Estudo e análise do gerador de indução com rotor gaiola de esquilo conectado à rede elétrica com emprego do filtro LCL aplicado em sistema de

Universidade Federal do ABC Pós-Graduação em Engenharia Elétrica PGEE-UFABC Vital Pereira Batista Júnior Estudo e análise do gerador de indução com rotor gaiola de esquilo conectado à rede elétrica com emprego do filtro LCL aplicado em sistema de geração eólica. Santo André 2013 i

Universidade Federal do ABC Faculdade de Engenharia Elétrica Vital Pereira Batista Júnior Estudo e análise do gerador de indução com rotor gaiola de esquilo conectado à rede elétrica com emprego do filtro LCL aplicado em sistema de geração eólica. Dissertação de Mestrado apresentada à Coordenação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do ABC, para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica. Orientador: Dr. Alfeu J. Sguarezi Filho Co-orientador: Dr. Rogério V. Jacomini Santo André 2013 ii

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O homem é como uma função, cujo numerador é o que ele é e cujo denominador é o que ele pensa dele mesmo. I.N.Tolstroy v

vi Aos meus pais Vital(In memoriam) e Maria Quitéria.

Agradecimentos Antes de agradecer gostaria de dizer que nem sempre oportunidade é tudo, é apenas o primeiro passo, isso se provou ao longo da minha vida, sei que não é fácil enfrentar a vida e suas adversidades, contudo agradeço a Deus em primeiro lugar por consegui finalizar mais uma etapa da minha vida. Aos meus pais Vital(In memoriam) e Maria Quitéria por sempre estarem ao meu lado e por me ensinarem a respeitar o próximo. Ao meu orientador Alfeu Joãozinho Sguarezi Filho pela oportunidade, orientação e amizade. Ao meu Co-orientador Rogério Vani Jacomini pelos conselhos e amizade. A UFABC e FAPESP e ao PGEE-PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉ- TRICA pelo suporte financeiro inicial, pela suporte financeiro final e pela estrutura técnica, respectivamente. A minha amada avó que sempre cuidou de mim. A minha tia Ivanildes, tio Paixão e tio Arnóbio pelo incentivo. Aos meus irmãos Wellington, Wilson, Vital Filho, Eric e em especial a Alisson, Adriana e Adrielly. Aos meus amigos de infância: Milton, João Diego, Valdemir, Josione, Romeu, Diego Guirra, Lucas Guirra,Romilton, Anderson Amorim, Anderson Arnaldo, Paulo Frank, Diego Galvão, Cesár Augusto e Henrique Levi. Aos amigos da pensão: Gabriel, Diego, Rony, Harrison Tabares, Paulo, Felipe, Nicolas, Nicolás, Juliano, Emerson e Jefesson. Aos amigos: Diogo Mairon, Plínio Franklin, Quelle Gomes, Lucas Pires, Rafael Pereira, Eduardo Brito, Ana Vitóira, Eric ishibashi, Edivaldo Severo, Tárcio André, Tássia Fraga, Juliana Granja, Carlos Henrique, Emanuelly Trindade, Maurício Júnior, Isaac, Douglas Oliveira, Claudimar Chaves, Jody Fujihara, Giovanni Crestan, Igor Barreto, Daverson Thiago, Diodi Okamoto, Edvaldo Silva, Vânia Erick, Manoel Messias, Maria Elizabeth, Liliane Dias Cicarelli, Sr. Fumitaka Nishimura, Márcio Coelho, Márcio Ribeiro, Cesar Roggi, Luciano Ferreira, Rafael(Mustela) Ferrari, Leandro, Israel Silva, Alexandre Luiz Tsuchida, Pitágoras, Alessandra, Vanessa Lima, Carla Vega, Elisângela, Magnun, Maurício, Andréia, Dona Norma, Zélia, Lara, Marlieth, Chiquinho, Adauto, Seu Zé, Claudia Souza, Cris, William(godão) e Marcos Kadota. A todos os amigos que deixei no Nordeste.. vii

