétia utilizada. / 6

3 PAPE 3/6 O link de orrente ontínua é desejável, e importante porque simplifia o ontrole da frequênia que é ajustada por um inversor de tensão, permitindo que o ontrole de tensão seja efetuado por uma únia have semiondutora. O inversor de tensão se onstitui num onversor CC-CA, e providenia a tensão alternada para argas omo motores em geral, iluminação fluoresente e outras argas, om a frequênia fixa, no aso em 60 Hz. 3 - O ontrole de tensão Generalidades O ontrolador de tensão é sintetizado por um onversor hopper atuando sobre uma arga dump. Do iruito da Figura 1, tem-se que: V E Ir (1) onde: V: tensão nos terminais das argas; E: tensão na saída do retifiador; I: orrente no link CC; r: soma de diversas resistênias. Considerando que a potênia nas argas é: P VI () Substituindo (1) em (): P E Ir I (3) P EI I r (4) Isolando I em (1) e substituindo em (4): I E V r E V E V P E r r r (5) (6) EV V P (7) r r Multipliando por r, resulta a seguinte expressão, que pode refletir a regulação do link de CC, omo função da f.e.m., de r e da arga total P : V EV rp 0 (8) A tensão terminal pode ser mantida onstante pelo hopper, por meio de variações apropriadas na potênia demandada pela arga dump (Subramanian, ay). Com base no fato que a tensão terminal ai om o aumento da arga, e vie-versa, a minimização da regulação de tensão oorre obviamente da seguinte forma: se a tensão terminal tende a air por ausa do aumento da arga prinipal (ou ainda em razão de um défiit da energia primária, que por sua vez implia em uma redução da tensão E), a potênia na arga dump é automatiamente reduzida, om base na variação da largura de pulso de tensão apliado em. Se a tensão tende aumentar, a largura de pulso é inrementada adequadamente. A arga prinipal em uma miro-entral om link de CC, pode ser onstituída de vários aparelhos, tais omo aqueedores, lâmpadas inandesentes, motores CC, arregadores de baterias e inversores de tensão para argas de orrente alternada. No aso, para failidade na obtenção dos resultados, 1 foi formada somente por quatro lâmpadas inandesentes de 100W, 0V. A arga dump foi onstituída por uma resistênia em série om um transistor Mosfet IF730. O sinal de tensão é obtido de um divisor de tensão formado pelos resistores a e b. Este sinal é introduzido em um dispositivo que onverte o sinal de tensão ontínua, em sinal de tensão pulsante, om largura de pulso proporional ao sinal de entrada PWM. No aso foi utilizado o iruito integrado LM354. Na prátia, a arga dump pode ser plenamente utilizada, omo por exemplo em aqueimento de água, aqueimento de fornos e arga de baterias, dentre outras apliações ensão versus largura de pulso (w) A arga dump tem o objetivo de manter a potênia gerada, aproximadamente onstante (valor nominal), mantendo fixa a queda de tensão natural ou regulação. Assim, ele exeuta um papel de ontrolador de tensão, ompensando variações na arga prinipal, e na força eletromotriz gerada (Stein, Manwell). A arga dump é modulada por um onversor CC-CC, sintetizado por um únio semiondutor de potênia, signifiando maior onfiabilidade e possível menor usto. Algumas vantagens deste ontrole: Substitui a exitatriz (aso de gerador sínrono), ou ontrole de tensão em geradores de indução, via de regra omplexos; Contribui para a regulação de veloidade, substituindo em parte o regulador de veloidade, geralmente oneroso; 3 / 6

4 PAPE 4/6 Previsão de bom omportamento para grandes e súbitas variações de arga; A mão-de-obra para instalação não neessita ser espeializada. De modo geral, o funionamento da arga dump é representado omo segue, onde se despreza as perdas: Potênia gerada = arga dump + arga prinipal A função da arga dump, neste aso, é asar a potênia gerada om as variações de arga. Assim, a potênia gerada deve ser onstante, independentemente das variações na arga prinipal. Com a ténia de ontrolar a arga através de um dispositivo eletrônio, uma arga ôhmia pode ter os seus valores médio e efiaz ontrolados [,3]. Por onveniênia a arga dump será tratada iniialmente omo ondutânia efetiva. 1 G w o G,max dt 0 G w G o,max 1 1 G w G o,max (9) (10) (11) A expressão (11) onstitui a resistênia efetiva da arga dump, omo função da largura de pulso w do onversor CC-CC: w o (1) Por sua vez, a resistênia efetiva total de arga do link CC, pode ser dada por: 1 w 1 (13) Considera-se também que a potênia gerada pode ser estabeleida por: P g E r r E 1 w 1 (14) Admitindo as perdas desprezíveis frente às argas, permitindo aproximar P = P g, a expressão (8) pode ser rearranjada para (15), a qual evidenia a relação da tensão V om a largura de pulso w. 4r E E 1 1 r w 1 V (15) A tensão depende da potênia modulada pela arga dump, que por sua vez está relaionada om a largura do pulso de tensão apliado sobre. Se a orrente da arga prinipal aumenta/diminui, a largura de pulso diminui/aumenta respetivamente, para que a arga dump se adapte, fazendo om que o gerador pereba uma orrente onstante nos seus terminais. A Figura 3 ilustra essa adaptação da largura de pulso para diferentes resistênias ( 1 ) da arga prinipal, em Ω. ensão terminal (V) w(163,3) w(4) w(484) w(inf) Largura de pulso - w (us) w(1=11ohm) x esultados Fig. 3 - ensão versus w. Com base no esquema da Figura 1, se verifia o omportamento em regime permanente do sistema apresentado. Efetuaram-se variações na arga prinipal, reduzindo-se a sua potênia, desde um valor máximo até zero. 1 se onstituiu iniialmente de quatro lâmpadas inandesentes de 100W/0V. A arga dump foi formada por uma resistênia om aproximadamente o mesmo valor e potênia da arga prinipal, e submetida à modulação PWM. A partir desse estado iniial, a arga prinipal foi reduzida em degraus iguais, e registrada a largura de pulso respetivo, ilustrado nas Figuras que seguem, bem omo outras grandezas de interesse. 4 / 6

