GERADOR EÓLICO Fredemar Rüncos, Engenheiro Eletricista e Físico, formado ela UFPR, Pós-Graduação em Máquinas Elétricas Girantes ela UFSC. Exerce a função de Gerente da Engenharia de Produto da WEG Máquinas, onde são rojetados e fabricados Máquinas de Corrente Contínua, Máquinas Síncronas e Máquinas Assíncronas de Grande Porte de Baixa e Alta Tensão. Atualmente é Mestrando na área de Disositivos Eletromagnéticos ela UFSC. RESUMO (ABSTRACT: O vento é o resultado do movimento de massas de ar ao redor da suerfície da globo, rovocado or diferenças de temeratura e ressão. A energia mecânica dessas massas de ar constitui uma imensa fonte de energia natural que ode facilmente ser transformada em energia elétrica através dos geradores eólicos. O resente trabalho mostra o funcionamento, em regime gerador, da Máquina Assíncrona Trifásica. O gerador é uma máquina de indução constituída de dois enrolamentos trifásicos, um no estator e outro no rotor. Através de uma tensão adequadamente imosta ao circuito rotórico, mostra-se que é ossível controlar o torque (velocidade e o fator de otência da máquina, funcionando como gerador. Na arte final do resente trabalho é mostrado um anorama da energia eólica no mundo e no Brasil e também uma sugestão ara otimização de um sistema de energia elétrica, aroveitando adequadamente as diversas fontes naturais de energia disoníveis.. INTRODUÇÃO Desde o início do desenvolvimento industrial, semre se rocurou desenvolver novas tecnologias de acionamento elétri co. Primeiro aareceu o motor de CC, surgindo em seguida o motor síncrono. No final do século assado foi inventado o motor assíncrono trifásico o qual reresentou um grande avanço no acionamento industrial. Porém, cada vez mais, o desenvolvimento industrial exigia controles mais recisos de velocidade. Hoje, com o desenvolvimento da eletrônica e com as novas tecnologias de fabricação de máquinas elétricas girant es, essa necessidade industrial é satisfatoriamente atendida. Com a cometitividade é necess ário, além de bons acionamentos, se ter acionamento com custos reduzidos. Na área de geração elét rica não se exigia acionamentos com variação de velocidade. A Máquina Síncrona trabalhando num onto com rotação fixa, atendia a necessidade de geração elétrica. Porém, atualmente, com o custo da energia crescendo e a conscientização de res ervar o meio ambiente, em todo o laneta é feita esquisa no sentido de desenvolver acionamentos elétricos (MÁQUINA ELETRÔNICA que ermitam gerar energia elétrica em uma amla faixa de velocidade. Esta flexibilidade ermite o aroveitamento de formas alternativas de energia, ajudando a res ervar o meio ambiente. Na geração eólica ara maximizar a otência na turbina é necessário que ela oere numa faixa de rotação da ordem de ± 3% em torno da rotação síncrona. A máquina assíncrona atende muito bem essa exigência quando aresenta no rotor um enrolamento trifásico através do qual é ossível se imor uma tensão de controle. Uma grande vantagem é que a otência necessária do conversor é da ordem de 3% da otência nominal do gerador reduzindo bastante o custo do conjunto gerador conversor. Em geral os acionamentos elétricos odem ser classificados como:. MÁQUINAS COM EXCITAÇÃO ÚNICA Esse tio de máquina é constituído or um enrolamento eletricamente conectado a uma fonte de tensão que sure a corrente necessária ara a excitação da máquina. A esse gruo ertencem: a Máquinas CC de Ímã Permanente b Máquinas Síncrona de Ímã Permanente c Máquinas de Relutância d Máquinas de Histerese e Máquinas Assíncronas com Rotor de Gaiola
