GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA TECNOLOGIAS ATUAIS E FUTURAS

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1 1 GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA TECNOLOGIAS ATUAIS E FUTURAS F. Rüncos 2, R.Crlson 1, P. Kuo-Peng 1, H.Voltolini 1, N.J. Btistel 1 1 GRUCAD-EEL-CTC-UFSC, C.P. 476, Florinóolis-SC-BRASIL 2 WEG MÁQUINAS, C.P. 3000, Jrguá do Sul-SC-BRASIL Abstrct A gerção de energi elétric trvés d utilizção d energi dos ventos te vnçdo substncilente n últi décd. A crcterístic rincil dest or de energi lterntiv é o to dos ventos, o longo d suerície terrestre, não resentre velocidde constnte. Conseqüenteente turbin eólic oer co velocidde vriável. Isto exige que o gerdor coldo à turbin eólic sej cz de gerr energi elétric co reqüênci constnte nu cert ix de vrição de velocidde. Entre os diversos tios de gerdores elétricos tulente utilizdos, u dos que elhor tende est condição é o Gerdor Assíncrono Triásico Dulente Alientdo co Escovs [GATDACE]. Neste gerdor o enrolento esttórico é ligdo diretente à rede elétric, e o enrolento do rotor é ligdo à rede trvés do conversor que é resonsável elo controle d áquin. Est solução é utilizd e odernos gerdores eólicos co otêncis d orde de té 5MW. O gerdor [GATDACE], esr de ser u solução viável, resent desvntge d nutenção devido o desgste ds escovs. Coo n gerção eólic, o bixo índice de nutenção e conibilidde são ontos iortntes no sentido de torná-l coetitiv, uito se te esquisdo r desenvolver o gerdor Assíncrono Triásico Dulente Alientdo Se Escovs [GATDASE]. Este gerdor, lé ds vntgens do nterior, não necessit de escovs tornndo-o is coniável e diinuindo os custos de nutenção. Neste rtigo, serão ostrdos rieirente s diverss tecnologis de gerdores licdos n gerção eólic, o rincíio de uncionento e o controle do Gerdor Assíncrono Triásico Dulente Alientdo trvés de Escovs [GATDACE]. E seguid, serão resentdos os resultdos ds esquiss eits el WEG e UFSC no sentido de desenvolver o [GATDASE]. Serão ostrdos o rincíio de uncionento, o controle e os resultdos de erornce do rotótio construído r este objetivo. Coo conclusão ostrreos u nálise cortiv entre o deseenho dos dois gerdores INTRODUÇÃO Tod tividde hun recis de Energi r que oss ser relizd. Qulquer oviento só é ossível se existir energi ecânic disonível. E unção dest necessidde uito cedo n históri do desenvolviento huno conversão de ors de energi riári e energi Mecânic r relizção de trblhos otivou o ser huno estudr e desenvolver técnics de conversão de energi. U ds ors de energi riári bundnte n nturez é Energi dos Ventos, denoind energi Eólic. A técnic de conversão d energi dos ventos e energi ecânic rieirente oi exlord r utilizção e roulsão de nvios, oinhos de cereis, bobs de águ e n idde édi r over industri de orjri (igur 1). A conversão d energi dos ventos e energi ecânic consiste nu técnic reltivente siles, bstndo ens que se tenh u otencil eólico disonível e que resist os crichos d nturez. Figur 1- Moinho eólico edievl

2 2 No inl do século XIX qundo o uso d energi elétric coeçou crescer ridente no lnet, s rieirs turbins eólics or licds n conversão d energi dos ventos diretente e energi elétric. No inverno de Chrles F. Brush colocou e oerção rieir turbin eólic utoátic co diâetro do rotor de 17 e 144 ás de deir r gerr energi elétric, (igur 2). Entretnto, oi rtir de exeriêncis de estíulo o ercdo relizds n Cliórni n décd de 1980 e n Dinrc e Alenh n décd de 1990 que o roveitento d energi eólic coo lterntiv de gerção de energi elétric tingiu escl de contribuição is signiictiv o siste elétrico, e teros de gerção, eiciênci e coetitividde. O enore desenvolviento tecnológico ssou ser citnedo el nscente indústri do setor, e regie de coetição e estiulds or ecnisos institucionis de incentivo. Devido este vnço tecnológico e o cresciento d rodução e escl, oi ossível se desenvolver novs técnics de construção dos ero-gerdores eritindo uentr ccidde unitári ds turbins, obtendo ssi reduções grduis e signiictivs nos custos do quilowtt instldo e, conseqüenteente, u substncil redução no custo d gerção d energi elétric. A igur 4, extríd d revist Windower Monthly de Jneiro de 2004, ostr tendênci d evolução descendente dos custos de gerção d energi elétric rtir de turbins eólics, enqunto que o custo d energi gerd rtir do crvão e do gás é constnte ou scendente. Figur 2 Moinho co rotor de 17 e 144 ás de deir A gerção de energi elétric e grnde escl, lientndo de or suleentr o siste elétrico trvés do uso de turbins eólics de grnde orte, evoluiu uito ns últis décds. Pode-se dizer que odern tecnologi ds turbins eólics surgiu n Alenh n décd de 1950, já co ás bricds co teriis coostos, controle de sso e torres n or tubulr e esbelt, (igur 3). Figur 4 Redução do custo d gerção eólico - elétric no teo. O rincil roble bientl inicil, tl coo icto de ássros ns ás, rticente desreceu co s turbins de grnde orte, co enores velociddes ngulres dos rotores. Por ser u onte de energi quse inoensiv o eio biente, os estudos de icto bientl são be siliicdos e is ráidos, que os requeridos or ontes trdicionis de gerção de energi elétric. Figur 3 Modern turbin eólic N décd de 1970 té edos d décd de 1980, ós rieir grnde crise do etróleo, diversos íses, inclusive o Brsil, se reocur e desenvolver esquiss n utilizção d energi eólic coo u onte lterntiv de energi. Figur 5 Cresciento d gerção eólico - elétric.

