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Universidade Federal de Minas Gerais
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis
Curso de Especialização em Energia Eólica
Apostila
“Tecnologia em Aerogeradores”
Prof. Selênio Rocha Silva
Belo Horizonte, 19 de junho de 2013
2
Sumário
1. Introdução:................................................................................................................. 5
2. Características Operacionais de Turbinas Eólicas: ..................................................... 6
2.1 Princípios Operativos de Turbinas Eólicas .................................................................................................... 7
2.2 Classificação de Turbinas Eólicas .................................................................................................................. 9
2.3 Características de Turbinas Eólicas ............................................................................................................. 11
2.4 Características de Potência Gerada em uma Turbina Eólica ...................................................................... 13
2.5 Características Operacionais de uma Turbina Eólica .................................................................................. 15
3. Sistemas de Geração Elétrica em Turbinas Eólicas: ................................................. 17
3.1 Geradores elétricos .................................................................................................................................... 19
3.1.1 Gerador de indução ............................................................................................................................... 19
3.1.2 Geradores síncronos com excitação elétrica ou a ímãs permanentes ................................................... 27
3.1.3 Análise comparativa dos geradores elétricos ........................................................................................ 31
3.2 Conversores estáticos ................................................................................................................................. 32
3.2.1 Características da Conversão Estática .................................................................................................... 33
4. Engenharia de Sistemas de Conversão de Energia Eólica: ...................................... 35
4.1 Arquitetura de Aerogeradores a Velocidade Fixa ...................................................................................... 38
4.2 Arquitetura de Aerogeradores a Velocidade Variável ............................................................................... 39
5. Tecnologias de Aerogeradores: ............................................................................... 41
5.1. Tecnologias Comerciais ..................................................................................................................................... 41
5.1.1 Gerador de Indução em Gaiola (IG) ....................................................................................................... 42
5.1.2 Gerador de Indução com Resistores Chaveados no Rotor ..................................................................... 43
5.1.3 Gerador Síncrono com Conversores PWM (GSINC) ............................................................................... 43
5.1.4 Gerador Síncrono com Retificador a Diodos .......................................................................................... 44
5.1.5 Gerador de Indução Duplamente Alimentado (DFIG) ............................................................................ 45
5.2. Distúrbios de Qualidade da Energia Elétrica ..................................................................................................... 46
5.1.6 Nível de curto-circuito ............................................................................................................................ 47
5.1.7 Flutuações de Tensão ............................................................................................................................. 48
5.1.8 Harmônicos ............................................................................................................................................ 49
5.1.9 Suportabilidade a Afundamentos de Tensão ......................................................................................... 51
6. Considerações Finais ................................................................................................ 54
7. Referências Bibliográficas ........................................................................................ 54
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Índice de Figuras
Figura 1. Evolução da Tecnologia em Aerogeradores .................................................................................. 6 Figura 2. Passagem do Fluxo de Ar pela Turbina Eólica ............................................................................... 7 Figura 3. Vetores de velocidades e forças sob um perfil aerodinâmico ....................................................... 9 Figura 4. Turbinas de Eixo Horizontal (pequena potência e alta potência) .................................................. 9 Figura 5. Turbinas Eólicas de Eixo Vertical ................................................................................................. 10 Figura 6. Coeficiente de potência em função da relação de velocidades e ângulo de passo ..................... 12 Figura 7. Características de rendimento de diversos projetos de turbinas ................................................ 12 Figura 8. Características Cp e Cq de turbina eólica.................................................................................... 13 Figura 9. Característica de potência de uma turbina eólica ....................................................................... 14 Figura 10. Efeito do ângulo de passo no rendimento da turbina ............................................................... 15 Figura 11. Característica operacional típica de uma turbina eólica ........................................................... 16 Figura 12. Características operacionais de turbinas comerciais no Brasil .................................................. 17 Figura 13. Arquiteturas de Sistemas Eólicos Conectados à Rede Elétrica .................................................. 18 Figura 14. Tipos de geradores assíncronos................................................................................................. 20 Figura 15. Curva conjugado em função da rotação da máquina de indução ............................................. 21 Figura 16. Circuitos equivalentes da máquina de indução ......................................................................... 22 Figura 17. Circuito equivalente incluindo sistema externo e capacitor de correção de reativos............... 23 Figura 18. Desempenho do gerador de indução frente a condições particulares da rede e do circuito de rotor ........................................................................................................................................................... 23 Figura 19. Acoplamento de características entre gerador e rotor eólico ................................................... 24 Figura 20. Configuração básica da máquina de indução duplamente alimentada..................................... 24 Figura 21. Fluxo de potência na máquina em operação sub-sincrona ....................................................... 25 Figura 22. Fluxo de potência na máquina em operação super-sincrona .................................................... 25 Figura 23. Características de potências de estator e rotor geradas na máquina duplamente alimentada 26 Figura 24. Rotor de gerador síncrono de oito polos ................................................................................... 28 Figura 25. Avanço da tecnologia a ímãs permanentes ............................................................................... 28 Figura 26. Topologia da máquina a ímãs permanentes de fluxo radial ...................................................... 29 Figura 27. Modelo matemático da máquina síncrona conectada a rede elétrica ...................................... 29 Figura 28. Potências ativa e reativa fornecida por um gerador síncrono conectado a rede por conversores estáticos ................................................................................................................................. 30 Figura 29. Eficiência do gerador elétrico em função de uma estratégia operacional ................................ 30 Figura 30. – Arquiteturas de Sistemas de Geração para Aerogeradores ................................................... 32 Figura 31. Conversor limitador da corrente de conexão de gerador elétrico ............................................ 32 Figura 32. Retificador a diodos ................................................................................................................... 33 Figura 33. Conversor CC-CA a IGBT's .......................................................................................................... 33 Figura 34. Sistema de Conversão Estática com Três Conversores .............................................................. 34 Figura 35. Sistema de Conversão Estática com Dois Conversores PWM .................................................... 35 Figura 36. Curva da Potência Extraída em Função da Velocidade do Vento .............................................. 36 Figura 37 Características de potência de aerogerador a velocidade constante ......................................... 37 Figura 38 Características de potência de aerogerador a velocidade variável ............................................ 38 Figura 39 Comparação entre curvas de potência típicas de turbinas a velocidade constante e a velocidade variável ..................................................................................................................................... 40 Figura 40 Comparação da operação de uma turbina a velocidade constante e uma turbina a velocidade variável para ventos abaixo do vento nominal .......................................................................................... 41 Figura 41 Topologia do Aerogerador com Gerador de Indução com Rotor em Gaiola .............................. 42 Figura 42 Esquema do Aerogerador com Gerador de Indução com Resistores Chaveados no Rotor ....... 43 Figura 43 Configuração do Gerador Síncrono com Conversores PWM ...................................................... 44 Figura 44 Configuração de um Aerogerador Utilizando a Tecnologia Similar à Comercializada pela Enercon....................................................................................................................................................... 45 Figura 45 Sistema de um Aerogerador a Velocidade Variável Utilizando Gerador de Indução Duplamente Alimentado ................................................................................................................................................. 46 Figura 46 Tecnologias responsáveis pelos distúrbios harmônicos ............................................................. 50
4
Figura 47 Corrente de saída distorcida devido à frequência de chaveamento dos elementos dos inversores ................................................................................................................................................... 50 Figura 48 Afundamento de tensão trifásico para 50% ............................................................................... 52 Figura 49 Curva de suportabilidade requerida pelo código de rede brasileiro .......................................... 53 Figura 50 Gerador de afundamento de tensão sugerido pela norma IEC61400-21 ................................... 53
5
1. Introdução:
Este texto discute os aspectos gerais e específicos das principais tecnologias atualmente
comercializadas nos modernos aerogeradores. Procura-se, no estado da arte, os elementos norteadores
que guiem e forneçam subsídios para uma avaliação consubstanciada das arquiteturas existentes com
foco na qualidade da energia elétrica gerada.
Entende-se, como sistema de geração elétrica neste documento, o sub-sistema que consiste do
gerador elétrico e dos conversores estáticos que promovem a adequação da energia elétrica gerada nos
terminais deste gerador com a energia fornecida às redes elétricas ou cargas isoladas. A configuração
deste sub-sistema é dependente da aplicação pretendida e apresentou grande evolução nos últimos 20
anos, seguindo o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e da tecnologia de materiais, que permitiu
o advento de tecnologias modernas e de alta eficiência a velocidade variável.
A aplicação de geração de eletricidade por acionamento através de rotor eólico para conexão aos
sistemas elétricos convencionais consistia normalmente de máquinas de médio/grande porte,
inicialmente na faixa de centenas de kW e chegando aos aerogeradores de multi-MW atualmente
comercializados. Na última década contudo, o curso da tecnologia em turbinas eólicas alterou-se
definitivamente, garantindo visibilidade, confiabilidade e viabilidade.
As máquinas de pequeno porte são utilizadas na geração de energia elétrica em sistemas isolados
e no bombeamento de água, sendo que nestas duas aplicações o uso de geradores síncronos e a
presença de conversores estáticos representam uma realidade que consolidou esta tecnologia. Os
sistemas de geração elétrica presentes nas turbinas eólicas de pequeno porte migraram rapidamente da
concepção arcaica utilizando geradores de corrente continua para a solução com geradores síncronos
com excitação elétrica (bobina de campo) ou a imãs permanentes. Os equipamentos com geradores em
corrente continua se mantiveram no mercado por longas décadas do século passado, mas não
conseguiram consolidar a tecnologia e foram substituídos pelos equipamentos que utilizam a conversão
eletromecânica em corrente alternada. A presença de retificadores e de inversores estáticos, para a
necessária conversão de frequência e o adequado armazenamento energético em baterias de
acumuladores, já representavam uma realidade em equipamentos comercializados nos anos 70 e 80
[Silva, 1988]. Os primeiros equipamentos comercializados naquelas décadas apresentavam máquinas
com excitação elétrica em configuração auto-excitada e com caixa de multiplicação de velocidades,
ajustando a rotação do rotor eólico com a frequência de geração do alternador para garantir que a
frequência das ondas elétricas se aproximasse de frequências comerciais das redes elétricas. A
tecnologia presente nos conversores estáticos utilizava dispositivos semicondutores a base de diodos e
tiristores, chaveando em baixas frequências.
Em aerogeradores de grande porte, além da rápida evolução nas faixas de potência
comercializadas entre as últimas três décadas, como ilustra a Figura 1, uma diversidade de tecnologias
foi desenvolvida e continuam em operação. Destacam-se a utilização de gerador de indução e de
gerador síncrono (com excitação elétrica ou a imãs permanentes), e entre estes um continuo
crescimento de equipamentos com geradores a imãs permanentes.
É interessante observar como o desenvolvimento de sistemas de geração para aerogeradores
partiu de tecnologias distintas entre máquinas de grande porte e máquinas de pequeno po
finalmente convergindo para tecnologias bastante similares conceitualmente.
Neste trabalho encontra-se informações técnicas variadas sobre as tecnologias de rotores eólicos,
geradores elétricos e conversores estáticos, com ênfase nas combinações prefe
nos modernos aerogeradores. Busca
conhecimento neste amplo campo tecnológico.
2. Características Operacionais de Turbinas Eólicas:
A energia eólica resulta da transformação de parcinética da atmosfera. A diferença de radiação solar sobre regiões distintas do planeta provoca o deslocamento de camadas de ar, os ventos.
A energia cinética presente em um dado volume de vento V, pode ser expressa em Joules/m
onde ρ é a massa específica de ar (
A potência eólica disponível expressa em Watts por:
onde A é a área varrida pelo rotor eólico.
É possível mostrar que, apenas uma parte desta energia cinéticaconversível, uma vez que o ar deve conservar uma velocidade que permita através do rotor de uma turbina eólica
Figura
É interessante observar como o desenvolvimento de sistemas de geração para aerogeradores
partiu de tecnologias distintas entre máquinas de grande porte e máquinas de pequeno po
finalmente convergindo para tecnologias bastante similares conceitualmente.
se informações técnicas variadas sobre as tecnologias de rotores eólicos,
geradores elétricos e conversores estáticos, com ênfase nas combinações preferencialmente utilizados
nos modernos aerogeradores. Busca-se desta forma produzir documento que permita agregar
conhecimento neste amplo campo tecnológico.
Características Operacionais de Turbinas Eólicas:
A energia eólica resulta da transformação de parte do efeito térmico solar em energia cinética da atmosfera. A diferença de radiação solar sobre regiões distintas do planeta provoca o deslocamento de camadas de ar, os ventos.
presente em um dado volume de vento, obtida em uma velocidaem Joules/m
3 por:
E Vc = 12
2ρ.
é a massa específica de ar ( ≅ 1,2 kg/m3).
A potência eólica disponível é calculada pela taxa de variação desta energia
P A Ve = 12
3ρ. .
onde A é a área varrida pelo rotor eólico.
apenas uma parte desta energia cinética contida nas massas de arconversível, uma vez que o ar deve conservar uma velocidade que permita a passagem através do rotor de uma turbina eólica, como ilustra a Figura 2. A melhor conversão
Figura 1. Evolução da Tecnologia em Aerogeradores
6
É interessante observar como o desenvolvimento de sistemas de geração para aerogeradores
partiu de tecnologias distintas entre máquinas de grande porte e máquinas de pequeno porte,
se informações técnicas variadas sobre as tecnologias de rotores eólicos,
rencialmente utilizados
se desta forma produzir documento que permita agregar
Características Operacionais de Turbinas Eólicas:
te do efeito térmico solar em energia cinética da atmosfera. A diferença de radiação solar sobre regiões distintas do planeta provoca o
vento, obtida em uma velocidade de
é calculada pela taxa de variação desta energia eólica, sendo
contida nas massas de ar é a passagem de seu fluxo
. A melhor conversão teórica de
7
energia é obtida quando a velocidade na esteira do rotor (após passar pela área varrida pelo rotor eólico) é igual a 1/3 da velocidade do vento incidente. A partir desta relação aproximada, a potência mecânica, teoricamente recuperável de uma instalação eólica é calculada, no máximo, a 59.3% da potência disponível incidente. Este valor estimado da eficiência máxima de conversão é conhecido como limite de Betz, apesar de em turbinas comerciais os testes em campos tem indicado normalmente eficiências de conversão bem inferiores.
Figura 2. Passagem do Fluxo de Ar pela Turbina Eólica
O cálculo dos valores médios de energia eólica disponível em um determinado local requer o conhecimento da distribuição de probabilidade de vento ou dos registros dos valores de vento em um dado período de tempo. Os valores de velocidade de vento média, normalmente obtidos em um determinado período de tempo, não fornecem informações precisas sobre a energia eólica disponível no local, já que a potência eólica depende da velocidade de vento elevada ao cubo. Dois valores médios podem ser utilizados para estimativa da potência ou energia eólica disponível em um dado local, o valor médio e a raiz cúbica do valor médio cúbico, e são expressos por:
∫ ∑∞
==0
)(.).(. VpVdVVpVV
[ ]33
3
0
33 3 )(.).(. ∑∫ ==∞
VpVdVVpVV
Onde p(V) é a função densidade de probabilidade da velocidade de vento do local.
A raiz cúbica da média cúbica da velocidade de vento corresponde a um valor de velocidade de vento que permite uma mais precisa estimativa da potência existente no local e constitui parâmetro importante no dimensionamento de uma usina eólica. A razão entre a média do cubo da velocidade de vento e o cubo da média da velocidade de vento é chamada de "fator de padrão energético", que varia entre os valores 1.5 e 3. Embora a energia eólica disponível não possa ser obtida do valor da velocidade de vento média, já que o fator padrão energético não é constante, há suficiente correspondência entre altos valores de velocidade média e altas potências médias, possibilitando uma avaliação qualitativa.
2.1 Princípios Operativos de Turbinas Eólicas
Uma turbina eólica é formada essencialmente por um conjunto de pás sob a ação do vento. As forças que são exercidas sobre estas pás fazem com que estas girem em torno de um eixo. A ação do vento sobre um corpo pode ser definida por duas componentes de forças: o arrasto e a
8
sustentação. A força de arrasto é a componente na direção da velocidade de vento relativa, enquanto a força de sustentação é a componente perpendicular a esta direção (Figura 3).
A velocidade de vento relativa Vr é calculada levando em conta o fator de interferência (a) sobre a velocidade de vento incidente (V) em uma turbina e o efeito da velocidade rotacional do rotor eólico (w) na periferia do círculo de raio R, vale :
RwaVVr .)1( −−=
Lembrando que nesta expressão todas as velocidades são vetores, pois possuem direções distintas.
As forças de sustentação (FL) e de arrasto (FD) são proporcionais à densidade do ar, à área das pás e ao quadrado da velocidade de vento relativa do aerofólio. As constantes de proporcionalidade são definidas como coeficientes de sustentação (CL) e arrasto (CD), que são funções do ângulo de ataque (α) e constituem características implícitas ao perfil aerodinâmico das pás .
A força resultante sobre o rotor eólico, no plano de rotação, que contribui para o conjugado desenvolvido pela pá, vale (Gimpel and Stodhart, 1958):
θθ cos.. DLa FsenFF −=
onde βαθ +=
α = ângulo de ataque em relação ao plano de rotação (ângulo entre a velocidade de vento relativa e o eixo de simetria do perfil aerodinâmico)
β = ângulo de passo do perfil aerodinâmico (ângulo entre o eixo de simetria do perfil aerodinâmico e o plano de rotação)
As pás de turbinas eólicas modernas são construídas utilizando perfis aerodinâmicos projetados para produzirem elevados coeficientes de sustentação. Um aerofólio apresenta uma borda de ataque e uma borda de fuga, cuja distância entre seus pontos extremos constitui a corda do perfil (que passa pelo eixo de simetria do perfil). Os perfis de turbinas eólicas modernas são em geral do tipo plano-convexo (Gottingen) ou biconvexo (NACA). Ao longo da estrutura da pá, esta pode apresentar uma torção para garantir um ângulo de ataque aproximadamente constante em toda sua extensão.
As turbinas eólicas modernas apresentam um mecanismo de variação do ângulo de passo, a fim de controlar a velocidade e, portanto, regular a potência gerada, reduzindo-se o ângulo de ataque pelo aumento do ângulo de passo.
O projetista de turbinas eólicas, portanto tem à sua disposição diversas ferramentas para garantir um bom projeto aerodinâmico, isto é, alta sustentação com baixo arrasto. Para o sistema eólico como um todo, o projeto estrutural é vital a fim de garantir uma operação confiável, por prolongado período (maior que 20 anos), com baixo custo de construção.
Figura 3. Vetores de velocidades e forças sob um perfil aerodinâmico
2.2 Classificação de Turbinas Eólicas
Na literatura técnica é comum distinguir as turbinas eólicas segundo os seguintes critérios:
- direção do eixo de rotação em relação ao vento (eixo horizontal e eixo vertical);
- qualidade das forças predominantes (arrasto e sustentação);
- quantidade de material existente no rotor (baixa e alta solidez).
As turbinas de eixo horizontal apresentam seu eixo de rotação em paralelo com a direção do vento. Nestes tipos de turbinas se encontram os modelos multipás americano e as turbinas eólicas rápidas de 3, 2 e 1 pás. A Figura 4 ilustra dois tipos de turbinas de eixo horizontal, uma de pequeno porte e outra de alta potência. Nestes dois projetos distintos pode-se identificar as similaridades de possuírem três pás e alta eficiência de conversão, serem regidas por forças de sustentação predominantes, além de possuírem baixa área de material nas pás em relação à área varrida pelo rotor eólico em movimento (baixa solidez). Estas máquinas apresentam velocidades de rotação que produzem altas velocidades tangenciais nas pontas das pás (> 10 vezes a velocidade de vento incidente).
Figura 4. Turbinas de Eixo Horizontal (pequena potência e alta potência)
_________________________________________________
As turbinas de eixo vertical são representadas princiDarrieus e funcionam com qualquer direção de Diferentemente das turbinas de eixo horizontal, este dois modelos de eixo vertical possuem características extremamente distintas, que são expressas na Tabela 1.
Turbina Savonius
Figura
Tabela 1
Turbina Savonius
● Predomina o arrasto;
● Alta solidez e baixa rotação;
● Baixa eficiência (Cpmax=10%);
● Utilizado em aplicações
entreterimento;
● Simples construção;
● Inadequada para geração de eletricidade
A qualidade das forças predominantes na operação de uma turbina eólica dita praticamente suas características básicas. As turbinas que funcionam por arrasto (modelo Savonius, por exemplo) apresentam normalmente baixas velocidades roaerodinâmico e um custo elevado pela grande quantidade de material envolvido. As turbinas rápidas como as tri-pás, bi-pás, monópteros e Darrieus, se caracterizam por operarem por sustentação apresentando elevadas velocidades indicadas para geração de eletrici
Um importante parâmetro do projeto de turbinas eólicas é a relação entre a área total das pás do rotor e a área varrida por estas, num perímetro correspondente a 7
parâmetro adimensional é conhecido por solidez (
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Laboratório de Conversão e Controle da Energia Departamento de Engenharia Elétrica – UFMG
Av. Pres. Antônio Carlos, 6627 – CEP 31.270-010
Fone: (31) 3409 34 29
Contato: [email protected]
As turbinas de eixo vertical são representadas principalmente pelos modelos Savonius e quer direção de velocidade de vento, como ilustradas na Figura
Diferentemente das turbinas de eixo horizontal, este dois modelos de eixo vertical possuem características extremamente distintas, que são expressas na Tabela 1.
Turbina Savonius Turbina Darrieus
Figura 5. Turbinas Eólicas de Eixo Vertical
1. Características de Turbinas de Eixo Vertical
Turbina Savonius Turbinas Darrieus
Alta solidez e baixa rotação;
Baixa eficiência (Cpmax=10%);
Utilizado em aplicações mecânicas e
Inadequada para geração de eletricidade
● Predomina a sustentação;
● Turbina de baixa solidez;
● Alta rotação e eficiência;
● Não tem partida autônoma;
● Esforços mecânicos severos sobre as pás;
● Frenagem complexa
● Turbina não-comercial
A qualidade das forças predominantes na operação de uma turbina eólica dita praticamente cas. As turbinas que funcionam por arrasto (modelo Savonius, por
exemplo) apresentam normalmente baixas velocidades rotacionais, baixos rendiaerodinâmico e um custo elevado pela grande quantidade de material envolvido. As turbinas
pás, monópteros e Darrieus, se caracterizam por operarem por sustentação apresentando elevadas velocidades e altos rendimentos aerodinâmicos sendo, portanto, indicadas para geração de eletricidade.
Um importante parâmetro do projeto de turbinas eólicas é a relação entre a área total das pás do rotor e a área varrida por estas, num perímetro correspondente a 70% do raio das pás. Este
parâmetro adimensional é conhecido por solidez (σ) e vale (Gimpel e Stodhart, 1958):
10
____________________________________
palmente pelos modelos Savonius e das na Figura 5.
Diferentemente das turbinas de eixo horizontal, este dois modelos de eixo vertical possuem
Turbina Darrieus
Turbinas Darrieus
Predomina a sustentação;
Turbina de baixa solidez;
Alta rotação e eficiência;
Não tem partida autônoma;
Esforços mecânicos severos sobre as pás;
A qualidade das forças predominantes na operação de uma turbina eólica dita praticamente cas. As turbinas que funcionam por arrasto (modelo Savonius, por
tacionais, baixos rendimento aerodinâmico e um custo elevado pela grande quantidade de material envolvido. As turbinas
pás, monópteros e Darrieus, se caracterizam por operarem por susten-dinâmicos sendo, portanto,
Um importante parâmetro do projeto de turbinas eólicas é a relação entre a área total das 0% do raio das pás. Este
) e vale (Gimpel e Stodhart, 1958):
_________________________________________________
onde n = número de pás;
c = corda a 0.7 do raio das pás (m);
D = diâmetro do rotor (m
A referência ao ponto de 70% do raio é utilizadaestá sujeita aos maiores esforçosobservado que a solidez pode fornecer informações mais detalhadas sUm rotor de alta solidez apresenta alto conjugado de partida e bom desempenho em baixas velocidades. Rotores de baixa solidez operam a velocidades elevadas, a rendimentos maiores e com pobre característica de partida. A5% e 10%, já que devem ser projetadas para altas eficiências e altas velocidades o que implica aplicações direcionadas à geração de energia elétrica. No caso de uma turbina eólica multipás a solidez excede 50%.
2.3 Características de Turbinas Eólicas
A potência desenvolvida por uma turbina eólica depende da velocidade do vento e da velocidade rotacional. A relação entre a potência, a velocidade do vento e a velocidade rotacional são normalmente apresentadasaplicável em diversas circunstâncias. Dois parâmetros adimensionais mais largamente utilizados
para descrever estas relações são a relação de velocidades primeiro é definido como:
onde R (em metros) é o raio do rotor eólico, medido na ponta da pá, wsegundo) é a rotação da turbina
O coeficiente de potênciaturbina eólica, é um parâmetro adimensional
velocidades λ e do ângulo de passo
A dependência do coeficiente de potência com os parâmetros aerodinâmico e de uma série de procedimentos de construção das de muito utilizada nos modelos matemáticos para integração de aerogeradores nas redes elétricas, representa uma relação matemática de
estimação prática. A Figura 6 ilustra umtécnica.
