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Encontro Internacional de Energia Eólica3o. Painel – Tecnologia e Integração de Centrais Elétricas à Rede
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos
Natal, RN – 22 de Setembro de 2005
Nelson MartinsNelson Martins Ricardo Diniz RangelRicardo Diniz RangelSérgio Gomes Jr.Sérgio Gomes Jr. Júlio C. R. FerrazJúlio C. R. Ferraz
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 2
Modelos para Avaliação de Sistemas com Aerogeradores
1. Introdução1. IntroduçãoGrupo de Trabalho de Geração Eólica (Grupo ELETROBRAS e Grupo de Trabalho de Geração Eólica (Grupo ELETROBRAS e ONS)ONS)
2. Programa de análise de transitórios eletromecânicos2. Programa de análise de transitórios eletromecânicosANATEM ANATEM –– Considerações GeraisConsiderações Gerais
3. Avaliação de aproveitamento eólico utilizando ANAREDE e 3. Avaliação de aproveitamento eólico utilizando ANAREDE e ANATEMANATEM
Máquina de Indução Diretamente Conectada à RedeMáquina de Indução Diretamente Conectada à Rede
Máquina de Indução com Dupla AlimentaçãoMáquina de Indução com Dupla Alimentação
Máquina Síncrona com Velocidade VariávelMáquina Síncrona com Velocidade Variável
4. Considerações Finais4. Considerações Finais
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 3
1. Introdução – Grupo de Trabalho de Geração Eólica
Esforço de âmbito nacionalEsforço de âmbito nacional
Composto pelas empresas do Grupo ELETROBRAS e pelo Composto pelas empresas do Grupo ELETROBRAS e pelo ONSONS
CEPEL, ELETROBRAS, FURNAS, CHESF, ELETROSUL, CEPEL, ELETROBRAS, FURNAS, CHESF, ELETROSUL, ELETRONORTE, ONSELETRONORTE, ONS
Coordenação do CEPELCoordenação do CEPEL
Diversas reuniões de trabalho realizadas desde 2003Diversas reuniões de trabalho realizadas desde 2003
ObjetivoObjetivo
Permitir a avaliação de sistemas que possuam Permitir a avaliação de sistemas que possuam aerogeradoresaerogeradores
Definição dos modelos a serem prioritariamente implementadosDefinição dos modelos a serem prioritariamente implementados
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 4
1. Introdução – Grupo de Trabalho de Geração Eólica
A partir da determinação das tecnologias mais utilizadasA partir da determinação das tecnologias mais utilizadas
Implementação de modelos nos programas ANAREDE e ANATEMImplementação de modelos nos programas ANAREDE e ANATEM
Programas de uso corrente em estudos de planejamento e Programas de uso corrente em estudos de planejamento e operação pelas empresas do setor elétrico brasileirooperação pelas empresas do setor elétrico brasileiro
Modelos disponíveis são bastante geraisModelos disponíveis são bastante gerais
São capazes de reproduzir o comportamento de diversos São capazes de reproduzir o comportamento de diversos equipamentos mediante ajustes inerentes a cada fabricanteequipamentos mediante ajustes inerentes a cada fabricante
Avaliação dos modelos utilizando sistemas testeAvaliação dos modelos utilizando sistemas teste
Análise do sistema na ocorrência de distúrbios no vento (potênciAnálise do sistema na ocorrência de distúrbios no vento (potência a mecânica) e na redemecânica) e na rede
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 5
2. Programa ANATEM
Possui dois tipos de modelosPossui dois tipos de modelos
PréPré--definido (“definido (“builtbuilt--in”in”))
Controlador Definido pelo Usuário (CDU)Controlador Definido pelo Usuário (CDU)
Modelo PréModelo Pré--definido (“definido (“builtbuilt--in”in”))
Modelos não flexíveisModelos não flexíveis
As equações que modelam o equipamento são conhecidasAs equações que modelam o equipamento são conhecidas
►► Possuem estrutura fixaPossuem estrutura fixa►► Modelos bem estabelecidos na literaturaModelos bem estabelecidos na literatura►► As equações são descritas no manualAs equações são descritas no manual
O usuário apenas altera os valores dos parâmetrosO usuário apenas altera os valores dos parâmetros
►► Ex.: modelo de máquina síncrona, modelo IEEE de RT, etc.Ex.: modelo de máquina síncrona, modelo IEEE de RT, etc.
