1

GERADOR EÓLICO

Fredemar Rüncos, Engenheiro Eletricista e Físico, formadopela UFPR, Pós-Graduação em Máquinas Elétricas Girantespela UFSC. Exerce a função de Gerente da Engenharia deProduto da WEG Máquinas, onde são projetados e fabricadosMáquinas de Corrente Contínua, Máquinas Síncronas eMáquinas Assíncronas de Grande Porte de Baixa e AltaTensão. Atualmente é Mestrando na área de DispositivosEletromagnéticos pela UFSC.

RESUMO (ABSTRACT):

O vento é o resultado do movimento de massas dear ao redor da superfície da globo, provocado pordiferenças de temperatura e pressão. A energiamecânica dessas massas de ar constitui uma imensafonte de energia natural que pode facilmente sertransformada em energia elétrica através dosgeradores eólicos.O presente trabalho mostra o funcionamento, emregime gerador, da Máquina Assíncrona Trifásica.O gerador é uma máquina de indução constituídade dois enrolamentos trifásicos, um no estator eoutro no rotor.Através de uma tensão adequadamente imposta aocircuito rotórico, mostra-se que é possível controlaro torque (velocidade) e o fator de potência damáquina, funcionando como gerador.Na parte final do presente trabalho é mostrado umpanorama da energia eólica no mundo e no Brasil etambém uma sugestão para otimização de umsistema de energia elétrica, aproveitandoadequadamente as diversas fontes naturais deenergia disponíveis.

1. INTRODUÇÃO

Desde o início do desenvolvimento industrial, semprese procurou desenvolver novas tecnologias deacionamento elétri co. Primeiro apareceu o motor deCC, surgindo em seguida o motor síncrono. No finaldo século passado foi inventado o motor assíncronotrifásico o qual representou um grande avanço noacionamento industrial.Porém, cada vez mais, o desenvolvimento industrialexigia controles mais precisos de velocidade.Hoje, com o desenvolvimento da eletrônica e com asnovas tecnologias de fabricação de máquinaselétricas girant es, essa necessidade industrial ésatisfatoriamente atendida. Com a competitividade énecessário, além de bons acionamentos, se teracionamento com custos reduzidos.Na área de geração elét rica não se exigiaacionamentos com variação de velocidade. AMáquina Síncrona trabalhando num ponto comrotação fixa, atendia a necessidade de geraçãoelétrica.

Porém, atualmente, com o custo da energia crescendoe a conscientização de preservar o meio ambiente, emtodo o planeta é feita pesquisa no sentido dedesenvolver acionamentos elétricos (MÁQUINA +ELETRÔNICA) que permitam gerar energia elétricaem uma ampla faixa de velocidade. Esta flexibilidadepermite o aproveitamento de formas alternativas deenergia, ajudando a preservar o meio ambiente.Na geração eólica para maximizar apotência na turbina é necessário queela opere numa faixa de rotação daordem de ± 30% em torno da rotaçãosíncrona. A máquina assíncrona atendemuito bem essa exigência quandoapresenta no rotor um enrolamentotrifásico através do qual é possível seimpor uma tensão de controle.Uma grande vantagem é que a potêncianecessária do conversor é da ordem de30% da potência nominal do geradorreduzindo bastante o custo do conjuntogerador + conversor.Em geral os acionamentos elétricospodem ser classificados como:

1.1 MÁQUINAS COM EXCITAÇÃOÚNICA

Esse tipo de máquina é constituído porum enrolamento eletricamenteconectado a uma fonte de tensão quesupre a corrente necessária para aexcitação da máquina.

A esse grupo pertencem:a) Máquinas CC de Ímã Permanenteb) Máquinas Síncrona de ÍmãPermanentec) Máquinas de Relutânciad) Máquinas de Histeresee) Máquinas Assíncronas com Rotor deGaiola

2)U( 1

A máquina CC pode ser construída de duas maneiras:o enrolamento de excitação pode estar no rotor ou noestator.As quatro restantes o enrolamento deexcitação está no estator.Das cinco máquinas desse grupo aMáquina Assíncrona com Rotor deGaiola é a mais simples, mais confiável(segura) e de menor custo.