Outro parâmetro adimensional importante é o coeficien
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σπ
=n c
D
.
.0 7
n = número de pás;
c = corda a 0.7 do raio das pás (m);
D = diâmetro do rotor (m).
A referência ao ponto de 70% do raio é utilizada pois esta região das pás da turbina eólicaestá sujeita aos maiores esforços estruturais. Pela análise de alguns projetos eólicos temobservado que a solidez pode fornecer informações mais detalhadas sobre a operação da turbina. Um rotor de alta solidez apresenta alto conjugado de partida e bom desempenho em baixas velocidades. Rotores de baixa solidez operam a velocidades elevadas, a rendimentos maiores e
terística de partida. A solidez de turbinas eólicas modernas atinge valores entre projetadas para altas eficiências e altas velocidades o que implica
aplicações direcionadas à geração de energia elétrica. No caso de uma turbina eólica multipás a
Características de Turbinas Eólicas
A potência desenvolvida por uma turbina eólica depende da velocidade do vento e da velocidade rotacional. A relação entre a potência, a velocidade do vento e a velocidade rotacional são normalmente apresentadas por coeficientes adimensionais, a fim de tornar esta informação aplicável em diversas circunstâncias. Dois parâmetros adimensionais mais largamente utilizados
para descrever estas relações são a relação de velocidades λ e o coeficiente de potência Cp. O
λ =w R
V
.
é o raio do rotor eólico, medido na ponta da pá, w (em radianos por eólica e V é a velocidade de vento (em metros por segundo)
O coeficiente de potência Cp, também chamado de rendimento aerodinâmico de uma é um parâmetro adimensional normalmente expresso em função da relação de
e do ângulo de passo β, é definido como:
CP
AVp
t=
12
3ρ
A dependência do coeficiente de potência com os parâmetros λ e β depende do projeto aerodinâmico e de uma série de procedimentos de construção das pás, logo esta relação, apesar
nos modelos matemáticos para cálculo da energia gerada e nos ção de aerogeradores nas redes elétricas, representa uma relação matemática de
ilustra uma relação teórica Cp(λ,β) muito presente na literatura
Outro parâmetro adimensional importante é o coeficiente de conjugado, definido como:
λρp
q
C
ARV
TC ==
2
21
11
____________________________________
das pás da turbina eólica . Pela análise de alguns projetos eólicos tem-se
ração da turbina. Um rotor de alta solidez apresenta alto conjugado de partida e bom desempenho em baixas velocidades. Rotores de baixa solidez operam a velocidades elevadas, a rendimentos maiores e
z de turbinas eólicas modernas atinge valores entre projetadas para altas eficiências e altas velocidades o que implica
aplicações direcionadas à geração de energia elétrica. No caso de uma turbina eólica multipás a
A potência desenvolvida por uma turbina eólica depende da velocidade do vento e da velocidade rotacional. A relação entre a potência, a velocidade do vento e a velocidade rotacional
por coeficientes adimensionais, a fim de tornar esta informação aplicável em diversas circunstâncias. Dois parâmetros adimensionais mais largamente utilizados
eficiente de potência Cp. O
(em radianos por e V é a velocidade de vento (em metros por segundo).
, também chamado de rendimento aerodinâmico de uma normalmente expresso em função da relação de
depende do projeto pás, logo esta relação, apesar
cálculo da energia gerada e nos estudos de ção de aerogeradores nas redes elétricas, representa uma relação matemática de difícil
) muito presente na literatura
te de conjugado, definido como:
_________________________________________________
onde T (em Newton vezes me
A Figura 7 ilustra as características de coeficientes de potênciavelocidades para diversos tipos de turbinas eólicas, permitindo a comparação entre estes projetos em termos de máxima eficiência e de faixa de velocidades rotacionais.
Figura 6. Coeficiente de potência em função da relação de velocidades e ângulo de passo
Figura 7. Características de rendimento de diversos projeto
As características Cp (Nesta pode-se verificar que a potência desenvolvida por um rotor eólico é nula (Cp = 0) em dovalores de relação de velocidades; quando o rotor está estacioponta da pá é várias vezes maior que a velocidade do vento. A máxima eficiência (C
em um valor intermediário de relação de velocidades, maneira análoga o conjugado desenvolvido pelo rotor é máximo (C
relação de velocidades, λQmax, o que determina a região de operação estável da
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(em Newton vezes metro)é o conjugado desenvolvido pelo rotor eólico.
ilustra as características de coeficientes de potência em função da relação de velocidades para diversos tipos de turbinas eólicas, permitindo a comparação entre estes projetos
ma eficiência e de faixa de velocidades rotacionais.
. Coeficiente de potência em função da relação de velocidades e ângulo de passo
. Características de rendimento de diversos projetos de turbinas
As características Cp (λ) e Cq (λ) de uma turbina eólica são ilustradas na Figurase verificar que a potência desenvolvida por um rotor eólico é nula (Cp = 0) em do
valores de relação de velocidades; quando o rotor está estacionário e quando a velocidade na ponta da pá é várias vezes maior que a velocidade do vento. A máxima eficiência (Cpm
em um valor intermediário de relação de velocidades, λo (relação ótima de velocidades)maneira análoga o conjugado desenvolvido pelo rotor é máximo (Cqmax) em uma determinada
, o que determina a região de operação estável da turbina para
12
____________________________________
é o conjugado desenvolvido pelo rotor eólico.
em função da relação de velocidades para diversos tipos de turbinas eólicas, permitindo a comparação entre estes projetos
. Coeficiente de potência em função da relação de velocidades e ângulo de passo
s de turbinas
urbina eólica são ilustradas na Figura 8. se verificar que a potência desenvolvida por um rotor eólico é nula (Cp = 0) em dois
nário e quando a velocidade na pmax) é obtida
(relação ótima de velocidades). De a determinada
turbina para λ >
_________________________________________________
λQmax. A região de baixas relações de velocidades é caracterizada pelo "estolamento" das pás, isto é, a perda de sustentação que ocorre das seções externas da pá (ponta) para as ida pá).
Figura
2.4 Características de Potência Gerada em uma Turbina Eólica
A quantidade de potência que pode ser extraída de um regime de vento depende da quantidade de energia disponível e de características operativas do equipamento de conversão da energia eólica. A potência de saída de um sistema de conversão de energia eólica
onde Cp é chamado de coeficiente de potência, que represturbina eólica e depende da velocidade de vento e da velocidade rotacional do rotor eólico.
Algumas estimativas da energia eólica extraível podem ser obtidas utilizandomédio do coeficiente de potência ou a caraatravés da função de distribuição de probabilidade
∫=∞
(..0
21 VCAP pt ρ
Outra expressão da energia extraível é o "fator de capacidade", que pode ser calculado pela razão entre a potência extraível e a potência nominal
Como a turbina eólica possui um dado valor de máximo coeficiente de potência (Cpmax)
que ocorre em uma dada relação de velocidades avaliar o que representa a operação em pontos de Cpmax. Além disto, dvelocidades, os rotores de baixa solidez necessitam de dispositivos de controle e proteção a fim de garantir confiabilidade e segurança a
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. A região de baixas relações de velocidades é caracterizada pelo "estolamento" das pás, isto é, a perda de sustentação que ocorre das seções externas da pá (ponta) para as i
Figura 8. Características Cp e Cq de turbina eólica
Características de Potência Gerada em uma Turbina Eólica
A quantidade de potência que pode ser extraída de um regime de vento depende da ergia disponível e de características operativas do equipamento de conversão da
energia eólica. A potência de saída de um sistema de conversão de energia eólica é expresso por
P C A Vt p= 12
3. . . .ρ
nde Cp é chamado de coeficiente de potência, que representa a eficiência aerodinâmica da turbina eólica e depende da velocidade de vento e da velocidade rotacional do rotor eólico.
Algumas estimativas da energia eólica extraível podem ser obtidas utilizandomédio do coeficiente de potência ou a característica Cp(V) de um rotor eólico característico, através da função de distribuição de probabilidade p(V), da seguinte forma:
∑= (.).(..).(.). 3
213 pVVCAdVVpVV pρ
Outra expressão da energia extraível é o "fator de capacidade", que pode ser calculado a potência extraível e a potência nominal do aerogerador ou da usina eólica
Como a turbina eólica possui um dado valor de máximo coeficiente de potência (Cpmax)
que ocorre em uma dada relação de velocidades λo para cada ângulo de passo, é importante avaliar o que representa a operação em pontos de Cpmax. Além disto, devido à operação em altas velocidades, os rotores de baixa solidez necessitam de dispositivos de controle e proteção a fim de garantir confiabilidade e segurança aos equipamentos.
13
____________________________________
. A região de baixas relações de velocidades é caracterizada pelo "estolamento" das pás, isto é, a perda de sustentação que ocorre das seções externas da pá (ponta) para as internas (raiz
Características de Potência Gerada em uma Turbina Eólica
A quantidade de potência que pode ser extraída de um regime de vento depende da ergia disponível e de características operativas do equipamento de conversão da
é expresso por:
enta a eficiência aerodinâmica da turbina eólica e depende da velocidade de vento e da velocidade rotacional do rotor eólico.
Algumas estimativas da energia eólica extraível podem ser obtidas utilizando-se o valor cterística Cp(V) de um rotor eólico característico,
)(V
Outra expressão da energia extraível é o "fator de capacidade", que pode ser calculado do aerogerador ou da usina eólica.
Como a turbina eólica possui um dado valor de máximo coeficiente de potência (Cpmax)
de passo, é importante evido à operação em altas
velocidades, os rotores de baixa solidez necessitam de dispositivos de controle e proteção a fim de
_________________________________________________
Uma turbina eólica, operando a relação de velocidades constantes, apresenta uma concordância linear entre a velocidade rotacional e a velocidade de vento, o que conduz a uma característica de potência dependente do cdeduzida pela expressão abaixo:
tP
Torna-se praticamente difícil prever uma carga cúbica em ampla escala de rotação.operariam acima de sua potência nominal.turbina eólica, de modo que, a partir da velocidade nominal de projeto VR, a rotação e, portanto a potência, permaneçam aproximadamente constantes.
Esta limitação de potência pode ser implementada por diversas maneiras, entre elas: o sistema de variação do passo (em turbinas de passo variávelo controle por "stall" (em turbinas de passo fixo). A variaçã
ângulo de passo da pá , β, com o aumento da rotação, levando a uma redução no ângulo de ataque, que reduz a sustentação e o rendimento aerodinâmico de turbina. O efeito da variação do ângulo de passo nas características de Cp de uma turbina típica é ilustrado nse compreender o impacto deste mecanismo de regulação sobre a rotação do aerogerador
Figura 9. Característica de potência de uma turbin
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Uma turbina eólica, operando a relação de velocidades constantes, apresenta uma concordância linear entre a velocidade rotacional e a velocidade de vento, o que conduz a uma
rística de potência dependente do cubo da rotação, como ilustra a Figura deduzida pela expressão abaixo:
3
max33
21
max
3
21 .......
o
p
pt
CwRACVA
λρρ ==
se praticamente difícil prever uma carga cuja potência consumida varie de formaem ampla escala de rotação. Além disto, os próprios equipamentos de geração e
operariam acima de sua potência nominal. Assim é usual limitar a potência desenvolvida por uma a partir da velocidade nominal de projeto VR, a rotação e, portanto a
potência, permaneçam aproximadamente constantes.
Esta limitação de potência pode ser implementada por diversas maneiras, entre elas: o de variação do passo (em turbinas de passo variável- controle de passo passivo
o controle por "stall" (em turbinas de passo fixo). A variação do passo consiste no aumento do
, com o aumento da rotação, levando a uma redução no ângulo de tação e o rendimento aerodinâmico de turbina. O efeito da variação do
e passo nas características de Cp de uma turbina típica é ilustrado na Figura 10se compreender o impacto deste mecanismo de regulação sobre a rotação do aerogerador
. Característica de potência de uma turbina eólica
14
____________________________________
Uma turbina eólica, operando a relação de velocidades constantes, apresenta uma concordância linear entre a velocidade rotacional e a velocidade de vento, o que conduz a uma
igura 9 e pode ser
cuja potência consumida varie de forma equipamentos de geração elétrica não
é usual limitar a potência desenvolvida por uma a partir da velocidade nominal de projeto VR, a rotação e, portanto a
Esta limitação de potência pode ser implementada por diversas maneiras, entre elas: o controle de passo passivo ou ativo) e o do passo consiste no aumento do
, com o aumento da rotação, levando a uma redução no ângulo de tação e o rendimento aerodinâmico de turbina. O efeito da variação do
10, onde pode se compreender o impacto deste mecanismo de regulação sobre a rotação do aerogerador.
_________________________________________________
Figura 10. Efeito do ângulo de passo no rendimento da turbina
2.5 Características Operacionais
Das informações apresentadas anteriormente, podeoperacionais necessárias para uma aerogerador:
• Operação em máxima eficiência aerodinâmica (Cpmax), principalmente em ventos baixos até o vento nominal;
• A partida de uma aerogerador é bastante favorecida se o mecanismo de passo ajusta o ângulo partida);
• Acima da velocidade nominal a potência gerada e rotação deve ficar limitada evitando sobrecarga no gerador ou sobrevelocidades que podem significar sobretensões;
• Além de uma dado valaerogerador, reduzindo esforços excessivos sobre as pás.
Estas considerações estabelecem uma característica operacional Potência x velocidade de vento particularmente constituídavento são definidas pois representam pontos de transição da característica:
• VC velocidade de vento inicial ou de “cutvento média de um local;
• VR velocidade de vento nominal, tipicavento média;
• VF velocidade de vento máxima ou velocidade de “cuttipicamente 300% da velocidade de vento média.
A característica de operação Pe(V) de uma turbina eólica fica definida pela determdos parâmetros VC, VR e VF . Sabepotência de saída é nula, já que nestas convelocidades de vento compreendidas entre VC e VR, a potência
carga e fica limitada pela curva de máxima potência convertida pela turbina (operação a No intervalo entre VR e VF a potência absorvida é igual à nominal,caracterizado pela operação a rotação constantede regulação é por controle de passo ou por “stall”
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. Efeito do ângulo de passo no rendimento da turbina
Operacionais de uma Turbina Eólica
Das informações apresentadas anteriormente, pode-se definir algumas características ias para uma aerogerador:
Operação em máxima eficiência aerodinâmica (Cpmax), principalmente em ventos baixos até o vento nominal;
A partida de uma aerogerador é bastante favorecida se o mecanismo de passo ajusta o ângulo β para altos valores (altos valores de Cq e altos conjugados de
Acima da velocidade nominal a potência gerada e rotação deve ficar limitada evitando sobrecarga no gerador ou sobrevelocidades que podem significar
Além de uma dado valor de velocidade de vento é importante desligar o aerogerador, reduzindo esforços excessivos sobre as pás.
stas considerações estabelecem uma característica operacional Potência x velocidade de constituída, como é ilustrado na Figura 11. Nesta algumas velocidades de
vento são definidas pois representam pontos de transição da característica:
velocidade de vento inicial ou de “cut-in” tipicamente em 60% da velocidade de vento média de um local;
velocidade de vento nominal, tipicamente entre 150 e 175% da velocidade de
velocidade de vento máxima ou velocidade de “cut-out” ou de “furling”, tipicamente 300% da velocidade de vento média.
A característica de operação Pe(V) de uma turbina eólica fica definida pela determ. Sabe-se que para velocidades inferiores a VC e superiores a VF, a
potência de saída é nula, já que nestas condições o sistema não deve estar acionado. Para velocidades de vento compreendidas entre VC e VR, a potência depende das carac
carga e fica limitada pela curva de máxima potência convertida pela turbina (operação a No intervalo entre VR e VF a potência absorvida é igual à nominal, e este intervalo é caracterizado pela operação a rotação constante, apesar de seu formato depender se o mecanismo de regulação é por controle de passo ou por “stall”.
15
____________________________________
se definir algumas características
Operação em máxima eficiência aerodinâmica (Cpmax), principalmente em ventos
A partida de uma aerogerador é bastante favorecida se o mecanismo de passo para altos valores (altos valores de Cq e altos conjugados de
Acima da velocidade nominal a potência gerada e rotação deve ficar limitada evitando sobrecarga no gerador ou sobrevelocidades que podem significar
or de velocidade de vento é importante desligar o
stas considerações estabelecem uma característica operacional Potência x velocidade de a 11. Nesta algumas velocidades de
in” tipicamente em 60% da velocidade de
mente entre 150 e 175% da velocidade de
out” ou de “furling”,
A característica de operação Pe(V) de uma turbina eólica fica definida pela determinação se que para velocidades inferiores a VC e superiores a VF, a
dições o sistema não deve estar acionado. Para depende das características da
carga e fica limitada pela curva de máxima potência convertida pela turbina (operação a λ = λo). e este intervalo é
, apesar de seu formato depender se o mecanismo
_________________________________________________
Figura 11. Característica operacional típica de uma turbina
Na Figura 12 são apresentadascomercializadas no Brasil, ilustrando escolhas de projeto e características operacionais distintaspodem ser identificadas pelas curvas de Cp e de potência
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. Característica operacional típica de uma turbina eólica
são apresentadas as características de potência de três turbinas eólicas comercializadas no Brasil, ilustrando escolhas de projeto e características operacionais distintaspodem ser identificadas pelas curvas de Cp e de potência gerada simultaneas.
Turbina E-82 da Enercon/Wobben
16
____________________________________
as características de potência de três turbinas eólicas comercializadas no Brasil, ilustrando escolhas de projeto e características operacionais distintas, que
_________________________________________________
Figura 12. Características operacionais de turbinas comerciais no Brasil
3. Sistemas de Geração Elétrica em Turbinas Eólicas:
A conversão de energia mecânica em energia elétrica por meio de turbinas eólicas é
pelo uso de geradores trifásicos síncronos ou assíncronos de corrente alternada, em diversas
arquiteturas, como ilustrado na
série de fatores que consideram normalmente:
• As características de amortecimento;
• A capacidade de consumo e/ou fornecimento de potência reativa;
• A resposta dinâmica frente a
• A robustez de sua construção;
• A possibilidade de projeto e construção de equipamentos com alto número de pólos;
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Turbina Suzlon 2MW
Turbinas da IMPSA/Vensys
. Características operacionais de turbinas comerciais no Brasil
Sistemas de Geração Elétrica em Turbinas Eólicas:
conversão de energia mecânica em energia elétrica por meio de turbinas eólicas é
pelo uso de geradores trifásicos síncronos ou assíncronos de corrente alternada, em diversas
arquiteturas, como ilustrado na Figura 13 [Heier, 1998]. O uso de cada tipo de gerador é função de uma
série de fatores que consideram normalmente:
As características de amortecimento;
A capacidade de consumo e/ou fornecimento de potência reativa;
A resposta dinâmica frente a curtos-circuitos;
A robustez de sua construção;
possibilidade de projeto e construção de equipamentos com alto número de pólos;
17
____________________________________
. Características operacionais de turbinas comerciais no Brasil
Sistemas de Geração Elétrica em Turbinas Eólicas:
conversão de energia mecânica em energia elétrica por meio de turbinas eólicas é promovida
pelo uso de geradores trifásicos síncronos ou assíncronos de corrente alternada, em diversas
tipo de gerador é função de uma
possibilidade de projeto e construção de equipamentos com alto número de pólos;
_________________________________________________
• Os custos de aquisição e de operação;
• As dificuldades de sincronismo com a rede elétrica.
Figura 13. Arquiteturas de Sistemas Eólicos Conectados à R
Entre os diversos sistemas de conversão de energia eólica comercializados
esquematicamente na Figura 13,
• geradores de indução em gaiola conectados solidamente à rede elétrica
tecnologia que introduziu comercialmente a geração eólica e a viabilizou economicamente na
década de 80;
• geradores de indução com rotor bobinado com controle eletrônico de resistência elétrica
conectada ao enrolamento de rotor, que busc
mecânicos da primeira tecnologia;
• geradores de indução duplamente excitados, que hoje correspondem a cerca de 40% dos
sistemas instalados na Alemanha. Observa
turbinas eólicas instaladas e que a porcentagem de sistemas com estes geradores na Europa
pode chegar a valores percentuais maiores;
• geradores síncronos com bobina de campo (modelo ENERCON), que hoje atinge a cifra de 30%
das turbinas instaladas na Alemanha e
• geradores síncronos com imãs permanentes, que correspondem a cerca de 4% das turbinas
alemãs, devendo crescer muito nos próximos anos.
Uma análise superficial destas tecnologias
predominam:
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Os custos de aquisição e de operação;
As dificuldades de sincronismo com a rede elétrica.
. Arquiteturas de Sistemas Eólicos Conectados à Rede Elétrica
sistemas de conversão de energia eólica comercializados e que são apresentados
esquematicamente na Figura 13, destacam-se os seguintes sistemas de geração:
geradores de indução em gaiola conectados solidamente à rede elétrica que caracterizam a
tecnologia que introduziu comercialmente a geração eólica e a viabilizou economicamente na
geradores de indução com rotor bobinado com controle eletrônico de resistência elétrica
conectada ao enrolamento de rotor, que buscou minimizar os problemas de estresses
mecânicos da primeira tecnologia;
geradores de indução duplamente excitados, que hoje correspondem a cerca de 40% dos
sistemas instalados na Alemanha. Observa-se que a Alemanha possui cerca de 2
instaladas e que a porcentagem de sistemas com estes geradores na Europa
pode chegar a valores percentuais maiores;
geradores síncronos com bobina de campo (modelo ENERCON), que hoje atinge a cifra de 30%
das turbinas instaladas na Alemanha e número significativo das turbinas instaladas no Brasil;
geradores síncronos com imãs permanentes, que correspondem a cerca de 4% das turbinas
alemãs, devendo crescer muito nos próximos anos.
Uma análise superficial destas tecnologias permite concluir que três tipos d
18
____________________________________
ede Elétrica
e que são apresentados
que caracterizam a
tecnologia que introduziu comercialmente a geração eólica e a viabilizou economicamente na
geradores de indução com rotor bobinado com controle eletrônico de resistência elétrica
ou minimizar os problemas de estresses
geradores de indução duplamente excitados, que hoje correspondem a cerca de 40% dos
cerca de 27GW em
instaladas e que a porcentagem de sistemas com estes geradores na Europa
geradores síncronos com bobina de campo (modelo ENERCON), que hoje atinge a cifra de 30%
das turbinas instaladas no Brasil;
geradores síncronos com imãs permanentes, que correspondem a cerca de 4% das turbinas
três tipos de geradores
_________________________________________________
• geradores de indução ou
• geradores síncronos com excitação elétrica;
• geradores síncronos a
Apesar das tecnologias discutidas nesta seção correspond
médias e grandes potências, os princípios que nortearam o desenvolvimento d
geração foram consolidados nas tecnologias em pequena potência, principalmente
se referia à conexão a redes elétricas
3.1 Geradores elétricos
Muitos tipos de máquinas elétricas servem para a função de gerad
contudo tanto em médias e grandes potências, em equipamentos conectados às redes elétricas, como
em pequenos aerogeradores para aplicações isoladas, o conceito de geradores
alternada se consolidou como alternat
Neste capítulo são discutidos os diversos tipos de geradores elétricos para sistemas de geração em
turbinas eólicas. As características que definem a escolha
assunto que transcende este capítulo
Diversos tipos de máquinas elétricas são/foram propostas para utilização em sistemas de geração
para turbinas eólicas, onde se pode elencar:
• Máquina de indução em gaiola
• Máquina síncrona com excitação elétrica;
• Máquina síncrona a imãs permanentes.
3.1.1 Gerador de indução
A máquina de indução, mais genericamente conhecida por máquina assíncrona, possui uma
simetria estrutural com enrolamentos trifásicos em es
rotor, possuindo duas construções particulares:
• Rotor em gaiola: onde os enrolamentos são
extrusadas a quente nas ranhuras do material ferromagnético. Em sua
barras são curto-
construção produz uma máquina robusta e de baixo custo;
• Rotor bobinado: onde os enrolamentos de rotor são
forma similar ao enrolam
terminais dos enrolamentos de estator por elementos passivos fechando seu
rotor ou por fontes externas, o que obriga a construção de um conjunto de três anéis
coletores e escovas que permit
fonte estática.
A Figura 14 ilustra estas duas estruturas de máquinas assíncronas.
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geradores de indução ou assíncronos;
geradores síncronos com excitação elétrica;
geradores síncronos a ímãs permanentes.
Apesar das tecnologias discutidas nesta seção corresponderem a equipamentos em faixas de
cias, os princípios que nortearam o desenvolvimento destas
consolidados nas tecnologias em pequena potência, principalmente quando
elétricas.
Geradores elétricos
s elétricas servem para a função de geradores para turbinas eólicas,
contudo tanto em médias e grandes potências, em equipamentos conectados às redes elétricas, como
em pequenos aerogeradores para aplicações isoladas, o conceito de geradores elétricos de c
como alternativa mais adequada.
Neste capítulo são discutidos os diversos tipos de geradores elétricos para sistemas de geração em
turbinas eólicas. As características que definem a escolha por uma máquina elétrica
assunto que transcende este capítulo, mas suas bases se estabelecem aqui.
