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MONTAGEM LABORATORIAL PARA A ANÁLISE DA OPERAÇÃO INDEPENDENTE DE
UM SISTEMA DE GERAÇÃO EÓLICA DOTADO DE
GERADOR SÍNCRONO
Raphael Ferreira Vieira, Geraldo Caixeta Guimarães, Arthur
Fernando Bonelli, José Carlos de Oliveira, Adélio José de Moraes,
Carlos Henrique Salerno, Zélia da Silva Vitório
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia
Elétrica, Uberlândia – MG e-mails: [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
Resumo – Este trabalho tem por meta avaliar a representação
experimental de um sistema eólico de velocidade variável dotado de
gerador síncrono. Esta consiste na primeira montagem prática feita
nesta universidade para simular a operação independente de um
sistema eólico, isto é, quando este supre uma carga isolada
desconectada da rede de potência da concessionária. A velocidade
mecânica do eixo do gerador é registrada para mostrar a influência
da fonte de energia primária (o vento) sobre o sistema. Em seguida,
seu desempenho elétrico é analisado graficamente por meio dos
principais efeitos causados em grandezas tais como tensão e
corrente as quais são medidas em pontos diferentes da topologia
estudada.
Palavras-Chave – Análise Experimental, Fontes de Energia
Alternativa, Gerador Síncrono, Geração Distribuída, Sistema
Eólico.
LABORATORIAL ASSEMBLY FOR ANALYSIS OF THE INDEPENDENT OPERATION
OF A WIND ENERGY
CONVERSION SYSTEM EQUIPPED WITH SYNCHRONOUS GENERATOR
Abstract – This work aims to evaluate the experimental
representation of a variable speed wind energy conversion system
equipped with synchronous generator. This consists on the first
practical assembly made in this university so as to simulate the
independent operation of a wind system, that is, when it supplies
an isolated load disconnected from the power utility grid. The
mechanical speed of the generator shaft is registered to show the
influence of the energy primary source (the wind) on the system.
Following, its electrical performance is graphically analyzed
through the main effects caused on quantities such as voltage and
current which are measured in different points of the studied
topology.
1 Keywords – Alternative Energy Source, Distributed
Generation, Experimental Analysis, Synchronous Generator, Wind
Energy.
I. INTRODUÇÃO Há, atualmente, uma grande expectativa de
desenvolvimento em torno da geração eólica. Esse desejo é, em
parte, justificado pelo fato de que essa fonte alternativa é um
tipo de energia limpa e de baixo impacto ambiental. Em comparação
com as usinas hidroelétricas, os parques eólicos podem gerar uma
grande quantidade de energia sem afetar de maneira significativa a
fauna, flora e o micro clima do meio em que existem. Inundações de
grandes áreas são desnecessárias contribuindo para a preservação
histórica do local. Embora apresente uma série de vantagens, esse
tipo de energia tem enfrentado problemas potenciais dificultando
sua inserção, de maneira efetiva, no mercado. Um deles é sem dúvida
o preço, que ainda não se apresenta competitivo. Problemas de
origem técnica também são muito abundantes, devido à insipiência do
processo produtivo. Dentre eles podem ser citados, as flutuações de
tensão produzidas em redes de distribuição fracas conectadas ao
sistema, ocasionadas em virtude da variação da velocidade dos
ventos, índices de distorção harmônica elevados. Outro efeito
prejudicial desse tipo de arranjo é a poluição sonora gerada nas
proximidades dos grandes parques eólicos. Na maioria dos casos, a
geração é realizada em locais que coincidem com rotas migratórias
dos pássaros, ocasionando choques dos mesmos com as pás dos
aerogeradores.
Em função do crescimento da economia do Brasil, a geração
elétrica propiciada pelas centrais hidroelétricas não conseguirá em
pequeno intervalo de tempo suprir toda a demanda emergente do
processo de desenvolvimento. Em função disso, o país tem começado a
fornecer tímidos investimentos no setor eólico, devido ao alto
potencial verificado em algumas das regiões brasileiras. O
Ministério de Minas e Energia estima que o potencial eólico
brasileiro é da ordem de 143000 MW, o que significaria um terço
maior do que a potência instalada atual. Embora esse tipo de
produção interfira de maneira mais sensível no meio ambiente, em
muitos locais os parques eólicos não podem ser implantados devido a
leis de natureza ambiental. Com isso, tem-se a redução do potencial
eólico do país para um valor da ordem de 30000 MW, o que
equivaleria a aproximadamente duas Itaipus.
No Brasil, embora com uma potência instalada reduzida deste tipo
de aproveitamento, a opção majoritária até o presente momento é por
sistemas dotados de geradores síncronos, a exemplo do que se
verifica na Alemanha, país detentor desta tecnologia. .