1.2 MÁQUINAS COM DUPLAEXCITAÇÃO

Esse tipo de máquina é constituída por doisenrolamentos eletricamente conectados a fontes detensão que suprem as corrent e necessárias para aexcitação da máquina.A principal desvantagem é a necessidade decomutadores ou anéis coletores com escovas,exigindo constante manutenção.Uma grande vantagem da máquinaduplamente excitada é o fato de que elapode trabalhar tanto em regime demotor como em regime de gerador.No presente trabalho, iremos estudara Máquina Assíncrona Trifásica comRotor Bobinado de Anéis DuplamenteAlimentada [MATRADA] funcionandoem regime como gerador.

2. CIRCUITO EQUIVALENTE DA MATRADA

2.1 DESCRIÇÃO DA MATRADA

A Máquina Assíncrona Trifásica DuplamenteAlimentada (MATRADA) é uma máquina com rotorbobinado e com anéis coletores.O enrolamento do estator é ligado diretamente narede, e o enrolamento do rotor é ligado através dosanéis coletores a um conversor de freqüência comcontrole vetorial.A Figura 2.1.1 mostra o diagrama esquemático daMATRADA.

O conversor está ligado diretamente à rede dealimentação. Nos casos em que a tensão da rede é nafaixa de média tensão, para reduzir o custo doconversor este pode ser ligado à rede através de umtransformador.

2.2 CIRCUITO EQUIVALENTE

Para a análise do comportamento em regime daMATRADA iremos considerar o circuitoequivalente paralelo. A Figura 2.2.1 mostra ocircuito equivalente.

No texto adotaremos letras maiúsculas para osparâmet ros referidos ao estator e letras minúsculaspara os referidos ao rotor.

Os parâmetros do circuito equivalente, são:

Τ

3

a) Tensão de Fase do EstatorA tensão aplicada ao enrol amento do estator

é considerado de fase e é o fasor dereferência.

(2.2.1)

b) Impedância de Fase do estatorA resistência de fase do estator é referida para140°C.

(2.2.2)

c) Impedância de Fase do RotorA resistência de fase do rotor é referida para140°C.

(2.2.3)

d) Impedância Magnetizant eAtravés da impedância magnetizanteintroduzimos a reatância magnetizanteconsiderada constante para qualquerescorregamento.

(2.2.4)

e) Impedância de Perdas no Ferro do Estator

Através desta impedância introduzimos as perdasno ferro do estator no circuito equivalente.

(2.2.5)

A resitência de perdas no ferro édeterminado por:

(2.2.6)

Onde:

Tensão no ramo magnetizante medidanos terminais do rotor com rotorbloqueado e o secundário (rotor)aberto.Perdas no ferro medido com a máquinagirando em vazio.

f) Impedâncias de Perdas no Ferro do Rotor

Esta impedância é introduzida no circuitoequivalente para levar em conta as perdas noferro do rotor. A MATRADA pode trabalhar comrotações bem di ferentes da nominal e nestasrotações a perda no ferro do rotor não pode serdesprezada.

(2.2.7)

A resistência das perdas no ferro édeterminada por:

(2.2.8)

Onde a perda no ferro do rotor édado por:

(2.2.9)

Onde:

Perdas no ferro medida com rotorbloqueado e circuito secundárioaberto, aplicando-se ao estator atensão nominal.

g) Tensão de Fase Imposta ao RotorA tensão imposta ao rotor é fornecida peloconversor que é ligado ao enrolamento secundárioatravés dos anéis coletores.