A máquina CC ode ser construída de duas maneiras: o enrolamento de excitação ode estar no rotor ou no estator. As quatro restantes o enrolamento de excitação está no estator. Das cinco máquinas desse gruo a Máquina Assíncrona com Rotor de Gaiola é a mais simles, mais confiável (segura e de menor custo.. MÁQUINAS COM DUPLA EXCITAÇÃO Esse tio de máquina é constituída or dois enrolamentos eletricamente conectados a fontes de tensão que surem as corrent e necess árias ara a excitação da máquina. A rincial desvantagem é a necessidade de comutadores ou anéis coletores com escovas, exigindo constante manutenção. Uma grande vantagem da máquina dulamente excitada é o fato de que ela ode trabalhar tanto em regime de motor como em regime de gerador. No resente trabalho, iremos estudar a Máquina Assíncrona Trifásica com Rotor Bobinado de Anéis Dulamente Alimentada [MATRADA] funcionando em regime como gerador. O conversor está ligado diretamente à rede de alimentação. Nos casos em que a tensão da rede é na faixa de média tensão, ara reduzir o custo do conversor este ode ser ligado à rede através de um transformador.. CIRCUITO EQUIVALENTE Para a análise do comortamento em regime da MATRADA iremos considerar o circuito equivalente Τ aralelo. A Figura.. mostra o circuito equivalente.. CIRCUITO EQUIVALENTE DA MATRADA. DESCRIÇÃO DA MATRADA A Máquina Assíncrona Trifásica Dulamente Alimentada (MATRADA é uma máquina com rotor bobinado e com anéis coletores. O enrolamento do estator é ligado diretamente na rede, e o enrolamento do rotor é ligado através dos anéis coletores a um conversor de freqüência com controle vetorial. A Figura.. mostra o diagrama esquemático da MATRADA. No texto adotaremos letras maiúsculas ara os arâmetros referidos ao estator e letras minúsculas ara os referidos ao rotor. Os arâmetros do circuito equivalente, são: ( U
a Tensão de Fase do Estator A tensão alicada ao enrol amento do estator ( U é considerado de fas e e é o fasor de referência. U U (.. b Imedância de Fase do estator ( Z A resistência de fase do estator é referida ara 4 C. Z R j X (.. c Imedância de Fase do Rotor ( A resistência de fase do rotor é referida ara 4 C. R Z j X (..3 s d Imedânci a Magnetizant e ( Z m Através da imedânci a magnetizante introduzimos a reatância magnetizante considerada constante ara qualquer escorregam ento. Z j m X m (..4 e Imedânci a de Perdas no Ferro do Estator ( fe Através desta imedância introduzimos as erdas no ferro do estator no circuito equivalente. Esta imedância é introduzida no circuito equivalente ara levar em conta as erdas no ferro do rotor. A MATRADA ode trabalhar com rotações bem di ferentes da nominal e nestas rotações a erda no ferro do rotor não ode ser desrezada. A resistência das erdas no ferro determinada or: Onde a erda no ferro do rotor dado or: Onde: R s fe f 3 E R fe fe feb feb fe j fe ( R fe ( fe (..7 (..8 (..9 Perdas no ferro medida com rotor bloqueado e circuito secundário aberto, alicando-s e ao estator a tensão nominal. g Tensão de Fase Imosta ao Rotor ( U A tensão imosta ao rotor é fornecida elo conversor que é ligado ao enrolamento secundário através dos anéis coletores. é é Z R fe fe j (..5 U U U (.. A resitência de erdas no ferro determinado or: 3 E R fe Onde: fe ( R fe (..6 é Onde: U É a fase da tensão U Para referenciar as grandezas do estator ara o rotor, usamos as seguintes constantes de trans formações: E fe Tensão no ramo magnetizante medida nos terminais do rotor com rotor bloqueado e o secundário (rotor aberto. Perdas no ferro medido com a máquina girando em vazio. f Imedânci as de Perdas no Ferro do Rotor ( fe PARA A TENSÃO E ke e PARA A CORRENTE I ki i ke (.. (.. 3
PARA A IMPEDÂNCIA Z kz z (ke (..3 a máquina oera como gerador, orém com fator de otência caaci tivo. Para a condição de gerador as otências comlexas, ativa e reativa são dados or: A otência comlexa (aarent e.3 DIAGRAMA FASORIAL DA MATRADA FUNCIONANDO COMO GERADOR Uma vez definido os arâmetros do circuito equivalente da MATRADA é ossível se desenhar o diagrama fasorial. Para traçar o diagrama fasorial consideramos os seguintes fasores, todos referidos ao estator. 