Resumo Com o aumento das preocupações relacionadas à redução dos impactos ambientais devido às emissões de CO 2 e aumento no consumo de energia elétricanos países desenvolvidos e em desenvolvimento, tornou interessante a utilização de energias renováveis como é o caso da eólica. A produção de energia elétrica ocorre por meio da conversão da energia cinética de translação em energia cinética de rotação com o emprego de turbinas eólicas que estão equipadas com geradores elétricos. Dentre os geradores elétricos empregados nos sistemas de geração eólica está o gerador de indução com rotor gaiola de esquilo. Numa aplicação do gerador de indução em sistema de geração eólica, o seu estator é conectado à rede elétrica com emprego de um conversor bidirecional que é composto por um retificador controlado e um inversor trifásicos que compartilham o mesmo elo de tensão contínua, e tem a função de controlar o fluxo de potência entre o gerador e a rede elétrica. Este trabalho propõe um técnica de controle direto orientado pelo fluxo do rotor para as correntes do gerador de indução com rotor gaiola de esquilo, empregando controladores por modos deslizantes mais controladores do tipo proporcional integral. Para a conexão do gerador com a rede elétrica será utilizado um conversor bidirecional. Também, é apresentado o controle do conversor conectado à rede e o projeto de um filtro tipo LCL (indutor-capacitor-indutor) que será empregado na conexão entre este conversor e a rede elétrica de alimentação. O sistema foi modelado matematicamente e os resultados de simulação computacional serão apresentados para validar a operação do sistema de geração em diferentes tipos de operação. Palavras-chave: gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo, controle por modos deslizantes, filtro LCL, controle por orientação de campo, sistema de geração eólica. viii

Abstract Due to increasing concerns related to the reduction of environmental impacts due to emissionsofco 2 andincreaseinelectricityconsumptionindevelopedanddevelopingcountries, became interesting to use renewable energy such as wind power. The production of electricity occurs by converting the kinetic energy into translational kinetic energy of rotation with the use of wind turbines that are equipped with electric generators. Among electric generators used in wind power generation systems is the induction generator with squirrel cage rotor. In the application of the induction generator wind power generation system, its stator is connected to the mains by using a bi-directional converter which consists of a controlled rectifier and three-phase inverter that share the same direct voltage link and it has the function to control the power flow between the generator and the mains power supply. This work proposes the control of the stator current of the squirrel cage induction generator by using sliding mode controllers more proportional integral controllers in rotor field oriented control. The generator is connected to the grid by using a bidirectional converter. Also we present the control of the converter connected to the grid and the design of an LCL filter type ( inductor - capacitor - inductor ) that will be used in the connection between this inverter and the mains power supply. The system was modeled mathematically and the computer simulation results will be presented to validate the operation of the generation system into different types of operation. Key-words: squirrel cage induction generator, sliding mode control, LCL filter, field oriented control, wind-power system. ix

Lista de Figuras 2.1 Distribuição de Potencial Eólico brasileiro................... 7 2.2 Gerador síncrono de imãs permanentes..................... 8 2.3 Gerador síncrono com conversor de três estágios................ 9 2.4 GI conectado à rede por meio de um conversor back to back......... 10 2.5 Estrutura de conversores em cascata para geração eólica utilizando o GRV. 10 2.6 Gerador de indução rotor gaiola de esquilo diretamente conectado à rede elétrica. 11 2.7 GIGE conectado à rede por meio de um conversor back to back....... 11 2.8 Diagrama trifásico da máquina de indução................... 14 3.1 Esquema do sistema a ser implementado.................... 23 3.2 Superfície de deslizamento............................ 25 3.3 Diagrama de controle por orientação de campo do conversor conectado a GIGE. 28 3.4 Diagrama do controlador por modos deslizantes................ 28 3.5 Circuito do conversor.............................. 30 3.6 Esquema de controle para conversor conectado à rede elétrica........ 34 4.1 Velocidade constante do gerador........................ 39 4.2 Corrente do eixo direto com velocidade constante............... 39 4.3 Corrente do eixo em quadratura do estator do GIGE com velocidade constante. 40 4.4 Tensão DC do elo corrente contínua com velocidade constante........ 40 x