Diversos tipos de máquinas elétricas são/foram propostas para utilização em sistemas de geração
para turbinas eólicas, onde se pode elencar:
Máquina de indução em gaiola ou com rotor bobinado;
Máquina síncrona com excitação elétrica;
Máquina síncrona a imãs permanentes.
Gerador de indução
A máquina de indução, mais genericamente conhecida por máquina assíncrona, possui uma
simetria estrutural com enrolamentos trifásicos em estator e em rotor. Esta estrutura se diversifica em
rotor, possuindo duas construções particulares:
Rotor em gaiola: onde os enrolamentos são construídos de barras de material condutor
extrusadas a quente nas ranhuras do material ferromagnético. Em sua
-circuitadas por anéis terminais de mesmo material condutor.
construção produz uma máquina robusta e de baixo custo;
Rotor bobinado: onde os enrolamentos de rotor são construídos com fios de cobre, de
forma similar ao enrolamento de estator. Esta construção permite a conexão
terminais dos enrolamentos de estator por elementos passivos fechando seu
rotor ou por fontes externas, o que obriga a construção de um conjunto de três anéis
coletores e escovas que permitam a conexão elétrica entre o enrolamento girante e a
duas estruturas de máquinas assíncronas.
19
____________________________________
m a equipamentos em faixas de
estas tecnologias de
quando a aplicação
ores para turbinas eólicas,
contudo tanto em médias e grandes potências, em equipamentos conectados às redes elétricas, como
elétricos de corrente
Neste capítulo são discutidos os diversos tipos de geradores elétricos para sistemas de geração em
elétrica específica serão
Diversos tipos de máquinas elétricas são/foram propostas para utilização em sistemas de geração
A máquina de indução, mais genericamente conhecida por máquina assíncrona, possui uma
. Esta estrutura se diversifica em
de barras de material condutor
extrusadas a quente nas ranhuras do material ferromagnético. Em sua fabricação as
de mesmo material condutor. Esta
com fios de cobre, de
ento de estator. Esta construção permite a conexão dos
terminais dos enrolamentos de estator por elementos passivos fechando seu circuito em
rotor ou por fontes externas, o que obriga a construção de um conjunto de três anéis
am a conexão elétrica entre o enrolamento girante e a
_________________________________________________
Rotor em Gaiola
Figura
A máquina de indução requer mais material ativo em sua estrutura, sendo normalmente maior em
tamanho que uma máquina a imãs permanentes
magnético é provida pelo próprio enrolamento de estator e
carrega potência ativa obtida da conversão e potência reativa requerida para excitação magnética.
faz maiores as perdas no estator
Baseado neste fato, e principalmente para aplicações em
tema [Miranda, 1998; Barbosa, 1997; Lyra, 1995], o uso comercial de geradores de indução para
turbinas eólicas em aplicações isoladas
O funcionamento da máquina de indução está
velocidade (rotação) entre os campos magnéticos girantes produzidos pelos enrolamentos de estator e
de rotor. Ora cada enrolamento trifásico ou polifásico produz, sobre circulação de correntes
equilibradas, um campo magnético girante cuja rotação é diretamente proporcional à frequência destas
correntes. É importante estabelecer as rotações existentes e as relações sobre estas da seguinte forma:
• ns = rotação síncrona = 2
enrolamento de estator (rad/s);
• n = rotação do rotor
• nR = ns – n = rotação do escorregamento = 2
produzido pelo enrolamento de rotor (rad/s);
• fs – é a frequência das corr
• fR – é a frequência das correntes que circulam nos enrolamentos de rotor (Hz);
• s = (ns – n)/ns
compreensão do comportamento da máquina, pois
relativa entre o rotor e o campo magnético produzido pelo estator. Isto é, quando s = 1 a
máquina está parada e o campo magnético de estator cruza os enrolamentos do rotor na
rotação síncrona, mas quando s = 0 o rotor gira
estator, isto é na velocidade síncrona.
A máquina de indução com rotor em gaiola, devido a sua construção particular com enrolamento
de rotor fechado em curto-circuito por
estator, sendo induzidas correntes no rotor quando há diferença de rotação entre o rotor e o campo
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Rotor em Gaiola Rotor Bobinado
Figura 14. Tipos de geradores assíncronos
ução requer mais material ativo em sua estrutura, sendo normalmente maior em
tamanho que uma máquina a imãs permanentes. Na máquina de indução a excitação de campo
magnético é provida pelo próprio enrolamento de estator e consequentemente
carrega potência ativa obtida da conversão e potência reativa requerida para excitação magnética.
faz maiores as perdas no estator, exige condutores com maior seção e maior espaço nas ranhuras
Baseado neste fato, e principalmente para aplicações em baixa potência, apesar de vários trabalhos no
tema [Miranda, 1998; Barbosa, 1997; Lyra, 1995], o uso comercial de geradores de indução para
em aplicações isoladas pode ser considerado inexistente.
O funcionamento da máquina de indução está extremamente relacionado
velocidade (rotação) entre os campos magnéticos girantes produzidos pelos enrolamentos de estator e
Ora cada enrolamento trifásico ou polifásico produz, sobre circulação de correntes
po magnético girante cuja rotação é diretamente proporcional à frequência destas
correntes. É importante estabelecer as rotações existentes e as relações sobre estas da seguinte forma:
= rotação síncrona = 2πfs – é a rotação do campo magnético produzido
enrolamento de estator (rad/s);
n = rotação do rotor – é a rotação do rotor da máquina (rad/s);
n = rotação do escorregamento = 2πfr – é a rotação do campo magnético
produzido pelo enrolamento de rotor (rad/s);
é a frequência das correntes que circulam nos enrolamentos de estator (Hz);
é a frequência das correntes que circulam nos enrolamentos de rotor (Hz);
s = fR/fs – escorregamento: grandeza adimensional importante na
compreensão do comportamento da máquina, pois representa a fração da velocidade
relativa entre o rotor e o campo magnético produzido pelo estator. Isto é, quando s = 1 a
máquina está parada e o campo magnético de estator cruza os enrolamentos do rotor na
rotação síncrona, mas quando s = 0 o rotor gira na mesma velocidade do campo de
estator, isto é na velocidade síncrona.
A máquina de indução com rotor em gaiola, devido a sua construção particular com enrolamento
circuito por anéis terminais, é energizado apenas pelo enrolamen
estator, sendo induzidas correntes no rotor quando há diferença de rotação entre o rotor e o campo
20
____________________________________
Rotor Bobinado
ução requer mais material ativo em sua estrutura, sendo normalmente maior em
Na máquina de indução a excitação de campo
este enrolamento
carrega potência ativa obtida da conversão e potência reativa requerida para excitação magnética. Isto
seção e maior espaço nas ranhuras.
aixa potência, apesar de vários trabalhos no
tema [Miranda, 1998; Barbosa, 1997; Lyra, 1995], o uso comercial de geradores de indução para
o às diferenças de
velocidade (rotação) entre os campos magnéticos girantes produzidos pelos enrolamentos de estator e
Ora cada enrolamento trifásico ou polifásico produz, sobre circulação de correntes
po magnético girante cuja rotação é diretamente proporcional à frequência destas
correntes. É importante estabelecer as rotações existentes e as relações sobre estas da seguinte forma:
é a rotação do campo magnético produzido pelo
é a rotação do campo magnético
entes que circulam nos enrolamentos de estator (Hz);
é a frequência das correntes que circulam nos enrolamentos de rotor (Hz);
: grandeza adimensional importante na
representa a fração da velocidade
relativa entre o rotor e o campo magnético produzido pelo estator. Isto é, quando s = 1 a
máquina está parada e o campo magnético de estator cruza os enrolamentos do rotor na
na mesma velocidade do campo de
A máquina de indução com rotor em gaiola, devido a sua construção particular com enrolamento
terminais, é energizado apenas pelo enrolamento de
estator, sendo induzidas correntes no rotor quando há diferença de rotação entre o rotor e o campo
_________________________________________________
magnético produzido pelo enrolamento de estator, isto é, quando o escorregamento é diferente de
zero. Assim, as correntes induzidas em rotor são extrem
o conjugado eletromagnético e a potência produzida são funções do escorregamento. Na Figura 15 é
ilustrada uma curva típica de conjugado em função da rotação do rotor
se nesta característica que em torno da rotação síncrona o conjugado é aproximadamente
ao escorregamento. Outro ponto singular é o de máximo conjugado, que ocorre em rotações não muito
distantes da rotação síncrona, e indica um limite de capacidade de geração
Figura 15. Curva conjugado em função da rotação da máquina de indução
O comportamento da máquina de indução, tanto no modo de operação como motor
(escorregamento positivo) ou como gerador (escorregamento negat
por circuitos equivalentes que expressam as relações e dependências entre as grandezas dos dois
enrolamentos da máquina e seus parâmetros de alimentação.
A Figura 16 ilustra dois deste
máquina elétrica. Nestes circuitos se destacam os parâmetros dos enrolamentos de rotor,
especificamente sua resistência elétrica, que tem agregada o escorregamento da máquina.
parâmetro explicita a dependência da tensão induzida em r
velocidade relativa entre campo girante de estator e rotação da máquina
escorregamento.
O primeiro circuito equivalente da Figura 16 representa o modelo genérico que pode ser utilizado
para estudo da máquina de indução com rotor em gaiola (bastando curto
rotor), da máquina de indução com rotor bobinado
(bastando incluir a resistência externa no lugar da tensão de rotor)
alimentação (bastando incluir uma fonte de tensão externa no circuito de rotor). O segundo circuito
equivalente desta Figura 16 constitui um modelo simplificado usualmente utilizado para estudos de
conexão da máquina de indução de rotor em gaiola na rede elétrica, e sua aproximação do circuito
original se deve apenas ao deslocamento do ramo de magnetização que simplifica bastante as equações
matemáticas.
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magnético produzido pelo enrolamento de estator, isto é, quando o escorregamento é diferente de
zero. Assim, as correntes induzidas em rotor são extremamente dependentes do escorregamento e logo
o conjugado eletromagnético e a potência produzida são funções do escorregamento. Na Figura 15 é
ilustrada uma curva típica de conjugado em função da rotação do rotor e do escorregamento, observa
rística que em torno da rotação síncrona o conjugado é aproximadamente
Outro ponto singular é o de máximo conjugado, que ocorre em rotações não muito
distantes da rotação síncrona, e indica um limite de capacidade de geração de potência ativa.
. Curva conjugado em função da rotação da máquina de indução
O comportamento da máquina de indução, tanto no modo de operação como motor
(escorregamento positivo) ou como gerador (escorregamento negativo), é normalmente determinado
por circuitos equivalentes que expressam as relações e dependências entre as grandezas dos dois
enrolamentos da máquina e seus parâmetros de alimentação.
A Figura 16 ilustra dois destes modelos usualmente empregados para estudo deste tipo de
circuitos se destacam os parâmetros dos enrolamentos de rotor,
especificamente sua resistência elétrica, que tem agregada o escorregamento da máquina.
parâmetro explicita a dependência da tensão induzida em rotor e da impedância de rotor
velocidade relativa entre campo girante de estator e rotação da máquina, isto é, com a rotação do
O primeiro circuito equivalente da Figura 16 representa o modelo genérico que pode ser utilizado
udo da máquina de indução com rotor em gaiola (bastando curto-circuitar a fonte de tensão de
rotor), da máquina de indução com rotor bobinado com resistências externas
externa no lugar da tensão de rotor) ou da máquina de indução de dupla
alimentação (bastando incluir uma fonte de tensão externa no circuito de rotor). O segundo circuito
equivalente desta Figura 16 constitui um modelo simplificado usualmente utilizado para estudos de
dução de rotor em gaiola na rede elétrica, e sua aproximação do circuito
original se deve apenas ao deslocamento do ramo de magnetização que simplifica bastante as equações
21
____________________________________
magnético produzido pelo enrolamento de estator, isto é, quando o escorregamento é diferente de
amente dependentes do escorregamento e logo
o conjugado eletromagnético e a potência produzida são funções do escorregamento. Na Figura 15 é
e do escorregamento, observa-
rística que em torno da rotação síncrona o conjugado é aproximadamente proporcional
Outro ponto singular é o de máximo conjugado, que ocorre em rotações não muito
de potência ativa.
. Curva conjugado em função da rotação da máquina de indução
O comportamento da máquina de indução, tanto no modo de operação como motor
normalmente determinado
por circuitos equivalentes que expressam as relações e dependências entre as grandezas dos dois
udo deste tipo de
circuitos se destacam os parâmetros dos enrolamentos de rotor,
especificamente sua resistência elétrica, que tem agregada o escorregamento da máquina. Este
otor e da impedância de rotor com a
, isto é, com a rotação do
O primeiro circuito equivalente da Figura 16 representa o modelo genérico que pode ser utilizado
circuitar a fonte de tensão de
inseridas no rotor
ou da máquina de indução de dupla-
alimentação (bastando incluir uma fonte de tensão externa no circuito de rotor). O segundo circuito
equivalente desta Figura 16 constitui um modelo simplificado usualmente utilizado para estudos de
dução de rotor em gaiola na rede elétrica, e sua aproximação do circuito
original se deve apenas ao deslocamento do ramo de magnetização que simplifica bastante as equações
_________________________________________________
Figura 16
3.1.1.1 Gerador de indução conectado solidamente na rede elétrica
Quando uma máquina de indução está conectada solidamente à rede elétrica, isto é, seus enrolamentos de estator estão diretamente energizados pela rede a tensão e frequência constante, o comportamento da máquina como geradormáquina normalmente opera a baixos escorregamentos, isto é, a rotação é praticamente cpróxima da rotação síncrona. Além disto, a máquina consome potência reativa para sua magnetização e seu conjugado eletromagnético é diretamente proporcional ao escorregamento, como pode ser verificado na expressão deduzida do circuito equivalent
�� � 3�
��Observa-se nesta expressão que a inclinação da curva conjugado
inversamente proporcional à resistência de rotor, o que faz, em máquinas de grande poinclinação elevada dá a impressão de uma máquina que opera a velocidade constante, com escorregamento nominal abaixo de 1%. Além disto, esta expressão permite inferir que o potência gerada é função do quadrado da tensão terminal, o que fará a máquina acelerar em momento de afundamentos momentâneos de tensãona operação geradora é frenante
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Circuito Equivalente Convencional
Circuito Equivalente Simplificado
16. Circuitos equivalentes da máquina de indução
Gerador de indução conectado solidamente na rede elétrica
Quando uma máquina de indução está conectada solidamente à rede elétrica, isto é, seus estão diretamente energizados pela rede a tensão e frequência constante, o
como gerador é tipicamente análogo à sua operação como motormáquina normalmente opera a baixos escorregamentos, isto é, a rotação é praticamente cpróxima da rotação síncrona. Além disto, a máquina consome potência reativa para sua magnetização e seu conjugado eletromagnético é diretamente proporcional ao escorregamento, como pode ser verificado na expressão deduzida do circuito equivalente simplificado:
�� �
����,� ���������, �����,2���. � � 3�
��� �2���. �
nesta expressão que a inclinação da curva conjugado X proporcional à resistência de rotor, o que faz, em máquinas de grande po
a impressão de uma máquina que opera a velocidade constante, com escorregamento nominal abaixo de 1%. Além disto, esta expressão permite inferir que o potência gerada é função do quadrado da tensão terminal, o que fará a máquina acelerar em momento de afundamentos momentâneos de tensão, devido a grande perda de conjugado eletromagnético, que na operação geradora é frenante.
22
____________________________________
Quando uma máquina de indução está conectada solidamente à rede elétrica, isto é, seus estão diretamente energizados pela rede a tensão e frequência constante, o
sua operação como motor. Assim a máquina normalmente opera a baixos escorregamentos, isto é, a rotação é praticamente constante e próxima da rotação síncrona. Além disto, a máquina consome potência reativa para sua magnetização e seu conjugado eletromagnético é diretamente proporcional ao escorregamento, como pode ser
��,
escorregamento é proporcional à resistência de rotor, o que faz, em máquinas de grande porte, que a
a impressão de uma máquina que opera a velocidade constante, com escorregamento nominal abaixo de 1%. Além disto, esta expressão permite inferir que o conjugado e a potência gerada é função do quadrado da tensão terminal, o que fará a máquina acelerar em momento
, devido a grande perda de conjugado eletromagnético, que
_________________________________________________
A Figura 17 ilustra um circuito equivalente completo de um aerogerador com gerador de indução de rotor em gaiola, destacando o capacitor de correção de fator de potência e a impedância do sistema externo (transformador mais rede elétrica).comportamento deste gerador quando conectado a redes elétricas fracas (alta impedância) ou fortes (baixa impedância) ou quando sujeitas a quedas de tensão.
Figura 17. Circuito equivalente incluindo sistema exter
Na Figura 18 são ilustradas condições operacionais distintas e seu impacto sobre a característica conjugado versus velocidade da máquina de indução:
• Quando conectada a redes fracas, o conjugado se reduz, afetando a casobrecarga da máquina;
• Quando sujeitas a baixos níveis de tensão, o conjugado se reduz e a incliconjugado X velocidade também é muito afetada, fazendo a máquina operar com maiores escorregamentos, e consequentemente maiores perda
• Quando se alterarotor de uma máquina de rotor bobinado, a inclinação da curva conjugado versus velocidade é reduzida, mas isto não afeta a capacidade de conjugado, o que permitiria máquina amortecer estresses mecânicos. Esta característica justificou a introdução desta máquina em substituição ao gerador de indução em gaiola para aerogeradores.
Figura 18. Desempenho do gerador de indução frente a condiçõ
Finalmente, na Figura 19, a característica de potência de um gerador de associada à característica de potência de uma turbina eólica, através de caixa de multiplicação de velocidades, permitindo identificação dos pontos de intersecção das operação para cada velocidade de vento. Observaa rotação constante em ampla faixa de velocidades de vento.
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tra um circuito equivalente completo de um aerogerador com gerador de indução de rotor em gaiola, destacando o capacitor de correção de fator de potência e a impedância do sistema externo (transformador mais rede elétrica). Da análise deste circuito pode-scomportamento deste gerador quando conectado a redes elétricas fracas (alta impedância) ou fortes (baixa impedância) ou quando sujeitas a quedas de tensão.
. Circuito equivalente incluindo sistema externo e capacitor de correção de reativos
Na Figura 18 são ilustradas condições operacionais distintas e seu impacto sobre a característica conjugado versus velocidade da máquina de indução:
Quando conectada a redes fracas, o conjugado se reduz, afetando a casobrecarga da máquina;
Quando sujeitas a baixos níveis de tensão, o conjugado se reduz e a inclivelocidade também é muito afetada, fazendo a máquina operar com
maiores escorregamentos, e consequentemente maiores perdas;
se altera a resistência de rotor, incluindo resistências externarotor de uma máquina de rotor bobinado, a inclinação da curva conjugado versus velocidade é reduzida, mas isto não afeta a capacidade de conjugado, o que permitiria máquina amortecer estresses mecânicos. Esta característica justificou a introdução desta máquina em substituição ao gerador de indução em gaiola para aerogeradores.
. Desempenho do gerador de indução frente a condições particulares da rede e do circuito de rotor
Finalmente, na Figura 19, a característica de potência de um gerador de induçãoassociada à característica de potência de uma turbina eólica, através de caixa de multiplicação de
tindo identificação dos pontos de intersecção das duas curvas, que serão pontos de para cada velocidade de vento. Observa-se nesta figura que aparentemente a máquina opera
a rotação constante em ampla faixa de velocidades de vento.
23
____________________________________
tra um circuito equivalente completo de um aerogerador com gerador de indução de rotor em gaiola, destacando o capacitor de correção de fator de potência e a impedância do sistema
se inferir sobre o comportamento deste gerador quando conectado a redes elétricas fracas (alta impedância) ou fortes
no e capacitor de correção de reativos
Na Figura 18 são ilustradas condições operacionais distintas e seu impacto sobre a característica
Quando conectada a redes fracas, o conjugado se reduz, afetando a capacidade de
Quando sujeitas a baixos níveis de tensão, o conjugado se reduz e a inclinação da curva velocidade também é muito afetada, fazendo a máquina operar com
a resistência de rotor, incluindo resistências externas no circuito de rotor de uma máquina de rotor bobinado, a inclinação da curva conjugado versus velocidade é reduzida, mas isto não afeta a capacidade de conjugado, o que permitiria a máquina amortecer estresses mecânicos. Esta característica justificou a introdução desta máquina em substituição ao gerador de indução em gaiola para aerogeradores.
es particulares da rede e do circuito de
indução em gaiola é associada à característica de potência de uma turbina eólica, através de caixa de multiplicação de
duas curvas, que serão pontos de se nesta figura que aparentemente a máquina opera
_________________________________________________
Figura 19. Acoplamento de características entre gerador e rotor eólico
3.1.1.2 Gerador de indução duplamente alimentado
O gerador de indução duplamente alimentado constitui uma operação particular da máquina de indução de rotor bobinado tendo alimentaenrolamentos de rotor.
A configuração padrão do sistema de geração elétrica utilizando uma máquina de indução de dupla alimentação, com aproveitamento da potência de escorregamento, é mostrada na Neste sistema, o estator da máquina é ligado diretamente na rede elétrica e o circuito de rotor é alimentado por dois conversores PWM e por um transformador responsável pela adequação do nível de tensão.
Figura 20. Configuraçã
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. Acoplamento de características entre gerador e rotor eólico
Gerador de indução duplamente alimentado
O gerador de indução duplamente alimentado constitui uma operação particular da máquina de tendo alimentação independente nos enrolamentos de estator e nos
A configuração padrão do sistema de geração elétrica utilizando uma máquina de indução de dupla alimentação, com aproveitamento da potência de escorregamento, é mostrada na Neste sistema, o estator da máquina é ligado diretamente na rede elétrica e o circuito de rotor é alimentado por dois conversores PWM e por um transformador responsável pela adequação do nível de
. Configuração básica da máquina de indução duplamente alimentada
24
____________________________________
. Acoplamento de características entre gerador e rotor eólico
O gerador de indução duplamente alimentado constitui uma operação particular da máquina de ção independente nos enrolamentos de estator e nos
A configuração padrão do sistema de geração elétrica utilizando uma máquina de indução de dupla alimentação, com aproveitamento da potência de escorregamento, é mostrada na Figura 20. Neste sistema, o estator da máquina é ligado diretamente na rede elétrica e o circuito de rotor é alimentado por dois conversores PWM e por um transformador responsável pela adequação do nível de
o básica da máquina de indução duplamente alimentada
_________________________________________________
Para controlar a velocidade, o conjugado e as potências ativa e reativa, tanto no modo subsíncrono (abaixo da velocidade síncrona) quanto no supersíncrono (acima da velocidade síncrona), é usada uma cascata estática, constituída de dois conversores PWM trifásicos com operação nos quatro quadrantes, ou seja, completamente controlados. O conversor conectado nos terminais dos anéis deslizantes é denominado de conversor do lado do rotor (conversor do lado da rede (Grid Side Converter fonte de alimentação pode ser controlado pela operação dos dois conversores.
O fluxo de potência pode fluir tanto do rotor do gerarede para o rotor. Para a transferência de potência elétrica do circuito de rotor para a fonte de alimentação, faz-se necessário que os conversores operem respectivamente nos modos de retificação e inversão. Quando os conversores são invertidos em suas funções, o fluxo de potência também muda de direção.
O comportamento da máquina de indução duplamente excitada difere bastante da máquina de rotor em gaiola, tendo em vista que a excitação da máquina (fluxo de potêconversor de rotor e que a potência ativa gerada é também controlada pela injeção/consumo de potência ativa no rotor. As particularidades desta operação são descritas por dois modos de operação distintas, a saber:
− Modo subsíncrono: quando a velocidade do gerador encontrasíncrona definida pela rede e pelo número de pólos da máquina. Nesta região, que convencionalmente caracterizaria a operação como motor de uma máquina de rotor em gaiola, a operação como potência ativa ao circuito rotórico;
− Modo supersíncrono: quando a velocidade do gerador encontrasíncrona. Nesta região, que convencionalmente caracterizaria a operação como gde uma máquina de rotor em gaiola, o controle de potência ativa é implementado pelo consumo controlado de potência ativa do rotor.
Figura 21. Fluxo de potência na máquina em operação sub
Figura 22. Fluxo de potência na máquina em operação super
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Para controlar a velocidade, o conjugado e as potências ativa e reativa, tanto no modo subsíncrono (abaixo da velocidade síncrona) quanto no supersíncrono (acima da velocidade síncrona), é
cata estática, constituída de dois conversores PWM trifásicos com operação nos quatro quadrantes, ou seja, completamente controlados. O conversor conectado nos terminais dos anéis deslizantes é denominado de conversor do lado do rotor (Rotor Side Converter -
Grid Side Converter - GSD). O fluxo de potência entre o circuito de rotor e a fonte de alimentação pode ser controlado pela operação dos dois conversores.