3 U. I * A otência ativa: P 3 U I Cos ( Θ I A otência reativa: (.3. (.3.3 U U U E E U E E I I U E E Tensão de Fase do Estator (referência Tensão de fase imosta ao Rotor Tensão Magnetizante de Fase refletida ao Estator Tensão Magnetizante de Fase Refletida ao Rotor Corrente de Fase do Estator Q 3 U I Sen ( Θ I (.3.4 Na condição da MATRADA oerando como gerador ela Equação.3.3 temos P semre negativa, isto significa que a otência flui da máquina ara a rede, isto é, esta gerando energia elétrica. Para a otência reativa temos duas situações ossíveis quando a MATRADA oera como gerador, ou seja: Q > (POSITIVO Nesta condição signi fica que a MATRADA está oerando como gerador com fator de otência INDUTIVO, isto é, os reativos fluem da rede ara a MATRADA. I I Φ Φ I I φ Corrente de Fase do Rotor Corrente de Fase do ramo em vazio Fluxo no Entreferro Q < (NEGATIVO Nesta condição signi fica que a MATRADA está oerando como gerador com fator de otência CAPACITIVO, isto é, os reativos fluem da MATRADA ara a rede. A Figura.3. mostra o diagrama fasorial gerador da MATRADA, ara fator de otência indutivo. DIAGRAMA FASORIAL GERADOR DA MATRADA Uma máquina assíncrona tri fásica trabalha em regime gerador quando a defasagem entre a tensão U e a corrente estatórica é em módulo maior que 9, ou seja: 9 < Θ I < 7 (.3. Na condição acima quando 8 Θ I < 7 Máquina oera como gerador, orém com fator de otência indutivo. Quando 9 < Θ I < 8 4
A Figura.3. mostra o diagrama fasorial gerador da MATRADA ara fator de otência caacitivo. As otências envolvidas no diagrama da Figura.4. são: Potência comlexa gerada elo estator da MATRADA e que é fornecida à rede. Na condição de FP caacitivo a máquina oera em condições térmicas iores orque a corrente rotórica é maior..4 FUNCIONAMENTO EM REGIME GERADOR A MATRADA funcionando como gerador comorta-se como um disositivo que transforma energia mecânica em energia elét rica. O fluxo de otência desde o eixo da MATRADA até a rede onde a máquina está conectada é mostrado na Figura.4.. Potência comlexa que atravessa o conversor. Esta arcela de otência ode ser absorvida ou fornecida à rede deendendo da condição de trabalho da MATRADA como gerador. Portanto o conversor que interliga o rotor à rede deve ser bidirecional, isto é, deve ermitir o fluxo de otência ( nos dois sentidos. e Peixo est rot Potência comlexa eletromagnética que atravess a o entreferro da MATRADA. Potência mecânica no eixo da MATRADA fornecida ela TURBINA EÓLICA. Reresenta as erdas Reresenta as erdas tó i Admitindo que a MATRADA esteja trabalhando em regime gerador e que ara uma dada rot ação ( n ela deva entregar a rede uma otência P com um fator de otência ( n FP Cos( Θ redeterminado, o módulo I da corrente estatórica ( n é dada or: I ( n 3U P ( n Cos ( Θ I (.4. Nesta condição o fasor ( n orque conhecemos o seu módulo ângulo de fas e Θ I, logo: está definido e seu I ( n ( n I( n Θ I (.4. 5
( n Uma vez conhecido a corrente no ramo em vazio o ( n ode facilmente ser determinada a artir do circuito equivalente mostrado na Figura..., ou seja: U ( n o ( n ( n o (.4.3 Onde a rotação síncrona ns é função da freqüência f do estator e número de ar de ólos ( da MATRADA, logo: f ns (.4. A imedância ( n corresonde a imedância equivalente do ramo em vazio. A imedância equivalente de erdas no ferro fe( n e dada or: fe ( n fe fe. Portanto a imedância ( n o m m. fe fe fe fe ( n ( n (n ( n (n é dada or: (.4.4 (.4.5 Finalmente conhecido ( n e (n a corrente rotórica (n ode ser calculada: ( n ( n (n I (.4.6 A freqüência ara a rotação f ( n s (n f f ( n da tensão imosta ao rotor u é dada or: (n ( n (.4. A corrente ( n referida ao rotor e que flui através do conversor é dada or: i (n I (n (.4. ki A otência comlexa conversor fica: ( n ( n 3 u (n i (n * que flui através do (.4.3 O conversor desemenha o imortante ael de imor a tensão U ( n aos terminais do rotor ara garantir o desemenho da MATRADA nas condições de geração redeterminado na rotação ( n. Portanto a otência ativa P ( n fica: P ( n 3 u ( n i ( n.cos ( Θ U ΘI Baseado no circuito equivalente da Figura.. a tensão imosta elo conversor U ( n é dada or: A otência reativa Q (n fica: (.4.4 U ( n U Z ( n I (n Z (n I ( n (.4.7 Q (n 3 u ( n i (n. sen( ΘU ΘI (.4.5 Referido ao rotor temos: s(n (n U ke u (n (.4.8 Conhecendo-s e as erdas estatóricas ( est è ossível se determinar a otência eletromagnética e ( n que atravess a o entreferro da MATRADA como sendo: Para a rotação ( n o escorregamento s( n é dado or: s( n ns n ns (.4.9 S ( n S ( n e est ( n (.4.6 6