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 6
2. Programa ANATEM
Controlador Definido pelo Usuário (CDU)Controlador Definido pelo Usuário (CDU)Criado através de uma linguagem própria do tipo Criado através de uma linguagem própria do tipo scriptscript
Intrinsecamente flexívelIntrinsecamente flexível
Composto por uma série de blocos elementaresComposto por uma série de blocos elementaresFunções de transferênciaFunções de transferência
Funções lineares e nãoFunções lineares e não--lineareslineares
Operadores lógicos e chavesOperadores lógicos e chaves
Utilizando os blocos básicos, o usuário pode construir o seu Utilizando os blocos básicos, o usuário pode construir o seu próprio controladorpróprio controlador
Ex.: RT, RV, PSS, FACTS, turbina eólica, controle de Ex.: RT, RV, PSS, FACTS, turbina eólica, controle de conversores, etc.conversores, etc.
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 7
3. Avaliação de Aproveitamento Eólico
Turbina eólicaTurbina eólica
Controle por “Controle por “stallstall””
Controle do ângulo de posição da pá (“Controle do ângulo de posição da pá (“pitchpitch controlcontrol”)”)
Três tecnologias básicas para o geradorTrês tecnologias básicas para o gerador
Máquina de Indução Diretamente Conectada à RedeMáquina de Indução Diretamente Conectada à Rede
Máquina de Indução com Dupla AlimentaçãoMáquina de Indução com Dupla Alimentação
Máquina Síncrona com Velocidade VariávelMáquina Síncrona com Velocidade Variável
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 8
3.1. Potência Mecânica Fornecida pela Turbina Eólica
Potência mecânica é função de:Potência mecânica é função de:
Densidade do ar (Densidade do ar (ρρ))
Área varrida pelo rotor (Área varrida pelo rotor (AA))
Velocidade do vento (v)Velocidade do vento (v)
Curvas de desempenho da turbina Curvas de desempenho da turbina CpCp ((λλ,,ββ))
Velocidade da turbina (Velocidade da turbina (ωω))
Considerações:Considerações:
Caixa de engrenagensCaixa de engrenagens
Controle do ângulo de posição da pá (controle de "Controle do ângulo de posição da pá (controle de "pitchpitch“)“)
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 9
3.1. Potência Mecânica Fornecida pela Turbina Eólica
),(CvA5,0P p3 βλ⋅⋅⋅ρ⋅= ; vR⋅ω=λ
Cp x λ x β
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 5 10 15 20
λ
Cp
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3.1. Equação Eletromecânica e Controle de Posição da Pá
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 11
3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede
Máquina conectada a uma barra infinitaMáquina conectada a uma barra infinita
Reatância X=20% na base da máquinaReatância X=20% na base da máquina
DistúrbiosDistúrbios
Variação na velocidade do ventoVariação na velocidade do vento
►► 1s: degrau de +1 m/s1s: degrau de +1 m/s►► 5s: degrau de 5s: degrau de ––1 m/s1 m/s
Curto circuito trifásico na barra terminalCurto circuito trifásico na barra terminal
►► Aplicado no instante t=1sAplicado no instante t=1s►► Duração de 100 msDuração de 100 ms
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 12
3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede
Velocidade do ventoVelocidade do vento
0.
3.
6.
9.
12.
15.
0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)
CDU 100 303 V_VENT TURB_EOLICA1
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 13
3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede
Tensão na barra terminal do parque eólicoTensão na barra terminal do parque eólico
0.9
0.915
0.93
0.945
0.96
0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)
VOLT 101 Ger_Eolica
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 14
3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede
EscorregamentoEscorregamento
-6.0E-3
-4.5E-3
-3.0E-3
-1.5E-3
0.0E+1
0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)
SLIP 101 15 Ger_Eolica
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 15
3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede
Potência ativa e reativa na barra terminal do parque eólicoPotência ativa e reativa na barra terminal do parque eólico
-0.7
-0.2
0.3
0.8
1.3
0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)
Fluxo de Potência Ativa Fluxo de Potência Reativa
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 16
3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede
Tensão na barra terminal do parque eólicoTensão na barra terminal do parque eólico
0.
0.25
0.5
0.75
1.
0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)
VOLT 101 Ger_Eolica
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 17
3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede
EscorregamentoEscorregamento
-2.0E-2
-1.5E-2
-1.0E-2
-5.0E-3
0.0E+1
0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)
SLIP 101 15 Ger_Eolica
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 18
3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede
Potência ativa e reativa na barra terminal do parque eólicoPotência ativa e reativa na barra terminal do parque eólico
-2.5
-2.
-1.5
-1.
-0.5
0.
0.5
1.
1.5
2.