O fluxo de potência pode fluir tanto do rotor do gerador de indução para a rede elétrica, como da rede para o rotor. Para a transferência de potência elétrica do circuito de rotor para a fonte de
se necessário que os conversores operem respectivamente nos modos de retificação e ndo os conversores são invertidos em suas funções, o fluxo de potência também muda de
O comportamento da máquina de indução duplamente excitada difere bastante da máquina de rotor em gaiola, tendo em vista que a excitação da máquina (fluxo de potência reativa) é provida pelo conversor de rotor e que a potência ativa gerada é também controlada pela injeção/consumo de potência ativa no rotor. As particularidades desta operação são descritas por dois modos de operação
ono: quando a velocidade do gerador encontra-se abaixo da velocidade síncrona definida pela rede e pelo número de pólos da máquina. Nesta região, que convencionalmente caracterizaria a operação como motor de uma máquina de rotor em gaiola, a operação como gerador é possível a partir do fornecimento controlado de potência ativa ao circuito rotórico;
Modo supersíncrono: quando a velocidade do gerador encontra-se acima da velocidade síncrona. Nesta região, que convencionalmente caracterizaria a operação como gde uma máquina de rotor em gaiola, o controle de potência ativa é implementado pelo consumo controlado de potência ativa do rotor.
. Fluxo de potência na máquina em operação sub-sincrona
. Fluxo de potência na máquina em operação super-sincrona
25
____________________________________
Para controlar a velocidade, o conjugado e as potências ativa e reativa, tanto no modo subsíncrono (abaixo da velocidade síncrona) quanto no supersíncrono (acima da velocidade síncrona), é
cata estática, constituída de dois conversores PWM trifásicos com operação nos quatro quadrantes, ou seja, completamente controlados. O conversor conectado nos terminais dos anéis
RSC) e o outro de ). O fluxo de potência entre o circuito de rotor e a
dor de indução para a rede elétrica, como da rede para o rotor. Para a transferência de potência elétrica do circuito de rotor para a fonte de
se necessário que os conversores operem respectivamente nos modos de retificação e ndo os conversores são invertidos em suas funções, o fluxo de potência também muda de
O comportamento da máquina de indução duplamente excitada difere bastante da máquina de ncia reativa) é provida pelo
conversor de rotor e que a potência ativa gerada é também controlada pela injeção/consumo de potência ativa no rotor. As particularidades desta operação são descritas por dois modos de operação
se abaixo da velocidade síncrona definida pela rede e pelo número de pólos da máquina. Nesta região, que convencionalmente caracterizaria a operação como motor de uma máquina de rotor em
gerador é possível a partir do fornecimento controlado de
se acima da velocidade síncrona. Nesta região, que convencionalmente caracterizaria a operação como gerador de uma máquina de rotor em gaiola, o controle de potência ativa é implementado pelo
sincrona
sincrona
_________________________________________________
A direção do fluxo de potência de um gerador de dupla alimentação, operando nas velocidades supersíncronas e subsíncronas, resultado de um controle da potência gerada pelo circuito de rotoilustrado nas Figuras 21 e 22. Quando a turbina eólica é sujeita a velocidades de ventos capazes de levar o gerador a velocidades acima da velocidade síncrona, normalmente até 130%, o fluxo de potência é aquele ilustrado no diagrama da Neste caso, a potência gerada total (P(Ps). Por outro lado, quando as velocidades de vento são menores e o gerador de indução estiver trabalhando em velocidade inferior à síncrona, o fluxo de potência é aquele ilustrado pelo diagrama da Figura 21, conhecido como operação a velocidade subsíncrona. Neste modo de operação, onde a velocidade pode atingir até 70% da velocidade síncrona da máquinapara a rede elétrica, será obtida a partir da diferença entre as potências estatórica e rotórica.
Analiticamente, pode-se, portanto, representar o fluxo de potência da máquina de indução duplamente alimentada através d
− Região supersíncrona:
onde rsíncrono ww 1<<
− Região subsíncrona:
onde rsíncrono ww <7.0
As características de potências estatórica e rotóricana Figura 23, indicando a região onde se busca maximizar a limitar a potência gerada. Além disto, destacamsupersincrono.
Figura 23. Características de potências de estator e rotor geradas na
Devido a limitações no projeto de máquinas de indução com grande número de tecnologia de aerogeradores com geradores dobrigatoriamente uma caixa de transmissão,gerador na velocidade adequada à
0
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Potência Ativa [pu]
Vcutin
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A direção do fluxo de potência de um gerador de dupla alimentação, operando nas velocidades supersíncronas e subsíncronas, resultado de um controle da potência gerada pelo circuito de roto
. Quando a turbina eólica é sujeita a velocidades de ventos capazes de levar o gerador a velocidades acima da velocidade síncrona, normalmente até 130%, o fluxo de potência é aquele ilustrado no diagrama da Figura 22, que caracteriza a operação a velocidade supersíncrona. Neste caso, a potência gerada total (PN), será a soma da potência rotórica (PR) com a potência estatórica
). Por outro lado, quando as velocidades de vento são menores e o gerador de indução estiver alhando em velocidade inferior à síncrona, o fluxo de potência é aquele ilustrado pelo diagrama da
, conhecido como operação a velocidade subsíncrona. Neste modo de operação, onde a velocidade pode atingir até 70% da velocidade síncrona da máquina, a potência total gerada e fornecida para a rede elétrica, será obtida a partir da diferença entre as potências estatórica e rotórica.
se, portanto, representar o fluxo de potência da máquina de indução duplamente alimentada através das seguintes equações:
Região supersíncrona: RsN PPP +=
síncronow3.1
Região subsíncrona: RsN PPP −=
síncronow<
As características de potências estatórica e rotórica em função da velocidade de vento é ilustrada na Figura 23, indicando a região onde se busca maximizar a potência gerada e a região onde se busca limitar a potência gerada. Além disto, destacam-se os fluxos em modos de operação sub
ticas de potências de estator e rotor geradas na máquina duplamente alimentada
Devido a limitações no projeto de máquinas de indução com grande número de tecnologia de aerogeradores com geradores de indução de dupla alimentação apresenta
mente uma caixa de transmissão, que multiplica a velocidade da turbina para acionar o gerador na velocidade adequada à frequência da rede e seu número de polos.
5 10 15 20 25
cutin Velocidade de Vento [m/s] Vcutout
Potência Estator
Potência Rotor
26
____________________________________
A direção do fluxo de potência de um gerador de dupla alimentação, operando nas velocidades supersíncronas e subsíncronas, resultado de um controle da potência gerada pelo circuito de rotor é
. Quando a turbina eólica é sujeita a velocidades de ventos capazes de levar o gerador a velocidades acima da velocidade síncrona, normalmente até 130%, o fluxo de potência é
aracteriza a operação a velocidade supersíncrona. com a potência estatórica
). Por outro lado, quando as velocidades de vento são menores e o gerador de indução estiver alhando em velocidade inferior à síncrona, o fluxo de potência é aquele ilustrado pelo diagrama da
, conhecido como operação a velocidade subsíncrona. Neste modo de operação, onde a , a potência total gerada e fornecida
para a rede elétrica, será obtida a partir da diferença entre as potências estatórica e rotórica.
se, portanto, representar o fluxo de potência da máquina de indução
em função da velocidade de vento é ilustrada gerada e a região onde se busca
se os fluxos em modos de operação sub-sincrono e
duplamente alimentada
Devido a limitações no projeto de máquinas de indução com grande número de polos, a e indução de dupla alimentação apresenta
que multiplica a velocidade da turbina para acionar o
30
cutout
Potência Estator
Potência Rotor
_________________________________________________
Sobre as demais tecnologias que utilizam gediversas vantagens, entre elas [Akhmatov, 2003]:
− Capacidade de controle de potência reativa e de tensão;
− Desacoplamento da independência do contro
3.1.2 Geradores síncronos com excitação elétrica ou a ímãs permanentes
As máquinas síncronas são
termoelétricas desde o início da história dos sistem
que operam a velocidade constante, tendo a frequência das tensões geradas
A máquina síncrona possui enrolamento trifásico em estator onde são induzidas as tensões
trifásicas que alimentam os sistemas elétricos modernos. Contudo, é no circuito de rotor que esta
máquina se diferencia, possuindo projetos particulares:
− Rotor bobinado: provê a excitação elétrica que induz as tensões no estator, regula tensões
e os fluxos de reativos ent
− Rotor a ímãs permanentes: a excitação é provida por ímãs
configurações, permitindo projetos especiais adequados a aplicações típicas;
− Rotor em relutância variável: não possui excitação no circuito de rotor
reativos, mas possui a vantagem de ter um rotor robusto e sem perdas
As máquinas síncronas têm a
meio de um eletroímã no rotor (bobina de campo) ou através d
síncrona com excitação elétrica tem uma interessante característica quando comparada com a máquina
a imãs permanentes: excitação ajustável e,
porquê do seu uso em sistemas de geração conectados à rede e a velocidade constante em
hidroelétricas e termelétricas.
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Sobre as demais tecnologias que utilizam geradores assíncronos, esta tecnologia apresenta diversas vantagens, entre elas [Akhmatov, 2003]:
Capacidade de controle de potência reativa e de tensão;
Desacoplamento da frequência elétrica da rede e controle da potência reativa com independência do controle do conjugado e da corrente de excitação.
Geradores síncronos com excitação elétrica ou a ímãs permanentes
As máquinas síncronas são tradicionalmente operadas como geradores em usinas hidroelétricas e
desde o início da história dos sistemas elétricos em corrente alternada
que operam a velocidade constante, tendo a frequência das tensões geradas proporcional
A máquina síncrona possui enrolamento trifásico em estator onde são induzidas as tensões
limentam os sistemas elétricos modernos. Contudo, é no circuito de rotor que esta
máquina se diferencia, possuindo projetos particulares:
Rotor bobinado: provê a excitação elétrica que induz as tensões no estator, regula tensões
e os fluxos de reativos entre máquina e rede;
Rotor a ímãs permanentes: a excitação é provida por ímãs instalados no rotor em diversas
configurações, permitindo projetos especiais adequados a aplicações típicas;
Rotor em relutância variável: não possui excitação no circuito de rotor
reativos, mas possui a vantagem de ter um rotor robusto e sem perdas
As máquinas síncronas têm a capacidade de prover sua própria excitação, que pode ser obtida por
meio de um eletroímã no rotor (bobina de campo) ou através de imãs permanentes. A máquina
síncrona com excitação elétrica tem uma interessante característica quando comparada com a máquina
a imãs permanentes: excitação ajustável e, consequentemente tensão a vazio variável.
mas de geração conectados à rede e a velocidade constante em
27
____________________________________
radores assíncronos, esta tecnologia apresenta
elétrica da rede e controle da potência reativa com
Geradores síncronos com excitação elétrica ou a ímãs permanentes
operadas como geradores em usinas hidroelétricas e
alternada. São máquinas
proporcional à sua rotação.
A máquina síncrona possui enrolamento trifásico em estator onde são induzidas as tensões
limentam os sistemas elétricos modernos. Contudo, é no circuito de rotor que esta
Rotor bobinado: provê a excitação elétrica que induz as tensões no estator, regula tensões
no rotor em diversas
configurações, permitindo projetos especiais adequados a aplicações típicas;
Rotor em relutância variável: não possui excitação no circuito de rotor, logo irá consumir
reativos, mas possui a vantagem de ter um rotor robusto e sem perdas elétricas.
capacidade de prover sua própria excitação, que pode ser obtida por
e imãs permanentes. A máquina
síncrona com excitação elétrica tem uma interessante característica quando comparada com a máquina
tensão a vazio variável. Isto explica o
mas de geração conectados à rede e a velocidade constante em
_________________________________________________
Figura
A Figura 24 ilustra um rotor de uma máquina síncrona de oito pólos, ainda em proce
bobinagem de seus enrolamentos de excitação.
Figura
As máquinas síncronas a ímãs permanentes se desenvolveram
ímãs permanentes. Na Figura 25 pode
ímãs permanentes de terras raras, de alta energia, que notadamente permitiu um projeto de máquina
elétrica muito mais adequado e tornou a tecnologia deste tipo de máquina elétrica viável. Mas a
criatividade e flexibilidade que a excitação a ímãs permanentes fornece ao projetista, produziu uma
riqueza de topologias de máquinas, que em muitos casos se distanciavam da máquina de fluxo radial
clássica, ilustrada na Figura 26.
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Figura 24. Rotor de gerador síncrono de oito polos
A Figura 24 ilustra um rotor de uma máquina síncrona de oito pólos, ainda em proce
bobinagem de seus enrolamentos de excitação.
Figura 25. Avanço da tecnologia a ímãs permanentes
As máquinas síncronas a ímãs permanentes se desenvolveram com o avanço da tecnologia
permanentes. Na Figura 25 pode-se identificar que no início da década de 70 houve o invento de
ímãs permanentes de terras raras, de alta energia, que notadamente permitiu um projeto de máquina
elétrica muito mais adequado e tornou a tecnologia deste tipo de máquina elétrica viável. Mas a
criatividade e flexibilidade que a excitação a ímãs permanentes fornece ao projetista, produziu uma
riqueza de topologias de máquinas, que em muitos casos se distanciavam da máquina de fluxo radial
28
____________________________________
A Figura 24 ilustra um rotor de uma máquina síncrona de oito pólos, ainda em processo de
com o avanço da tecnologia dos
e identificar que no início da década de 70 houve o invento de
ímãs permanentes de terras raras, de alta energia, que notadamente permitiu um projeto de máquina
elétrica muito mais adequado e tornou a tecnologia deste tipo de máquina elétrica viável. Mas a
criatividade e flexibilidade que a excitação a ímãs permanentes fornece ao projetista, produziu uma
riqueza de topologias de máquinas, que em muitos casos se distanciavam da máquina de fluxo radial
_________________________________________________
Figura 26. Topologia da máquina a ímãs permanentes de fluxo radial
Para a máquina síncrona convencional, o comportamento pode ser avaliado por modelos
matemáticos simples como ilustrado na Figura 27, nestes modelos o gerador é representado por uma
fonte de tensão e sua impedância série. Os fluxos de potência ativa e de potência reativa são regidas
pelas seguintes equações:
Figura 27. Modelo matemático da máquina síncrona conectada a rede elétrica
Observa-se do circuito equivalente da Figura 27 e das equações anteriores que os fluxos de
potência ativa e reativa dependem da amplitude e da fase angular da força eletromotriz interna da
máquina, frente às amplitude e fase angular da tensão da rede elétrica.
Apesar da simplicidade da operação da máquina síncrona conectada
operativo não é possível para aerogeradores. A operação a velocidade variável da turbina eólica é
incompatível com a operação do gerador síncrono conectado diretamente na rede elétric
caracteriza uma operação a velocidade constante, logo problemas de sincronismo com a rede e de
estresses dinâmicos devido a oscilações angulares tornariam a operação impossível.
A conexão de geradores síncronos
questões de sincronismo com a rede, o controle dos fluxos de potência ativa e reativa são resolvidos
s
af
X
EP
+=
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. Topologia da máquina a ímãs permanentes de fluxo radial
Para a máquina síncrona convencional, o comportamento pode ser avaliado por modelos
matemáticos simples como ilustrado na Figura 27, nestes modelos o gerador é representado por uma
onte de tensão e sua impedância série. Os fluxos de potência ativa e de potência reativa são regidas
. Modelo matemático da máquina síncrona conectada a rede elétrica
quivalente da Figura 27 e das equações anteriores que os fluxos de
potência ativa e reativa dependem da amplitude e da fase angular da força eletromotriz interna da
máquina, frente às amplitude e fase angular da tensão da rede elétrica.
ade da operação da máquina síncrona conectada à rede elétrica, este modo
para aerogeradores. A operação a velocidade variável da turbina eólica é
com a operação do gerador síncrono conectado diretamente na rede elétric
caracteriza uma operação a velocidade constante, logo problemas de sincronismo com a rede e de
estresses dinâmicos devido a oscilações angulares tornariam a operação impossível.
de geradores síncronos a redes elétricas através de conversores estáticos, onde as
questões de sincronismo com a rede, o controle dos fluxos de potência ativa e reativa são resolvidos
δsinEQ
EQaf
X
V
+ EQs
EQEQaf
XX
VVEQ
+
−=
2cosδ
29
____________________________________
. Topologia da máquina a ímãs permanentes de fluxo radial
Para a máquina síncrona convencional, o comportamento pode ser avaliado por modelos
matemáticos simples como ilustrado na Figura 27, nestes modelos o gerador é representado por uma
onte de tensão e sua impedância série. Os fluxos de potência ativa e de potência reativa são regidas
. Modelo matemático da máquina síncrona conectada a rede elétrica
quivalente da Figura 27 e das equações anteriores que os fluxos de
potência ativa e reativa dependem da amplitude e da fase angular da força eletromotriz interna da
rede elétrica, este modo
para aerogeradores. A operação a velocidade variável da turbina eólica é
com a operação do gerador síncrono conectado diretamente na rede elétrica, que
caracteriza uma operação a velocidade constante, logo problemas de sincronismo com a rede e de
ores estáticos, onde as
questões de sincronismo com a rede, o controle dos fluxos de potência ativa e reativa são resolvidos
_________________________________________________
naturalmente no controle dos conversores,
a máquina opera como fonte de tensã
controlada, o controle dos fluxos de
de objetivos. Na Figura 28 é ilustrada a
ímãs permanentes, conectado a rede elétrica por conversores estáticos. Observa
busca neste caso maximizar a potência ativa gerada em função da velocidade de vento que atinge o
rotor eólico que o aciona, mantendo a potência reati
utilização da capacidade do conversor e reduz as
Figura 28. Potências ativa e reativa fornecida por um gerador síncrono conectado a rede por
Para exemplificar o sucesso da estratégia operativa da Figura 28, na Figura 29 é apresentada a
eficiência do gerador nos mesma faixa operacional. Assim ilustra
estático várias estratégias operacionais podem
buscar atender a um dado objetivo operacional.
Figura 29. Eficiência do gerador elétrico em função de uma estratégia operacional
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naturalmente no controle dos conversores, representa uma operação completamente diferente. Como
a máquina opera como fonte de tensão e é possível operar os conversores como fonte de corrente
controlada, o controle dos fluxos de ativos e reativos pode ser projetado para uma grande diversidade
de objetivos. Na Figura 28 é ilustrada a característica de potência gerada por um gerador sínc
ímãs permanentes, conectado a rede elétrica por conversores estáticos. Observa-se que o projetista
busca neste caso maximizar a potência ativa gerada em função da velocidade de vento que atinge o
rotor eólico que o aciona, mantendo a potência reativa nos terminais do gerador nula
utilização da capacidade do conversor e reduz as perdas na máquina elétrica.
. Potências ativa e reativa fornecida por um gerador síncrono conectado a rede por conversores estáticos
Para exemplificar o sucesso da estratégia operativa da Figura 28, na Figura 29 é apresentada a
eficiência do gerador nos mesma faixa operacional. Assim ilustra-se que na presença de um conversor
estático várias estratégias operacionais podem ser desenvolvidas e o controle da potência gerada pode
buscar atender a um dado objetivo operacional.
. Eficiência do gerador elétrico em função de uma estratégia operacional
30
____________________________________
representa uma operação completamente diferente. Como
operar os conversores como fonte de corrente
e reativos pode ser projetado para uma grande diversidade
de potência gerada por um gerador síncrono a
se que o projetista
busca neste caso maximizar a potência ativa gerada em função da velocidade de vento que atinge o
va nos terminais do gerador nula, o que maximiza a
. Potências ativa e reativa fornecida por um gerador síncrono conectado a rede por
Para exemplificar o sucesso da estratégia operativa da Figura 28, na Figura 29 é apresentada a
se que na presença de um conversor
ser desenvolvidas e o controle da potência gerada pode
. Eficiência do gerador elétrico em função de uma estratégia operacional
_________________________________________________
3.1.3 Análise comparativa dos geradores elétrico
Não é trivial comparar diversas tecnologias de geradores elétricos para turbinas eólicas, sem
considerar os aspectos específicos da conversão de energia. As turbinas eólicas operam em baixa
rotação, e assim é necessária uma caixa de multiplicação de ve
conversão elétrica utilizando geradores convencionais. Contudo alguns aerogeradores f
com geradores para acionamento direto (do inglês “direct drive”), que prescindem desta caixa de
multiplicação e utilizam duas estratégias para adequação com a faixa de rotações típicas em turbinas
eólicas: grande número de polos
de aerogeradores se destacam: com caixa de multiplicação (do inglês, “ge
multiplicação (do inglês, “gearless”), como ilustra a
Os geradores de acionamento direto (“direct drive”) constituem uma possibilidade para melhoria
da conversão em aerogeradores [Grauers, 1996], desde que podem reduzir os
produzida nestes artefatos. Estes geradores diferem de outras máquinas elétricas principalmente
porque são projetados para operação em baixa rotação e baixa
carga específico da conversão eólica
geradores de acionamento direto constituírem soluções de menor custo são:
- Eliminação da caixa de multiplicação de velocidades: O custo e as perdas deste artefato são
evitados. Contudo os geradores de acionamento direto são mais caros e menos eficientes que os
geradores convencionais o que ameniza estes aspectos;
- Manutenção reduzida: Este constitui um fator muito relevante, pois afeta o custo operacional que
agrega o efeito de disponibilidade do aerogerador.
- Projeto da nacele do aerogerador pode ser simplificado: O gerador de acionamento direto deve
agregar um projeto em harmonia com o rotor eólico, simplificando o projeto total, com impacto nos
custos.
Definido o conceito de geradores
entre geradores síncronos a excitação elétrica e a imãs permanentes. Contudo considerando
para um dado conjugado nominal, as máquinas síncronas com maior número de
uma redução de massa no núcleo de estator e de rotor, além de naquelas máquinas com menor passo
polar podem agregar redução de massa e de custo [Grauers, 1996].
excitação elétrica não se adéquam a configurações de
possuírem rotores mais pesados e mais volumosos que aquelas com imãs permanentes, para criar a
mesma densidade de fluxo no entreferro.
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Análise comparativa dos geradores elétricos
Não é trivial comparar diversas tecnologias de geradores elétricos para turbinas eólicas, sem
considerar os aspectos específicos da conversão de energia. As turbinas eólicas operam em baixa
rotação, e assim é necessária uma caixa de multiplicação de velocidades para sua adequada operação na
conversão elétrica utilizando geradores convencionais. Contudo alguns aerogeradores f
acionamento direto (do inglês “direct drive”), que prescindem desta caixa de
lizam duas estratégias para adequação com a faixa de rotações típicas em turbinas
polos e conversão em baixa frequência (entre 10 a 30 Hz). Assim, dois tipos
de aerogeradores se destacam: com caixa de multiplicação (do inglês, “geared”) e sem caixa de
multiplicação (do inglês, “gearless”), como ilustra a Figura 30.
Os geradores de acionamento direto (“direct drive”) constituem uma possibilidade para melhoria
da conversão em aerogeradores [Grauers, 1996], desde que podem reduzir os custos da eletricidade
produzida nestes artefatos. Estes geradores diferem de outras máquinas elétricas principalmente
porque são projetados para operação em baixa rotação e baixa frequência, além de possuir um ciclo de
carga específico da conversão eólica, para o qual são otimizados. Os principais fatores que permitem os
geradores de acionamento direto constituírem soluções de menor custo são:
Eliminação da caixa de multiplicação de velocidades: O custo e as perdas deste artefato são
geradores de acionamento direto são mais caros e menos eficientes que os
geradores convencionais o que ameniza estes aspectos;
Manutenção reduzida: Este constitui um fator muito relevante, pois afeta o custo operacional que
idade do aerogerador.
cele do aerogerador pode ser simplificado: O gerador de acionamento direto deve
agregar um projeto em harmonia com o rotor eólico, simplificando o projeto total, com impacto nos
Definido o conceito de geradores de acionamento direto, persiste ainda questões sobre a escolha
entre geradores síncronos a excitação elétrica e a imãs permanentes. Contudo considerando
para um dado conjugado nominal, as máquinas síncronas com maior número de polos
uma redução de massa no núcleo de estator e de rotor, além de naquelas máquinas com menor passo
polar podem agregar redução de massa e de custo [Grauers, 1996]. As máquinas síncronas com
étrica não se adéquam a configurações de enrolamentos com passo encurtado, além de
possuírem rotores mais pesados e mais volumosos que aquelas com imãs permanentes, para criar a
mesma densidade de fluxo no entreferro.