(2.2.10)

Onde:

É a fase da tensão

Para referenciar as grandezas do estator para orotor, usamos as seguintes constantes detransformações:

PARA A TENSÃO

(2.2.11)

PARA A CORRENTE

(2.2.12)

011 0UU =

)U( 1

)Z( 1

111 XjRZ +=

)Z( m

)Z( 1pfe

0jRZ 1pfe1pfe +=

)R( 1pfe

1fe

21

1pfe pE3R =

=1E

=1fep

22

2 Xjs

RZ +=

)Z( 2pfe

0js

RZ 2pfe

2pf +=

)R( 2pfe

2fe

21

2pfe pE3R =

)p( 2fe

1fefeb2fe ppp −=

=febp

)U( 2

2U22 UU θ=

=2Uθ 2U

1

1eEke =

ke1

iIki2

2 ==

)Z( 2

mm Xj0Z +=

4

PARA A IMPEDÂNCIA

(2.2.13)

2.3 DIAGRAMA FASORIAL DAMATRADA FUNCIONANDOCOMO GERADOR

Uma vez definido os parâmetros do circuitoequivalente da MATRADA é possível se desenhar odiagrama fasorial.Para traçar o diagrama fasorial consideramos osseguintes fasores, todos referidos ao estator.

Tensão de Fase do Estator(referência)

Tensão de fase imposta aoRotor

Tensão Magnetizante deFase refletida ao Estator

Tensão Magnetizante deFase Refletida ao Rotor

Corrente de Fase do Estator

Corrente de Fase do Rotor

Corrente de Fase do ramoem vazio

Fluxo no Entreferro

DIAGRAMA FASORIAL GERADOR DAMATRADA

Uma máquina assíncrona tri fásica trabalha em regimegerador quando a defasagem entre a tensão e acorrente estatórica é em módulo maior que90°, ou seja:

(2.3.1)

Na condição acima quandoMáquina opera como gerador, porém com fator depotência indutivo. Quando

a máquina opera comogerador, porém com fator de potência capaci tivo.Para a condição de gerador as potências complexas,ativa e reativa são dados por:

A potência complexa (aparent e)

(2.3.2)

A potência ativa:

(2.3.3)

A potência reativa:

(2.3.4)

Na condição da MATRADA operando como geradorpela Equação 2.3.3 temos sempre negativa, istosignifica que a potênci a flui da máquina para a rede,isto é, esta gerando energi a elétrica.Para a potência reativa temos duas situaçõespossíveis quando a MATRADA opera como gerador,ou seja:

1°) (POSITIVO)Nesta condição signi fica que a MATRADAestá operando como gerador com fator depotência INDUTIVO, isto é, os reativosfluem da rede para a MATRADA.

2°) (NEGATIVO)Nesta condição signi fica que a MATRADAestá operando como gerador com fator depotência CAPACITIVO, isto é, os reativosfluem da MATRADA para a rede.

A Figura 2.3.1 mostra o diagrama fasorial geradorda MATRADA, para fator de potência indutivo.

2

2

2 )ke(zZkz ==

0UU 11 =

2U22 UU θ=

1E11 EE θ=

2E22 EE θ=

1I11 II θ=

2I22 II θ=

φθΦΦ =

0I00 II θ=

°<≤° 270180 1IΘ

°<<° 18090 1IΘ

°<<° 27090 1IΘ

1U1I

*111 I.U3S =

)(CosIU3P 1I111 Θ−=

)(SenIU3Q 1I111 Θ−=

1P

0Q1 >

0Q1 <

A Figura 2.3.2 mostra o diagrama fasorial geradorda MATRADA para fator de potência capacitivo.

Na condição de FP capacitivo a máquina opera emcondições térmicas piores porque a corrente rotóricaé maior.

2.4 FUNCIONAMENTO EM REGIMEGERADOR

A MATRADA funcionando como geradorcomporta-se como um dispositivo que transformaenergia mecânica em energia elét rica.O fluxo de potência desde o eixo da MATRADA atéa rede onde a máquina está conectada é mostrado naFigura 2.4.1.

As potências envolvidas no diagrama da Figura 2.4.1são:

Admitindregime ge

da corrent

Nesta conporque coângulo de

=1S Potência complexa gerada pelo estator daMATRADA e que é fornecida à rede.

=2S Potência complexa que atravessa oconversor. Esta parcela de potência podeser absorvida ou fornecida à rededependendo da condição de trabalho daMATRADA como gerador. Portanto oconversor que interliga o rotor à rede deveser bidirecional, isto é, deve permitir ofluxo de potência ( 2S ) nos dois sentidos.