3 3 Por ser u or li de gerr energi e ssocid o orte cresciento n escl industril de rodução e ontge de turbins, co custos rogressivente decrescentes, energi eólic tornou-se u onte energétic co u ds iores txs de cresciento e ccidde gerdor de energi elétric (d orde de 28% nos últios nos). A igur 5 ostr evolução cuuld d ccidde instld e gigwtt. tecnologi roici diensões iores r s turbins rotção se reduz TECNOLOGIAS APLICADAS NA GERAÇÃO EÓLICA U turbin eólic ct u rte d energi cinétic do vento que ss trvés d áre vrrid elo rotor e trnsor e energi ecânic de rotção. O eixo do rotor cionndo o gerdor elétrico trnsor u rte dest energi ecânic de rotção e energi elétric. A otênci elétric gerd e wtts é u unção d velocidde o cubo do vento, [1] dd or: 2 3 ( R ) v 1 P = CP γ π 2 η (1) Onde η reresent eiciênci do ero-gerdor, isto é, o rendiento considerndo s erds no conjunto ds trnsissões ecânics e s erds no gerdor. O tero reresent o coeiciente erodinâico de otênci do rotor, cujo vlor áxio é C = 0, 593 e o vlor usul ssue C P que P = 0,45. O tero γ reresent ss esecíic do r, 15 o C e o nível do r vle γ = 1,225kg / C 3 P. O tero R reresent o rio do rotor d turbin e etros e v velocidde dos ventos e etros or segundo. Co centud exnsão ds estções eólics no undo nos últios nos, os gerdores eólicos se encontr e rnco desenvolviento tecnológico, tendo coo objetivo o uento rogressivo ns diensões e cciddes de gerção ds turbins. N igur 6 são ilustrds s diensões de turbins disoníveis tulente no ercdo undil, corndo-s co o Boeing 747. As turbins eólics de otênci té 2MW ode ser considerds tecnologicente desenvolvids. As de otênci ior que 2MW, esr de já disoníveis no ercdo, ind ode ser considerds coo e desenvolviento. Os rotores ds turbins eólics são bricdos e teriis coósitos, co tecnologis e requisitos de eso, rigidez e erodinâic, crcterístics de estruturs eronáutics. A velocidde ngulr ω do rotor d turbin e rdinos or r segundo é inversente roorcionl o seu rio R, e ode ser clculd, roxidente, or: π 445 ω r = (2) 30 R Usulente rotção é otiizd no rojeto r iniizr eissão de ruído erodinâico els ás. À edid que Figur 6- Diensões tíics ds turbins eólics no ercdo tul corndo co s diensões do Boeing 747. As bixs rotções tuis torn s ás visíveis e evitáveis or ássros e vôo. As turbins eólics construíds erodinicente stisze s exigêncis de ruído, eso qundo instlds distânci d orde de 300 de áres residenciis. Estes sectos torn tecnologi eólico-elétric ecologicente corret, tornndo- ssi u onte lterntiv e li de energi, co ccidde de gerção d orde de egwtts. A gerção de energi elétric se inici co velociddes de ventos d orde de v 0 = 2,5 / s. Abixo deste vlor o conteúdo energético do vento não justiic o seu roveitento. Est ix de velocidde corresonde região I n igur 7. N região II n igur 7 velocidde do vento vri de v 0 = 2,5 / s té v n = 12,0 / s. Nest região otênci disonível no eixo do gerdor vri co o cubo d velocidde do vento e corresonde região onde se inici o rocesso de conversão eletroecânic d energi do vento. Pr velociddes de vento sueriores v n = 12,0 / s e enores que v = 25,0 / s, região III n igur 7, é tivdo o siste de liitção utoático de otênci d turbin, que ode ser or controle do ângulo de sso ds ás ou or estol erodinâico, deendendo do odelo d turbin. Nest região otênci disonível no eixo do gerdor é constnte. Pr ventos uito ortes co velocidde suerior v = 25,0 / s, região IV n igur 7, tu o siste utoático de roteção, reduzindo rotção ds ás e o gerdor elétrico é desconectdo d rede elétric.

4 4 Figur 7- Curv de gerção de energi elétric extríd d turbin eólic. A turbin eólic, devido à crcterístic de velocidde vriável do vento, não consegue trnsorr energi do vento e energi ecânic ntendo rotção do eixo constnte. E unção dest crcterístic é necessário construir u gruo gerdor eólico-elétrico que sej cz de gerr energi elétric e entregr rede co reqüênci constnte. Outr crcterístic iortnte do gruo gerdor eólico-elétrico é bix rotção desenvolvid el turbin eólic. Ests crcterístics ze co que tecnologi de Projeto e bricção do gruo eólico-elétrico resente rticulriddes dierentes dos gruos convencionis de gerção de energi elétric. Existe, bsicente, dus ilosois tecnológics licds tulente os gruos eólico-elétrico, ou sej: 1- Gruos Eólico-Elétricos Assíncronos Nestes gruos o eixo d turbin eólic está coldo o eixo de u gerdor ssíncrono triásico, que ode ser co rotor de giol ou rotor bobindo. Coo os gerdores ssíncronos são áquins elétrics que resent velocidde de oerção be suerior d turbin, exige que entre turbin eólic e o gerdor sej coldo u lidor de velocidde. O gruo eólico-elétrico ssíncrono qundo conectdo rede trvés de u conversor de reqüênci ou qundo dulente lientdo se torn bstnte lexível tendendo ereitente s dus crcterístics d conversão eólicoelétric d energi cinétic dos ventos, ou sej, oer ereitente ns regiões II e III do gráico ostrdo n igur Gruos Eólico-Elétricos Síncronos Nestes, o eixo d turbin eólic está cold o eixo de u gerdor síncrono triásico, que ode ser co circuito de excitção indeendente no rotor ou íãs ernentes no rotor. Nest tecnologi, nos gruos de enor otênci (enor do que 1MW), o gerdor síncrono resent velocidde de oerção be suerior à d turbin exigindo u lidor de velocidde coldo entre turbin e o gerdor. Poré nos gruos de ior otênci (ior do que 1MW) norlente o gerdor síncrono é bricdo co u núero uito grnde de ólos e r u reqüênci noinl bix, zendo co que su velocidde de oerção sej d es orde d turbin, não necessitndo do ultilicdor de velocidde, s si de u colento lnetário entre turbin e o gerdor. Pssreos gor ostrr esqueticente os rinciis gruos eólico-elétrico utilizdos tulente o redor do lnet n conversão eletroecânic d energi cinétic dos ventos. Mostrreos e cd cso o tio de gerdor, conexão à rede, s rinciis vntgens e desvntgens de cd cso. ) O gerdor está conectdo diretente à rede elétric oerndo co velocidde ix Este gruo eólico-elétrico ode ser constituído de u gerdor ssíncrono ou u gerdor síncrono, conore ostrdo esqueticente n igur 8. () (b) Figur 8- Gruo eólico-elétrico conectdo diretente à rede elétric. ) Gerdor ssíncrono de giol. b) Gerdor síncrono co excitção indeendente Abos trblh co velocidde de rotção ci dd turbin exigindo u ultilicdor de velocidde, norlente de vários estágios. O gerdor síncrono deve trblhr co rotção constnte, tornndo o gruo rígido, exigindo sincronizção co rede e, conseqüenteente, não eritindo nenhu regulção de velocidde. Já o gerdor ssíncrono erite u equen vrição de velocidde