31
____________________________________
Não é trivial comparar diversas tecnologias de geradores elétricos para turbinas eólicas, sem
considerar os aspectos específicos da conversão de energia. As turbinas eólicas operam em baixa
locidades para sua adequada operação na
conversão elétrica utilizando geradores convencionais. Contudo alguns aerogeradores foram projetados
acionamento direto (do inglês “direct drive”), que prescindem desta caixa de
lizam duas estratégias para adequação com a faixa de rotações típicas em turbinas
(entre 10 a 30 Hz). Assim, dois tipos
ared”) e sem caixa de
Os geradores de acionamento direto (“direct drive”) constituem uma possibilidade para melhoria
custos da eletricidade
produzida nestes artefatos. Estes geradores diferem de outras máquinas elétricas principalmente
, além de possuir um ciclo de
, para o qual são otimizados. Os principais fatores que permitem os
Eliminação da caixa de multiplicação de velocidades: O custo e as perdas deste artefato são
geradores de acionamento direto são mais caros e menos eficientes que os
Manutenção reduzida: Este constitui um fator muito relevante, pois afeta o custo operacional que
cele do aerogerador pode ser simplificado: O gerador de acionamento direto deve
agregar um projeto em harmonia com o rotor eólico, simplificando o projeto total, com impacto nos
de acionamento direto, persiste ainda questões sobre a escolha
entre geradores síncronos a excitação elétrica e a imãs permanentes. Contudo considerando-se que
polos são capazes de
uma redução de massa no núcleo de estator e de rotor, além de naquelas máquinas com menor passo
As máquinas síncronas com
passo encurtado, além de
possuírem rotores mais pesados e mais volumosos que aquelas com imãs permanentes, para criar a
_________________________________________________
Figura 30. – Arquiteturas de Sistemas de Geração para Aerogerador
Apesar de serem mais caros, a presença de imãs permanentes
excitação e permitem menores passos polares do que aqueles permitidos pela excitação elétrica. Assim
as máquinas a imãs permanentes podem ser menores, sendo se
aumento do fluxo de dispersão nos imãs. A comparação feita constitui uma avaliação ainda simplificada
e não incluiu o impacto da reação de armadura das correntes de estator.
A solução em geradores síncronos a imãs permanen
grande número de projetos em desenvolvimento anuncia uma breve mudança na tecnologia
comercializada.
3.2 Conversores estáticos
Os conversores estáticos desempenham papeis diversos em um sistema de conversão de ener
eólica, podendo-se encontrar:
• Conversores estáticos para controle da corrente de conexão do gerador elétrico na rede
elétrica: muito comum na configuração com gerador de indução em gaiola (Figura 31);
Figura 31. Conversor lim
• Retificadores a diodos para a conversão corrente alternada em corrente continua (Figura
32); _____________________________________________________________________________________
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Arquiteturas de Sistemas de Geração para Aerogeradores
Apesar de serem mais caros, a presença de imãs permanentes eliminam as perdas da bobina de
excitação e permitem menores passos polares do que aqueles permitidos pela excitação elétrica. Assim
as máquinas a imãs permanentes podem ser menores, sendo seus passos polares limitados pelo
aumento do fluxo de dispersão nos imãs. A comparação feita constitui uma avaliação ainda simplificada
e não incluiu o impacto da reação de armadura das correntes de estator.
A solução em geradores síncronos a imãs permanentes torna-se a cada dia mais competitiva e o
grande número de projetos em desenvolvimento anuncia uma breve mudança na tecnologia
Conversores estáticos
Os conversores estáticos desempenham papeis diversos em um sistema de conversão de ener
Conversores estáticos para controle da corrente de conexão do gerador elétrico na rede
elétrica: muito comum na configuração com gerador de indução em gaiola (Figura 31);
. Conversor limitador da corrente de conexão de gerador elétrico
Retificadores a diodos para a conversão corrente alternada em corrente continua (Figura
32
____________________________________
es
eliminam as perdas da bobina de
excitação e permitem menores passos polares do que aqueles permitidos pela excitação elétrica. Assim
us passos polares limitados pelo
aumento do fluxo de dispersão nos imãs. A comparação feita constitui uma avaliação ainda simplificada
se a cada dia mais competitiva e o
grande número de projetos em desenvolvimento anuncia uma breve mudança na tecnologia
Os conversores estáticos desempenham papeis diversos em um sistema de conversão de energia
Conversores estáticos para controle da corrente de conexão do gerador elétrico na rede
elétrica: muito comum na configuração com gerador de indução em gaiola (Figura 31);
itador da corrente de conexão de gerador elétrico
Retificadores a diodos para a conversão corrente alternada em corrente continua (Figura
_________________________________________________
• Conversores CA-CC ou CC
(Figura 33)
• Conversores para proteção de circuitos: chopper de
de barramentos CC de conversores de potência.
3.2.1 Características da Conversão Estática
Para operação a velocidade variável, as usinas eólicas que utilizam geradores síncronos
apresentam-se em duas estruturas distintas dos conversores estáticos de potência. Estas arquiteturas
são:
• Aerogerador síncrono com retificado
• Aerogerador síncrono com retificador PWM
Estas alternativas apresentam diferenças apenas no estágio de retificação (conversão CA
conversores de potência, mantendo
diferenças nas características construtivas afetam o comportamento operacional destas tecnologias,
com reflexos sobre o custo de instalação, e merecem, portanto, estudos técnico
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Figura 32. Retificador a diodos
CC ou CC-CA a IGBT’s: para operar como retificadores ou como inversores
Figura 33. Conversor CC-CA a IGBT's
Conversores para proteção de circuitos: chopper de descarga ou crow
de barramentos CC de conversores de potência.
cas da Conversão Estática
Para operação a velocidade variável, as usinas eólicas que utilizam geradores síncronos
se em duas estruturas distintas dos conversores estáticos de potência. Estas arquiteturas
Aerogerador síncrono com retificador a diodos e conversor boost;
Aerogerador síncrono com retificador PWM
Estas alternativas apresentam diferenças apenas no estágio de retificação (conversão CA
conversores de potência, mantendo-se o inversor PWM no estágio de inversão (conversão CC
diferenças nas características construtivas afetam o comportamento operacional destas tecnologias,
com reflexos sobre o custo de instalação, e merecem, portanto, estudos técnico
33
____________________________________
retificadores ou como inversores
ou crow-bar para proteção
Para operação a velocidade variável, as usinas eólicas que utilizam geradores síncronos
se em duas estruturas distintas dos conversores estáticos de potência. Estas arquiteturas
Estas alternativas apresentam diferenças apenas no estágio de retificação (conversão CA-CC) dos
se o inversor PWM no estágio de inversão (conversão CC-CA). Estas
diferenças nas características construtivas afetam o comportamento operacional destas tecnologias,
com reflexos sobre o custo de instalação, e merecem, portanto, estudos técnico-econômicos
_________________________________________________
comparativos que apontem a estrutura mais vantajosa. Ve
retificador a diodos prepondera, tendo como principal parâmetro de decisão o seu baixo custo.
Na figura 34 é apresentada a estrutura funcional elétrica básica da primeira tecnologia para
aerogeradores síncronos onde se destacam um conversor estático com retificador trifásico não
controlado, conversor CC/CC boost (elevador de tensão), dois barramentos CC e um conversor trifásico
PWM. Os dois barramentos CC são de características diferentes: o próximo do retificador
CC variável, enquanto aquele próximo ao inversor opera com tensão CC fixa ou aproximadamente
constante.
Esta tecnologia ao apresentar um retificador a comutação natural do lado do gerador elétrico,
atribui ao gerador a necessidade de gerar
barramento CC logo após o retificador. O conversor CC
para o segundo barramento CC em função da velocidade de rotação da turbina e portanto compatível
com a potência a ser convertida.
Apesar de não comentado na literatura técnica e pouquíssima informação estar disponível pelos
fabricantes, uma regulação parcial de tensão é feita no primeiro barramento CC através do ajuste no
nível de excitação de campo do alterna
CC.
Na figura 35 é apresentada a arquitetura com dois conversores PWM. Esta tecnologia apresenta
grande versatilidade já que os dois conversores são de projeto equivalente e controles similares. Alé
disto permite explorar com grande flexibilidade a operação a velocidade variável do gerador com alto
desempenho dinâmico. Sendo o barramento CC com nível de tensão fixo e mais elevado que os dois
barramentos CA (o do gerador a
controle forçar o consumo ou o fornecimento de potência ativa e reativa mesmo em velocidades
rotacionais extremas. Esta arquitetura de potência é mais comumente empregada quando o gerador
síncrono é a imãs permanentes.
Figura 34. Sistema de Conversão Estática com Três Conversores
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comparativos que apontem a estrutura mais vantajosa. Verifica-se na literatura que a estrutura com
retificador a diodos prepondera, tendo como principal parâmetro de decisão o seu baixo custo.
é apresentada a estrutura funcional elétrica básica da primeira tecnologia para
nde se destacam um conversor estático com retificador trifásico não
controlado, conversor CC/CC boost (elevador de tensão), dois barramentos CC e um conversor trifásico
PWM. Os dois barramentos CC são de características diferentes: o próximo do retificador
CC variável, enquanto aquele próximo ao inversor opera com tensão CC fixa ou aproximadamente
Esta tecnologia ao apresentar um retificador a comutação natural do lado do gerador elétrico,
atribui ao gerador a necessidade de gerar tensões sempre superiores que a tensão no primeiro
barramento CC logo após o retificador. O conversor CC-CC boost cumpre a função de elevar a tensão
para o segundo barramento CC em função da velocidade de rotação da turbina e portanto compatível
ência a ser convertida.
Apesar de não comentado na literatura técnica e pouquíssima informação estar disponível pelos
fabricantes, uma regulação parcial de tensão é feita no primeiro barramento CC através do ajuste no
nível de excitação de campo do alternador, garantindo melhoria no comportamento do conversor CC
é apresentada a arquitetura com dois conversores PWM. Esta tecnologia apresenta
grande versatilidade já que os dois conversores são de projeto equivalente e controles similares. Alé
disto permite explorar com grande flexibilidade a operação a velocidade variável do gerador com alto
desempenho dinâmico. Sendo o barramento CC com nível de tensão fixo e mais elevado que os dois
barramentos CA (o do gerador a frequência variável e o da rede a frequência fixa) é possível para o
controle forçar o consumo ou o fornecimento de potência ativa e reativa mesmo em velocidades
rotacionais extremas. Esta arquitetura de potência é mais comumente empregada quando o gerador
Sistema de Conversão Estática com Três Conversores
34
____________________________________
se na literatura que a estrutura com
retificador a diodos prepondera, tendo como principal parâmetro de decisão o seu baixo custo.
é apresentada a estrutura funcional elétrica básica da primeira tecnologia para
nde se destacam um conversor estático com retificador trifásico não
controlado, conversor CC/CC boost (elevador de tensão), dois barramentos CC e um conversor trifásico
PWM. Os dois barramentos CC são de características diferentes: o próximo do retificador opera a tensão
CC variável, enquanto aquele próximo ao inversor opera com tensão CC fixa ou aproximadamente
Esta tecnologia ao apresentar um retificador a comutação natural do lado do gerador elétrico,
tensões sempre superiores que a tensão no primeiro
CC boost cumpre a função de elevar a tensão
para o segundo barramento CC em função da velocidade de rotação da turbina e portanto compatível
Apesar de não comentado na literatura técnica e pouquíssima informação estar disponível pelos
fabricantes, uma regulação parcial de tensão é feita no primeiro barramento CC através do ajuste no
dor, garantindo melhoria no comportamento do conversor CC-
é apresentada a arquitetura com dois conversores PWM. Esta tecnologia apresenta
grande versatilidade já que os dois conversores são de projeto equivalente e controles similares. Além
disto permite explorar com grande flexibilidade a operação a velocidade variável do gerador com alto
desempenho dinâmico. Sendo o barramento CC com nível de tensão fixo e mais elevado que os dois
fixa) é possível para o
controle forçar o consumo ou o fornecimento de potência ativa e reativa mesmo em velocidades
rotacionais extremas. Esta arquitetura de potência é mais comumente empregada quando o gerador
_________________________________________________
Figura 35. Sistema de Conversão Estática com Dois Conversores PWM
Ao lado de uma estrutura simplificada e com reduzidas perdas em di
topologia auxilia na partida do sistema de geraç
permanentes, já que permite injetar potência ativa em sentido inverso nos terminais do gerado como
ilustra a figura 35. Para manter a t
trabalhará como conversor elevador de tensão.
dimensionamento das chaves semicondutoras e as características de projeto do gerador
A conexão com a rede através de um transformador é normalmente composta também de filtros
para minimizar a penetração de harmônicos na ordem da
Destaca-se na literatura técnica a utilização de filtros RL série, LCL
nas frequências próximas à frequência
Com a topologia acima descrita, é possível implementar o controle
através do controle de corrente
ótimo de extração de potência para uma dada velocidade de vento local. O controle de conversor do
lado da rede possibilita entrega máxima da energia gerada para a rede, podendo ainda, contribuir para
compensação da potência reativa da rede elétrica aproveitando a ociosidade em sua potência aparente
nominal ou pode minimizar distúrbios como flutuações de tensão, harmônicos e desequilíbrios,
melhorando a qualidade da energia elétrica fornecida aos consumidores.
4. Engenharia de Sis
Eólica:
A operação de um aerogerador é caracterizada por faixas de variação de velocidade de vento,
tendo como referência a velocidade de vento nominal do equipamento.
Um aerogerador possui uma velocidade de vento mínima de pa
gerador à rede, chamada de velocidade (de vento) de acionamento (Vcut
razoável manter o gerador operando pela baixíssima potência gerada ou mesmo pela possibilidade de
motorização. De forma similar e
suportada pelo gerador que garante uma operação segura. Esta velocidade é
ultrapassada, pode impor danos tanto à turbina, quanto ao gerador e à caixa de transmissão.
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Sistema de Conversão Estática com Dois Conversores PWM
Ao lado de uma estrutura simplificada e com reduzidas perdas em dispositivos de po
na partida do sistema de geração com acionamento direto do gerador a imãs
permite injetar potência ativa em sentido inverso nos terminais do gerado como
Para manter a tensão CC constante em larga faixa de velocidades, o retificador PWM
abalhará como conversor elevador de tensão. Mas nesta situação um grande compromisso há entre o
dimensionamento das chaves semicondutoras e as características de projeto do gerador
onexão com a rede através de um transformador é normalmente composta também de filtros
para minimizar a penetração de harmônicos na ordem da frequência de chaveamento na rede elétrica.
se na literatura técnica a utilização de filtros RL série, LCL série-paralela ou filtros sintonizados
frequência de chaveamento.
Com a topologia acima descrita, é possível implementar o controle da potência ativa gerada
de corrente do conversor do gerador, de forma tal a se trabalhar em um ponto
ótimo de extração de potência para uma dada velocidade de vento local. O controle de conversor do
lado da rede possibilita entrega máxima da energia gerada para a rede, podendo ainda, contribuir para
va da rede elétrica aproveitando a ociosidade em sua potência aparente
ou pode minimizar distúrbios como flutuações de tensão, harmônicos e desequilíbrios,
melhorando a qualidade da energia elétrica fornecida aos consumidores.
Engenharia de Sistemas de Conversão de Energia
A operação de um aerogerador é caracterizada por faixas de variação de velocidade de vento,
tendo como referência a velocidade de vento nominal do equipamento.
Um aerogerador possui uma velocidade de vento mínima de partida que permite a conexão do
gerador à rede, chamada de velocidade (de vento) de acionamento (Vcut-in), abaixo da qual não é
razoável manter o gerador operando pela baixíssima potência gerada ou mesmo pela possibilidade de
motorização. De forma similar existe uma velocidade de retirada ou velocidade máxima (Vcut
suportada pelo gerador que garante uma operação segura. Esta velocidade é o limite superior e, se
ultrapassada, pode impor danos tanto à turbina, quanto ao gerador e à caixa de transmissão.
35
____________________________________
Sistema de Conversão Estática com Dois Conversores PWM
spositivos de potência, esta
o com acionamento direto do gerador a imãs
permite injetar potência ativa em sentido inverso nos terminais do gerado como
em larga faixa de velocidades, o retificador PWM
nesta situação um grande compromisso há entre o
dimensionamento das chaves semicondutoras e as características de projeto do gerador.
onexão com a rede através de um transformador é normalmente composta também de filtros
de chaveamento na rede elétrica.
paralela ou filtros sintonizados
potência ativa gerada
a se trabalhar em um ponto
ótimo de extração de potência para uma dada velocidade de vento local. O controle de conversor do
lado da rede possibilita entrega máxima da energia gerada para a rede, podendo ainda, contribuir para
va da rede elétrica aproveitando a ociosidade em sua potência aparente
ou pode minimizar distúrbios como flutuações de tensão, harmônicos e desequilíbrios,
temas de Conversão de Energia
A operação de um aerogerador é caracterizada por faixas de variação de velocidade de vento,
rtida que permite a conexão do
in), abaixo da qual não é
razoável manter o gerador operando pela baixíssima potência gerada ou mesmo pela possibilidade de
xiste uma velocidade de retirada ou velocidade máxima (Vcut-out)
limite superior e, se
ultrapassada, pode impor danos tanto à turbina, quanto ao gerador e à caixa de transmissão.
_________________________________________________
Quando acionado por uma turbina eólica, um gerador elétrico deve se comportar da seguinte
forma, como ilustrado na Figura 36
• Na região sub-nominal (quando a velocidade de vento no local de instalação da turbina é
inferior à velocidade de vento nominal da
com potência ativa variável em função da velocidade de vento, podendo nas tecnologias a
velocidade variável garantir máxima eficiência da conversão. Por isto esta região é conhecida
como região de otimiz
elétrico ou eletrônico, se existir);
• Na região nominal (quando a velocidade de vento é igual ou superior à velocidade nominal da
turbina): neste caso, a potência ativa gerada deve ser constan
ação do sistema de controle de passo (nas tecnologias a velocidade variável) ou de regulação
por estol (nas tecnologias a velocidade constante). Esta região é também denominada de
região de limitação de potência e o control
Figura 36. Curva da Potência Extraída em Função da Velocidade do Vento
Estas características operacionais destacam, principalmente na região subdivisão das tecnologias: as arquiteturas a velocidade constante (ou fixa) e as arquiteturas a velocidade variável.
No que diz respeito à geraelétrica são classificadas basicamente pela tecnologia das msistemas de acionamento, definindo a operavariável. As centrais eólicas que operamcomparadas com centrais a velocidade constante, uma vez que uma potdo vento, tendo em vista a operação a constante na região sub-nominal. Alémecânico, ruídos de menor intensidade e a habilidade em fornecer potal., 2006).
00
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Potência Gerada [pu]
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Quando acionado por uma turbina eólica, um gerador elétrico deve se comportar da seguinte
, como ilustrado na Figura 36:
nominal (quando a velocidade de vento no local de instalação da turbina é
inferior à velocidade de vento nominal da turbina): neste caso, o gerador elétrico deve operar
com potência ativa variável em função da velocidade de vento, podendo nas tecnologias a
velocidade variável garantir máxima eficiência da conversão. Por isto esta região é conhecida
como região de otimização de potência, e o controle de potência é eletromagnético (ou
elétrico ou eletrônico, se existir);
Na região nominal (quando a velocidade de vento é igual ou superior à velocidade nominal da
turbina): neste caso, a potência ativa gerada deve ser constante e igual ao valor nominal, por
ação do sistema de controle de passo (nas tecnologias a velocidade variável) ou de regulação
por estol (nas tecnologias a velocidade constante). Esta região é também denominada de
região de limitação de potência e o controle de potência é mecânico ou aerodinâmico.
. Curva da Potência Extraída em Função da Velocidade do Vento
Estas características operacionais destacam, principalmente na região sub-nominal, uma grande as: as arquiteturas a velocidade constante (ou fixa) e as arquiteturas a velocidade
geração alternativa de energia, as centrais eólicas conectadas o classificadas basicamente pela tecnologia das máquinas elétricas e pelos seus respectivos
sistemas de acionamento, definindo a operação em velocidade constante e a operação a velocidadelicas que operam a velocidade variável oferecem mais benefí
ocidade constante, uma vez que uma potência maior pode ser extra, tendo em vista a operação a coeficiente de potência máximo e a relação de velocidades
nominal. Além disso, existem outras vantagens como: menor estressedos de menor intensidade e a habilidade em fornecer potência reativa à rede elé
0.5 1 1.5 2 2.5
Vcutin Velocidade de Vento [pu] Vcutout
Região Sub-
Nominal
Região
Nominal
36
____________________________________
Quando acionado por uma turbina eólica, um gerador elétrico deve se comportar da seguinte
nominal (quando a velocidade de vento no local de instalação da turbina é
turbina): neste caso, o gerador elétrico deve operar
com potência ativa variável em função da velocidade de vento, podendo nas tecnologias a
velocidade variável garantir máxima eficiência da conversão. Por isto esta região é conhecida
ação de potência, e o controle de potência é eletromagnético (ou
Na região nominal (quando a velocidade de vento é igual ou superior à velocidade nominal da
te e igual ao valor nominal, por
ação do sistema de controle de passo (nas tecnologias a velocidade variável) ou de regulação
por estol (nas tecnologias a velocidade constante). Esta região é também denominada de
e de potência é mecânico ou aerodinâmico.
. Curva da Potência Extraída em Função da Velocidade do Vento
nominal, uma grande as: as arquiteturas a velocidade constante (ou fixa) e as arquiteturas a velocidade
conectadas às redes tricas e pelos seus respectivos
e a operação a velocidade a velocidade variável oferecem mais benefícios quando
ncia maior pode ser extraída ncia máximo e a relação de velocidades
m disso, existem outras vantagens como: menor estresse à rede elétrica (Li et
2.5
_________________________________________________
As curvas características de potêilustram bem as diferenças em termos de ovelocidade constante ou variável. Conforme ilustra a Figura constante que é determinada pela frequtransmissão, independente da velocidade de vento incidente. Neste caso o gerador somenteatingir o ponto ótimo da curva quando a velocidade do ventoperda de potência para velocidades diferentes.
Quando a tecnologia de aerogerador
frequência, é possível realizar o controle de potéolica é capaz de atingir o ponto vento, já que o gerador opera a freqconforme mostra a Figura 38.
Para a produção de energia el
máquinas elétricas: as síncronas e as assgaiola de esquilo, são empregadosde indução com rotor bobinado e os sestáticos caracterizando sistemas que operam
Figura 37 Características de potência de aerogerador a velocidade constante
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ísticas de potência versus rotação, para vários valores de velocidade de vento,as em termos de otimização da potência para aerogeradores que
vel. Conforme ilustra a Figura 37, o gerador opera em uma velocidade determinada pela frequência da rede elétrica, pelo número de pó
independente da velocidade de vento incidente. Neste caso o gerador somentetimo da curva quando a velocidade do vento, neste caso, é de 11 m/s, causando uma
ncia para velocidades diferentes.
de aerogerador é conectada ao sistema elétrico por meio de conversoresvel realizar o controle de potências ativa e reativa independentemente
capaz de atingir o ponto ótimo da curva de potência versus rotação para outras velocidadesque o gerador opera a frequência variável, resultando em maior efici
de energia elétrica através dos aerogeradores, são utilizadosncronas e as assíncronas. Os geradores assíncronos, quando de indu
o empregados para aplicações em velocidade constante, enquanto que os geradoreso com rotor bobinado e os síncronos são, geralmente, utilizados em conjunto com conversores
estáticos caracterizando sistemas que operam velocidade variável.
Características de potência de aerogerador a velocidade constante
37
____________________________________
ncia versus rotação, para vários valores de velocidade de vento, ncia para aerogeradores que operam a
o gerador opera em uma velocidade úmero de pólos e a relação de
independente da velocidade de vento incidente. Neste caso o gerador somente é capaz de m/s, causando uma
trico por meio de conversores de independentemente. A turbina
para outras velocidades de eficiência energética,
o utilizados dois tipos de ncronos, quando de indução em
es em velocidade constante, enquanto que os geradores conjunto com conversores
Características de potência de aerogerador a velocidade constante
_________________________________________________
Figura 38 Característica
4.1 Arquitetura de Aerogeradores a
Os sistemas de conversão de energia eólica podem ser classificados como sistemas que operam a
velocidade constante e sistemas que operam a velocidade variáv
da tecnologia de conexão do gerador à carga ou à rede elétrica.
A conexão direta na rede elétrica de aerogeradores caracteriza o conceito de turbinas eólicas
operando a velocidade constante (“conceito dinamarquês”), q
durante as duas últimas décadas do século passado, prioritariamente utilizando geradores de indução
em gaiola. A operação a velocidade constante pressupõe normalmente o uso de geradores
excursão bastante restrita de velocidade
contrapartida, estes sistemas por estarem mais rigidamente conectados às redes elétricas, são mais
susceptíveis às variações de tensão (perda de excitação em geradores de indução)
estabilidade (principalmente quando se usam geradores síncronos, o que praticamente eliminou esta
opção entre os sistemas instalados no mundo). Neste tipo de conexão, o amplo uso de geradores de
indução em gaiola se justifica pela facili
contribuição a curtos-circuitos.
Em função da necessidade de geração de energia elétrica à custo das tecnologias a velocidade variável, os primeiros sistemas de geratopologias a velocidade constante, semelhantes aos sistemas de geração convencional. Assim, a rotação da turbina é vinculada à frequênciacaixa de transmissão mecânica. A será obtido apenas na velocidade de vento nominal, reduzindo a capacidade energética anual da usina. Além disso, gera maiores esforços mecânicos sobre o sistema, aumentando o risco de indispone impossibilita o controle do fluxo de reativos.