Nesse sentido, torna-se necessário um estudo detalhado das
tecnologias que envolvem tal geração com o intuito de
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efetuar possíveis melhoras na eficiência do processo
produtivo.
O presente artigo apresenta uma análise experimental de um
sistema eólico suprindo uma carga isolada considerando duas
situações: sem e com turbulências de vento. Em todos os casos é
adotada a topologia alemã, justificada pela grande aceitação
nacional. É investigado o comportamento qualitativo das formas de
onda de tensão e de corrente em diferentes pontos da montagem. É
importante ressaltar que o objetivo do artigo não é, no presente
momento, analisar detalhadamente os resultados obtidos via ensaios
laboratoriais mais sim demonstrar de uma maneira experimental o
comportamento de um sistema eólico de potência, sob diferentes
condições operativas, utilizando-se para isso, uma estrutura
laboratorial de baixa potência.
II. MODELAGEM MATEMÁTICA DO MODELO ESTUDADO
Com o objetivo de representar o comportamento do vento
torna-se necessário efetuar sua modelagem, transformando seu
comportamento em um soma de sinais [1,6]. Esse sinal é composto de
quatro componentes principais: a velocidade base do vento
(componente principal), uma rajada, uma rampa de velocidade e um
ruído, conforme mostra a equação 1. Nem sempre todas as quatro
componentes estarão presentes na modelagem [1,2].
ramparuidorajadabasevento vvvvv +++= (1)
sendo:
basev Velocidade base (média) [m/s]
rajadav Componente rajada do vento [m/s]
ruídov Componente ruído do vento [m/s]
rampav Componente rampa do vento [m/s]
A componente base do vento ou vento médio está presente
sempre que o aerogerador estiver em operação e é representada
pela equação 2.
Bbase Kv = (2)
sendo KB é um valor constante.
A componente rajada do vento é representada pelas
equações 3 e 4.
+>
+
-
3
42
2
2
1
2)(
⋅
⋅+⋅
⋅⋅⋅=
πµπ i
in
iv
wF
wFKwS (9)
sendo:
nK Coeficiente de arrasto da superfície;
F Escala de turbulência; µ Velocidade principal do vento na
altura de
referência [m/s] As modelagens matemáticas do gerador e do
conversor
serão omitidas aqui por limitação de espaço. O desenvolvimento
matemático do vento recebeu maior destaque devido, sobretudo à
importância desse insumo no comportamento e na qualidade da
geração.
III. MONTAGEM LABORATORIAL Tendo em vista a obtenção de
resultados experimentais,
no que diz respeito à topologia alemã, tornou-se necessário a
viabilização de uma estrutura laboratorial, em baixa potência, que
permitisse uma análise detalhada dos fenômenos que ali ocorrem, sob
diferentes condições operativas.
A Figura 1 apresenta um esquema geral dos principais componentes
que contribuem para o funcionamento do sistema eólico
analisado.
Fig. 1. Esquema geral da topologia alemã.
O bloco A, representativo do vento, foi modelado na
prática por um motor de corrente contínua, com 2 kW de potência,
220 V e 1800 rpm. Tal escolha decorre principalmente da facilidade
de variação de velocidade desse tipo de motor que, quando em
configuração shunt permite a simulação de possíveis turbulências no
sistema.
O bloco B representa o gerador síncrono trifásico com potência
de 1,5 kVA, 220 V, 4 pólos, responsável por converter a energia
mecânica em energia elétrica.
O bloco C representa o conversor de freqüência com potência de 3
kW, responsável pela retificação e inversão da energia entregue a
carga.
O bloco D representa um transformador, incluído nos estudos
laboratoriais para considerar o efeito da impedância do
transformador de acoplamento, que normalmente existe entre um
sistema eólico e a rede elétrica da concessionária, ou entre o
sistema eólico e uma carga isolada para isolar o sistema e abaixar
a tensão. Devido à sua função ele foi
escolhido para apresentar relação de tensão unitária entre seus
enrolamentos. Apresenta uma potência de 2 kVA.
O bloco E pode representar a concessionária de energia ou a
carga isolada, dependendo do sistema eólico funcionar conectado com
a rede de distribuição ou de forma independente. Este artigo aborda
a segunda situação por se tratar da montagem laboratorial realizada
até o momento. Estudos práticos do sistema eólico conectado a rede
principal estão ainda na fase de testes e, por causa disto, não
serão tratados aqui. Para o estudo em questão foi utilizado como
carga isolada um motor de indução em gaiola representando uma carga
dinâmica conectada ao sistema. Este equipamento apresenta 1 CV de
potência, 220/380 V, 60 Hz.