A turbina eólica deve fornecer ao eixo da MATRADA uma otência P eixo ( n dada or: P Onde ( n P ( n P (n eixo ( n ( n reresentam as erdas totais: t (..4.7 A MATRADA aresenta a imortante caract erística de oerar como gerador numa amla faixa de rotação tanto com Fator de Potência Indutivo ou Caacitivo. Para garantir a oeração da MATRADA numa determinada condi ção imosta, o conversor de freqüência deverá imor ao circuito rotórico a tensão u ( n dada ela Equação.4.8. t ( n ( n ( n t est rot (.4.8 A otência líquida rede (n entregue a rede é dado ela soma de (n e (n, ou seja: O objetivo desse trabalho não é mostrar a dinâmica do funcionam ento do conjunto Gerador Conversor, no entanto mostramos na Figura.4. o funcionamento esquemático do Gerador e Conversor. S (n (n (n rede (.4.9 3. A ENERGIA EÓLICA O desenvolvimento econômico e social de uma noção ode ser medida elo nível de consumo de energia elétrica. A energia elétrica nos dias de hoje desemenha um ael imortante na vida das essoas. Para atingir este objetivo é necessário saber exlorar os recursos energéticos naturais de forma racional e inteligente no sentido de maximizar o seu rendimento. A natureza coloca a disosição do homem várias font es de energia rimári a, onde algumas são renováveis e outras não. Para garantir o desenvolvimento social contínuo além de outros elementos básicos, a energia elétrica deve ser abundante e de baixo custo. Como fonte de energia renovável citamos: Hídrica Eólica Biomassa 7
Solar Como fonte não renovável citamos: Gás Natural Carvão Petróleo Nuclear Devido a necessidade de reservar o meio ambiente as fontes de energia renovável estão no centro das atenções mundiais. Alguns governos ao redor do laneta estão incentivando a geração de energia elétri ca a artir das fontes de energia renováveis. De 994 a 998 a força do vento foi a fonte de energia rimária que maior incentivo recebeu dos governos aresentando o maior cres cimento em termos de geração de energia elétrica. De acordo com a Associação Euroéi a de Energia Eólica (EWEA até o ano serão instalados ao redor do mundo um total de, milhões de megawatts ( ITAIPUS em geração de energia eólica. Segundo Hans Bjerregard, Presidente do Fórum Dinamarquês ara Energi a e Desenvolvimento, a Dinamarca está róxima de ter % de suas necessidades de eletricidade suridas ela energi a eólica. O objetivo do governo é chegar até 5% em 3, incluindo, ara tanto, a catação ioneira de energia em alto mar. O Brasil tem em abundância as quatro fontes de energia renovável acima citadas. A Hídrica e a Eólica, se aresentam em maior quantidade e em melhores condições econômicas de aroveitamento. A Hídrica está distribuída no aís inteiro. Com o otencial eólico existente no Brasil, confirmado através de medidas de vento recisas, realizadas recentem ente, é ossível roduzir eletricidade a custos cometitivos com centrais termoelétricas, nucleares e hidroelétricas. Análises dos recursos eólicos medidos em vários locais do Brasil, mostram a ossibilidade de geração elétrica com custos da ordem de US$ 4 US$ 6 or MWh. De acordo com estudos da ELETROBRÁS, o custo da energia el étrica gerada através de novas usinas hidroelétricas construídas na região amazôni ca será bem mais alto que os custos das usinas imlantadas até hoje. Quase 7% dos rojetos ossíveis deverão ter custos de geração maiores do que a energia gerada or turbinas eólicas (ver TABELA abaixo. Outra vantagem das centrais eólicas em relação as usina hidroelétricas é que quase toda a área ocuada ela central eólica ode ser utilizada (ara agricultura, ecuária, etc. ou reservada como habitat