4.5 Corrente do eixo direto da rede......................... 41 4.6 Corrente do eixo em quadratura da rede.................... 41 4.7 Tensão e Corrente da rede na fase a...................... 42 4.8 THD da corrente da fase a da rede com velocidade constante........ 42 4.9 Velocidade variável do gerador......................... 43 4.10 Corrente do eixo direto do GIGE........................ 44 4.11 Corrente do eixo em quadratura do GIGE................... 44 4.12 Tensão DC do elo de corrente contínua..................... 45 4.13 Corrente do eixo direto da rede......................... 45 4.14 Corrente do eixo em quadratura da rede.................... 46 4.15 Tensão e corrente da rede da fase a com velocidade variável......... 46 4.16 THD da corrente da fase a da rede....................... 47 4.17 Velocidade fixa do gerador............................ 48 4.18 Corrente do eixo direto com degrau de potência................ 48 4.19 Corrente do eixo em quadratura com degrau de potência........... 49 4.20 Tensão do elo CC com degrau de potência................... 49 4.21 Corrente do eixo direto da rede com degrau de potência........... 50 4.22 Corrente do eixo em quadratura da rede com degrau de potência...... 51 4.23 Tensão e corrente da rede da fase a com degrau de potência......... 51 4.24 THD da corrente da fase a da rede com degrau de potência......... 52 4.25 Velocidade constante do gerador e fator de potência igual a 0,9....... 53 4.26 Corrente do eixo direto com velocidade constante............... 53 4.27 Corrente do eixo em quadratura do estator do GIGE com velocidade constante. 54 4.28 Tensão DC do elo corrente contínua com velocidade constante........ 54 4.29 Corrente do eixo direto da rede......................... 55 4.30 Corrente do eixo em quadratura da rede.................... 55 xi

4.31 Tensão e Corrente da rede na fase a...................... 56 4.32 THD da corrente da fase a da rede com velocidade constante........ 56 4.33 Velocidade variável do gerador e fator de potência igual a 0,9........ 57 4.34 Corrente do eixo direto com velocidade variável................ 58 4.35 Corrente do eixo em quadratura do estator do GIGE com velocidade variável. 58 4.36 Tensão DC do elo corrente contínua com velocidade variável......... 59 4.37 Corrente do eixo direto da rede......................... 59 4.38 Corrente do eixo em quadratura da rede.................... 60 4.39 Tensão e Corrente da rede na fase a...................... 60 4.40 THD da corrente da fase a da rede com velocidade variável......... 61 xii

Lista de Tabelas 2.1 Distribuição da área de cada continente segundo a velocidade média do vento. 5 xiii

Siglas GIGE PI L LCL V/F PCH GW MW GWh BIG ANEEL GS CC GIRB IGBT GRV Gerador de indução com rotor gaiola de esquilo. Proporcional-integral. Indutor. Indutor-capacitor-indutor. Tensão por frequência. Pequenas centrais hidreletricas. Gigawatts. Megawatts. Gigawatts-horas. Banco de Informações da Geração. Agência Nacional de Energia Eletrica. Gerador síncrono. Corrente contínua. Gerador de indução com rotor bobinado. Insulated Gate Bipolar Transistor. Gerador de relutânica variavel. STATCOM Static Compensator ( Compensador de reativo estatico). CDT Controle direto de torque. xiv

PWM Pulse width modulation (Modulador por Largura de Pulso). LC MD MI PLL Indutor-capacitor. Modos deslizantes. Maquina de indução. Phase locked loop. RMS Root mean square. THD Total Harmonic Distortion. xv

Lista de Símbolos V AS V BS V CS V AR V BR V CR θ ω k v t x a, x b e x c v s,1 i s,1 R 1 λs,1 v r,1 i r,1 λr,1 M Tensão da fase a do estator Tensão da fase b do estator Tensão da fase c do estator Tensão da fase a do rotor Tensão da fase b do rotor Tensão da fase c do totor Defasagem entre fase do estator e rotor Velocidade angular Vetor espacial complexo Grandezas por fase da máquina Tensão do estator como vetor espacial Corrente do estator como vetor espacial Resistência do estator Fluxo concatendo do estator como vetor espacial Tensão do rotor como vetor espacial Corrente do rotor como vetor espacial Fluxo concatendo do rotor como vetor espacial Indutância mutua xvi