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Características de potência de aerogerador a velocidade variável
Arquitetura de Aerogeradores a Velocidade Fixa
Os sistemas de conversão de energia eólica podem ser classificados como sistemas que operam a
velocidade constante e sistemas que operam a velocidade variável. Estes modos de operação são função
da tecnologia de conexão do gerador à carga ou à rede elétrica.
a rede elétrica de aerogeradores caracteriza o conceito de turbinas eólicas
operando a velocidade constante (“conceito dinamarquês”), que dominou as usinas eólicas
durante as duas últimas décadas do século passado, prioritariamente utilizando geradores de indução
em gaiola. A operação a velocidade constante pressupõe normalmente o uso de geradores
de velocidade, o que normalmente afeta seu aproveitamento energético. Em
, estes sistemas por estarem mais rigidamente conectados às redes elétricas, são mais
susceptíveis às variações de tensão (perda de excitação em geradores de indução) e aos problemas de
estabilidade (principalmente quando se usam geradores síncronos, o que praticamente eliminou esta
opção entre os sistemas instalados no mundo). Neste tipo de conexão, o amplo uso de geradores de
indução em gaiola se justifica pela facilidade de sincronismo com a rede elétrica e pela limitada
Em função da necessidade de geração de energia elétrica à frequência constante e do elevado custo das tecnologias a velocidade variável, os primeiros sistemas de geração eólica utilizaram topologias a velocidade constante, semelhantes aos sistemas de geração convencional. Assim, a rotação
frequência da rede, ao número de polos da máquina elétricacaixa de transmissão mecânica. A operação segundo esta estratégia implica que o rendimento ótimo será obtido apenas na velocidade de vento nominal, reduzindo a capacidade energética anual da usina. Além disso, gera maiores esforços mecânicos sobre o sistema, aumentando o risco de indispone impossibilita o controle do fluxo de reativos.
38
____________________________________
variável
Os sistemas de conversão de energia eólica podem ser classificados como sistemas que operam a
el. Estes modos de operação são função
a rede elétrica de aerogeradores caracteriza o conceito de turbinas eólicas
usinas eólicas no mundo
durante as duas últimas décadas do século passado, prioritariamente utilizando geradores de indução
em gaiola. A operação a velocidade constante pressupõe normalmente o uso de geradores com uma
aproveitamento energético. Em
, estes sistemas por estarem mais rigidamente conectados às redes elétricas, são mais
e aos problemas de
estabilidade (principalmente quando se usam geradores síncronos, o que praticamente eliminou esta
opção entre os sistemas instalados no mundo). Neste tipo de conexão, o amplo uso de geradores de
dade de sincronismo com a rede elétrica e pela limitada
constante e do elevado ção eólica utilizaram
topologias a velocidade constante, semelhantes aos sistemas de geração convencional. Assim, a rotação máquina elétrica e à relação da
operação segundo esta estratégia implica que o rendimento ótimo será obtido apenas na velocidade de vento nominal, reduzindo a capacidade energética anual da usina. Além disso, gera maiores esforços mecânicos sobre o sistema, aumentando o risco de indisponibilidade,
_________________________________________________
A limitação da potência transformada pelo sistema eólico garante a segurança operacional dos equipamentos. A potência de grande parte das usinas a velocidade constante é limitada de forma passiva, isto é, utiliza o efeito aerodinâmico de stall da turbina para garantir a geração de potência inferior à nominal para velocidades de vento superiores à velocidade de vento para a qual o sistema foi projetado. Apesar da simplicidade, pois não necessita de ao grampeamento da potência eólica, o controle por stall, além de causar maiores esforços mecânicos sobre os componentes do sistema, não se comporta idealmente, isto é, a potência gerada para velocidades de vento acima do valor nominal são inferiores à potência máxima, o que causa redução na capacidade de geração da usina.
4.2 Arquitetura de Aerogeradores a
Em sistemas de conversão de energia eólica que operam com velocidade variável, a conexão
rede elétrica é feita normalmente pela utilização de conversores estáticos e prioritariamente com uso
de barramentos intermediários em corrente contínua, tecnologia que é dominante nos sistemas
modernos de conversão de frequência
permite o controle desacoplado de potência ativa e reativa, o amortecimento efetivo das flutuações de
potência, a operação com máxima eficiência energética e a minimização dos problemas de qualidade da
energia gerada (dependente da tecnologia a ser utilizada), facilitando sua integração em redes fracas.
Em alguns equipamentos, o uso de geradores síncronos
embora representem investimentos mais elevados, se justifica pela possibili
retificadores à comutação natural, consideravelmente mais baratos. Além disto, a possibilidade de
projetos com alto número de polos
a eliminação das caixas de transmissão
pelo termo “direct drive”. Nesta tecnologia competem os aerogeradores com geradores síncronos com
excitação elétrica, a exemplo dos modelos de turbinas eólicas comercializadas pela ENERCON
(atualmente denominado “conceito alemão”)
Apesar do uso de geradores de indução com rotor em gaiola ser competitivo devido a sua inerente
robustez, esta máquina quando compondo um aerogerador a velocidade variável,
comutação forçada, que apresentam custos mais altos que as outras tecnologias disponíveis. Estes
conversores são projetados para uma potência aparente mais elevada, em razão do consumo de
potência reativa da máquina elétrica e logo,
Já o uso de geradores de indução com rotor bobinado, em sua estrutura mais utilizada com dupla
alimentação, embora represente, à semelhança dos geradores síncronos, investimentos e custos de
operação mais elevados, permite a especificação de conversores estáticos com potência aparente
bastante inferior (cerca de 30 a 40% da potência nominal da máquina), o que explica o elevado número
de modelos atualmente disponíveis no mercado. Todavia, os geradores de in
excitados permitem uma excursão de velocidade limitada a
dependendo da potência de seus conversores estáticos de rotor, limitando sua capacidade de
otimização energética. Além disto, ao utilizar
possuem menor capacidade de compensação de distúrbios nas tensões das redes elétricas onde se
encontram conectados.
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A limitação da potência transformada pelo sistema eólico garante a segurança operacional dos equipamentos. A potência de grande parte das usinas a velocidade constante é limitada de forma
isto é, utiliza o efeito aerodinâmico de stall da turbina para garantir a geração de potência inferior à nominal para velocidades de vento superiores à velocidade de vento para a qual o sistema foi projetado. Apesar da simplicidade, pois não necessita de um sistema de controle e atuadores dedicados ao grampeamento da potência eólica, o controle por stall, além de causar maiores esforços mecânicos
sistema, não se comporta idealmente, isto é, a potência gerada para o acima do valor nominal são inferiores à potência máxima, o que causa redução na
capacidade de geração da usina.
Arquitetura de Aerogeradores a Velocidade Variável
Em sistemas de conversão de energia eólica que operam com velocidade variável, a conexão
rede elétrica é feita normalmente pela utilização de conversores estáticos e prioritariamente com uso
de barramentos intermediários em corrente contínua, tecnologia que é dominante nos sistemas
frequência utilizados nos acionamentos industriais. A conexão estática
permite o controle desacoplado de potência ativa e reativa, o amortecimento efetivo das flutuações de
potência, a operação com máxima eficiência energética e a minimização dos problemas de qualidade da
ependente da tecnologia a ser utilizada), facilitando sua integração em redes fracas.
, o uso de geradores síncronos com excitação elétrica (bobina de campo)
embora representem investimentos mais elevados, se justifica pela possibilidade da aplicação de
retificadores à comutação natural, consideravelmente mais baratos. Além disto, a possibilidade de
polos permite a redução das relações de transmissão mecânica, ou mesmo
a eliminação das caixas de transmissão, como nas turbinas “gearless”, atualmente identificadas também
. Nesta tecnologia competem os aerogeradores com geradores síncronos com
excitação elétrica, a exemplo dos modelos de turbinas eólicas comercializadas pela ENERCON
e denominado “conceito alemão”) e os geradores síncronos a imãs permanentes.
Apesar do uso de geradores de indução com rotor em gaiola ser competitivo devido a sua inerente
robustez, esta máquina quando compondo um aerogerador a velocidade variável, requer retificadores a
comutação forçada, que apresentam custos mais altos que as outras tecnologias disponíveis. Estes
conversores são projetados para uma potência aparente mais elevada, em razão do consumo de
reativa da máquina elétrica e logo, esta tecnologia ainda é pouco atrativa ao mercado.
Já o uso de geradores de indução com rotor bobinado, em sua estrutura mais utilizada com dupla
alimentação, embora represente, à semelhança dos geradores síncronos, investimentos e custos de
elevados, permite a especificação de conversores estáticos com potência aparente
bastante inferior (cerca de 30 a 40% da potência nominal da máquina), o que explica o elevado número
de modelos atualmente disponíveis no mercado. Todavia, os geradores de indução duplamente
excitados permitem uma excursão de velocidade limitada a ±30% em torno do valor nominal,
dependendo da potência de seus conversores estáticos de rotor, limitando sua capacidade de
otimização energética. Além disto, ao utilizar-se um conversor de menor potência, estes geradores
possuem menor capacidade de compensação de distúrbios nas tensões das redes elétricas onde se
39
____________________________________
A limitação da potência transformada pelo sistema eólico garante a segurança operacional dos equipamentos. A potência de grande parte das usinas a velocidade constante é limitada de forma
isto é, utiliza o efeito aerodinâmico de stall da turbina para garantir a geração de potência inferior à nominal para velocidades de vento superiores à velocidade de vento para a qual o sistema foi
um sistema de controle e atuadores dedicados ao grampeamento da potência eólica, o controle por stall, além de causar maiores esforços mecânicos
sistema, não se comporta idealmente, isto é, a potência gerada para o acima do valor nominal são inferiores à potência máxima, o que causa redução na
Em sistemas de conversão de energia eólica que operam com velocidade variável, a conexão na
rede elétrica é feita normalmente pela utilização de conversores estáticos e prioritariamente com uso
de barramentos intermediários em corrente contínua, tecnologia que é dominante nos sistemas
ntos industriais. A conexão estática
permite o controle desacoplado de potência ativa e reativa, o amortecimento efetivo das flutuações de
potência, a operação com máxima eficiência energética e a minimização dos problemas de qualidade da
ependente da tecnologia a ser utilizada), facilitando sua integração em redes fracas.
com excitação elétrica (bobina de campo),
dade da aplicação de
retificadores à comutação natural, consideravelmente mais baratos. Além disto, a possibilidade de
permite a redução das relações de transmissão mecânica, ou mesmo
dentificadas também
. Nesta tecnologia competem os aerogeradores com geradores síncronos com
excitação elétrica, a exemplo dos modelos de turbinas eólicas comercializadas pela ENERCON
e os geradores síncronos a imãs permanentes.
Apesar do uso de geradores de indução com rotor em gaiola ser competitivo devido a sua inerente
requer retificadores a
comutação forçada, que apresentam custos mais altos que as outras tecnologias disponíveis. Estes
conversores são projetados para uma potência aparente mais elevada, em razão do consumo de
sta tecnologia ainda é pouco atrativa ao mercado.
Já o uso de geradores de indução com rotor bobinado, em sua estrutura mais utilizada com dupla
alimentação, embora represente, à semelhança dos geradores síncronos, investimentos e custos de
elevados, permite a especificação de conversores estáticos com potência aparente
bastante inferior (cerca de 30 a 40% da potência nominal da máquina), o que explica o elevado número
dução duplamente
30% em torno do valor nominal,
dependendo da potência de seus conversores estáticos de rotor, limitando sua capacidade de
sor de menor potência, estes geradores
possuem menor capacidade de compensação de distúrbios nas tensões das redes elétricas onde se
_________________________________________________
Apesar do aumento do custo inicial do projeto, diversos benefícios são decorrentes da utilização de
topologias a velocidade variável. A capacidade de extração de potência com máximo rendimento, a
redução dos esforços mecânicos, a capacidade do controle da injeção de reativos no sistema, mesmo
em momentos de falta, a melhoria da qualidade da energia elétri
relevantes. Em (BURTON, et al., 2001), é realizado um cálculo comparativo da energia elétrica gerada
por usinas a velocidade constante e a velocidade variável. Relata
velocidade variável. Os custos adicionais das turbinas a velocidade variável são decorrentes da utilização
de dispositivos semicondutores de potência e da aplicação de mecanismos para variação do ângulo de
passo, garantindo regulação de potência próxima à curva ideal.
Figura 39 Comparação entre curvas de potência típicas de turbinas a velocidade constante e a
A Figura 39 compara a característica típica de operação de uma turbina à velocidade
limitação da potência máxima através da variação do ângulo de passo,
com controle por stall (HANSEN, 2008)
relação à segunda. A Figura 40
aplicações a velocidade variável e a velocidade constante, considerando valores para a velocidade de
vento inferiores ao valor nominal de 12 m/s.
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Apesar do aumento do custo inicial do projeto, diversos benefícios são decorrentes da utilização de
opologias a velocidade variável. A capacidade de extração de potência com máximo rendimento, a
redução dos esforços mecânicos, a capacidade do controle da injeção de reativos no sistema, mesmo
em momentos de falta, a melhoria da qualidade da energia elétrica gerada são alguns dos fatores mais
relevantes. Em (BURTON, et al., 2001), é realizado um cálculo comparativo da energia elétrica gerada
por usinas a velocidade constante e a velocidade variável. Relata-se um ganho de 6% das topologias a
. Os custos adicionais das turbinas a velocidade variável são decorrentes da utilização
de dispositivos semicondutores de potência e da aplicação de mecanismos para variação do ângulo de
passo, garantindo regulação de potência próxima à curva ideal.
Comparação entre curvas de potência típicas de turbinas a velocidade constante e a velocidade variável
a característica típica de operação de uma turbina à velocidade
a máxima através da variação do ângulo de passo, e uma turbina a velocidade fixa
com controle por stall (HANSEN, 2008), podendo-se identificar o ganho de potência da primeira em
A Figura 40 compara a potência ativa gerada pela turbina de 2 MW em estudo em
aplicações a velocidade variável e a velocidade constante, considerando valores para a velocidade de
vento inferiores ao valor nominal de 12 m/s.
40
____________________________________
Apesar do aumento do custo inicial do projeto, diversos benefícios são decorrentes da utilização de
opologias a velocidade variável. A capacidade de extração de potência com máximo rendimento, a
redução dos esforços mecânicos, a capacidade do controle da injeção de reativos no sistema, mesmo
ca gerada são alguns dos fatores mais
relevantes. Em (BURTON, et al., 2001), é realizado um cálculo comparativo da energia elétrica gerada
se um ganho de 6% das topologias a
. Os custos adicionais das turbinas a velocidade variável são decorrentes da utilização
de dispositivos semicondutores de potência e da aplicação de mecanismos para variação do ângulo de
Comparação entre curvas de potência típicas de turbinas a velocidade constante e a
a característica típica de operação de uma turbina à velocidade variável, com
bina a velocidade fixa,
se identificar o ganho de potência da primeira em
de 2 MW em estudo em
aplicações a velocidade variável e a velocidade constante, considerando valores para a velocidade de
_________________________________________________
Figura 40 Comparação da operação variável
5. Tecnologias de Aerogeradores:
5.1. Tecnologias Comerciais
Neste documento serão apresentadas cinco tecnologias de aerogeradores,
em velocidade constante, máquina de indu
com chaveamento de resistores no rotor, semelhante ao modelo comercializado
três operando em velocidade vari
com gerador de indução duplamente
Nota-se, atualmente, uma tend
posto que são mais comercializados
características elétricas e operacionais das tecnologias e
qualidade de energia elétrica.
A aplicação de cada um desses aerogeradores
normalmente:
• as características
• a capacidade de consumo e/ou fornecimento de pot
• o nível de contribui
• a robustez de sua constru
• a possibilidade de projeto
• os custos de aquisi
• as dificuldades de sincronismo com a rede el
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Comparação da operação de uma turbina a velocidade constante e uma turbina ariável para ventos abaixo do vento nominal
Tecnologias de Aerogeradores:
5.1. Tecnologias Comerciais
o apresentadas cinco tecnologias de aerogeradores, sendo
quina de indução (GI), e uma com gerador de indução com rotor bobinado
chaveamento de resistores no rotor, semelhante ao modelo comercializado pela Suzlon
operando em velocidade variável, compreendendo duas tecnologias com gerador s
o duplamente alimentado (DFIG).
se, atualmente, uma tendência de maior utilização de aerogeradores em velocidade vari
o mais comercializados (Medeiros et al., 2005). Assim foram levadas em conta as
tricas e operacionais das tecnologias eólicas, estudadas sob o
desses aerogeradores é função de uma série de fatores, que consideram
cas de amortecimento do gerador;
de consumo e/ou fornecimento de potência reativa;
vel de contribuição para curtos-circuitos;
a robustez de sua construção;
a possibilidade de projeto e construção de equipamentos com alto número de p
aquisição e de operação e
as dificuldades de sincronismo com a rede elétrica.
41
____________________________________
uma turbina a velocidade
sendo duas operando
o com rotor bobinado
pela Suzlon e outras
com gerador síncrono e uma
aerogeradores em velocidade variável,
foram levadas em conta as
ponto de vista da
rie de fatores, que consideram
mero de polos;
_________________________________________________
As principais características de cada uma das tecnologias estudadas ser
buscando consolidar uma compreensão maior dos aerogeradores comercialmen
5.1.1 Gerador de Indução
A tecnologia que emprega o gerador de indu
opera a velocidade constante. A configura
indução com rotor em gaiola, conectado ao eixo da turbina por meio de uma caixa de transmiss
mecânica.
Os terminais elétricos do estator s
necessidade de conversores eletr
conversor tipo soft starter para a redu
indução, bem como de um banco de capacitores para corre
básico para esta tecnologia é ilustrado na
Figura 41 Topologia do Aerogerador com Gerador de Indução com Rotor em Gaiola
Esta tecnologia de aerogerador
potência, operando em velocidade constante, determinada
mesma encontra-se conectada, independente da velocidade do vento.
O gerador de indução trabalha em uma faixa de opera
supersíncrona, estabelecendo um escorr
de energia em sua estrutura permite
existente no vento (rajadas de vento)
diversos problemas de qualidade de energia para
quando esta tecnologia de aerogerador
(Mendes et al., 2008). Além destas desvantagens, esta configura
elevado em comparação com outros aerogeradores, proveniente,
constante de manutenção de sua caixa de
essa tecnologia vem sendo gradualmente
instalada de usinas eólicas utilizando geradores de indu
hoje, diversos estudos ainda devem ser
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sticas de cada uma das tecnologias estudadas serão apresentadas
buscando consolidar uma compreensão maior dos aerogeradores comercialmente existentes
ção em Gaiola (IG)
A tecnologia que emprega o gerador de indução em gaiola é um exemplo de aerogerador que
opera a velocidade constante. A configuração construtiva mais empregada compõe-se de um gerador de
conectado ao eixo da turbina por meio de uma caixa de transmiss
tricos do estator são conectados diretamente à rede elétrica,
necessidade de conversores eletrônicos de potência em operação nominal. É usual
para a redução da corrente transitória de magnetizaçã
um banco de capacitores para correção do fator de potência local. O esquema
ilustrado na Figura 41.
Topologia do Aerogerador com Gerador de Indução com Rotor em Gaiola
Esta tecnologia de aerogerador é bastante simples e não possui qualquer tipo de controle de
dade constante, determinada pela frequência da rede el
independente da velocidade do vento.
o trabalha em uma faixa de operação de velocidade
ncrona, estabelecendo um escorregamento negativo. A ausência de elementos armazenadores
de energia em sua estrutura permite que todos os distúrbios inerentes às variações da potência
existente no vento (rajadas de vento) sejam diretamente transferidos à rede elé
os problemas de qualidade de energia para o consumidor final. Estes problemas se agravam
aerogerador é instalada em locais de baixa potência de curto
m destas desvantagens, esta configuração apresenta um custo
o com outros aerogeradores, proveniente, em grande parte, pela necessidade
o de sua caixa de transmissão mecânica. Devido aos problemas mencionados
vem sendo gradualmente substituída. Entretanto ainda há uma consider
licas utilizando geradores de indução em todo o mundo, razã
hoje, diversos estudos ainda devem ser considerados (Silva et al., 2006).
42
____________________________________
apresentadas a seguir,
te existentes.
de aerogerador que
se de um gerador de
conectado ao eixo da turbina por meio de uma caixa de transmissão
trica, eliminando a
usual a existência de um
ção do gerador de
ncia local. O esquema
Topologia do Aerogerador com Gerador de Indução com Rotor em Gaiola
tipo de controle de
ncia da rede elétrica à qual a
o de velocidade ligeiramente
ncia de elementos armazenadores
às variações da potência
étrica, ocasionando
o consumidor final. Estes problemas se agravam
ncia de curto-circuito
senta um custo final mais
em grande parte, pela necessidade
nica. Devido aos problemas mencionados
uma considerável potência
ão pela qual, ainda
_________________________________________________
5.1.2 Gerador de Induçã
Ainda existe no mercado mais uma tecnologia de aerogerador que opera
apesar desta classificação não ser acolhida com unanimidade na literatura técnica, pois é muito usual
encontrar a citação de “sistema com faixa velocidade restrita”
simplificado de um aerogerador similar ao comercializado pela Suzlon. Este aerogerador
por uma máquina de indução de rotor bobinado, um conjunto
retificador a comutação natural e um
comutação das resistências continuamente
Figura 42 Esquema do Aerogerador com Gerador de Indução com Res
Um sistema de controle denominado
de resistores e, por consequência, a pot
distúrbios mecânicos durante trans
desligadas, o valor total das resist
resistências externas são curto-circuitadas, restando apenas as resist
O valor da resistência externa pode ser definido pelo controle atrav
gerador e da potência ativa de sa
durante uma falta no sistema, a prote
crowbar, que instantaneamente
dissipando com isso a energia excedente provocada pelo defeito.
5.1.3 Gerador Síncrono com Conversores PWM (GSINC)
A utilização de geradores s
variável surge atualmente no mercado como uma alternativa
de transmissão mecânica. Conectadas
podem operar em baixa velocidade rotacional gra
gerador (Silva et al., 2006).
A configuração da tecnologia
independente de campo e de conversores de freq
retificadora e inversora. O conversor do lado da rede promove
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ção com Resistores Chaveados no Rotor
Ainda existe no mercado mais uma tecnologia de aerogerador que opera a velocidade
apesar desta classificação não ser acolhida com unanimidade na literatura técnica, pois é muito usual
ma com faixa velocidade restrita”. A Figura 42 apresenta o esquema
um aerogerador similar ao comercializado pela Suzlon. Este aerogerador
o de rotor bobinado, um conjunto de resistências ligadas no rot
o natural e um conjunto de chaves semicondutoras a IGBT’s
comutação das resistências continuamente.
Esquema do Aerogerador com Gerador de Indução com Resistores Chaveados no Rotor
Um sistema de controle denominado Suzlon Flexislip System controla a entrada ou sa
ncia, a potência gerada pela turbina, mas com o objetivo de minimizar
distúrbios mecânicos durante transitórios de vento ou da rede elétrica. Quando as chaves s
desligadas, o valor total das resistências está conectado no circuito de rotor. Do contr
circuitadas, restando apenas as resistências do enrolamento do rotor
ncia externa pode ser definido pelo controle através da mediçã
ncia ativa de saída. Quando as correntes de rotor excedem um valor pr
uma falta no sistema, a proteção do aerogerador atua através de uma estrutura denominada de
neamente substitui a resistência atual do rotor pela resist
excedente provocada pelo defeito.
ncrono com Conversores PWM (GSINC)
o de geradores síncronos na construção de usinas eólicas que operam
vel surge atualmente no mercado como uma alternativa bastante atrativa para elimina
Conectadas à rede por meio de conversores de frequ
operar em baixa velocidade rotacional graças a grande quantidade de polos
o da tecnologia adotada consiste de um gerador síncrono com excita
campo e de conversores de frequência PWM (Pulse-Width Modulation)
retificadora e inversora. O conversor do lado da rede promove o controle da tensão no barramento CC
43
____________________________________
a velocidade constante,
apesar desta classificação não ser acolhida com unanimidade na literatura técnica, pois é muito usual
apresenta o esquema
um aerogerador similar ao comercializado pela Suzlon. Este aerogerador é constituído
ncias ligadas no rotor, um
a IGBT’s, responsável pela
istores Chaveados no Rotor
entrada ou saída do banco
, mas com o objetivo de minimizar
. Quando as chaves são
conectado no circuito de rotor. Do contrário, as
ncias do enrolamento do rotor.
ção da velocidade do
Quando as correntes de rotor excedem um valor pré-determinado,
estrutura denominada de
atual do rotor pela resistência do crowbar,
que operam a velocidade
bastante atrativa para eliminação da caixa
uência, estas usinas
magnéticos de seu
ncrono com excitação
Width Modulation) em operação
o no barramento CC
_________________________________________________
através da injeção de corrente na
energia elétrica gerada a frequê
a potência convertida da turbina, funcionando como um
gerada a frequência variável em
fornecidos aos conversores são provenientes de comandos PWM independentes.
No barramento CC, que conecta os conversores, um chopper de frenagem
a energia excedente do capacitor durante transit
capacitor ultrapassa um determinado
tempo, evitando um aumento excessivo na tens
suportabilidade do aerogerador frente
de ride-through (Ramos, 2010
chaveamento dos conversores. O diagrama simplif
Figura 43 Configuração do Gerador Síncrono com Conversores PWM
5.1.4 Gerador Síncrono com Retificador a Diodos
A quarta tecnologia de aerogerador estudada tamb
no estágio de retificação um retificador a diodos.
aerogerador fabricado pela empresa
com excitação elétrica por bobina de
tensão, barramento CC regulado e um conversor PWM
encontra-se em potência nominal
encontram-se em fase de testes na Alemanha (Silva et al., 2006).