5 5 devido su crcterístic de uncionento, ou sej, o escorregento, zendo co que o gruo sej u ouco is lexível. Pr uentr est lexibilidde, e lguns csos é licdo u gerdor ssíncrono de giol co dulo enrolento no esttor co olriddes dierentes. O gruo ssíncrono dend o uso de u siste de coensção de retivos, enqunto o gruo síncrono coens os retivos n excitção indeendente. Est conigurção ode ser licd r otêncis de té 1MW, e regiões onde velocidde dos ventos é rzovelente constnte. O gruo ssíncrono resent vntge de ser robusto, ter enor custo e não eitir coonentes hrônicos r rede. Abos resent bix eiciênci n trnsorção d energi devido su rigidez, no que se reere regulção de velocidde. b) O gerdor está conectdo à rede elétric trvés de u conversor Nest conigurção o gruo eólico-elétrico ode ser constituído de u gerdor ssíncrono ou u gerdor síncrono, conore ostrdo esqueticente n igur 9. indeendente. A dend dos retivos necessários r excitr o gerdor ssíncrono rové do conversor, não exigindo u bnco dicionl de ccitores. Ns dus soluções o conversor CA/CA resent u grnde icto no custo, já que tod otênci, do gruo eólico-elétrico ss r rede trvés do conversor. Est solução não resent liite de otênci odendo ser eregd r qulquer otênci reseitndo ens critérios técnicos econôicos. c) Gerdor Assíncrono Triásico de Rotor Bobindo Dulente Alientdo co Escovs [GATDACE] Nest conigurção o gruo eólico-elétrico é constituído de u gerdor ssíncrono triásico co rotor bobindo dulente lientdo trvés de escovs [GATDACE], conore ostrdo esqueticente n igur 10. () (b) Figur 9- Gruo eólico-elétrico conectdo à rede elétric trvés de u conversor. ) Gerdor ssíncrono de giol. b) Gerdor síncrono co excitção indeendente Abos oer co velociddes ci d turbin exigindo u ultilicdor de velociddes. O link DC do conversor descol o gerdor d rede eritindo u grnde lexibilidde n regulção de velocidde. Est ilosoi de gruo eólico-elétrico resent u bo eiciênci n trnsorção de energi qundo cord co do gruo coentdo no rágro ). Aqui tbé solução do gruo eólico-elétrico co gerdor ssíncrono resent vntge de ser robusto e de enor custo. O gerdor síncrono coens os retivos trvés d excitção Figur 10- Gruo eólico-elétrico constituído de gerdor ssíncrono triásico dulente lientdo co escovs [GATDACE] Este gerdor erite u l ix de regulção de velocidde d orde de ± 30 % e torno de su rotção síncron. O controle d velocidde é eito trvés do conversor conectdo o circuito rotórico. Devido est crcterístic de regulção de velocidde, est solução é utilizd ns regiões onde velocidde dos ventos é bstnte vriável. Aqui tbé coo ns soluções nteriores o gerdor trblh nu rotção ci d turbin, exigindo u ultilicdor de velocidde, que norlente é de vários estágios. Projetndo-se o circuito rotórico dequdente, o conversor de reqüênci r este gruo eólico-elétrico, necessit ser diensiondo r no áxio 30% d otênci do gruo, devendo ser bidirecionl r eritir o luxo de otênci nos dois sentidos, isto é, do gerdor r rede e d rede r o gerdor, deendendo do onto de oerção. Est é u grnde vntge de custos, zendo co que est solução sej bstnte coetitiv. Est ilosoi resent u grnde eiciênci n trnsorção eletroecânic d energi