natural. POTENCIAL HIDRÁULICO EXISTENTE NA REGIÃO AMAZÔNICA (Total 6 GW CUSTO DE GERAÇÃO ELÉTRICA PREVISTO 33% < US$ 4 / MWh 5% US$ 4 US$ 6 / MWh 4% US$ 6 US$ 7 / MWh 8% > US$ 7 / MWh Custos Previstos ara a Geração Elétrica na Amazônia (Usinas Hidroelétricas Planejadas O Brasil oderia ter uma articiação efetiva e estratégica no mercado de geração de energi a alternativa, através de uma integração da geração eólica com o sistema elétrico atual que é basicamente Hídrico. Esta integração deveria ser feita através de Geradores Síncronos e Geradores Assíncronos (MATRADA, ver Figura 3. abaixo. O gerador (MATRADA mostrado neste trabalho ares enta a caacidade de trabalhar numa amla faixa de rotação. Esta característica ermite a alicação deste gerador tanto em turbinas eólicas como em turbinas hidráulicas. Na turbina eólica ele ermite a otimização da energia do vento, devido sua flexibilidade na variação de velocidade. Na turbina hidráulica é ossível ajustar a oeração do gerador em função da altura monométrica da água disonível no reservatório trabalhando no onto de rotação onde o rendimento da turbina é máximo e evitando a cavitação que ode danificar a turbina. Todo kw de energia elétrica gerada or uma turbina eólica economiza uma quantidade equivalente em água no reservatório. Por outro lado, o Brasil ossui milhares de locais isolados onde a eletricidade é gerada através de óleo diesel. Aenas na região Amazônica, mais de 5 8
comunidades utilizam motogeradores diesel ara a geração elétri ca com custos de geração entre US$,/kWh e US$,8/kWh. Turbinas eólicas acoladas aos sistemas diesel existentes (sistema híbridos eólico / diesel odem roiciar uma economia substancial em termos de consumo de combustível, transorte, armazenamento, oeração, manutenção e logística, sem contar com a redução da oluição ambiental. 4. CONCLUSÃO O gerador síncrono é uma máquina excelente ara gerar energia el étrica quando a rotação da máquina rimária é fixa. Porém, ara os aroveitamentos energéticos onde a máquina rimária exige variação de velocidade, a máquina síncrona não é a melhor solução técnica econômica. A máquina assíncrona é bastante versátil, robusta e de menor custo. Porém, ara alicação como gerador, a máquina assíncrona de rotor de gaiola aresenta limitações. O gerador assíncrono de rotor em gaiola aresenta-se tecnicam ente e economicam ente viável ara otências menores que 8 kw. Para otências maiores o gerador assíncrono com rotor bobinado de anéis dulamente alimentado (MATRADA aresenta-se como uma solução adequada do onto de vista técnico e econômico. A grande vantagem da alicação da MATRADA em geração eólica é o fato do conversor ser dimensionado ara uma otência da ordem de 3% da otência nominal e de tecnologia dominada. Outra grande vant agem é o fato de trabalhar numa faixa de rotação desde 7% a 3% da rotação síncrona com fator de otência control ado, ermitindo desta forma a otimização do rendimento na conversão eletromecânica da energia. 979, Traduzido or Antônio Fernandes Magalhães, ag. 6-6, 694-74. [4] E. Levi, Polyhase Motors A Direct Aroach to Their Design, John Wiley & Sons, Inc., 984, ag. 98-78. [5] R. Richter, Elektrische Maschinen Die Induktionsmaschinen, Verlag Birkhäuser AG., Basel, 954, ag. 35-358. [6] M. Chilikin, Electric Drive, Mir Publishers, Moscow, 976, ag. 53-69. \\WMADMN\DAT\DEPTO\FREDEMAR\MATDA\Texto\Trgere.doc - 4// 5. BIBLIOGRAFIA [] B.Hofenserger, D.J.Atlinson, Cascaded Brushless Doubly-Fed Machines for Variable Seed wind Power Generation: na Overview, Deartment of Electrical and Electronic Engineering, Univertity of Newcastle, Newcastle uon Tyne, NE 7RU, Great Britain. [] Y. Liau, Design of A Brushless Doubly-Fed Induction Motor for Adjustable Sees Drive Alications, GE-Cororate Research and Develoment Center, Building K-EP8, P. O. Box 8, Schenectady, NY 3, USA, IEEE, 996, ag.85-855. [3] M. Kostenko & L. Piotrovski, Máquinas Elétricas, Vol. II, Edições Loes da Silva, Porto, 9