0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)
Fluxo de Potência Ativa Fluxo de Potência Reativa
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 19
3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação
+
-VC Conversor 2
Gerador deIndução
Conversor 1
Turbinaeólica
1
2
sX
tX
GG jQP +
ss jQP +
rr jQP +cscs jQP +
crcr jQP +
turbP
estator
rotorbobinado
eixomecânico
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 20
3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação
+
-
I S
VC1
Conversor 1
Rs+jXs
X t
IC1 VC IC2
Conversor 2
VC2
Modelo daMáquina
I 2
E’
Modelo doControle
Modelo daTurbina
I R
VR
=
=
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 21
3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação
Coeficiente deDesempenho
(Cp)
Controle dePosição da Pá(Pitch Control)
Variação deVelocidade
Variação dePotência
GeradorTurbina
Pmec
W
PeleMedida
Beta W
Velocidadedo Vento
Cp
Referênciade
Velocidade
Controle doConversor
Pele *Pmáx
Qele *
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 22
3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação
Conversor 1 (conectado ao Conversor 1 (conectado ao estatorestator))
Potência AtivaPotência Ativa
►► Controle da tensão no capacitorControle da tensão no capacitorPotência ReativaPotência Reativa
►► Controle do fator de potência no conversorControle do fator de potência no conversor
Conversor 2 (conectado ao rotor)Conversor 2 (conectado ao rotor)
Potência AtivaPotência Ativa
►► Controle da velocidade “ótima” (escorregamento) da máquinaControle da velocidade “ótima” (escorregamento) da máquinaPotência ReativaPotência Reativa
►► Controle da geração de potência reativaControle da geração de potência reativa•• QQ constante, constante, VV constante ou constante ou f.p.f.p. constanteconstante
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 23
3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação
DistúrbiosDistúrbios
Variação na velocidade do ventoVariação na velocidade do vento
►► 1s: degrau de +1 m/s1s: degrau de +1 m/sCurto circuito trifásico na barra terminalCurto circuito trifásico na barra terminal
►► Aplicado no instante t=1sAplicado no instante t=1s►► Duração de 260 msDuração de 260 ms
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 24
3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação
Velocidade do ventoVelocidade do vento
0.
3.
6.
9.
12.
15.
0. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)
CDU 100 303 V_VENT TURB_EOLICA2
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 25
3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação
Tensão na barra terminal do parque eólicoTensão na barra terminal do parque eólico
0.990
0.995
1.000
1.005
1.010
0. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)
VOLT 101 Ger_Eolica
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 26
3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação
Potência ativa e reativa na barra terminal do parque eólicoPotência ativa e reativa na barra terminal do parque eólico
0
25
50
75
100
125
0. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)
FLXA 101 Ger_Eolica 104 Barra_Inf 1 FLXR 101 Ger_Eolica 104 Barra_Inf 1
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 27
3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação
Velocidade da máquina e velocidade de referênciaVelocidade da máquina e velocidade de referência
0.90
0.92
0.94
0.96
0.98
1.00
0. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)
CDU 121 2001 WR DFIM_CONTROL CDU 121 2002 WRREF DFIM_CONTROL
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 28
3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação
Ângulo de posição da páÂngulo de posição da pá
0.
0.5
1.
1.5
2.
2.5
0. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)
CDU 100 1310 BETA TURB_EOLICA2
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 29
3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação
Tensão na barra terminal do parque eólico e valor de Tensão na barra terminal do parque eólico e valor de referência (1 pu)referência (1 pu)
0.
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.
1.1
0. 2. 4. 6. 8. 10.Tempo (s)
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 30
3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação
Potência ativa e reativa na barra terminal do parque eólicoPotência ativa e reativa na barra terminal do parque eólico
-250
-176
-102
-28
46
120
0. 2. 4. 6. 8. 10.Tempo (s)
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 31
3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação
Velocidade da máquina e velocidade de referênciaVelocidade da máquina e velocidade de referência
0.9
0.92
0.94
0.96
0.98
1.