6 6 dos ventos, orque devido su crcterístic de regulção de velocidde que erite o roveitento energético e tod ix de velocidde dos ventos, ou sej, região I, II e III ostrds n igur 7. A outr grnde vntge, é devido o to do esttor estr ligdo diretente à rede gerndo u ond senoidl ur. Dess or não introduz no siste elétrico oluição hrônic, conseqüenteente não exige o uso de iltros hrônicos. Est conigurção é lrgente utilizd el iori dos bricntes de gruos eólico-elétricos r otêncis d orde de té 5MW, or resentr custo inicil bixo, robustez e grnde eiciênci n trnsorção eletroecânic d energi dos ventos. Poré, resent dois ontos rcos que são o uso do ultilicdor de velociddes e o uso de escovs, onde rincilente o segundo uent nutenção do gruo. d) Gerdor Síncrono Triásico conectdo à rede trvés de u conversor se ultilicdor de velocidde Nest conigurção o gruo eólico-elétrico é constituído de u gerdor síncrono triásico co excitção indeendente ou co rotor de íãs ernentes, conore ostrdo esqueticente n igur 11. velocidde, s ens u lnetário de u único estágio co custo e nutenção enor. N conigurção () regulção d tensão gerd é eit trvés d excitção indeendente, enqunto que n (b) não é eritid regulção d tensão gerd devido o rotor ser de iãs ernentes. Poré solução co iãs ernentes no rotor resent u rendiento ior or que rticente não te erds no rotor. Est ilosoi é utilizd or lguns bricntes de gruos eólico-elétricos r otêncis d orde de té 5MW, or resentr u grnde eiciênci n trnsorção eletroecânic d energi dos ventos e or não necessitr do ultilicdor vários estágios de velocidde. Poré resent u custo inicil elevdo e necessit de iltros r evitr oluição d rede trvés dos hrônicos rovenientes do conversor GERADOR ASSÍNCRONO TRIFÁSICO DUPLAMENTE ALIMENTADO COM ESCOVAS [GATDACE] Fisicente este gerdor é constituído no esttor or u enrolento triásico que está conectdo diretente á rede elétric e no rotor or u enrolento triásico que está conectdo o conversor trvés de u conjunto de néis coletores e escovs, ver igur 10. O escorregento s Onde: s de u áquin de indução é ddo or: s = = 1 (3) s é reqüênci d rede de lientção d áquin e Hz; é o núero de res de ólos do enrolento do esttor; s = é rotção síncron d áquin dd e Hz; é reqüênci ecânic do eixo d áquin e Hz. () (b) Figur 11- Gruo eólico-elétrico conectdo à rede elétric trvés de u conversor. ) Gerdor síncrono co excitção indeendente b) Gerdor síncrono de íãs ernente. Nest solução tnto conigurção () coo (b) requere u gerdor de grnde núero de ólos gerndo e reqüênci bix e vriável de cordo co velocidde d turbin. O conversor descol o gerdor d rede eritindo conversão eletroecânic d energi nu l ix de velocidde dos ventos, conore ostrdo n igur 7. Coo os gerdores resent u grnde núero de ólos, trblh e rotção is bix não exigindo u ultilicdor de A reqüênci induzid no circuito rotórico, usndo equção (3) ode ser escrit coo: s = = (4) Isolndo n equção (4), obteos: = (5) Coo reqüênci d rede de lientção do esttor é constnte e o núero de res de ólos tbé não vri, bsedo n equção (5) odeos controlr rotção d

7 7 áquin iondo dequdente u reqüênci o circuito rotórico. N igur 12() é ostrdo vrição d reqüênci iost e unção d rotção ecânic. U & P1 é tensão de se de lientção no esttor do gerdor; U & é tensão de se de lientção no rotor do gerdor; P2 I & é Corrente de se do esttor do gerdor; P1 I & é Corrente de se do rotor do gerdor; P2 I & P0 é Corrente no ro gnetiznte do gerdor; Z & = R + & j X é iedânci do enrolento do esttor; Z & = R + j X é iedânci do rotor já reerid o esttor; Z & = o + j é iedânci do ro gnetiznte d X áquin; Z& = R 0 é iedânci de erds no erro do e 1 e1 + j esttor; Z& = R 0 é iedânci de erds no erro do e 2 e2 + j rotor já reerid o esttor; Resolvendo o circuito equivlente desde 1u té 2u d rotção síncron, obteos erornce d áquin e regie ernente neste intervlo. A igur 14 ostr u curv de torque no eixo e corrente no esttor do GATDACE. Figur 12- Vrição d reqüênci induzid no circuito rotórico e unção d rotção ecânic d áquin. A igur 12 (b) ostr vrição do ódulo d tensão nos terinis do enrolento rotóricou. O tero U b 2 reresent tensão nos terinis do circuito rotórico co o rotor bloquedo. O regie ernente do GATDACE ode ser nlisdo rtir do circuito equivlente clássico de u áquin de indução [igur 13]. Figur 14 Curv de torque e corrente no esttor do GATDACE. Figur 13 Circuito Equivlente do GATDACE. Onde os râetros do circuito equivlente são: Observ-se clrente el curv de deseenho d igur 14 que o coortento do GATDACE corresonde o coortento de áquin de indução co vntge que o torque ode ser controldo elo conversor iondo tensão U & P2 de reqüênci vriável o circuito rotórico conore ostrdo no gráico d igur 12. O conversor conectdo entre o circuito rotórico e rede conore ostrdo esqueticente n igur 10 deve ser bidirecionl, isto é, de qutro qudrntes, eritindo o luxo de otênci e bos os sentidos. N igur 15 é ostrdo esqueticente o controle d GATDACE e dus lhs echds, u de corrente e u de rotção. Observ-se clrente que tensão do rotor é descold d rede trvés do link DC.