=eS Potência complexa eletromagnética queatravessa o entreferro da MATRADA.

=eixoP Potência mecânica no eixo daMATRADA fornecida pelaTURBINA EÓLICA.

=estp

=rotp

)n()n(P1

1 )n(I =

2I

CoFP =

)n(I 1 =

Representa as perdasRepresenta as perdas

tó i

5

o que a MATRADA esteja trabalhando emrador e que para uma dada rot ação ela deva entregar a rede uma potência com um fator de potência

predeterminado, o móduloe estatórica é dada por:

(2.4.1)

dição o fasor está definidonhecemos o seu módulo e seu fase , logo:

(2.4.2)

)n(I1

)n(I 1)n(I1

1I1 )n(I Θ

)(s 1IΘ−

)(CosU3)n(P

1I1

1

Θ−

1IΘ

6

Uma vez conhecido a corrente no ramoem vazio pode facilmente ser determinadaa partir do circuito equivalente mostrado na Figura2.2.1., ou seja:

(2.4.3)

A impedância corresponde a impedânciaequivalente do ramo em vazio.A impedância equivalente de perdas no ferro

e dada por:

(2.4.4)

Portanto a impedância é dada por:

(2.4.5)

Finalmente conhecido e acorrente rotórica pode ser calculada:

(2.4.6)

O conversor desempenha o importante papel deimpor a tensão aos terminais do rotorpara garantir o desempenho da MATRADA nascondições de geração predeterminado na rotação

.

Baseado no circuito equivalente da Figura 2.2.1 atensão imposta pelo conversor é dadapor:

(2.4.7)

Referido ao rotor temos:

(2.4.8)

Para a rotação o escorregamento édado por:

(2.4.9)

Onde a rotação síncrona é função dafreqüência do estator e número de par de pólos

da MATRADA, logo:

(2.4.10)

A freqüência da tensão imposta ao rotorpara a rotação é dada por:

(2.4.11)

A corrente referida ao rotor e que fluiatravés do conversor é dada por:

(2.4.12)

A potência complexa que flui através doconversor fica:

(2.4.13)

Portanto a potência ativa fica:

(2.4.14)

A potência reativa fica:

(2.4.15)

Conhecendo-se as perdas estatóricas èpossível se determinar a potência eletromagnética

que atravessa o entreferro da MATRADAcomo sendo:

(2.4.16)

)n(I1)n(Io

)n(Z)n(IZU

)n(Io

111o

−=

)n(Z 0

)n(pfeZ

)n(Z 0

)n(ZZ)n(Z.Z

)n(Z2pfe1pfe

2pfe1pfepfe +

=

)n(ZZ)n(Z.Z

)n(Zpfem

pfemo +

=

)n(I 1 )n(I0)n(I 2

)n(I)n(I)n(I 102 −=

)n(U2

)n(

)n(U2

)n(I)n(Z)n(I)n(ZU)n(U 221112 +−=

)n(Uke

)n(s)n(u 22 ⋅=

)n( )n(s

nsnns)n(s −=

ns1f

)p(

pfns 1=

)n(f2)n(u2

)n(

12 f)n(s)n(f =

)n(I 2

)n(Iki1)n(i 22 ⋅=

)n(S2

*222 )n(i)n(u3)n(S ⋅=

)n(P2

)(Cos.)n(i)n(u3)n(P 2I2U222 ΘΘ −=

)n(Q2

)(sen.)n(i)n(u3)n(Q 2I2U222 ΘΘ −=

)p( est

)n(Se

)n(p)n(S)n(S est1e +=

7

A turbina eólica deve fornecer ao eixo daMATRADA uma potência dada por:

(2..4.17)

Onde representam as perdas totais:

(2.4.18)

A potência líquida entregue a rede édado pela soma de e , ouseja:

(2.4.19)

A MATRADA apresenta a importante caract erísticade operar como gerador numa ampla faixa de rotaçãotanto com Fator de Potência Indutivo ou Capacitivo.Para garantir a operação da MATRADA numadeterminada condição imposta, o conversor defreqüência deverá impor ao circuito rotórico atensão dada pela Equação 2.4.8.