A Figura 2 representa uma foto geral do sistema montado.
Fig. 2. Foto ilustrativa da montagem utilizada nos estudos
laboratoriais Os principais equipamentos que compõem a
montagem
laboratorial da Figura 2 estão enumerados a seguir: 1
Osciloscópio digital de 4 canais: utilizado para
registrar a corrente e tensão nos terminais do gerador síncrono
e nos terminais da carga, ou seja, antes e depois do conversor de
freqüência;
2 Osciloscópio digital de 2 canais: utilizado para registrar a
velocidade do eixo do motor CC ( e portanto do gerador
síncrono);
3 Encoder: transdutor utilizado para medir a velocidade
rotacional do eixo do motor CC;
4 Circuito eletrônico do encoder: destinado à conversão do sinal
de velocidade, de número de pontos para volts;
5 Motor CC: fonte primária de energia; 6 Gerador Síncrono:
converte energia mecânica em
energia elétrica; 7 Controle do campo do gerador síncrono:
destinado
a manter as condições operativas desejadas no gerador; 8
Conversor de freqüência: retificação e inversão da
energia entregue à carga; 9 Carga (Motor de Indução Trifásico):
representação
da carga elétrica.
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IV. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL
As grandezas exploradas durante todos os experimentos realizados
foram medidas nos pontos indicados na Figura 3. Nota-se que houve
uma preocupação em registrar inicialmente a velocidade mecânica do
sistema motor CC (que simula o comportamento da fonte primária de
energia – o vento) e, depois, são medidas as grandezas elétricas as
quais indicam os efeitos nas formas de onda de corrente e tensão de
uma maneira geral.
Fig. 3. Esquema geral da topologia alemã apresentando
pontos de monitoramento.
A. Acionamento Sem Turbulências
O presente tópico tem por meta apresentar as principais
avaliações do desempenho de um sistema eólico dotado de um gerador
síncrono quando sujeito a um acionamento primário livre de
turbulências, apresentando somente seu valor médio ou base.
Ponto 1: Velocidade mecânica do acionamento primário
Partindo-se de um acionamento sem turbulências,
observa-se por meio da Figura 4, que a potência mecânica
entregue ao gerador síncrono trifásico é praticamente
constante.
Fig. 4. Velocidade mecânica no eixo do gerador
Ponto 2: Tensão e corrente nos terminais do gerador
síncrono
Sem variações no acionamento primário, a tensão produzida nos
terminais do gerador síncrono não apresenta oscilações bruscas,
mantendo um comportamento tipicamente comportado no tempo. A Figura
5 mostra um zoom da tensão nos terminais do gerador elétrico.
De maneira análoga com a tensão, a Figura 6 fornece o
comportamento da corrente nos terminais do gerador síncrono.
Percebe-se claramente a influência dos dispositivos de estado
sólido existentes no retificador e inversor na forma de onda
distorcida da corrente.
Fig. 5. Tensão nos terminais do gerador síncrono
Fig. 6. Corrente nos terminais do gerador síncrono
Ponto 3: Tensão e corrente nos terminais de saída do
conversor de freqüência
A Figura 7 demonstra o comportamento da tensão
observado nos terminais do conversor de freqüência. Nesta
observa-se, como esperado, um comportamento bem próximo a um
inversor controlado de seis pulsos tipo PWM, com freqüência de
chaveamento em torno de 5 kHz. A forma de onda da tensão sob
consideração evidencia, como esperado, um considerável conteúdo
harmônico [4].
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Fig. 7. Tensão nos terminais do conversor de freqüência
De maneira análoga a forma de onda da corrente na saída do
conversor de freqüência é ilustrada na Figura 8.
Fig. 8. Corrente nos terminais de saída do conversor de
freqüência
B. Acionamento com Turbulências: Ocorrência de rajada
Dando seqüência aos estudos, este caso trata da avaliação das
mesmas grandezas elétricas e mecânicas enfocadas no caso anterior,
só que, desta vez, sob condições operacionais representativas da
presença de uma fonte primária de energia apresentado uma
turbulência. Tal situação pode ser associada, por exemplo, a uma
rajada de vento.
Ponto 1: Velocidade mecânica do acionamento primário
A primeira grandeza avaliada é a velocidade no eixo do
gerador, cujo desempenho, para este caso, está demonstrado na
Figura 9.
A análise da figura revela que a perturbação originada pela
turbulência de vento afeta a potência mecânica entregue ao gerador,
implicando em um aumento de sua velocidade no instante da
ocorrência.