8 8 Figur 15 Funcionento esqueático do GATDACE e o conversor O odelo nlítico r o regie dinâico é obtido el trnsorção ds equções escrits e vriáveis d áquin e equções escrits no siste de reerênci rbitrário. A igur 16 ostr o siste de reerênci rbitrário do GATDACE. Figur 16 Siste de reerênci rbitrário r o GATDACE O circuito do esttor é considerdo ixo o eixo estcionário θ e tods s vriáveis do rotor são reerids o esttor. N igur 16 os vetores reresent tensões ou correntes d áquin. O circuito rotórico gir co u velocidde ngulr ω rdinos elétricos or segundo; os eixos q e d gir co u velocidde ngulr ω rdinos elétricos or segundo e o deslocento ngulr entre o circuito rotórico e o eixo rbitrário q é β. Trnsorndo o siste de equções dierenciis escrits e vriáveis d áquin r o siste de reerênci rbitrário, obteos o conjunto de seis equções dierenciis dds or: [ u 1] [ u ] No siste de equções ci, os índices 1 e 2 são relciondos o esttor e o rotor resectivente. Os teros λ 1 e λ 2 reresent os enlces de luxo, i 1 e i 2 s correntes, (6) R e R s resistêncis, u 1 e u 2 s tensões, do esttor e rotor resectivente, ω reresent velocidde dos eixos de reerênci rbitrário, ω Velocidde do eixo do enrolento do rotor. Todos os râetros do rotor n equção (6) estão reeridos o esttor. A equção dinâic que rege o oviento d áquin ode ser escrit coo: d TExterno = T eixo J Totl ( ω ) Bv ω (7) dt O tero J reresent inérci totl do siste ddo el Totl so d inérci do gerdor e ds rtes externs colds, B reresent o coeiciente de trito viscoso do siste, v + + T reresent o torque externo licdo o eixo do Externo 2 [ ω ] d dt 0 = [ R ] 0 [ ω ω ] [ λ 1] [ ] λqd 02 0 [ R ] 2 2 [ i 1] [ i ] + 2 [ λ 1] [ λ ] + 2 gerdor. A velocidde ngulr ecânic ω é dd or: d ω = ( θ ) (8) dt O siste de equções dierenciis dds or (6), (7) e (8) são resolvids siultneente elo étodo de Runge-Kutt de qurt orde, obtendo ssi o coortento dinâico do GATDACE. Ns igurs 17., 17.b e 17.c estão ostrdos os torques, corrente no rotor e velocidde Mecânic resectivente considerndo que o GATDACE é ciondo or u torque externo. 0

9 9 Figur 17.- Torque no eixo do GATDACE Figur 17.b- Correntes de se no rotor do GATDACE Figur 17.c- Rotção ecânic do GATDACE Conore já coentdo no rágro 2.c o GATDACE é u solução lrgente utilizd el iori dos bricntes de gruos eólico-elétricos té ix de otênci de 5MW, devido su grnde lexibilidde de controle e bixo custo, oré necessit de u ultilicdor de vários estágios de velocidde e o siste de escovs e ort escovs os quis são coonentes que requere nutenção GERADOR ASSÍNCRONO TRIFÁSICO DUPLAMENTE ALIMENTADO SEM ESCOVAS [GATDASE] No rágro 2 ostros s diverss tecnologis utilizds tulente n bricção dos gruos eólico-elétricos. As soluções co áquins síncrons resent custos is elevdos e s soluções co áquins ssíncrons resent custos enores, oré, is nutenção, devido necessidde do ultilicdor de velociddes e do siste de escovs. O ior roble devido s escovs é necessidde de inseções eriódics o gbinete ds ess r grntir que o uncionento estej se rocessndo dequdente. Est inseção é oneros devido o to do núero de gruos eólico-elétricos e rques eólicos ser grnde e o cesso o gerdor no too d torre ne sere ser ácil, rincilente e licções onde o rque eólico se locliz no r [Oshore]. Os gerdores que necessit de escovs resent u outro roble que é redução do nível de isolento rovocdo elo ó ds escovs roveniente do desgste ds ess. O desgste ds escovs é is centudo qundo não há u orção dequd d átin que é u elícul de grite que deve se orr n suerície do nel coletor onde s escovs or o contto. A orção d átin é orteente inluencid els condições bientis e de crg do gerdor. Coo n gerção eólic crg, isto é, otênci gerd, vri rticente de zero té o vlor noinl e unção d velocidde dos ventos átin ode icr rejudicd, levndo o desgste is ráido ds escovs. U lterntiv r eliinr os robles decorrentes do uso de escovs é o Gerdor Assíncrono Triásico Dulente Alientdo Se Escovs [GATDASE]. A WEG, e conjunto co Universidde Federl de Snt Ctrin [UFSC], elborr u rojeto no sentido de desenvolver o GATDASE. Este gerdor é u áquin ssíncron triásic onde o núcleo gnético do esttor cortilh dois enrolentos triásicos. Ao enrolento de otênci chreos de enrolento rincil e é conectdo diretente à rede elétric. O enrolento de controle o qul chreos de enrolento uxilir é ligdo à rede trvés do conversor de controle vetoril regenertivo de qutro qudrntes. A igur 18 ostr esqueticente o GATDASE. O Enrolento rincil co res de ólos está reresentdo e cor zul e o uxilir co res de ólos e cor verelh. O siste ostrdo n igur 18 erite controlr o torque, velocidde e o tor de otênci do enrolento rincil trvés do conversor conectdo no enrolento uxilir.

10 10 = + + (12) A equção (12) ostr que é ossível controlr velocidde do GATDASE vrindo reqüênci d tensão iost no enrolento uxilir [3]. O conversor de reqüênci conectdo o enrolento uxilir, conore ostrdo n igur 18 ode vrir não só reqüênci, s tbé, litude e se d tensão iost, controlndo dest neir o torque e rotção d áquin. A igur 19 ostr vrição ds reqüêncis ds correntes induzids n giol e no enrolento uxilir e unção d reqüênci ecânic no eixo d áquin. Figur 18- Gruo eólico-elétrico constituído de gerdor ssíncrono triásico dulente lientdo se escovs [GATDASE] A giol esecil ostrd n igur 18 é rojetd co loo s internos r reduzir o conteúdo hrônico ds onds de induções no entreerro gerds el giol [4], [5]. A vntge deste siste é de ser cocto e não necessitr de escovs. A erornce dest áquin deende orteente d construção d giol esecil do rotor [6], [7], [8]. A elhor erornce é obtid qundo s brrs do rotor ger N ólos que col eletrogneticente os enrolentos rincil e uxilir roduzindo torques ditivos. Nest condição dizeos que áquin está oerndo n condição de CASCATA MAIS, onde N é ddo or: N = + (9) A equção (9) nos ornece condição de coo escolher o núero de brrs d giol do rotor n condição csct is. Pr iniizr o conteúdo hrônico ds onds de induções no entreerro gerds el giol, cd ólo d giol ode ser construído não só or u brr, s si or vários loo s conore ostrdo n igur 18. A ond undentl d indução no entreerro gerd elo enrolento rincil induz u densidde de corrente n giol co reqüênci clculd or: = (10) Onde é reqüênci do enrolento rincil e reqüênci ecânic do eixo bs e Hertz. No enrolento uxilir é induzid u densidde de corrente co seqüênci de se negtiv co reqüênci e Hertz, dd or: [ ( ) ] = +. (11) Isolndo reqüênci ecânic do eixo equção (11), obteos: e hertz d Figur 19- Vrição d reqüênci induzid n giol e no enrolento uxilir e unção d rotção ecânic d áquin. Qundo reqüênci d corrente induzid no enrolento uxilir é nul, áquin está rodndo n su reqüênci síncron nturl sn que de cordo co equção (12) ode ser escrit coo [6], [7], [8]: sn = + (13) No onto d rotção síncron nturl reqüênci e litude d corrente induzid no enrolento uxilir são nuls. A rotção síncron d áquin rincil s é dd or: s = (14) A rotção síncron d áquin uxilir s é dd or: s = (15)