L 1 L 2 T e J T m R R F αβ,n F dq,n σ(x(t)) Indutância do estator Indutância do rotor Torque eletromagnetico Momento de inercia da maquina Torque mecânico Resistência própria do rotor Vetor espacial no referencial estacionario Vetor espacial no referencial sincrono Superficie de deslizamento n, m Superficies de chaveamento de dimensão u i (t) e id i d,1ref i q,1ref C C i d1 C i q1 k p,k i eval V mod,b,v mod,b,v mod,b P g Q g S FP ref Entrada do controle chaveado Erro entre a referência e o valor medido Referência de corrente de eixo direto do estator Referência de corrente de eixo em quadratura do estator Ganho da função eval Ganho definidos de acordo com a resposta do sistema eixo direto Ganho definidos de acordo com a resposta do sistema eixo em quadratura Ganhos dos controladores PIs Fução do tipo linear com saturação Tensões da saida do conversor Potência ativa entre o conversor e à rede Potência reativa entre o conversor e a rede Potência aparente enviada a rede Fator de Potência de referência xvii

Z b C b E m ω n N p ω mec P n ω sw ω res L T C f F dq,n Impedância de base do projeto do filtro LCL Capacitância de base do projeto do filtro LCL Tensão de linha eficaz Frequência angular Numero de pares de polos velocidade mecânica da maquina Potência ativa nominal do gerador Frequência angular de comutação Frequência angular de ressonância Indutância total Capacitor do filtro Referencial sincrono σ(x(t)) Superficie de deslizamento xviii

Sumário 1 Introdução 1 1.1 Organização do Trabalho............................ 2 2 Gerador de Indução e Energia Eólica 4 2.1 Energia eólica no país e no mundo....................... 4 2.1.1 Geradores e conversores utilizados em sistemas eólicos........ 8 2.1.2 Controladores Utilizados em Geração Eólica com a Utilização do GIGE 12 2.1.3 Modelo do Gerador de Indução.................... 13 2.1.4 Princípio da orientação direta pelo fluxo do rotor.......... 19 3 GIGE aplicado em sistema de geração eólica 22 3.1 Princípio de funcionamento do controle por modos deslizantes....... 23 3.1.1 Controle do GIGE com a utilização do controlador por modos deslizantes 25 3.1.2 Estimação............................... 29 3.2 Controle do Conversor Conectado à Rede.................. 29 3.2.1 Princípio de Funcionamento do Controle do Inversor Conectado à Rede 30 3.2.2 Projeto do Filtro do conversor conectado à rede elétrica....... 35 4 Resultados de Simulação 38 4.1 Resultados para o GIGE operando com velocidade constante........ 38 xix

xx 4.2 Resultados para o GIGE operando com velocidade variável......... 43 4.3 Resultados para o GIGE operando com velocidade fixa e degrau de potência 47 4.4 Resultados para o GIGE operando com velocidade constante e FP ref = 0,9. 52 4.5 Resultados para o GIGE operando com velocidade variável e FP ref = 0,9. 57 5 Conclusões 62 5.1 Sugestões para trabalhos futuros........................ 64

Capítulo 1 Introdução Devido as preocupações com os impactos ambientais e a diminuição nas emissões de CO 2 e, também, ao aumento no consumo de energia nos países desenvolvidos e em desenvolvimento fizeram com que o interesse no uso de energia renováveis na geração de energia elétrica aumentasse. Uma fonte de energia renovável que pode ser utilizada neste tipo de geração é a eólica, que é a energia cinética contida nas massas de ar em movimento. A produção de energia elétrica ocorre por meio da conversão da energia cinética de translação em energia cinética de rotação, com o emprego de turbinas eólicas que estão equipadas com geradores elétricos. Dentre os tipos de geradores empregados nas turbinas eólicas está o gerador de indução com rotor gaiola de esquilo (GIGE), no qual é uma alternativa aos geradores síncronos de imãs permanentes, por possui as seguintes vantagens: baixo custo de construção e manutenção, além de robustez quando comparado com ao gerador síncrono. Inicialmente, o GIGE era conectado diretamente à rede elétrica de alimentação com capacitores conectados ao seu estator. Com a evolução das técnicas de controle e dos dispositivos semicondutores de potência, técnicas de operação em fluxo constante (V/F) e, posteriormente, o controle por orientação pelo fluxo do rotor/estator ou controle direto 1