Fig. 9. Velocidade mecânica no eixo do gerador sujeito a uma
turbulência da fonte primária
Ponto 2: Tensão e corrente nos terminais do gerador
síncrono trifásico
Durante o período de turbulência, nota-se que a tensão
sofre uma elevação transitória, correspondente à mudança de
velocidade no eixo da máquina síncrona. A Figura 10 demonstra o
comportamento da tensão.
Fig. 10. Comportamento da tensão nos terminais do gerador
síncrono, na situação de turbulência
De uma maneira análoga, o comportamento da corrente é ilustrado
na Figura 11.
Fig. 11. Comportamento da corrente nos terminais do gerador
síncrono, na situação de turbulência
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Ponto 3: Tensão e Corrente nos terminais de saída do
conversor de freqüência
A tensão e a corrente na saída do conversor de freqüência
podem, respectivamente, serem representadas pelas Figuras 12 e
13.
Fig. 12. Comportamento da corrente nos terminais do conversor
de
freqüência, na situação de turbulência
Fig. 13. Comportamento da corrente nos terminais do gerador
síncrono, na situação de turbulência
V. CONCLUSÕES
O presente artigo teve por meta fornecer os resultados da
primeira montagem prática do comportamento de um sistema de geração
de energia eólica dotado de gerador síncrono quando este opera de
forma independente da rede da concessionária local. A
indisponibilidade de resultados de campo sobre as grandezas
elétricas e mecânicas de um sistema real levou á necessidade de se
montar um pequeno sistema, em escala reduzida, com o objetivo de
verificar os principais comportamentos oriundos de seu
funcionamento.
Vale lembrar que, como esclarecido ao longo do texto, a solução
aqui adotada para a obtenção de resultados reais, voltados
fundamentalmente para aspectos qualitativos de desempenho, não
diminuíram a importância da metodologia ora apresentada.
Naturalmente, em face da escassez inicial de recursos para a
montagem laboratorial ocorreram muitos improvisos
laboratoriais.
Tendo em vista, uma análise mais criteriosa a respeito do
assunto, foi solicitado, via instituição de fomento à pesquisa, um
novo laboratório, apresentando máquinas e equipamentos montados
exclusivamente para a obtenção de resultados práticos de um sistema
eólico. Além de incluir um analisador
de qualidade de energia trifásico, equipamento com o qual será
possível realizar uma análise criteriosa acerca do conteúdo
harmônico produzido nos diferentes pontos do sistema, o novo
laboratório contará também com um circuito de controle que permite
o sincronismo do sistema estudado com a rede possibilitando,
portanto a análise do comportamento do sistema quando interligado
com a rede da concessionária.
Por outro lado, o laboratório apresentará também condições para
a realização de experimentos incluindo outra topologia de geração,
dotada de gerador de indução, e sua possível conexão à rede.
É importante salientar que, no momento em que este artigo foi
redigido, o laboratório desta faculdade recebeu um conjunto de
equipamentos novos, os quais se encontram em fase de testes pela
empresa fornecedora, os quais permitirão uma avaliação experimental
mais apurada quer qualitativa quer quantitativa do funcionamento de
sistemas eólicos.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio financeiro recebido de Furnas
Centrais Elétricas S.A. e pelo órgão de fomento à pesquisa do
estado de Minas Gerais - FAPEMIG.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] ACKERMANN, T. Wind Power in Power Systems. 1. ed. [S.l.]:
John Wiley and Sons, Ltd The Atrium, Southern Gate, Chichester,
West Sussex PO19 8SQ, England, 2005.
[2] CASTILLO, B. C. Desenvolvimento de Modelo Computacional de
Sistemas Eólicos Utilizando
Geradores Síncronos para Estudos de Desempenho no
Contexto da Qualidade da Energia Elétrica, Tese de Doutorado,
FEELT-UFU, Uberlândia, 2006, 213 páginas.
[3] PINTO, A. C. Modelagem e Análise de Desempenho Dinâmico de
Complexos Elétricos Contendo Centrais
Eólicas Dotadas de Geradores Síncronos, Tese de Doutorado,
FEELT-UFU. Uberlândia, 2006, 208 páginas.
[4] L. H. Hansen, P. H. Madsen, F. Blaabjerg, H. C. Christensen,
U. Lindhard, K. Eskildsen, Generators and Power Electronics
Technology for Wind Turbines,
Industrial Electronics Society, IECON'01 - 27th Annual
Conference of the IEEE, Vol. 3, November, 2001, pp. 2000 -
2005.
[5] M. V. Nunes, Avaliação do Comportamento de Aerogeradores de
Velocidade Fixa e Variável
Integrados em Redes Elétricas Fracas, Tese de Doutorado,
Universidade Federal de Santa Catarina, 2003.
[6] S. Heier, Grid Integration of Wind Energy Conversion
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