5 PAPE 5/6 Ponto 1 estado iniial Cada estado do pequeno sistema isolado foi rotulado omo um ponto diferente do outro. O ponto 1 é araterizado pelo fato da arga prinipal ser máxima. A tensão terminal foi de V, a orrente na arga prinipal foi de 1,73 A, enquanto na arga dump foi nula. Para este aso, a largura de pulso w também foi zero. Utilizando a expressão (11), a resistênia efetiva da arga dump, e a potênia dissipada nela, tiveram respetivamente os seguintes valores: Ponto 3 A Figura 5 mostra a largura de pulso w, resultante do aso onde a potênia da arga prinipal foi reduzida pela metade, e a orrente dela aiu para 0,86 A. Para manter a tensão em V, foi neessário inrementar w para o valor de 156 µs, representando um aumento da orrente na arga dump para 0,894 A. o,1 11 ; 0 P,1 0 W. Ponto Neste segundo estado, a orrente da arga prinipal foi reduzida para 1,96 A devido à redução da potênia. A tensão terminal V tenderia a aumentar, porém foi mantida em V, graças ao aumento da orrente na arga dump para 0,447 A (valor médio), omo onseqüênia de um inremento na largura de pulso w, para 5 µs. Isto pode ser verifiado na Figura 4. A resistênia efetiva da arga dump diminuiu omo resultado da modulação PWM. Naturalmente, a potênia desta arga aumentou. Fig. 5 - W para P 1 =½P max Os valores de resistênia efetiva e de potênia para a arga dump foram respetivamente: o, ,8 ; 156 P,3 197,3 W. 188,8 Ponto 4 A Figura 6 ilustra o penúltimo estado das variáveis foi araterizado pela orrente prinipal reduzida para o valor de 0,48 A. Fig. 4 W para P 1 =¾P max Esses valores são mostrados a seguir. o, 11 37,1 ; 5 P, 113,9 W. 37,1 Fig. 6 - W para P 1 =¼P max. Agora, om um aumento da orrente em para 1,15 A, deorrente de um inremento de w para 60 µs, a tensão terminal foi garantida no valor de V. Os valores de resistênia efetiva e de potênia para a arga dump, neste aso, foram respetivamente: 5 / 6

6 PAPE 6/6 o, ,3 ; 60 Ponto 5 estado final P,4 54,6 W. 146,3 Neste estado a arga prinipal foi zerada, e a arga dump ompensou mais uma vez a variação de 1, assumindo toda demanda de potênia. Pode-se verifiar na Figura 9 que a largura de pulso w, pratiamente se onfunde om o período estabeleido de µs, fazendo om que a potênia da arga seundária seja máxima. A orrente média verifiada foi de 1,60 A. Para este ponto, a resistênia efetiva de e a sua potênia são: o, ; P,5 307,8 W. 11 Fig. 9 - W para P 1 =0. A abela 1 ontém os prinipais resultados do ensaio, onde I m e I o representam respetivamente as orrentes média e efiaz na arga dump. abela 1 - esumo dos resultados do ensaio. Pto w(µs) o(ω) I 1(A) I m(a) I o(a) P 1(W) P (W) 1 0 1,730 0,000 0, ,96 0,447 0, ,86 0,894 1, ,48 1,15 1, ,000 1,600 1, A Figura 10 resume o efeito de ompensação da arga dump. Neste gráfio é mostrado que a variação da arga prinipal é sempre omplementada pela arga dump, ou seja, a potênia gerada é mantida aproximadamente onstante, de forma que as variações de tensão sejam reduzidas. Potênia (W) P1: Carga prinipal P: Carga auxiliar P: Potênia gerada empo (min) Fig. 10. Carga dump x arga prinipal. 5 - Conlusões O estudo permite fazer algumas afirmações. A geração de energia elétria de pequeno porte om turbina hidroinétia e link CC, numa estrutura onde a exitatriz ou outro esquema omplexo de ontrole de tensão é substituído por uma arga eletrônia, fia muito simplifiada. Pode-se atestar a viabilidade ténia para a regulação de tensão om este esquema proposto, o que foi indiado pelos valores e formas de onda obtida. A mínima quantidade de materiais e dispositivos india que o investimento e usto de manutenção são menores do que aqueles das ténias onvenionais. 6 eferênias bibliográfias [1] Subramanian, K., ay, K. k., Voltage egulation of 3-Φ Self Exited Asynhronous Generator, International of Engineering Siene and ehnology (IJES), Vol. (1), 010, ISSN: [] Henderson, D., An Advaned Eletroni Load Governor for Control of Miro Hydroeletri Generation, IEEE rans. on Energy Conversion, Vol. 13, No. 3, Sept [3] Portolann, C. A., Farret, F. A., Mahado,. Q, Eletroni egulation by the Load of the Eletrial Variables and Speed of Asynhronous Miro urbogenerators, V IEEE International Power Eletronis Congress CIEP 96, Anais pp , Cuernavaa, Mex., Outubro / 6