Comparada com as outras tecnologias com gerador s
características principais que as diferem: a presen
a comutação natural do lado do gerador para realizar a retifica
estrutura básica desta tecnologia para aerogeradores s
com retificador não controlado, conversor CC/CC boost
corrente contínua e um conversor
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o de corrente na rede funcionando como um inversor. Ele tem a fun
ência fixa do sistema elétrico. Já o conversor do lado do gerador controla
ncia convertida da turbina, funcionando como um retificador controlado, converte
vel em corrente contínua para o barramento CC intermedi
o provenientes de comandos PWM independentes.
No barramento CC, que conecta os conversores, um chopper de frenagem é utilizado para dissipar
xcedente do capacitor durante transitórios. O chopper é acionado cada vez que a tens
capacitor ultrapassa um determinado limite, equilibrando variações no fluxo de pot
tempo, evitando um aumento excessivo na tensão do barramento. O chopper
suportabilidade do aerogerador frente às faltas e pode ser considerado como um importante dispositivo
Ramos, 2010). Um filtro do tipo LC minimiza os harmônicos produzidos
chaveamento dos conversores. O diagrama simplificado dessa tecnologia está apresentado na Figura
Configuração do Gerador Síncrono com Conversores PWM
ncrono com Retificador a Diodos
a tecnologia de aerogerador estudada também é constituída de um gerador s
o um retificador a diodos. Sendo bastante difundido em todo o mundo, o
aerogerador fabricado pela empresa alemã Enercon caracteriza-se por apresentar geradores s
trica por bobina de campo, uma ponte retificadora a diodos, um chopper elevador de
o, barramento CC regulado e um conversor PWM conectado à rede elétrica. Esta tecnologia
ncia nominal superior a 2,0 MW, sendo que protótipos em potência elevada
se em fase de testes na Alemanha (Silva et al., 2006).
Comparada com as outras tecnologias com gerador síncrono, esta alternativa
sticas principais que as diferem: a presença de um gerador síncrono hexafásico e um conversor
do gerador para realizar a retificação CA-CC. A Figura
sica desta tecnologia para aerogeradores síncronos, onde se destacam o conversor est
o controlado, conversor CC/CC boost (elevador de tensão), dois barramentos de
nua e um conversor trifásico PWM.
44
____________________________________
tem a função de converter a
do gerador controla
retificador controlado, convertendo a energia
nua para o barramento CC intermediário. Os pulsos
utilizado para dissipar
acionado cada vez que a tensão no
es no fluxo de potência e, ao mesmo
opper aumenta a
considerado como um importante dispositivo
nicos produzidos pelo
apresentado na Figura 43.
Configuração do Gerador Síncrono com Conversores PWM
um gerador síncrono tendo
Sendo bastante difundido em todo o mundo, o
se por apresentar geradores síncronos
chopper elevador de
trica. Esta tecnologia
s em potência elevada
ncrono, esta alternativa apresenta duas
sico e um conversor
CC. A Figura 44 apresenta a
o conversor estático
o), dois barramentos de
_________________________________________________
Figura 44 Configuração de um Aerogerador Utilizando a Tecnologia Similar à Comercializada pela
Os dois barramentos de corrente cont
retificador a diodos opera a tens
CC regulada ou aproximadamente
comutação natural do lado do gerador el
que a tensão no primeiro barramento CC logo ap
O conversor CC-CC boost cumpre a fun
CC em função da velocidade de rota
convertida.
5.1.5 Gerador de Induçã
O gerador de indução duplamente alimentado (DFIG)
para aerogeradores que operam a velocidade vari
indução com rotor bobinado e, portanto, com alimenta
está solidamente ligado à rede atrav
por um conversor CA/CC/CA constru
si através de um circuito intermedi
como ilustra a Figura 45.
Essa configuração possibilita que o gerador de indu
velocidade dentro dos limites de opera
e supersíncrona. Essa tecnologia
abaixo, acima e, inclusive, na velocidade s
estabelecer tanto do rotor do gerador de indu
transferência de potência elétrica do circuito de rotor para a fonte de alimenta
que os conversores operem respectivamente nos modos de retifica
conversores são invertidos em suas fun
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Configuração de um Aerogerador Utilizando a Tecnologia Similar à Comercializada pela Enercon
Os dois barramentos de corrente contínua são de características diferentes:
opera a tensão CC variável, enquanto aquele próximo ao inversor opera com tens
CC regulada ou aproximadamente constante. Como esta tecnologia apresenta um retificador
do lado do gerador elétrico existe a necessidade de gerar tensões sempre
o no primeiro barramento CC logo após o retificador.
CC boost cumpre a função de elevar e regular a tensão para o segundo barramento
o da velocidade de rotação da turbina e, portanto, compatível com a pot
ção Duplamente Alimentado (DFIG)
o duplamente alimentado (DFIG) é uma das tecnologias
ue operam a velocidade variável. Esta tecnologia é composta de uma m
e, portanto, com alimentação através de anéis deslizantes onde o estator
rede através do transformador. O circuito de rotor, por sua vez,
por um conversor CA/CC/CA construído por duas pontes conversoras trifásicas PWM e conectadas entre
intermediário em corrente continua (barramento CC)(Mendes et al.,
o possibilita que o gerador de indução de dupla alimentação trabalhe variando a
velocidade dentro dos limites de operação impostos pela turbina eólica, isto é, em rota
ncrona. Essa tecnologia permite fornecer energia para a rede, com a má
abaixo, acima e, inclusive, na velocidade síncrona (Oliveira, 2004). O fluxo de pot
estabelecer tanto do rotor do gerador de indução para a rede elétrica como no sentido inverso. Para a
trica do circuito de rotor para a fonte de alimentação, faz
que os conversores operem respectivamente nos modos de retificação e invers
o invertidos em suas funções, o fluxo de potência também muda de sentido.
45
____________________________________
Configuração de um Aerogerador Utilizando a Tecnologia Similar à Comercializada pela
sticas diferentes: o próximo do
ximo ao inversor opera com tensão
constante. Como esta tecnologia apresenta um retificador à
es sempre superiores
o segundo barramento
vel com a potência a ser
uma das tecnologias mais competitivas
composta de uma máquina de
is deslizantes onde o estator
sua vez, é alimentado
sicas PWM e conectadas entre
rio em corrente continua (barramento CC)(Mendes et al., 2008),
o trabalhe variando a
, em rotação subsíncrona
áquina trabalhando
de potência pode se
trica como no sentido inverso. Para a
o, faz-se necessário
o e inversão. Quando os
m muda de sentido.
_________________________________________________
Figura 45 Sistema de um Aerogerador a Velocidade Variável Utilizando Gerador de Indução Duplamente
Uma estratégia de controle vetorial
de potência pelo rotor, gerando pulsos PWM independes
Transistor ). O conversor do lado da rede controla a tens
rotor. O conversor do lado do rotor controla a pot
utilizando uma estratégia de orienta
desacoplamento quase ideal entre os canais de controle de pot
A tecnologia com gerador de indu
velocidade variável, possuir menor impacto nas redes
em gaiola e apresentar conversores est
aerogerador, em torno de 30
representa um elo de fragilidade desses eixos, assim como no IG.
Nesta tecnologia também é
um chopper de frenagem que limi
(crowbar ) para limitar as correntes de rotor.
5.2. Distúrbios de Qualidade da Energia Elétrica
Nos últimos 20 anos, o crescimento vertiginoso do núm
como eólica e solar, agregou estes novos sistemas de geração ao moderno sistema de suprimento de
eletricidade no mundo, e afetou a interação entre os produtores tradicionais (termelétricas,
hidroelétricas e nucleares) e seus consumidores.
consumidores constitui uma via de sentido duplo que chamamos de “qualidade da energia”, apesar de
ser mais apropriado falar de “qualidade de tensão” [Gerdes e Santjer, 1996].
A qualidade da energia elétrica tem sido assunto
décadas, contudo o impacto da instalação de turbinas eólicas na rede elétrica é tema relativamente
recente. Vários entre os trabalhos publicados no país foram
usinas eólicas, principalmente a Usina do Morro do Camelinho (CEMIG) e a Usina de Taiba (COELCE).
Estes trabalhos enfocaram, em caráter experimental, a avaliação da qualidade da energia gerada [Silva
et alli, 1999 e Junior et alli, 1999] e já indicavam as
artefatos eólicos.
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Sistema de um Aerogerador a Velocidade Variável Utilizando Gerador de Indução Duplamente Alimentado
gia de controle vetorial é adotada para a realização do controle de inje
gerando pulsos PWM independes para os IGBT’s (Insulated Gate Bipolar
do lado da rede controla a tensão no barramento CC e a pot
rotor. O conversor do lado do rotor controla a potência ativa do rotor e a potência r
gia de orientação das grandezas segundo o fluxo de estator, garantindo um
ideal entre os canais de controle de potência ativa e reativa.
A tecnologia com gerador de indução duplamente alimentado é atrativa por ser uma tecnologia a
vel, possuir menor impacto nas redes elétricas que a tecnologia com gerador de indu
conversores estáticos de apenas uma fração da pot
% da mesma. A caixa de transmissão que une o gerador
representa um elo de fragilidade desses eixos, assim como no IG.
é previsto um filtro LCL para minimizar os harmônicos de ordem elevada,
um chopper de frenagem que limita a tensão do capacitor do barramento CC e um banco de resistores
as correntes de rotor.
Qualidade da Energia Elétrica
Nos últimos 20 anos, o crescimento vertiginoso do número de fontes renováveis de energia, tai
como eólica e solar, agregou estes novos sistemas de geração ao moderno sistema de suprimento de
eletricidade no mundo, e afetou a interação entre os produtores tradicionais (termelétricas,
hidroelétricas e nucleares) e seus consumidores. Esta interação entre o sistema de geração e
consumidores constitui uma via de sentido duplo que chamamos de “qualidade da energia”, apesar de
ser mais apropriado falar de “qualidade de tensão” [Gerdes e Santjer, 1996].
A qualidade da energia elétrica tem sido assunto de estudos desenvolvidos no Brasil há algumas
décadas, contudo o impacto da instalação de turbinas eólicas na rede elétrica é tema relativamente
recente. Vários entre os trabalhos publicados no país foram consequência da implantação das primeiras
ólicas, principalmente a Usina do Morro do Camelinho (CEMIG) e a Usina de Taiba (COELCE).
Estes trabalhos enfocaram, em caráter experimental, a avaliação da qualidade da energia gerada [Silva
et alli, 1999 e Junior et alli, 1999] e já indicavam as consequências do contínuo avanço tecnológico dos
46
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Sistema de um Aerogerador a Velocidade Variável Utilizando Gerador de Indução Duplamente
de injeção/consumo
para os IGBT’s (Insulated Gate Bipolar
o no barramento CC e a potência reativa do
ncia reativa do estator,
grandezas segundo o fluxo de estator, garantindo um
por ser uma tecnologia a
tricas que a tecnologia com gerador de indução
o da potência nominal do
o que une o gerador à turbina
nicos de ordem elevada,
capacitor do barramento CC e um banco de resistores
ero de fontes renováveis de energia, tais
como eólica e solar, agregou estes novos sistemas de geração ao moderno sistema de suprimento de
eletricidade no mundo, e afetou a interação entre os produtores tradicionais (termelétricas,
entre o sistema de geração e os
consumidores constitui uma via de sentido duplo que chamamos de “qualidade da energia”, apesar de
de estudos desenvolvidos no Brasil há algumas
décadas, contudo o impacto da instalação de turbinas eólicas na rede elétrica é tema relativamente
da implantação das primeiras
ólicas, principalmente a Usina do Morro do Camelinho (CEMIG) e a Usina de Taiba (COELCE).
Estes trabalhos enfocaram, em caráter experimental, a avaliação da qualidade da energia gerada [Silva
do contínuo avanço tecnológico dos
_________________________________________________
Atualmente existe um código de rede nacional que define os procedimentos e delimita os critérios
para conexão nas redes nacionais de usinas eólicas
favoreceu a instalação de novos equipamentos adequados à realidade nacional. Além disto, uma nova
edição da norma IEC61400-21 [2007] consolida os procedimentos de medição e de avaliação da
qualidade da energia em usinas eólicas.
Uma característica peculiar da eletricidade é sua impossibilidade de armazenamento na sua forma
própria. Tecnologias de armazenamento energético, tais como baterias, sistemas hidráulicos e células
de combustíveis, armazenam energia elétrica mas con
energia química, energia potencial ou hidrogênio.
quando o suprimento está disponível
aumenta ou quando o vento flui no local.
uma parcela modesta da capacidade total instalada
de renovável é fração significativa na quantidade de energia demandada pelo sistema. Logo com uma
maior penetração de turbinas eólicas na rede ou quando a turbina é instalada em locais de bons ventos
mas de fraca rede elétrica (baixa relação potência de curto
questões de qualidade da energia gerada atingem dimens
Próximo ao local de instalação, as
problemas associados à qualidade da energia em usinas eólicas.
de longa duração encontram-se
frequência de poucos Hz, podem produzir distúrbios significativos se sua amplitude ai
na escala de 0,3% ou em redes fracas.
que pode ser instalada.
Na seção seguinte é apresentada uma discussão sucinta sobre os parâmetros elétricos que
caracterizam os diversos distúrbios de qualidade da energia, tendo como f
ser causados por turbinas eólica
5.1.6 Nível de curto-circuito
O nível de potência de curto
robustez e, mesmo não sendo diretamente um indicador da qualidade da energia, afeta a esta
significativa. A capacidade da rede de absorver distúrbios está diretamente relacionada com o nível de
curto-circuito no ponto em questão, afinal a potência de curto
a impedância equivalente deste ponto.
Se variações de carga ou de geração ocorrem em um ponto do sistema elétrico, isto
variações na corrente que flui deste ou para este ponto, resultando em quedas de tensão sobre a
impedância do sistema e, logo, outros consumidores estarão sujeitos a v
redes fortes ou fracas são muito comuns nos procedimentos e critérios de c
eólicas. É obvio que se a impedância de curto
tensão serão altas e a rede elétrica é dita “fraca”, isto é, com baixa potência de curto
redes são fortes pequenas variações de tensão irão causar as variações na produção
Para uma dada instalação eólica de capacidade de potência instalada
curto-circuito RCC = Scc/Snom é uma medida de sua robustez relativa.
instalação se a RCC está acima de 20 a 25, enquanto
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ualmente existe um código de rede nacional que define os procedimentos e delimita os critérios
para conexão nas redes nacionais de usinas eólicas [ONS, 2008], com sua aprovação pela ANEEL muito
favoreceu a instalação de novos equipamentos adequados à realidade nacional. Além disto, uma nova
21 [2007] consolida os procedimentos de medição e de avaliação da
qualidade da energia em usinas eólicas.
r da eletricidade é sua impossibilidade de armazenamento na sua forma
própria. Tecnologias de armazenamento energético, tais como baterias, sistemas hidráulicos e células
de combustíveis, armazenam energia elétrica mas convertendo-a para outra forma e
energia química, energia potencial ou hidrogênio. Todas as fontes renováveis de energia produzem
quando o suprimento está disponível, por exemplo, na energia eólica quando a velocidade de vento
aumenta ou quando o vento flui no local. Isto tem pouca importância quando a quantidade de energia é
uma parcela modesta da capacidade total instalada mas torna-se um grande obstáculo quando a parcela
de renovável é fração significativa na quantidade de energia demandada pelo sistema. Logo com uma
r penetração de turbinas eólicas na rede ou quando a turbina é instalada em locais de bons ventos
mas de fraca rede elétrica (baixa relação potência de curto-circuito/potência da instalação eólica), as
questões de qualidade da energia gerada atingem dimensões extremamente restritivas.
Próximo ao local de instalação, as variações e flutuações de tensão constituem
à qualidade da energia em usinas eólicas. As tolerâncias para variações de tensão
se na faixa de aproximadamente ±10%. Contudo, flutuações de tensão na
de poucos Hz, podem produzir distúrbios significativos se sua amplitude ai
na escala de 0,3% ou em redes fracas. Isto constitui fator limitante para a quantidade d
Na seção seguinte é apresentada uma discussão sucinta sobre os parâmetros elétricos que
caracterizam os diversos distúrbios de qualidade da energia, tendo como foco os distúrbios que podem
eólicas ou que as afetam particularmente.
circuito
ncia de curto-circuito (Scc) de um dado local na rede elétrica é uma medida de sua
robustez e, mesmo não sendo diretamente um indicador da qualidade da energia, afeta a esta
A capacidade da rede de absorver distúrbios está diretamente relacionada com o nível de
circuito no ponto em questão, afinal a potência de curto-circuito é inversamente relacionada com
a impedância equivalente deste ponto.
Se variações de carga ou de geração ocorrem em um ponto do sistema elétrico, isto
variações na corrente que flui deste ou para este ponto, resultando em quedas de tensão sobre a
impedância do sistema e, logo, outros consumidores estarão sujeitos a variações de tensão.
redes fortes ou fracas são muito comuns nos procedimentos e critérios de conexão de instalações
É obvio que se a impedância de curto-circuito é alta, a queda de tensão é alta
ede elétrica é dita “fraca”, isto é, com baixa potência de curto
redes são fortes pequenas variações de tensão irão causar as variações na produção de energia.
o eólica de capacidade de potência instalada em MVA
é uma medida de sua robustez relativa. Uma rede é forte com respeito à
instalação se a RCC está acima de 20 a 25, enquanto se diz fraca se encontra abaixo de 8 a 10.
47
____________________________________
ualmente existe um código de rede nacional que define os procedimentos e delimita os critérios
[ONS, 2008], com sua aprovação pela ANEEL muito
favoreceu a instalação de novos equipamentos adequados à realidade nacional. Além disto, uma nova
21 [2007] consolida os procedimentos de medição e de avaliação da
r da eletricidade é sua impossibilidade de armazenamento na sua forma
própria. Tecnologias de armazenamento energético, tais como baterias, sistemas hidráulicos e células
a para outra forma energética, tal como
Todas as fontes renováveis de energia produzem
, por exemplo, na energia eólica quando a velocidade de vento
em pouca importância quando a quantidade de energia é
se um grande obstáculo quando a parcela
de renovável é fração significativa na quantidade de energia demandada pelo sistema. Logo com uma
r penetração de turbinas eólicas na rede ou quando a turbina é instalada em locais de bons ventos
circuito/potência da instalação eólica), as
ões extremamente restritivas.
constituem os principais
As tolerâncias para variações de tensão
±10%. Contudo, flutuações de tensão na
de poucos Hz, podem produzir distúrbios significativos se sua amplitude ainda encontra-se
Isto constitui fator limitante para a quantidade de energia eólica
Na seção seguinte é apresentada uma discussão sucinta sobre os parâmetros elétricos que
oco os distúrbios que podem
de um dado local na rede elétrica é uma medida de sua
robustez e, mesmo não sendo diretamente um indicador da qualidade da energia, afeta a esta de forma
A capacidade da rede de absorver distúrbios está diretamente relacionada com o nível de
circuito é inversamente relacionada com
Se variações de carga ou de geração ocorrem em um ponto do sistema elétrico, isto causa
variações na corrente que flui deste ou para este ponto, resultando em quedas de tensão sobre a
ariações de tensão. Os termos
onexão de instalações
circuito é alta, a queda de tensão é alta e as variações de
ede elétrica é dita “fraca”, isto é, com baixa potência de curto-circuito. Se as
de energia.
(Snom), a razão de
Uma rede é forte com respeito à
se diz fraca se encontra abaixo de 8 a 10.
_________________________________________________
Dependendo do tipo do sistema
sucesso em redes ditas fracas. Cuidado adicional deve se ter com instalaç
unidades de turbinas eólicas e com t
redes fracas, tendo em vista que poucas unidades são mais perturbadoras que usinas com grande
número de turbinas.
5.1.7 Flutuações de Tensão
As flutuações de tensão causadas pelo consumo ou produção de energia variável é a mais comum
causa de reclamações de qualidade d
de soldas elétricas, fornos e a partida
faixa de 10% podem não perturbar e
3%, embora visíveis ao olho nu.
cintilação luminosa, conhecida como “flicker”, que representa uma flutuação no fluxo luminoso de
lâmpadas incandescentes que produzem uma série de efeitos fisi
A avaliação destas flutuações de tensão utilizam p
quase todo mundo e no Brasil, seus níveis e procedimentos de medição são definidos no
2.8 dos Procedimentos de Rede [ONS, 2008].
As flutuações de tensão produzidas pela operação de turbinas eólicas são c
formas [Pinheiro et alli, 2005]:
• Emissões devido a operação continua;
• Emissões devido a operações chaveadas.
As emissões devido a operação con
variações normais de vento e aos fenômenos cíclicos devido ao movimento das pás frente à torre de
sustentação e ao posicionamento em alturas diversas. As emissões por operação chaveada são função
da entrada e saída de unidades geradoras e de dispositivos de compensação de reativos, frente a
regimes de vento não uniformes de uma usina eólica.
Uma vez identificadas as causas do fenômeno de “flícker” em usinas eólicas, faz
apontar fatores que apresentem influência direta sobre a severidade do fenômeno. Uma vez que o
fenômeno de “flicker” apresenta causas inerentes ao processo e que, via de regra, são de difícil
mitigação, outros fatores devem ser apontados, de forma a contribuir de forma efet
do problema. Dentre as várias soluções apresentadas na literatura sobre o tema, algumas merecem
destaque:
- Conexão da central eólica em pontos com elevada razão de curto
localização de uma usina eólica é determinad
médios de vento locais desejáveis, não ocorrendo estes, via de regra, em pontos do
sistema elétrico de elevada potência de curto
- Instalação de centrais eólicas com tecnologias que operem à velocidade variá
que estas, devido a suas características construtivas e operacionais são mais robustas.
- Utilização dos conversores estáticos existentes nas usinas eólicas como compensadores
estáticos de reativos para o sistema elétrico.
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Dependendo do tipo do sistema de geração que compõe a turbina eólica, este poderá operar com
Cuidado adicional deve se ter com instalação de uma única ou
unidades de turbinas eólicas e com tecnologias não adequadamente projetadas para operarem em
tendo em vista que poucas unidades são mais perturbadoras que usinas com grande
Flutuações de Tensão
As flutuações de tensão causadas pelo consumo ou produção de energia variável é a mais comum
causa de reclamações de qualidade da energia. Grandes distúrbios podem ser causados pela operação
de soldas elétricas, fornos e a partida frequente de motores elétricos. Lentas variações de tensão na
faixa de 10% podem não perturbar e nem aquelas variações infrequentes (poucas vezes ao dia
3%, embora visíveis ao olho nu. Pequenas e rápidas flutuações de tensão geralmente produzem
cintilação luminosa, conhecida como “flicker”, que representa uma flutuação no fluxo luminoso de
lâmpadas incandescentes que produzem uma série de efeitos fisiológicos desagradáveis ao ser humano.
A avaliação destas flutuações de tensão utilizam procedimentos constantes em normas aceitas em
quase todo mundo e no Brasil, seus níveis e procedimentos de medição são definidos no
ede [ONS, 2008].
As flutuações de tensão produzidas pela operação de turbinas eólicas são classificadas em duas
Emissões devido a operação continua;
Emissões devido a operações chaveadas.
As emissões devido a operação contínua são oriundas do funcionamento da turbina frente a
variações normais de vento e aos fenômenos cíclicos devido ao movimento das pás frente à torre de
sustentação e ao posicionamento em alturas diversas. As emissões por operação chaveada são função
ntrada e saída de unidades geradoras e de dispositivos de compensação de reativos, frente a
regimes de vento não uniformes de uma usina eólica.
Uma vez identificadas as causas do fenômeno de “flícker” em usinas eólicas, faz
apresentem influência direta sobre a severidade do fenômeno. Uma vez que o
fenômeno de “flicker” apresenta causas inerentes ao processo e que, via de regra, são de difícil
mitigação, outros fatores devem ser apontados, de forma a contribuir de forma efet
do problema. Dentre as várias soluções apresentadas na literatura sobre o tema, algumas merecem
Conexão da central eólica em pontos com elevada razão de curto-circuito. Entretanto, a
localização de uma usina eólica é determinada, sobretudo, pela ocorrência de valores
médios de vento locais desejáveis, não ocorrendo estes, via de regra, em pontos do
sistema elétrico de elevada potência de curto-circuito.
Instalação de centrais eólicas com tecnologias que operem à velocidade variá
que estas, devido a suas características construtivas e operacionais são mais robustas.
Utilização dos conversores estáticos existentes nas usinas eólicas como compensadores
estáticos de reativos para o sistema elétrico.