O objetivo desse trabalho não é mostrar a dinâmicado funcionamento do conjunto Gerador + Conversor,no entanto mostramos na Figura 2.4.2 ofuncionamento esquemático do Gerador e Conversor.

3. A ENERGIA EÓLICA

O desenvolvimento econômico e social de uma noçãopode ser medida pelo nível de consumo de energiaelétrica.A energia elétri ca nos dias de hoje desempenha umpapel importante na vida das pessoas.

Para garantir o desenvolvimento social contínuo alémde outros elementos básicos, a energia elétrica deveser abundante e de baixo custo.

Para atingir este objetivo é necessário saber exploraros recursos energéticos naturais de forma racional einteligente no sentido de maximizar o seurendimento.A natureza coloca a disposição do homem váriasfontes de energia primári a, onde algumas sãorenováveis e outras não.

Como fonte de energia renovável citamos: Hídrica Eólica Biomassa

)n(Peixo

)n(p)n(P)n(P)n(P t21eixo ++=

)n(pt

)n(p)n(p)n(p rotestt +=

)n(Srede)n(S1 )n(S 2

)n(S)n(S)n(S 21rede +=

)n(u2

8

Solar

Como fonte não renovável citamos: Gás Natural Carvão Petróleo Nuclear

Devido a necessidade de preservar o meio ambienteas fontes de energia renovável estão no centro dasatenções mundiais.Alguns governos ao redor do planeta estãoincentivando a geração de energia elétri ca a partir dasfontes de energia renováveis.De 1994 a 1998 a força do vento foi a fonte deenergia primária que maior incentivo recebeu dosgovernos apresentando o maior crescimento emtermos de geração de energi a elétrica.De acordo com a Associação Européi a de EnergiaEólica (EWEA) até o ano 2020 serão instalados aoredor do mundo um total de 1,2 milhões demegawatts (100 ITAIPUS) em geração de energiaeólica.Segundo Hans Bjerregard, Presidente do FórumDinamarquês para Energi a e Desenvolvimento, aDinamarca está próxima de ter 10% de suasnecessidades de eletricidade supridas pela energi aeólica. O objetivo do governo é chegar até 50% em2030, incluindo, para tanto, a captação pioneira deenergia em alto mar.O Brasil tem em abundância as quatro fontes deenergia renovável acima citadas.A Hídrica e a Eólica, se apresentam em maiorquantidade e em melhores condições econômicas deaproveitamento. A Hídrica está distribuída no paísinteiro.

Com o potencial eólico existente no Brasil,confirmado através de medidas de vento precisas,realizadas recentemente, é possível produzireletricidade a custos competitivos com centraistermoelétricas, nucleares e hidroel étricas. Análisesdos recursos eólicos medidos em vários locais doBrasil, mostram a possibilidade de geração elétricacom custos da ordem de US$ 40 – US$ 60 porMWh.

De acordo com estudos da ELETROBRÁS, o custoda energia el étrica gerada através de novas usinashidroelétricas construídas na região amazônica serábem mais alto que os custos das usinas implantadasaté hoje. Quase 70% dos projetos possíveis deverãoter custos de geração maiores do que a energia geradapor turbinas eólicas (ver TABELA abaixo).Outra vantagem das centrais eólicas em relação asusina hidroelétricas é que quase toda a área ocupadapela central eólica pode ser utilizada (paraagricultura, pecuária, etc.) ou preservada comohabitat natural.

POTENCIAL HIDRÁULICOEXISTENTE NA REGIÃO

AMAZÔNICA (Total = 261 GW)

CUSTO DE GERAÇÃOELÉTRICA PREVISTO

33% < US$ 40 / MWh25% US$ 40 – US$ 60 / MWh14% US$ 60 – US$ 70 / MWh28% > US$ 70 / MWh

Custos Previstos para a Geração Elétrica na Amazônia(Usinas Hidroelétricas Planejadas)

O Brasil poderia ter uma participação efetiva eestratégica no mercado de geração de energi aalternativa, através de uma integração da geraçãoeólica com o sistema elétrico atual que é basicamenteHídrico.Esta integração deveria ser feita através de GeradoresSíncronos e Geradores Assíncronos (MATRADA),ver Figura 3.1 abaixo.