11 11 O coortento e regie ernente é obtido usndo o circuito equivlente d áquin considerndo condição de oerção e csct is, ostrdo n igur 20. Co este odelo é ossível nlisr áquin oerndo e regie ernente tnto coo otor ou coo gerdor r qulquer condição de crg co tor de otênci indutivo ou ccitivo. ostrdo n igur 19. N igur 21 é tbé ossível observr que no intervlo de 0 té 1u de velocidde áquin se coort coo otor, os três torques são ositivos. De 1u té 1,667u de velocidde áquin se coort rieiro coo gerdor, torques negtivos, té que o torque d áquin rincil se torn ositivo novente. Então o torque totl se torn ositivo e áquin se coort coo otor novente. Pr velociddes ci de 1,667u os três torques são negtivos novente e áquin trblh coo gerdor u vez is. A igur 22 ostr u conjunto de curvs de torque e regie ernente te 2,5 u de velocidde co u reostto de 5 t s conectdos e série co o enrolento uxilir. Figur 20- Circuito equivlente do GATDASE e csct is N igur 20 os sub-índices e estão relciondos co o enrolento rincil e uxilir resectivente. As iedâncis do circuito equivlente são Z &, iedânci do esttor, Z & _ c2, _ c1 iedânci do rotor, Z & _ ce1, iedânci de erds no erro do esttor, Z & _ ce2 iedânci de erds no erro do rotor e Z & _ c iedânci gnetiznte. & é iedânci extern conectd Z cd e série co o enrolento uxilir. A tensão U & reresent c1 tensão iost elo conversor estático. Resolvendo o circuito equivlente ostrdo n igur 20 obteos o coortento do GATDASE e regie ernente. A igur 21 ostr s curvs de torque e regie ernente. A curv zul reresent o torque desenvolvido elo enrolento uxilir (8 ólos), curv verde o torque do enrolento rincil (12 ólos), e verelh reresent o torque totl, isto é, so dos dois torques corovndo que nest construção de giol os torques são ditivos, ou sej áquin oer e csct is. Figur 22- Curvs de torque totl e regie ernente co resistênci extern e série co o enrolento uxilir. O GATDASE ode trblhr ereitente coo otor ou coo gerdor qundo controldo or u conversor estático, conore ostrdo n igur 18. O odelo dinâico do GATDASE é obtido el trnsorção ds equções e vriáveis d áquin r o siste de reerênci rbitrário. A igur 23 ostr o siste de reerênci rbitrário usdo n nálise dinâic d GATDASE. O enrolento rincil do esttor é considerdo ixo o eixo θ estcionário e tods s vriáveis d áquin, coo do rotor e do enrolento uxilir são reerids o enrolento rincil do esttor. N igur 23 os vetores reresent s tensões e correntes d áquin. O circuito do rotor gir co ω u velocidde ngulr. Os eixos q e d gir co u velocidde ω e o deslocento ngulr do circuito Figurs 21 Curvs de torques e regie ernente No onto de velocidde de 1u, os três torques ss or zero indicndo que áquin se encontr n rotção síncron nturl ostrd n igur 19. E 1,667u de rotção, sn novente os três torques ss or zero. Neste onto teos rotção síncron d áquin rincil conore s do rotor e o eixo rbitrário é β 2.