0. 2. 4. 6. 8. 10.Tempo (s)
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 32
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
Conversor 2Conversor 1
+
-
Geradorsíncrono
Turbinaeólica
eixomecânico
m1 φ2
VC
iCC1 iCC2
VT1XT1
Chopper
m2
PturbVT2
XT2VCC1
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 33
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
Reguladorde Tensão
Controle doChopper
Controle doInversorTurbina
Posiçãoda Pá
Curva de Referência deVelocidade
GeradorSíncrono
Efd
ω ref
SistemaCA 1
E" Retificadora Diodo
ICA1
VCC1
SistemaCC
ICC1 m1
VCC2 Inversorde Tensão
ICC2
ψ 2m2
ψ 2ET
VCA1
VCA2
PG
ω
Tm
βVV
∆ω
∆ω
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 34
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
ChopperChopper
Controle da tensão no capacitorControle da tensão no capacitor
Conversor (conectado à rede)Conversor (conectado à rede)
Potência AtivaPotência Ativa
►► Controle da velocidade “ótima” da máquinaControle da velocidade “ótima” da máquinaPotência ReativaPotência Reativa
►► Controle da geração de potência reativaControle da geração de potência reativa•• QQ constante, constante, VV constante ou constante ou f.p.f.p. constanteconstante
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 35
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
Sistema testeSistema teste
Parque eólico conectado a uma barra infinita através de uma Parque eólico conectado a uma barra infinita através de uma reatância de 45% (base da máquina)reatância de 45% (base da máquina)
10 unidades de 850 kW10 unidades de 850 kW
Despacho de 0,75 pu (6,4 MW) ou de 1,00 pu (8,5 MW)Despacho de 0,75 pu (6,4 MW) ou de 1,00 pu (8,5 MW)
Controle da tensão na barra terminal do parque eólicoControle da tensão na barra terminal do parque eólico
DistúrbiosDistúrbios
Variação na velocidade do ventoVariação na velocidade do vento
CurtoCurto--circuito próximo ao parque (causando queda na tensão circuito próximo ao parque (causando queda na tensão terminal para 0,20 pu)terminal para 0,20 pu)
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 36
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
0,
2,
4,
6,
8,
10,
12,
0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)
CDU 100 303 V_VENT TURB_GSE_01
Velocidade do ventoVelocidade do vento
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 37
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
18,
19,
20,
21,
22,
23,
24,
0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)
FGSE 1 10 ParqueEolico
Velocidade da máquinaVelocidade da máquina
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 38
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
0,96
0,97
0,98
0,99
1,
1,01
1,02
0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)
VOLT 1 ParqueEolico
Tensão na barra terminalTensão na barra terminal
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 39
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
4,5
5,5
6,5
7,5
8,5
9,5
10,5
0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)
PE2E 1 10 ParqueEolico
Geração de potência ativaGeração de potência ativa
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 40
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
0,
0,4
0,8
1,2
1,6
2,
2,4
0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)
QE2E 1 10 ParqueEolico
Geração de potência reativaGeração de potência reativa
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 41
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
0,
1,
2,
3,
4,
5,
6,
0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)
CDU 100 1310 BETA TURB_GSE_01
Ângulo de posição da páÂngulo de posição da pá
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 42
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
0,
0,2
0,4
0,6
0,8
1,
1,2
0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)
VOLT 1 ParqueEolico
Tensão na barra terminalTensão na barra terminal
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 43
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
18,
18,5
19,
19,5
20,
20,5
21,
0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)
FGSE 1 10 ParqueEolico
Velocidade da máquinaVelocidade da máquina
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 44
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
0,
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)
GGSE 1 10 ParqueEolico
Condutância do resistor de dissipação (inserido no curto)Condutância do resistor de dissipação (inserido no curto)
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 45
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
0,
0,4
0,8
1,2
1,6
2,
2,4
0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)
CDU 3 2083 ENERG CHOPPER
Energia Dissipada pelo ResistorEnergia Dissipada pelo Resistor
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 46
3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável
0,
2,
4,
6,
8,
10,
0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)
PE2E 1 10 ParqueEolico
Geração de potência ativaGeração de potência ativa
Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 47
4. Considerações Finais
Modelos para avaliação do sistema com Modelos para avaliação do sistema com aerogeradoresaerogeradores
ANAREDE e ANATEM disponibilizam as 3 tecnologias de ANAREDE e ANATEM disponibilizam as 3 tecnologias de aproveitamento eólico mais utilizadas na atualidadeaproveitamento eólico mais utilizadas na atualidade
Os modelos são bastante geraisOs modelos são bastante gerais
O equipamento específico pode ser facilmente modelado a partir O equipamento específico pode ser facilmente modelado a partir dos dados pertinentes a cada fabricantedos dados pertinentes a cada fabricante
Controle realizado via CDU permite a alteração da filosofia de Controle realizado via CDU permite a alteração da filosofia de controle de acordo com cada fabricantecontrole de acordo com cada fabricante
A versão dos programasA versão dos programas ANAREDEANAREDE ee ANATEMANATEMencontramencontram--se disponíveis para os usuários autorizados, se disponíveis para os usuários autorizados, permitindo realização de estudos elétricospermitindo realização de estudos elétricos