LABORATÓRIO VIRTUAL DE UM SISTEMA EÓLICO: AEROGERADOR INTEGRADO EM UM SISTEMA ELÉTRICO

Manoel Ribeiro Filho, Pebertli Nils Alho Barata, Marcus Guerra da Rocha, Marcus Vinicius Alves Nunes, João Paulo Abreu Vieira.

Departamento de Engenharia Elétrica e Computação – Universidade Federal do Pará (UFPA)

Rua Augusto Corrêa no 01 CEP 66075-110- Belém - Pará - Brasil

mrf@ufpa.br alhobarata@gmail.com mgrochaufpa@yahoo.com.br mvan@ufpa.br jpavieira@yahoo.com.br

Abstract. This work aims primordially the development of a virtual tool, to aid in the teaching and the training process of professionals of the wind power sector, that allow the visualization of one wind generator linked in a power system. Techniques of Virtual Reality are used in the project and implementation of the system, where the user can observe the behavior of the system in real time, and interact with the virtual environment in lot of ways, like for example modifying the wind speed, including failure events in the power system or setting in motion the wind generator tuned on a substation.

Resumo. Este trabalho visa primordialmente o desenvolvimento de uma ferramenta virtual de auxílio no ensino e treinamento de profissionais do setor de energia eólica, que permite a visualização de um aerogerador interligado a um sistema de potência. São usadas técnicas de Realidade Virtual no projeto e implementação do sistema, onde o usuário pode observar o comportamento do sistema em tempo real, e interagir com o ambiente virtual, de diversas maneiras como alterando a velocidade do vento, provocando falhas no sistema elétrico (curto-cirtuito) ou acionando o aerogerador ao ligar uma chave localizada na casa de força..

1. Introdução

As características básicas da Realidade Virtual (RV) como interação, imersão e navegação têm potencial para propiciar um ensino em que oferece ao aprendiz a oportunidade de uma melhor compreensão do assunto que está sendo estudado na medida em que este explora, descobre, observa e interage com o mundo virtual que representa o objeto de estudo. A referência [1], especificamente no capítulo “A Realidade Virtual na Educação e Treinamento” , discute essa questão com profundidade e mostra com base em diversos autores recentes com publicações relevantes de que existe o consenso definitivo de que a Realidade Virtual pode ajudar efetivamente no processo de iteração ensino-aprendizagem.

Este trabalho é embasado em conceitos sobre o uso de Realidade Virtual Desktop [2] e suas aplicações no processo de ensino/aprendizado [3], onde se pretende utilizar as potencialidades provenientes da RV para auxiliar o ensino e o treinamento de profissionais da área de sistemas eólicos [4].

2. Arquitetura do Sistema

A arquitetura computacional do sistema, quanto aos seus módulos funcionais é composta de uma interface gráfica do usuário, a GUI, um ambiente virtual, um de modelamento dinâmico e um de gráficos , além desses existe um módulo de CAD externo que interage com o ambiente virtual, como mostra a Figura 1.

A interação entre os módulos da modelagem dinâmica e o ambiente virtual, é responsável por toda dinâmica e por todo realismo do sistema, pois o primeiro resolve as equações do gerador e da turbina eólica, a cada amostra, e repassa os valores das variáveis para as animações no Ambiente Virtual, fazendo com que o sistema no ambiente comporte-se como um aerogerador real. O módulo gráficos é responsável por gerar os gráficos das variáveis de maior importância do sistema como, tensão gerada, velocidade do eixo do rotor do gerador, etc...

G

U

I

Ambiente Virtual

Modelamento Dinâmico

Gráficos

CAD

Figura 1. Arquitetura do sistema.

3. Detalhes da Implementação

Os modelos dinâmicos da turbina eólica e do gerador implementados, foram retirados de [5] e [6].

Para a programação, utilizou-se o ambiente de desenvolvimento e linguagem DELPHI e os componentes Open Source GLScene [7]. GLScene é uma biblioteca 3D baseada em OpenGL para Delphi. Fornece componentes visuais e objetos permitindo a descrição (grafo de cena) e renderização das cenas 3D..