12 12 Figur 23- Siste de reerênci rbitrário r o GATDASE No siste de equções ci, os índices 1 e 2 são relciondos o esttor e o rotor resectivente. Os teros λ 1 e λ 2 reresent os enlces de luxo, i 1 e i 2 s correntes, R e R s resistêncis, u 1 e u 2 s tensões, do esttor e rotor resectivente, ω reresent velocidde dos eixos de reerênci rbitrário, ω Velocidde do eixo do enrolento do rotor, ω velocidde do eixo do enrolento uxilir do esttor. Todos os râetros do rotor e do enrolento uxilir do esttor n equção (17) estão reeridos o enrolento rincil do esttor. Associndo s equções dinâics (7) e (8) às nove equções dierenciis dds or (17) e resolvendo o siste elo étodo de Runge-Kutt de qurt orde obteos o coortento dinâico d áquin. A igur 24 ostr o torque dinâico e unção do teo obtido el siulção de u celerção do GATDASE, ci d velocidde síncron nturl, trvés de u torque externo licdo o eixo d áquin. Sbeos que o enrolento uxilir está isicente ixo o esttor, isto é, o eixo estcionário θ, s r considerr o eeito csct no nosso odelo dinâico, soos orçdo ditir que o eixo do enrolento uxilir θ gir co u velocidde ngulr ω dd or: ( ) ω ω + 1 = (16) Onde ω reresent velocidde ecânic do eixo d áquin, e 1 o núero de res de ólos do enrolento rincil e uxilir resectivente. Trnsorndo o siste de equções dierenciis escrits e vriáveis d áquin r o siste de reerênci rbitrário, obteos o conjunto de nove equções dierenciis dds or: [ u ] [ 0] [ u ] 1 = [ R ] [ 0] [ 0] [ 0] [ R + R ] [ 0] 2 [ 0] [ 0] [ R ] [ ω ] [ 0] [ 0] [ 0] [ ω ω ] [ 0] [ 0] [ 0] [ ω ω ] d dt [ λ 1 ] [ λ ] [ ] 2 λqd 01 [ i ] 1 [ ] [ ] + i 2 i 1 [ λ ] 1 [ ] [ ] + λ 2 λ 1 (17) Figur 24- Torque dinâico d GATDASE Podeos identiicr n igur 24 o instnte e que o rotor ss el velocidde síncron nturl t 1, 08s e el rotção síncron do enrolento rincil t 1, 45s. Estes ontos crcterísticos do GATDASE já or identiicdos n igur 21 r o regie ernente. 4.1 RESULTADOS EXPERIMENTAIS Pr vlidr o odelo e regie ernente e o odelo dinâico, rieirente oi crido u odelo e eleentos initos. Os resultdos cortivos dos três odelos or nlisdos n reerênci [6]. Coo segund et de vlidção dos odelos oi construído u rotótio de 15kW-440V/760V-60Hz co 12 ólos no enrolento rincil e 8 ólos no enrolento uxilir. Os ensios or relizdos co o enrolento rincil conectdo e Y-760V-60Hz. O enrolento uxilir tbé conectdo e Y, co os terinis externos e curto circuito ou ligdos e série co u resistênci extern.

13 13 As tbels I e II ostr os resultdos teóricos e exerientis do GATDASE oerndo coo otor e coo gerdor co o enrolento rincil lientdo or 760V e o enrolento uxilir se resistênci extern R =,00R 1Ω e os terinis e curto circuito. A tbel I d 0 resent os vlores r 100% de crg e tbel II r vlores de 75% de crg. Tbel I Vlores r 100% de crg Motor Gerdor Teórico Ensido Teórico Ensido Rotção (r) 351,3 355,1 370,8 366,3 Torque (N.) 433,6 403,0 609,.0 578,0 I 1 (A) 43,1 48,1 51,5 59,4 Ftor Potênci 0,.37 0,330 0,22 0,20 Rendiento (%) 74,1 74,2 63,4 67,6 Tbel II Vlores r 75% de crg Motor Genertor Teórico Ensido Teórico Ensido Rotção (r) 354,3 356,6 368,3 365,9 Torque (N.) 308,7 300,0 474,8 500,0 I 1 (A) 41,1 46,4 47,5 55,7 Ftor Potênci 0,31 0,270 0,18 0,16 Rendiento (%) 69,1 68,9 61,4 58,7 O ensio dinâico é relizdo licndo u torque negtivo o eixo do GATDASE. Este torque iosto celer áquin té roxidente 2,5 vezes rotção síncron nturl. A edição do torque é eit trvés de u sensor de torque rottivo instldo entre o eixo do gerdor e o eixo do dinôetro, cujo sinl é registrdo diretente nu loter nlógico. Anlisndo os resultdos exerientis co os teóricos, observos que eles resent u bo concordânci. A igur 25 ostr os vlores edidos de corrente no enrolento rincil e unção d velocidde co o enrolento uxilir e curto. Figur 26- Corrente no enrolento rincil r u resistênci extern conectd o enrolento uxilir R =,00R 1Ω d 2 A igur 27 ostr os ddos edidos de otênci e unção d velocidde no enrolento rincil se resistênci extern conectd o enrolento uxilir. Figur 27 Potênci no enrolento rincil co o uxilir e curto R,00R Ω d = 0 A igur 28 ostr os ddos edidos de otênci e unção d velocidde no enrolento rincil co resistênci extern conectd o enrolento uxilir. Anlisndo s igurs de notos que s curvs edids estão deslocds r direit qundo cords co s curvs teórics obtids elo regie ernente. Este to é cusdo elo étodo de ensios dinâicos. Este deslocento não é observdo ns igurs 29 e 30 orque s curvs edids são cords co s teórics obtids elo odelo dinâico. Figur 25- Corrente no enrolento rincil co o uxilir e curto R d = 0,00R 1 Ω N igur 26 é ostrdo o vlor edido de corrente no enrolento rincil co resistênci extern conectd o enrolento uxilir.

14 14 Figur 28-Potênci no enrolento rincil r u resistênci extern conectd o enrolento uxilir R =,00R 1Ω. d 2 A igur 29 ostr o torque edido e unção d velocidde, se resistênci extern, conectd o enrolento uxilir. Corndo os resultdos exerientis co o teórico, obtido el siulção dinâic, observos u bo concordânci. Figur 30- Torque dinâico co resistênci extern conectd o enrolento uxilir R,00R Ω. d = 2 Tbel III - Vlores Medidos co resistênci extern R =,00R 1Ω d 2 Motor Gerdor 50%. 75% 100%t 50%. 75% 100% Rotção (r) 357,0 353,9 349,6 399,5 412,7 424,7 Torque (N.) 200,0 304,0 410,0 389,0 508,0 598,0 I 1 (A) 44,8 46,4 48,9 52,3 56,5 61,6 Ftor Potênci 0,223 0,284 0,343 0,12 0,17 0,21 Rendiento (%) 57,2 64,3 67,2 46,1 51,2 56,3 Anlisndo todos os ddos de erornce clculdos e edidos ic be clro que únic desvntge do GATDASE é o bixo tor de otênci. Este vlor bixo é conseqüênci diret do bixo núero de brrs (ólos) N d giol do rotor. Este núero de brrs é ddo el equção (9) e é condição necessári r áquin uncionr e Csct MAIS. O bixo tor de otênci é corrigido qundo áquin ss ser controld elo conversor. Figur 29- Torque dinâico se resistênci extern. N igur 30 é ostrdo o torque edido co u resistênci extern conectd o enrolento uxilir, corndo co siulção teóric. Nest igur tbé se observ bo concordânci entre os vlores edidos e clculdos. A tbel III ostr lguns vlores de erornce do rotótio edidos co 50%, 75% e 100% de crg coo otor e coo gerdor co u resistênci extern R =,00R 1Ω conectd o enrolento uxilir. d 2 5. CONCLUSÃO Neste rtigo resentos u resuo sobre evolução históric d conversão eletroecânic d energi dos ventos e energi elétric. Mostros tbé que tecnologi de bricção ds turbins eólics evoluiu uito ns dus últis décds, uentndo su ccidde e eiciênci n ctção d energi do vento. Junto co est evolução ocorreu licção dos odernos étodos de controle de velocidde e torque, tnto d turbin qunto do gerdor, o rojeto eritindo bricção de gruos eólico-elétricos de ior ccidde, reduzindo drsticente os custos or quilowtt instldo, conirndo dest neir energi eólic coo u lterntiv li e viável de energi. Mostros tbé s diverss tecnologis de gerdor elétrico tulente licdos n gerção eólic de energi elétric. Coentos s vntgens e desvntgens de cd solução e relços que solução co MATDACE resent o enor