Capítulo 1. Introdução 2 de torque possibilitaram o controle da GIGE com alto desempenho dinâmico, a técnica de orientação possibilita o controle independente de torque e fluxo através das correntes do rotor. Já o controle direto de torque possibilita o controle do torque e fluxo de maneira independente. Com relação à velocidade de operação, os esquemas de controle apenas funcionavam com o GIGE com operação em velocidade fixa, inicialmente, e gradativamente chegaram à operação do gerador em velocidade variável. Na literatura existem trabalhos que aplicam controladores para o controle das correntes de estator do GIGE. O presente trabalho tem como objetivo preencher uma lacuna ainda existente relacionada ao controle do GIGE e a utilização de filtros, pois os controladores amplamente empregados neste tipo de aplicação são do tipo proporcional-integral (PI) e os filtros são do tipo L (apenas indutor). Este tópico tem sido alvo de diversos trabalhos de pesquisadores com objetivo de melhorar o desempenho do GIGE. Estes fatos motivaram a realização deste trabalho que visa aplicar o controlador por modos deslizantes no controle das correntes do GIGE conectado à rede elétrica com emprego de um conversor bidirecional e com a utilização de filtros baseado na estrutura de indutorcapacitor-indutor (LCL). 1.1 Organização do Trabalho O Capítulo 2 apresenta o potencial do uso da energia eólica no país e no mundo, um breve histórico da evolução dos tipos de geradores, conversores e técnicas de controle empregados na geração eólica para o GIGE. Apresenta também, o modelo matemático do GIGE e descreve matematicamente a técnica de orientação pelo fluxo do rotor. A descrição de um controlador por modos deslizantes e sua aplicação no controle do GIGE, o controle do conversor conectado à rede elétrica e o projeto do filtro LCL, são apresentados no Capítulo 3.

Capítulo 1. Introdução 3 Os resultados de simulação computacional do sistema de geração com o emprego do GIGE, conversor bidirecional e filtro LCL são apresentados no Capítulo 4. As conclusões do presente trabalho estão apresentadas no Capítulo 5. E algumas informações usadas encontram-se nos apêndices:a, B,C e D.

Capítulo 2 Gerador de Indução e Energia Eólica 2.1 Energia eólica no país e no mundo A energia eólica é a energia contida nas massas de ar em deslocamento. Os sistemas de geração eólica ou aerogeradores convertem a energia dos ventos em energia elétrica. Atualmente, o interesse na utilização dos sistemas de geração eólica tem crescido devidos às preocupações com o meio ambiente e ao seu custo mais baixo em relação aos outros tipos de fontes renováveis [1]. A energia eólica apresenta-se como uma das fortes candidatas, pois tem um rendimento apreciável é considerada uma energia limpa. Para se avaliar o potencial eólico que uma determinada região pode fornecer, é necessário trabalhos sistemáticos tanto de coleta quanto de análises de dados sobre a velocidade e o regime de ventos. Geralmente, essa avaliação é rigorosa e requer levantamentos bem específicos. Porém, os dados coletados em lugares como aeroportos, estações meteorológicas e outras aplicações similares podem fornecer uma primeira estimativa do potencial bruto ou teórico de aproveitamento da energia eólica. Analisando tecnicamente a energia eólica, para que ela seja aproveitável, é necessário que sua densidade seja maior ou igual a 500 W/m2, a uma altura de 50 m, o que requer 4

Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 5 uma velocidade mínima do vento de 7 a 8 m/s [2 4]. Segundo a Organização Mundial de Meteorologia, em apenas 13% da superfície terrestre o vento apresenta velocidade média igual ou superior a 7 m/s, a uma altura de 50 m. Essa proporção varia muito entre regiões e continentes, chegando a 32% na Europa Ocidental, como indicado na Tabela 2.1. Tabela 2.1: Distribuição da área de cada continente segundo a velocidade média do vento. Região/Continente(velocidade em m/s) 6,4 a 7,0 7,0 a 7,5 7,5 a 11,9 África 12% 11% 1% Autrália 8% 4% 5% América do Norte 12% 8% 15% América Latina 8% 5% 5% Europa Ocidental 8,6% 10% 22% Europa Ocidental e ex-urss 15% 10% 5% Ásia(excluindo ex-urss) 6% 2% 5% Mundo 10% 7% 6% Com relação aos sistemas de geração eólica no país, o Brasil apresenta um parque eólico crescente, e entre 2011 e 2021, a capacidade instalada de geração elétrica deve aumentar em 79,9 GW, sendo 28,0 GW de fontes alternativas, como biomassa, eólica e pequenas centrais hidrelétricas (PCH). No caso da energia eólica, se espera que entre 2012 e 2016 sejam instalados 7,6 GW, e entre 2016 e 2021, mais 6,2 GW [5]. Neste contexto, a energia eólica deverá chegar em 2021 com 7,7% da capacidade instalada brasileira, contra 1,7% verificado ao final de 2012 [6]. A energia eólica vem aumentando sua participação no contexto energético brasileiro nos últimos anos. Desde a criação do Proinfa (Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica), e, posteriormente, devido aos sucessivos leilões de compra e venda deste

Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 6 tipo de energia, a capacidade instalada de geração passou de um pouco mais de 25 MW em 2005, para 1.886 MW, ao final de 2012 [6]. Em dezembro de 2012, o Brasil contava com 84 parques eólicos em operação, distribuídos principalmente pelas regiões nordeste (64% da capacidade instalada), e sul (35 % da capacidade instalada). Em 2012, foram gerados 5.020 GWh de energia eólica 86 % acima da geração de 2011, respondendo por 1% da geração elétrica brasileira [5, 6]. O Brasil é um dos países mais promissores do mundo em termos de produção de energia eólica, na avaliação do Global Wind Energy Council, organização internacional que reúne entidades e empresas relacionadas à produção desse tipo de energia [5]. Ao final de 2012, o País ocupava o 20 o lugar no mundo em capacidade instalada de geração de energia a partir da força dos ventos [5,6]. De 2005 a 2012, a capacidade instalada aumentou 70 vezes e foi a que mais cresceu dentre todas as fontes de energia. Não obstante o forte crescimento, a capacidade instalada brasileira representa apenas 0,6% da capacidade mundial [6]. Os mapas eólicos desenvolvidos pelo Centro Brasileiro de Energia Eólica apontam que os ventos no Brasil apresentam ótimas características para a geração elétrica, com boa velocidade, baixa turbulência e boa uniformidade, o que possibilita fatores de capacidade de geração em alguns parques de até 50% [2,5,6]. A Figura 2.1 mostra o atlas eólico brasileiro.

Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 7 Figura 2.1: Distribuição de Potencial Eólico brasileiro. Em 2011, a potência instalada para geração eólica no país aumentou 53,7%. Segundo o Banco de Informações da Geração (BIG), da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), o parque eólico nacional cresceu 498 MW, alcançando 1.426 MW ao final de 2011 (Balanço Energético Nacional 2012). Assim, o país apresenta um dos principais lugares do mundo para se gerar energia do tipo eólica.

Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 8 2.1.1 Geradores e conversores utilizados em sistemas eólicos Nesta seção serão apresentados algumas topologias de conversores e geradores empregados na geração eólica. Os conversores utilizados na geração eólica são empregados de acordo com o tipo de máquina usada no sistema de geração de energia. No caso dos geradores síncronos a imãs permanentes (GS), os conversores podem ser retificadores não controlados conectados ao estator do gerador que compartilham o mesmo elo de corrente contínua com um inversor trifásico conectado à rede. O conversor conectado à rede é responsável pelo envio de potência gerada para a rede elétrica [1]. Já o conversor apresentado na 2.2, também emprega o GS a ímãs permanentes e possui um conversor abaixador/elevador de tensão entre o estator do gerador e o elo de corrente contínua (CC). Figura 2.2: Gerador síncrono de imãs permanentes. Este conversor pode ser comparado ao conversor mostrado na 2.3 com as seguintes vantagens: controle da tensão do elo CC, por meio do controle da chave do conversor abaixador/elevador de tensão, possibilitando um maior aproveitamento do regime de ventos. A potência gerada pelo gerador é enviada pelo conversor conectado à rede, através do controle da tensão do elo CC [1].

Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 9 Figura 2.3: Gerador síncrono com conversor de três estágios. Um outro tipo de gerador que pode ser usado neste tipo de aplicação é o gerador de indução com rotor bobinado (GIRB) com emprego de conversores eletrônicos de potência. O conversor eletrônico de potência que pode ser utilizado neste de tipo aplicação é o back to back. Este conversor é composto por duas pontes trifásicas de dois níveis, controladas por chaves semicondutoras de potência, geralmente, do tipo IGBT que compartilha o mesmo elo de corrente contínua, como mostrado na 2.4. O emprego desse conversor possibilita a operação do gerador em velocidade variável e também o controle do conversor do gerador é flexibilizado. Com este gerador, o estator é conectado diretamente à rede elétrica e o rotor é conectado à rede elétrica através do conversor back to back. O conversor conectado ao rotor controla as potências geradas pelo estator através de controladores que empregam alguma técnica por orientação de campo. Como foi mencionado anteriormente, o conversor conectado à rede, controla o elo de tensão contínua e é responsável por enviar a potência gerada pelo rotor para a rede elétrica quando for o caso [7].

Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 10 Figura 2.4: GI conectado à rede por meio de um conversor back to back. Uma outra máquina que pode ser utilizada em aplicações de sistemas de geração eólica é o gerador de relutância variável (GRV) como mostrado a 2.5. Este tipo de gerador é acionado por um conversor assimétrico em ponte que compartilha o mesmo elo de corrente contínua de um inversor que está conectado à rede elétrica. O conversor conectado ao GRV regula a extração da máxima potência elétrica de acordo com o perfil eólico do sistema. O acionamento das chaves deste conversor é realizado através de controle de malha fechada e pode ser por histerese ou por PWM. O inversor conectado à rede é responsável pela transmissão de potência gerada para rede [8]. Figura 2.5: Estrutura de conversores em cascata para geração eólica utilizando o GRV. Um outro tipo de gerador que pode ser usado neste tipo de aplicação é o gerador de indução rotor gaiola de esquilo (GIGE). Este gerador pode ser conectado diretamente à rede de alimentação conforme mostrado na 2.6. Nesta configuração GIGE apresenta como

Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 11 vantagens: baixo custo e manutenção simples e como desvantagens: falta de possibilidade de regulação de tensão e de frequência e a operação apenas em velocidade fixada pela frequência da rede quando o gerador está conectado diretamente à rede elétrica. Figura 2.6: Gerador de indução rotor gaiola de esquilo diretamente conectado à rede elétrica. Para o GIGE superar os problemas mencionados anteriormente deve-se utilizar conversores eletrônicos de potência para o processamento da sua energia. A topologia que traz o GIGE conectado à rede elétrica com o uso do conversor back to back possibilita o uso do GIGE em velocidade variável. O conversor conectado à rede elétrica é controlado a fim de enviar potência gerada para rede com o emprego do controle da tensão do elo CC. A topologia do GIGE com emprego de conversores back to back está apresentada na Figura 2.7. Figura 2.7: GIGE conectado à rede por meio de um conversor back to back.

Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 12 2.1.2 Controladores Utilizados em Geração Eólica com a Utilização do GIGE Existem aplicações com o GIGE onde ele opera de forma auto excitada. Neste aplicação regula-se a corrente do gerador de indução para regular a tensão trifásica gerada e a tensão pode ser regulada em diferentes velocidades e com diferentes tipos de cargas, como foi proposto por [9]. Um outro dispositivo que pode ser utilizado para regular o fluxo de potência reativa é o STATCOM (compensador de reativo estático) e um controlador de lógica nebuloso foi utilizado para regular este fluxo como apresentado por [10]. O GIGE conectado à rede elétrica de alimentação pode ter o retificador ( conversor conectado ao gerador) controlado por diferentes estratégias de controle como: controle escalar (fluxo constante), controle direto de torque ou controle por orientação de campo [3]. O controle direto de torque possibilita o controle direto do torque e fluxo do gerador sem a necessidade de malha de correntes [11,12]. Já a técnica de controle por orientação de campo possibilita o controle independente do fluxo e do torque através das correntes de eixo direto e em quadratura do estator e a posição espacial do fluxo do GIGE [3]. O controle de torque e por orientação de campo tem desempenho melhor que o método de controle por fluxo constante. A primeira técnica controle direto de torque (CDT) se utilizava frequência variável para o chaveamento do inversor, porém evoluiram para o chaveamento de frequência fixa através da modulação por vetores espaciais [13] melhorando com isso o desempenho desta técnica de controle. Uma comparação entre os controladores PI e o neural aplicado ao controle direto de torque no GIGE é apresentado em [14]. Os resultados mostram que o controlador neural conseguiu diminuir a oscilação no torque. O conversor back to back pode ser aplicado em geradores de indução para o controle da potência gerada para a rede [15]. Com o auxílio do controlador PI pode-se utilizar o mesmo