O gerador (MATRADA) mostrado neste trabalhoapresenta a capacidade de trabalhar numa ampla faixade rotação. Esta característica permite a aplicaçãodeste gerador tanto em turbinas eólicas como emturbinas hidráulicas.Na turbina eólica ele permite a otimização da energiado vento, devido sua flexibilidade na variação develocidade.

Na turbina hidráulica é possível ajustar a operação dogerador em função da altura monométrica da águadisponível no reservatório trabalhando no ponto derotação onde o rendimento da turbina é máximo eevitando a cavitação que pode danificar a turbina.

Todo kW de energia elétrica gerada por uma turbinaeólica economiza uma quantidade equivalente emágua no reservatório.

Por outro lado, o Brasil possui milhares de locaisisolados onde a eletricidade é gerada através de óleodiesel. Apenas na região Amazônica, mais de 500

9

comunidades utilizam motogeradores diesel para ageração elétri ca com custos de geração entre US$0,20/kWh e US$ 0,80/kWh. Turbinas eólicasacopladas aos sistemas diesel existentes (sistemahíbridos eólico / diesel) podem propiciar umaeconomia substancial em termos de consumo decombustível, transporte, armazenamento, operação,manutenção e logística, sem contar com a redução dapoluição ambiental.

4. CONCLUSÃO

O gerador síncrono é uma máquina excelente paragerar energia el étrica quando a rotação da máquinaprimária é fixa.Porém, para os aproveitamentos energéticos onde amáquina primária exige variação de velocidade, amáquina síncrona não é a melhor solução técnicaeconômica.A máquina assíncrona é bastante versátil, robusta ede menor custo.Porém, para aplicação como gerador, a máquinaassíncrona de rotor de gaiola apresenta limitações.O gerador assíncrono de rotor em gaiola apresenta-setecnicamente e economicamente viável parapotências menores que 800 kW.Para potências maiores o gerador assíncrono comrotor bobinado de anéis duplamente alimentado(MATRADA) apresenta-se como uma soluçãoadequada do ponto de vista técnico e econômico.A grande vantagem da aplicação da MATRADA emgeração eólica é o fato do conversor serdimensionado para uma potência da ordem de 30%da potência nominal e de tecnologia dominada.Outra grande vantagem é o fato de trabalhar numafaixa de rotação desde 70% a 130% da rotaçãosíncrona com fator de potência control ado,permitindo desta forma a otimização do rendimentona conversão el etromecânica da energia.

5. BIBLIOGRAFIA

[1] B.Hopfensperger, D.J.Atlinson, “CascadedBrushless Doubly-Fed Machines for Variable Speedwind Power Generation: na Overview”, Departmentof Electrical and Electronic Engineering, Univertityof Newcastle, Newcastle upon Tyne, NE1 7RU, GreatBritain.

[2] Y. Liau, “Design of A Brushless Doubly-FedInduction Motor for Adjustable Spees DriveApplications”, GE-Corporate Research andDevelopment Center, Building K1-EP118, P. O. Box8, Schenectady, NY 12301, USA, IEEE, 1996,pag.850-855.

[3] M. Kostenko & L. Piotrovski, “MáquinasElétricas, Vol. II, Edições Lopes da Silva, Porto,

1979, Traduzido por Antônio Fernandes Magalhães,pag. 612-621, 694-704.

[4] E. Levi, “Polyphase Motors – A Direct Approachto Their Design”, John Wiley & Sons, Inc., 1984,pag. 98-178.

[5] R. Richter, “Elektrische Maschinen – DieInduktionsmaschinen”, Verlag Birkhäuser AG.,Basel, 1954, pag. 315-358.

[6] M. Chilikin, “Electric Drive”, Mir Publishers,Moscow, 1976, pag. 153-169.

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