15 15 custo, oré desvntge do uso de escovs. O uso de escovs ilic e vários robles, conore coentdo no início do rágro 4. O estudo do GATDASE ode se constituir nu bo lterntiv r licção e gerção eólic, rincilente se levros e cont o to de não necessitr de escovs e eritir u grnde lexibilidde no controle do torque e n velocidde, nu l ix de ± 30% e torno de su velocidde síncron nturl trvés do conversor. Os resultdos exerientis edidos no rotótio de 15kW bricdo ostrr que os odelos teóricos qui resentdos, ou sej, o odelo e regie ernente, o odelo e regie dinâico e o odelo e eleentos initos [6], são errents stistóris r se zer o rojeto e nálise do coortento do GATDASE. A esr d grnde vntge resentd elo gerdor qui nlisdo, o estudo teórico e s edições exerientis ostrr que liitção dest solução é o seu bixo tor de otênci, uentndo corrente ns condições de oerção e coo conseqüênci uentndo s erds Joules nos condutores reduzindo o rendiento d áquin. O rendiento é u crcterístic de erornce uito iortnte que ode ser elhord durnte se de rojeto, bstndo r isto diensionr os condutores do circuito esttórico e rotórico dequdente. Qunto o tor de otênci bixo, visto el rede, ode ser corrigido diensionndo dequdente u bnco de ccitores no link CC do conversor. Utilizndo técnic do controle vetoril é ossível, trvés do conversor, zer o siste gerdor conversor oerr co o tor de otênci desejdo. Pr oderos ser is conclusivos co relção à licção do GATDASE, e estções eólics reis, é necessário roundr-se is no controle d áquin. Neste sentido o trblho e conjunto d WEG co UFSC revê is dus ets iortntes: 1- Fbricção de u novo rotótio de 75kW. Este rotótio te coo objetivo vlidr e detlhes os critérios de rojeto, visndo elhorr erornce, rincilente o tor de otênci. De osse dos resultdos exerientis do rotótio nlisr e corr co eronce obtid trvés dos odelos nlíticos. 6. -REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Atls Eólico Estdo do Rio de Jneiro-Secretri de Estdo de energi. [2] Yueeng Lio. Design o Brushless Doubly-Fed Induction Motor or Adjustble Seed Drive Alictions. GE - Cororte Reserch Develoent Center, Building K1 - EP118, P.O. Box 8, Schenectdy, NY 12301, USA. [3] Ruqi Li, Sée R., Wllce A.K., nd Alexnder G.C.: Synchronous Drive Perornce o Brushless Doudly- Fed Motors. IEEE Trnsctions on Industry Alictions, Vol. 30, NO 4, July/August [4] Willison S., Ferreir A.C., Wllce A.K.: Generlized Theory o Brushless Doubly-Fed Mchine - Prt 1: Anlysis. IEE Proc-Elect. Power Al. Vol 144, No 2, Mrch [5] Willison S., Ferreir A.C., Wllce A.K.: Generlized Theory o Brushless Doubly-Fed Mchine. Prt 2: Model veriiction nd Perornce. IEE Proc.-Elect. Power Al. Vol 144, No 2, Mrch [6] F. Rüncos, R. Crlson, A.M.Oliveir, P. Kuo-Peng, N. Sdowski, Perornce Anlysis o brushless Double Fed Cge Induction Genertor. Nord Wind Power Conerence, 1-2 Mrch, 2004, Chlers University o Technology. [7] F. Rüncos,R. Crlson, A.M.Oliveir, P. Kuo-Peng, N. Sdowski, C.G.C. Neves. Vibrtion Anlysis o Doubly-Feed Twin Sttor Cge Induction Genertor. Seed, Itly, June [8] F. Rüncos, A. M. Oliveir, P. Kuo-Peng, N. Sdowski, R. Crlson. Perornce Anlysis o Double Fed Twin Sttor Cge Induction Genertor, 6 th Interntionl Conerence on Electricl Mchines [ICEM], Institute o Mechtronics nd Inortion Systes, Technicl University o Lodz, Polnd 5-8,Seteber 2004, Crcow, Polnd. [9] WindPower Monthly Jnury Elborr e Ileentr o Algorito de controle vetoril d áquin O objetivo dest se do trblho é estudr teoricente e exerientlente, trvés d bricção de u conversor rotótio, o controle vetoril do rotótio do gerdor de 75kW e bricção. O objetivo rincil do lgorito é zer o controle e corrigir o tor de otênci do siste. Os resultdos obtidos té gor ostr que o GATDASE ode ser u bo lterntiv r o uso e gerção de energi elétric trvés de turbins eólics, ltndo r isto ens que o conversor corrij o tor de otênci.