O ambiente virtual foi construído com o GLScene, sendo que as peças da turbina, coqueiros e a casa de força forma modelados no 3DStudio Max e posteriormente carregados para o ambiente virtual. As equações dinâmicas foram resolvidas inicialmente no MATLAB, e posteriormente convertidas para o DELPHI.

4. Resultados

No Brasil, geralmente os aerogeradores são localizados próximo ao litoral, devido a grande quantidade de vento disponível. Por isso foi escolhida uma cena em que o aerogerador está localizado no continente próximo ao mar com uma ilha nas proximidades, tornando assim a cena realista. A Figura 2 mostra o Aerogerador no

continente vista da ilha. Esta figura servirá para a explicação da interface gráfica do usuário. A opção de menu RV que mostra o ambiente virtual é a escolhida na Figura 2. A opção Gráficos permite a plotagem de gráficos de grandezas importantes relacionados com o estado corrente do aerogerador.

Figura 2. Aerogerador visto da Ilha.

O botão CC permite a aplicação de um curto-circuito no sistema cujas conseqüências serão observadas visualmente na velocidade angular do eixo do rotor do gerador, pois esta tende a aumentar devido à instabilidade causada pelo curto-circuito, e após um curto espaço de tempo volta para sua velocidade angular de regime.

A caixa de seleção Vento permite escolher entre uma velocidade constante, que foi a escolhida nesta cena com o valor de 8m/s, e é observada na barra de status, Vv abaixo do ambiente virtual; ou uma velocidade variável, que é uma senoide e o usuário escolhe o valor inicial. O usuário pode navegar usando o mouse e teclado por todo o ambiente, mas para facilitar a visão de alguns pontos importantes a caixa de seleção visões leva o usuário diretamente para: Panorâmica, Nacela, Chave, Ilha, e Pátio.

O botão Nacela torna-a transparente. A barra de status apresenta o valor corrente de diversas grandezas importantes, cujos gráficos podem ser observados na opção de menu Gráficos.

Para ligar e desligar o sistema o usuário aciona a chave, através de picking. A Figura 3 mostra uma cena na visão Chave, com detalhe da chave desligada, observe que os valores das variáveis estão zerados, e detalhe da chave ligada, observe que agora os valores são diferentes de zero.

Figura 3. Visão na Chave, com detalhes da chave ligada e desligada .

5. Conclusão Foi mostrado que o ambiente virtual desenvolvido possibilita ao usuário visualizar o sistema eólico com cenas realistas, observando o comportamento dinâmico do aeogerador, e interagindo com ele, desligando e ligando o aerogerador através de uma chave no ambiente virtual, o que aumenta o grau de imersão. O ambiente mostrou também proporcionar ao usuário, informações das variáveis do sistema ao longo do tempo, como por exemplo, velocidade do eixo do gerador, tensão gerada, etc., e aplicando falhas no sistema dinâmico (curto-circuito), e observando os resultados no ambiente virtual e na geração de gráficos..

6. Referências [1] Kirner, C. , Tori, R., e outros (2004) “ Realidade Virtual: Conceitos e Tendências”, Pré-Simpósio do SVR2004. [2] Oh, Ji-Young e Stverzlinger, Wolfgang. (2004) “A system for desktop conceptual

3D design”. Virtual Reality. Springer-Verlag London Limited, pag 198-211. [3] Pinheiro, C.D.B., Ribeiro Filho, M.. (2005) “LVR- Laboratório Virtual de Redes-

Protótipo para Auxilio ao Aprendizado em Disciplinas de Redes de Computadores”. Anais do XVI SBIE, pag 82-92.

[4] Eggleston D. M., Stoddard F.S. (1987) “Wind Turbine Engineering Design”, Van Vostrand Reinhold Company, New York.

[5] Slootweg, J.G., Polinder, H., Kling, W.L. (2003) “Representing Wind Turbine Electrical Generating Systems in Fundamental Frequency Simulations”, IEEE Transactions on Energy Conversion.

[6] Kundur, P.(1994) “Power System Stability and Control”, Electric Power Research Institue, McGraw-Hill.

[7] GLSCENE OPENGL SOLUTION FOR DELPHI. Disponível em : <http://glscene.sourceforge.net/index.php>. Acesso em: 02 Fev. 2006.