UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA DEPARTAMENTOD DEPARTAMENTOD E ENGENHARIA ELÉTRICA UNIDADE ACADÊMICA DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS PROFESSOR: LUIS REYES ROSALES MONTERO PERÍODO 2015.1
PESQUISA SOBRE MOTORES ELÉTRICOS E CONVERSÃO DE ENERGIA
O Uso de Motores de Indução na Geração Eólica
Aluno: Armando José Gomes Abrantes Ferreira Matrícula: 110110439
Campina Grande Novembro de 2015
INTRODUÇÃO A palavra eólica tem sua origem na Grécia Antiga, na mitologia grega. Éolo, o deus grego que controlava a força dos ventos, tanto as brisas leves quanto as piores tempestades. Acredita-se que foram os egípcios os primeiros a fazer uso prático do vento. Em torno do ano 2800 AC, eles começaram a usar velas para ajudar a força dos remos dos escravos. Eventualmente, as velas ajudavam o trabalho da força animal em tarefas como moagem de grãos e bombeamento de água. Os persas começaram a usar a força do vento poucos séculos antes de Cristo. Pelo ano 700 DC, eles estavam construindo moinhos de vento verticais elevados ou panemones, para serem usados como força nas mós, na moagem de grãos. Outras civilizações do oriente médio, mais notadamente os muçulmanos, continuaram o que os persas deixaram e construíram seus próprios moinhos de vento. Com o retorno das cruzadas, pensou-se que eles tinham levado as ideias sobre moinhos de vento e seus desenhos para a Europa, mas provavelmente foram os holandeses que desenvolveram o moinho de vento horizontal com hélices, tão comum nos campos dos holandeses e ingleses. A força do vento e da água logo tornaram-se a fonte primária da energia mecânica medieval inglesa. Durante esse período, os holandeses contaram com a força do vento para bombeamento de água, moagem de grãos e operações de serraria.
Figura 1 - Moinho Eólico Medieval
A geração de eletricidade pelo vento começou em torno do início do século XX, com alguns dos primeiros desenvolvimentos creditados aos dinamarqueses.
Pelo ano de 1930, aproximadamente uma dúzia de firmas americanas produziam esses “carregadores de vento”, e os vendiam na maior parte a fazendeiros. Tipicamente,
essas máquinas poderiam fornecer até 1000 watts (1kW) de corrente contínua quando o vento estava soprando.
Figura 2 - Moinho com rotor de 17m e 144 pás de madeira
Muitos países europeus construíram enormes geradores de vento. Durante os anos 1950 e 1960, os franceses construíram desenhos avançados de unidades de 100 kW a 300 kW. Os alemães construíram geradores de vento para prover força extra para sua linha de utilidades, mas por causa da rígida competição dos geradores de fluído fóssil essas máquinas experimentais foram eventualmente descartadas. Na década de 1970 até meados da década de 1980, após a primeira grande crise do petróleo, diversos países, inclusive o Brasil, se preocuparam em desenvolver pesquisas na utilização da energia eólica como uma fonte alternativa de energia.
Figura 3 - Estrutura interna e componentes de uma turbina eólica típica
Entretanto, foi a partir de experiências de estímulo ao mercado realizadas na Califórnia na década de 1980 e na Dinamarca e Alemanha na década de 1990 que o aproveitamento da energia eólica como alternativa de geração de energia elétrica atingiu escala de contribuição mais significativa ao sistema elétrico, em termos de geração, eficiência e competitividade. O enorme desenvolvimento tecnológico passou a ser capitaneado pela nascente indústria do setor, em regime de competição e estimuladas por mecanismos institucionais de incentivo. Devido a este avanço tecnológico e ao crescimento da produção em escala, foi possível se desenvolver novas técnicas de construção dos aerogeradores permitindo aumentar a capacidade unitária das turbinas, obtendo assim reduções graduais e significativas nos custos do quilowatt instalado e, consequentemente, uma substancial redução no custo da geração da energia elétrica. A figura 4, extraída da revista Windpower Monthly de Janeiro de 2004, mostra a tendência da evolução descendente dos custos de geração da energia elétrica a partir de turbinas eólicas, enquanto que o custo da energia gerada a partir do carvão e do gás é constante ou ascendente
Figura 4 - Evolução do custo da geração eólico na última década
GERADORES ASSÍNCRONOS Os geradores assíncronos apresentam, de modo geral, robustez e ótimo custo benefício e são amplamente empregados na geração eólica. Uma desvantagem do uso dessas máquinas como geradores eólicos é a necessidade de se usar caixa de câmbio, devida aos altos valores de velocidade síncrona. As topologias existem no emprego desses geradores são:
Gerador assíncrono auto excitado – “ Danish Concept ” A energia eólica é transformada em energia elétrica usando uma máquina de indução de gaiola de esquilo simples diretamente ligada a uma rede elétrica trifásica. O rotor da turbina eólica está acoplado ao eixo do gerador, com uma caixa de velocidades de razão fixa. Nos terminais do estator do gerador é conectado um banco de capacitores que, em ressonância com os enrolamentos do estator, irá fornecer potência reativa para a excitação
da máquina. É necessário haver energia remanescente nos enrolamentos da máquina, ou o capacitor estar previamente carregado. Nessa configuração os terminais do gerador são conectados diretamente à rede. Este tipo de gerador não é amplamente utilizado fora da indústria de turbinas eólicas e nem em pequenas centrais hidrelétricas, mas é uma máquina bastante conhecida na indústria de modo geral. As vantagens do emprego desse sistema é a robustez, ter menor custo, possibilidade de operar com pequenas variações de velocidade e não emitir componentes harmônicos para a rede. Como desvantagem pode-se citar o fato de operar em velocidade fixa, além de ser um sistema mais caro para potências elevadas. Uma aplicação bastante promissora é a de Geração Independente, para localidades isoladas e sem acesso à energia elétrica.
Figura 5 - Gerador autoexcitado – velocidade fixa
Gerador assíncrono conectado à rede através de um conversor Nessa configuração o gerador assíncrono é conectado indiretamente à rede. O fluxo de potência passa através de um conversor CA-CC-CA, permitindo um desacoplamento do gerador em relação à rede, permitindo uma ampla flexibilidade na regulação da velocidade (velocidade variando de 0 a 100%). Nessa configuração, os reativos da alimentação dos enrolamentos da máquina são fornecidos pelo conversor. Esta é uma das configurações que dominam o mercado, e é promissora para turbinas eólicas de alta capacidade (>5MW). Uma desvantagem desse sistema é que, como os conversores processam toda a potência elétrica gerada pelo sistema, os conversores possuem dispositivos mais robustos, encarecendo o preço dessa topologia. Porém, esse preço está caindo ao longo do tempo, e seu percentual é geral baixo face ao custo de uma turbina eólica.
Figura 6 - Gerador assíncrono conectado à rede através de um conversor – velocidade variável
Gerador Assíncrono Trifásico de Rotor Bobinado Duplamente Alimentado com Escovas Nessa topologia, os enrolamentos do rotor estão conectados a um conversor CCCA, portanto essas bobinas são alimentadas tanto por do conversor quanto pela indução (interação com os enrolamentos do estator). Isso permite um controle de velocidade de em torno de ±30% da velocidade síncrona. A conexão do gerador com a rede é direta. Portanto, a potência nominal dos dispositivos semicondutores de potência dos conversores é menor, barateando esse tipo de turbina.
Figura 7 - Gerador assíncrono conectado à rede através de um conversor - velocidade variável
CONCLUSÃO Os motores assíncronos se mostram uma alternativa viável na aplicação de geração de energia elétrica de fontes eólicas. Duas das topologias mais empregadas no mercado mundial de turbinas de até 5MW usam máquinas de indução como geradores. O gerador assíncrono autoexcitado, bastante empregado no início da década de 90 até o início dos anos 2000, embora esteja em declínio, ainda se mostra uma alternativa robusta. Para sistemas isolados é uma excelente opção. Os sistemas que utilizam conversores de potência e operam a velocidade variável, já dominam o mercado dentre os geradores assíncronos, e com o crescimento cada vez maior do porte das turbinas, o uso de geradores assíncronos conectados à rede através de conversor mostra-se a grande aposta para o futuro dentre as topologias apresentadas nesse texto.
REFERÊNCIAS, [1]“ Doubly Fed Induction Generator Systems for Wind Turbines”. Disponível em: < http://web.mit.edu/kirtley/binlustuff/literature/wind%20turbine%20sys/DFIGinWindTur bine.pdf> Acessado em 24/11/2015 [2] “GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA – TECNOLOGIAS ATUAIS E FUTURAS ”. Disponível em Acessado em 24/11/2015 “ Histórico [3] da energia dos ventos” Disponível Acessado em 24/11/2015
em
“WIND ENERGY ONLINE READER ” [4] Disponível em Acessado em 25/11/2015