48
____________________________________
eólica, este poderá operar com
o de uma única ou de poucas
ecnologias não adequadamente projetadas para operarem em
tendo em vista que poucas unidades são mais perturbadoras que usinas com grande
As flutuações de tensão causadas pelo consumo ou produção de energia variável é a mais comum
Grandes distúrbios podem ser causados pela operação
Lentas variações de tensão na
poucas vezes ao dia) acima de
geralmente produzem
cintilação luminosa, conhecida como “flicker”, que representa uma flutuação no fluxo luminoso de
ológicos desagradáveis ao ser humano.
rocedimentos constantes em normas aceitas em
quase todo mundo e no Brasil, seus níveis e procedimentos de medição são definidos no Sub-módulo
lassificadas em duas
tínua são oriundas do funcionamento da turbina frente a
variações normais de vento e aos fenômenos cíclicos devido ao movimento das pás frente à torre de
sustentação e ao posicionamento em alturas diversas. As emissões por operação chaveada são função
ntrada e saída de unidades geradoras e de dispositivos de compensação de reativos, frente a
Uma vez identificadas as causas do fenômeno de “flícker” em usinas eólicas, faz-se relevante
apresentem influência direta sobre a severidade do fenômeno. Uma vez que o
fenômeno de “flicker” apresenta causas inerentes ao processo e que, via de regra, são de difícil
mitigação, outros fatores devem ser apontados, de forma a contribuir de forma efetiva para a redução
do problema. Dentre as várias soluções apresentadas na literatura sobre o tema, algumas merecem
circuito. Entretanto, a
a, sobretudo, pela ocorrência de valores
médios de vento locais desejáveis, não ocorrendo estes, via de regra, em pontos do
Instalação de centrais eólicas com tecnologias que operem à velocidade variável, uma vez
que estas, devido a suas características construtivas e operacionais são mais robustas.
Utilização dos conversores estáticos existentes nas usinas eólicas como compensadores
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5.1.8 Harmônicos
Os harmônicos constituem um fenômeno associado à distorção de forma de onda das tensões da
rede, distanciando do seu format
O conceito remete ao desenvolvimento do matemático francês Josef Fourier que no início do
século 19, descobriu que uma função
frequências diferentes da frequência
As distorções harmônicas são pro
dependendo da ordem da frequência
equipamentos elétricos. Todos os harmônicos produzem crescimento da amplitude das correntes e
possível sobreaquecimento destrutivo
danos a circulação de correntes harmônicas provoca em diversos equipamentos: sobreaquecimento de
conexões em delta, aumento expressivo em correntes no condutor de neutro em sistemas trifásicos,
ruído em circuitos analógicos de telef
Conversores estáticos antigos, baseados em tecnologia a tiristores,
de harmônicos. Os novos projetos de conversores baseados em IGBT’s ou o
dispositivos semicondutores modernos são utiliza
a velocidade variável. O método de comutação destes conversores utilize uma técnica de comando
conhecida por “Pulse Width Modulation”
chaves semicondutores a muitos chaveamentos em cada período, produzindo harmônicos em
frequências bem mais altas que os antigos equipamentos, isto é, normalmente acima de 2kHz.
harmônicos de mais alta ordem são menores em amplitude e mais fáceis de serem
passivos.
As distorções por harmônicos é um problema das tecnologias que utilizam conversores de
frequência em sua operação de chaveamento. Nas máquinas de indução duplamente alimentadas, que
utilizam conversores alimentando o circuito de ro
(aproximadamente 1/3 da potência total da turbina) passa através dos conversores, enquanto nas
máquinas síncronas, que utilizam conversores em
forma, a tecnologia que utiliza conversores em
distorções harmônicas para uma mesma potência gerada.
Ambas as topologias têm em comum o fato de usar conversores eletrônicos (PWM) que
programam a modulação por largura
variável e adaptação dos limites fator de potência.
No entanto, esta topologia caus
por largura de pulso e inter-harmônicos devido a n
conversor, desequilíbrios do sistema e reflexões entre estator e rotor (como na máquina duplamente
alimentada).
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os constituem um fenômeno associado à distorção de forma de onda das tensões da
rede, distanciando do seu formato ideal senoidal.
O conceito remete ao desenvolvimento do matemático francês Josef Fourier que no início do
século 19, descobriu que uma função periódica pode ser expressa como uma soma de senóides com
frequência fundamental da própria onda original e múltiplas inteiras desta
As distorções harmônicas são produzidas por diversos tipos de equipamen
frequência harmônica podem produzir diferentes tipos de danos em outros
Todos os harmônicos produzem crescimento da amplitude das correntes e
possível sobreaquecimento destrutivo em capacitores instalados no sistema elétrico.
danos a circulação de correntes harmônicas provoca em diversos equipamentos: sobreaquecimento de
conexões em delta, aumento expressivo em correntes no condutor de neutro em sistemas trifásicos,
circuitos analógicos de telefonia, entre outros.
Conversores estáticos antigos, baseados em tecnologia a tiristores, produzem grande quantidade
Os novos projetos de conversores baseados em IGBT’s ou outras tecnologias de
dispositivos semicondutores modernos são utilizados na maioria dos projetos de sistemas de conversão
O método de comutação destes conversores utilize uma técnica de comando
conhecida por “Pulse Width Modulation” – PWM ( Modulação por Largura de Pulsos), o q
ndutores a muitos chaveamentos em cada período, produzindo harmônicos em
bem mais altas que os antigos equipamentos, isto é, normalmente acima de 2kHz.
harmônicos de mais alta ordem são menores em amplitude e mais fáceis de serem removido
As distorções por harmônicos é um problema das tecnologias que utilizam conversores de
em sua operação de chaveamento. Nas máquinas de indução duplamente alimentadas, que
alimentando o circuito de rotor, apenas uma pequena parcela da potência
(aproximadamente 1/3 da potência total da turbina) passa através dos conversores, enquanto nas
que utilizam conversores em estator, toda potência passa pelos conversores. Desta
ogia que utiliza conversores em plena potência são maiores os impactos causados pelas
distorções harmônicas para uma mesma potência gerada.
Ambas as topologias têm em comum o fato de usar conversores eletrônicos (PWM) que
programam a modulação por largura de pulso, estratégia que permite a operação com velocidade
variável e adaptação dos limites fator de potência.
No entanto, esta topologia causa harmônicos característicos inerentes ao processo de modulação
harmônicos devido a não idealidade da forma de onda da tensão do
desequilíbrios do sistema e reflexões entre estator e rotor (como na máquina duplamente
49
____________________________________
os constituem um fenômeno associado à distorção de forma de onda das tensões da
O conceito remete ao desenvolvimento do matemático francês Josef Fourier que no início do
periódica pode ser expressa como uma soma de senóides com
fundamental da própria onda original e múltiplas inteiras desta.
uzidas por diversos tipos de equipamentos elétricos e
harmônica podem produzir diferentes tipos de danos em outros
Todos os harmônicos produzem crescimento da amplitude das correntes e
elétrico. Vários outros
danos a circulação de correntes harmônicas provoca em diversos equipamentos: sobreaquecimento de
conexões em delta, aumento expressivo em correntes no condutor de neutro em sistemas trifásicos,
produzem grande quantidade
utras tecnologias de
dos na maioria dos projetos de sistemas de conversão
O método de comutação destes conversores utilize uma técnica de comando
PWM ( Modulação por Largura de Pulsos), o que leva as
ndutores a muitos chaveamentos em cada período, produzindo harmônicos em
bem mais altas que os antigos equipamentos, isto é, normalmente acima de 2kHz. Estes
removidos por filtros
As distorções por harmônicos é um problema das tecnologias que utilizam conversores de
em sua operação de chaveamento. Nas máquinas de indução duplamente alimentadas, que
apenas uma pequena parcela da potência
(aproximadamente 1/3 da potência total da turbina) passa através dos conversores, enquanto nas
toda potência passa pelos conversores. Desta
são maiores os impactos causados pelas
Ambas as topologias têm em comum o fato de usar conversores eletrônicos (PWM) que
de pulso, estratégia que permite a operação com velocidade
a harmônicos característicos inerentes ao processo de modulação
ão idealidade da forma de onda da tensão do
desequilíbrios do sistema e reflexões entre estator e rotor (como na máquina duplamente
_________________________________________________
Figura 46 Tecnologias responsáveis pelos distú
Figura 47 Corrente de saída distorcida devido à frequ
O dispositivo semicondutor usualmente utilizado para integrar os conversores é o
Gate Bipolar Transistor), por ser um dispositivo totalmente controlável, e por apresentar uma potência
de saída elevada a uma faixa de
semicondutores. A frequência
dependendo da potência do conversor
O comando de inversores utilizando modulação por largura de pulso tem como objetivo principal
minimizar as distorções em frequências
mais significativas passem a estar localizadas na região da
assim, os custos com filtros, que passam a poder possuir
Normalmente são usados os filtros
frequências próximas à frequência
penetração de harmônicos na ordem da
permitidos para o fornecimento de energia.
Corrente (A)
I1
G
Retificador no estator
Gerador síncrono
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Tecnologias responsáveis pelos distúrbios harmônicos
saída distorcida devido à frequência de chaveamento dos elementos dos
inversores
O dispositivo semicondutor usualmente utilizado para integrar os conversores é o
Gate Bipolar Transistor), por ser um dispositivo totalmente controlável, e por apresentar uma potência
de saída elevada a uma faixa de frequência de chaveamento bastante ampla, se comparada com outros
de chaveamento dos inversores a IGBT’s pode che
ncia do conversor.
O comando de inversores utilizando modulação por largura de pulso tem como objetivo principal
frequências baixas. A utilização do PWM faz com as frequências
s passem a estar localizadas na região da frequência de chaveamento, minimizando,
assim, os custos com filtros, que passam a poder possuir frequências de corte mais elevadas.
malmente são usados os filtros L série, LC ou LCL série-paralelo ou filtros sintonizados nas
frequência de chaveamento. Estes filtros são fundamentais para minimizar a
penetração de harmônicos na ordem da frequência de chaveamento na rede elétrica a valores
tidos para o fornecimento de energia.
T
I2 I3
Inversor na rede
ncrono
D
Retificador no rotor
Inversor na rede
Gerador de indução duplamente
50
____________________________________
ência de chaveamento dos elementos dos
O dispositivo semicondutor usualmente utilizado para integrar os conversores é o IGBT (Insulated
Gate Bipolar Transistor), por ser um dispositivo totalmente controlável, e por apresentar uma potência
de chaveamento bastante ampla, se comparada com outros
a IGBT’s pode chegar a 10kHz,
O comando de inversores utilizando modulação por largura de pulso tem como objetivo principal
frequências de distorção
de chaveamento, minimizando,
de corte mais elevadas.
paralelo ou filtros sintonizados nas
de chaveamento. Estes filtros são fundamentais para minimizar a
de chaveamento na rede elétrica a valores
Inversor na rede
o duplamente
_________________________________________________
5.1.9 Suportabilidade a Afundamentos de Tensão
Além dos distúrbios destacados anteriormente, outros devem ser considerados quando planeja
a conexão de aerogeradores em redes fracas:
- Variações de tensão: Este é um tema de
tanto quando aplicado a sistemas industriais, quanto em sistemas de geração distribuída.
Neste caso, a ênfase de investigação situa
tecnologia em aerogeradores frente a afund
- Desequilíbrios de tensão: O desequilíbrio de tensão se caracteriza pelo aparecimento de
tensões de sequencia
conectados à rede e os sistemas de sincronismo com a
presentes nos modernos sistemas de conversão a velocidade variável.
- Ilhamento: O desligamento de redes elétricas por ação de proteção ou por manobra
podem isolar os sistemas de geração e uma parcela de consumidores criando u
fornecimento/consumo de energia elétrica, onde o desequilíbrio entre oferta e demanda
produzem distorções danosas de tensão e de
Um sistema de conversão de energia eólica pode tanto ser um gerador de distúrbios na rede
elétrica, isto é, causador de fenôme
distorção harmônica, entre outros, quanto sofrer o efeito de dist
estes, o efeito dos afundamentos moment
Segundo os Procedimentos de Rede, subm
valor eficaz da tensão atinge a faixa entre
a um ciclo (16,67 ms) e menor ou igual a 3 segundos. Estes
de variação de tensão de curta dura
Define-se que a amplitude da VTCD
relação à tensão nominal do sistema no
VTCD é o intervalo de tempo decorrido entre o instante em que o valor eficaz da tens
tensão nominal do sistema no ponto considerado ultrapassa determinado
essa variável volta a cruzar esse limite (ONS, 2008).
A Figura 48 ilustra um afundamento de tensão, resultante de falta trifásica, com duração de
500ms e com amplitude para 50%.
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Suportabilidade a Afundamentos de Tensão
Além dos distúrbios destacados anteriormente, outros devem ser considerados quando planeja
a conexão de aerogeradores em redes fracas:
Variações de tensão: Este é um tema destacadamente estudado nos últimos 10 anos,
tanto quando aplicado a sistemas industriais, quanto em sistemas de geração distribuída.
Neste caso, a ênfase de investigação situa-se na sensibilidade de uma determinada
tecnologia em aerogeradores frente a afundamentos equilibrados e desequilibrados.
Desequilíbrios de tensão: O desequilíbrio de tensão se caracteriza pelo aparecimento de
sequencia negativa que afetam os sistemas de geração diretamente
conectados à rede e os sistemas de sincronismo com a rede dos conversores estáticos
presentes nos modernos sistemas de conversão a velocidade variável.
Ilhamento: O desligamento de redes elétricas por ação de proteção ou por manobra
podem isolar os sistemas de geração e uma parcela de consumidores criando u
fornecimento/consumo de energia elétrica, onde o desequilíbrio entre oferta e demanda
produzem distorções danosas de tensão e de frequência.
Um sistema de conversão de energia eólica pode tanto ser um gerador de distúrbios na rede
é, causador de fenômenos de qualidade de energia como as flutuações de tensão (fl
nica, entre outros, quanto sofrer o efeito de distúrbios existentes na rede elétrica
o efeito dos afundamentos momentâneos de tensão (AMT) em sistemas de gera
Segundo os Procedimentos de Rede, submódulo 2.8 (ONS, 2008), um AMT é um evento em que o
o atinge a faixa entre 10% e 90% da tensão nominal e cuja duraçã
menor ou igual a 3 segundos. Estes eventos estão incluídos entre os fen
duração (VTCD).
se que a amplitude da VTCD é definida pelo valor extremo do valor eficaz da tens
o nominal do sistema no ponto considerado, enquanto perdurar o evento. A dura
de tempo decorrido entre o instante em que o valor eficaz da tens
o nominal do sistema no ponto considerado ultrapassa determinado limite e o instante em qu
vel volta a cruzar esse limite (ONS, 2008).
ilustra um afundamento de tensão, resultante de falta trifásica, com duração de
500ms e com amplitude para 50%.
51
____________________________________
Além dos distúrbios destacados anteriormente, outros devem ser considerados quando planeja-se
stacadamente estudado nos últimos 10 anos,
tanto quando aplicado a sistemas industriais, quanto em sistemas de geração distribuída.
se na sensibilidade de uma determinada
amentos equilibrados e desequilibrados.
Desequilíbrios de tensão: O desequilíbrio de tensão se caracteriza pelo aparecimento de
negativa que afetam os sistemas de geração diretamente
rede dos conversores estáticos
Ilhamento: O desligamento de redes elétricas por ação de proteção ou por manobra
podem isolar os sistemas de geração e uma parcela de consumidores criando uma ilha de
fornecimento/consumo de energia elétrica, onde o desequilíbrio entre oferta e demanda
Um sistema de conversão de energia eólica pode tanto ser um gerador de distúrbios na rede
as flutuações de tensão (flicker),
existentes na rede elétrica. Entre
) em sistemas de geração se destaca.
um evento em que o
ção é maior ou igual
dos entre os fenômenos
valor eficaz da tensão em
considerado, enquanto perdurar o evento. A duração da
de tempo decorrido entre o instante em que o valor eficaz da tensão em relação à
e o instante em que
ilustra um afundamento de tensão, resultante de falta trifásica, com duração de
_________________________________________________
Figura
Um AMT pode ser causado por curtos
(Mendes, 2009). Eles são classificados como fase
dependendo de como as fases do sistema
atinge as usinas eólicas, pois podem ser causados por faltas que ocorrem em pontos nas barras
transmissão a centenas de quilô
da sua origem, o perfil do AMT p
uma recuperação mais suave. Tamb
fase da tensão, durante o afundamento.
Em vários países, os operadores do sistema el
de usinas eólicas à rede elétrica. Estes crit
usinas frente a faltas (“ride-through fault capability“ ou RTF) (Erlich and Bachmann, 2005), isto
capacidade de manter-se conectadas
em vários paises, um requisito de suportabilidade
apresentado na Figura 49, buscando garantias para a manuten
estabilidade do sistema elétrico. Nesta figura o eixo x representa a dura
a tensão remanescente no PCC e a regi
conectada à rede. Os requisitos
turbinas eólicas, são muito mais abrangentes e tratam a gera
convencional.
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Figura 48 Afundamento de tensão trifásico para 50%
Um AMT pode ser causado por curtos-circuitos, sobrecargas e pela partida de grandes motores
o classificados como fase-terra, fase-fase, fase-fase-terra ou trif
dependendo de como as fases do sistema são afetadas. Esse é um fenômeno que freq
licas, pois podem ser causados por faltas que ocorrem em pontos nas barras
ômetros do ponto de conexão da usina com a rede elé
o perfil do AMT pode ser diferente, caracterizando-se por uma qued
o mais suave. Também podem ocorrer saltos de fase, isto é, mudanç
o, durante o afundamento.
ses, os operadores do sistema elétrico têm desenvolvido critérios para a integra
trica. Estes critérios agregam, entre outros requisitos, a suportabilidade de
through fault capability“ ou RTF) (Erlich and Bachmann, 2005), isto
se conectadas à rede durante AMT´s no ponto de conexão (PCC). No Brasil, como
, um requisito de suportabilidade frente a AMT´s foi proposto pelo ONS, e
, buscando garantias para a manutenção da qualidade da energia e da
trico. Nesta figura o eixo x representa a duração do afundamento, o eixo y
o remanescente no PCC e a região hachurada caracteriza a exigência da usina manter
rede. Os requisitos presentes nos códigos de rede mais modernos, no que se refere
o muito mais abrangentes e tratam a geração eólica cada vez mais
52
____________________________________
de grandes motores
terra ou trifásicos,
meno que frequentemente
licas, pois podem ser causados por faltas que ocorrem em pontos nas barras de
étrica. Dependendo
se por uma queda inicial brusca e
é, mudanças no ângulo de
rios para a integração
agregam, entre outros requisitos, a suportabilidade de
through fault capability“ ou RTF) (Erlich and Bachmann, 2005), isto é, a
ão (PCC). No Brasil, como
frente a AMT´s foi proposto pelo ONS, e é
lidade da energia e da
afundamento, o eixo y é
ncia da usina manter-se
digos de rede mais modernos, no que se refere às
lica cada vez mais como uma usina
_________________________________________________
Figura 49 Curva de suportabilidade requerida pelo códi
Um passo importante para a verifica
normalização de testes proposta pela norma IEC
contempla questões relacionadas ao comportamento de
que testes devem ser conduzidos
e para níveis e tipos de afundamentos
e que tipo de gerador de afundamento de tensão que deve ser utilizado, como ilustra a Figura
Figura 50 Gerador de afundamento de tensão sugerido pela norma IEC61400
Assim o universo de distúrbios de qualidade da energia é amplo e pode en
ou específica determinadas tecnologias, o que alerta os projetistas para uma nova orientação de seus
equipamentos conectados a redes elétricas.
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Curva de suportabilidade requerida pelo código de rede brasileiro
Um passo importante para a verificação dos impactos dos aerogeradores
o de testes proposta pela norma IEC61400-21 (IEC,2007) e sua recente revis
es relacionadas ao comportamento de aerogeradores durante AMT’s. É
que testes devem ser conduzidos para os aerogeradores operando a 20% e a 100% da pot
veis e tipos de afundamentos. Além disto, esta norma sugere a forma de procedimento do teste
rador de afundamento de tensão que deve ser utilizado, como ilustra a Figura
Gerador de afundamento de tensão sugerido pela norma IEC61400
Assim o universo de distúrbios de qualidade da energia é amplo e pode envolver de forma genérica
ou específica determinadas tecnologias, o que alerta os projetistas para uma nova orientação de seus
equipamentos conectados a redes elétricas.
53
____________________________________
go de rede brasileiro
o dos impactos dos aerogeradores na rede foi a
recente revisão. Esta
geradores durante AMT’s. É especificado
para os aerogeradores operando a 20% e a 100% da potência nominal
. Além disto, esta norma sugere a forma de procedimento do teste
rador de afundamento de tensão que deve ser utilizado, como ilustra a Figura 50.
Gerador de afundamento de tensão sugerido pela norma IEC61400-21
volver de forma genérica
ou específica determinadas tecnologias, o que alerta os projetistas para uma nova orientação de seus
_________________________________________________
6. Considerações Finais
Este documento foi concebido para consolidar a disciplina de Tec
oferecida no âmbito do Curso de Especialização em Energia Eólica, sobre a responsabilidade da
Universidade Federal do Rio Grande do Norte e com o apoio do Centro de Tecnologias do Gás e Energias
Renováveis.
Busca-se situar o estado da arte de tecnologias em sistemas de geração de energia elétrica que
compõem os modernos aerogeradores
desempenho energético e da qualidade da energia elétrica
Este texto, contudo não pode ser consi
atual e vários desenvolvimentos
bibliográficas fornecidas devem ser consideradas para uma compreensão mais completa do tema.
7. Referências Bibliográficas
[1] ACHILLES, S. & PÖLLER, M.,
Wind Farms, site www.digsilent.de
[2] AKHAMATOV, V. Analysis of Dynamic Behaviour of Electric Power Syst
Wind Power, PhD Thesis, Technical University of Denmark, 2003.
[3] ANAYA-LARA, O.; JENKINS, N.
[4] BARBOSA, A. L. B.; Sistema de Geração de Energia Elétrica a Velocidade Va
(Mestrado em Engenharia Elétrica)
[5] BAROUDI, J.A. DINAVAHI, V.
Generators, Electric Machines and Drives, 2005 IEEE International Conference,
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[6] BLAABJERG, F. AND CHEN, Z.;
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[7] BOULAXIS, N.G., PAPATHANASSIOU, S.A. e PAPADOPOU
Voltage Profile of Distribution Network
[8] BOUTSIKA, T.H. & PAPATHANASSIOU, S.A.;
Generation. Electric Power Systems Research, Vol. 78, No. 7, July 2008, pp. 1181
[9] CHEN, Y.; PILLAY, P.; KHAN, A.;
Applications, Volume 41, Issue 6, Nov.
_____________________________________________________________________________________
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Considerações Finais
Este documento foi concebido para consolidar a disciplina de Tecnologias de Aerogeradores
oferecida no âmbito do Curso de Especialização em Energia Eólica, sobre a responsabilidade da
Universidade Federal do Rio Grande do Norte e com o apoio do Centro de Tecnologias do Gás e Energias
do da arte de tecnologias em sistemas de geração de energia elétrica que
compõem os modernos aerogeradores e contextualizar estes equipamentos nos aspectos de
desempenho energético e da qualidade da energia elétrica.
não pode ser considerado documento conclusivo tendo em vista que o tema é
atual e vários desenvolvimentos encontram-se em realização no Mundo e no Brasil. Assim as referências
bibliográficas fornecidas devem ser consideradas para uma compreensão mais completa do tema.
rências Bibliográficas
ACHILLES, S. & PÖLLER, M., Direct Drive Synchronous Machine Models for Stability Assessment of
www.digsilent.de
Analysis of Dynamic Behaviour of Electric Power Systems with Large Amount of
, PhD Thesis, Technical University of Denmark, 2003.
LARA, O.; JENKINS, N. & ALL, Wind Energy Generation: Modelling and Control
Sistema de Geração de Energia Elétrica a Velocidade Va
(Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Minas Gerais, 1996.
DINAVAHI, V. KNIGHT, A.M., A Review of Power Converter Topologies for Wind
Electric Machines and Drives, 2005 IEEE International Conference,
BLAABJERG, F. AND CHEN, Z.; Power Electronics for Modern Wind Turbines; Morgan & Claypool,
BOULAXIS, N.G., PAPATHANASSIOU, S.A. e PAPADOPOULOS, M.P., Wind Turbine Effect on the
Voltage Profile of Distribution Network, Renewable Energy, 25, 2002, p.401-415.
BOUTSIKA, T.H. & PAPATHANASSIOU, S.A.; Short Circuit Calculations in Networks wi
. Electric Power Systems Research, Vol. 78, No. 7, July 2008, pp. 1181-
CHEN, Y.; PILLAY, P.; KHAN, A.; PM Wind Generator Topologies. IEEE Transactions on Industry
Applications, Volume 41, Issue 6, Nov.-Dec. 2005 Page(s): 1619 – 1626.
54
____________________________________
nologias de Aerogeradores
oferecida no âmbito do Curso de Especialização em Energia Eólica, sobre a responsabilidade da
Universidade Federal do Rio Grande do Norte e com o apoio do Centro de Tecnologias do Gás e Energias
do da arte de tecnologias em sistemas de geração de energia elétrica que
e contextualizar estes equipamentos nos aspectos de
derado documento conclusivo tendo em vista que o tema é
em realização no Mundo e no Brasil. Assim as referências
bibliográficas fornecidas devem ser consideradas para uma compreensão mais completa do tema.
Direct Drive Synchronous Machine Models for Stability Assessment of
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