TURBINAS EÓLICAS: MODELO, ANÁLISE E CONTROLE DO GERADOR … · i TURBINAS EÓLICAS: MODELO,...

UFSM

Dissertao de Mestrado

TURBINAS ELICAS: MODELO, ANLISE E

CONTROLE DO GERADOR DE INDUO COM

DUPLA ALIMENTAO

JEFERSON MARQUES

PPGEE

Santa Maria, RS, BRASIL

2004

i

TURBINAS ELICAS: MODELO, ANLISE, E CONTROLE

DO GERADOR DE INDUO COM DUPLA ALIMENTAO

por

JEFERSON MARQUES

Dissertao apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Ps-

Graduao em Engenharia Eltrica, rea de Concentrao

Processamento de Energia, Controle de Processos, da Universidade

Federal de Santa Maria (RS), como requisito parcial para a obteno do

grau de Mestre em Engenharia Eltrica.

Santa Maria, RS - Brasil. 2004.

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

A COMISSO EXAMINADORA, ABAIXO ASSINADA, APROVA A

DISSERTAO

TURBINAS ELICAS: MODELO, ANLISE, E CONTROLE

DO GERADOR DE INDUO COM DUPLA ALIMENTAO

ELABORADA POR

JEFERSON MARQUES

COMO REQUISITO PARCIAL PARA A OBTENO DO GRAU DE

MESTRE EM ENGENHARIA ELTRICA

COMISSO EXAMINADORA:

___________________________________

Humberto Pinheiro Orientador UFSM Brasil

___________________________________

Christian R. Kelber Unisinos Brasil

___________________________________

Hilton A. Grndling UFSM Brasil

___________________________________

Jose Renes Pinheiro UFSM Brasil

Santa Maria, 21 de dezembro de 2004.

A Deus,

iv

Aos meus pais Carlos e Beloni, que me deram todo amor,

carinho e educao.

v

As minhas irms Joice e Jenifer,

vi

Ao meu grande e eterno amor

Lucinia Albanio Pivetta,

vii

Agradecimentos Ao professor Humberto Pinheiro orientao no desenvolvimento

desse trabalho, e em especial a sua grande amizade, que facilitou no s a

realizao deste trabalho, mas tambm o meu amadurecimento profissional.

Aos professores Hilton Ablio Grndling, Jos Renes Pinheiro e

Hlio Hey, pela amizade, conhecimento e experincia transmitidos no decorrer do

mestrado, contribuindo de forma relevante na elaborao deste trabalho.

Aos meus colegas e grandes amigos Fernando Botteron, Robinson

Camargo, Marcelo Duarte, Igor Jaskusc, Vinicius Leito e Helder Tavares que

sempre me ajudaram no desenvolvimento profissional e deste trabalho.

Aos amigos do grupo de pesquisa GEPOC pela amizade e apoio

que foram to importantes para a continuidade dessa caminhada.

Universidade Federal de Santa Maria e a CAPES pelo apoio

financeiro.

Aos funcionrios do NUPEDEE e em especial ao Eng. Fernando

Martins pela sua amizade e dedicao no desempenho de suas funes e pelo

companheirismo.

As minhas irms Joice e Jenifer pela amizade, carinho e

compreenso durante todos os momentos de minha vida.

Aos meus cunhados Roger e Fabiano pela grande amizade.

Aos meus pais Carlos e Beloni pelo amor, pelo exemplo de vida,

apoio e sobre tudo pelos constantes ensinamentos durante toda minha vida.

Ao meu eterno e grande amor Lucinia Albanio Pivetta, cujo amor,

carinho, respeito e compreenso foram muito importantes, no somente no

desenvolvimento desse trabalho, mas principalmente no meu desenvolvimento

espiritual e humano.

viii

RESUMO TURBINAS ELICAS: MODELO, ANLISE, E

CONTROLE DO GERADOR DE INDUO COM

DUPLA ALIMENTAO

Autor: Eng. Jeferson Marques

Orientador: Humberto Pinheiro, PhD.

O presente trabalho apresenta os principais conceitos e configuraes

utilizadas em turbinas elicas conectadas a rede eltrica, bem como a analise, o

projeto e a implementao do sistema de controle para o gerador de induo com

dupla alimentao (GIDA), visto que, este o conceito mais utilizado pela

indstria de turbinas elicas. Inicialmente, apresentado o modelo do GIDA em

eixos sncronos qd no referencial do fluxo estatrico, que , normalmente,

utilizado para o projeto dos controladores do GIDA, pois neste referencial

possvel controlar independentemente a potncia ativa e reativa da turbina elica.

Entretanto, um problema comum associado ao controlador vetorial do GIDA so

as oscilaes pouco amortecidas do fluxo estatrico. Com o intuito de estudar este

problema, apresentada uma anlise do impacto da banda passante dos

controladores de corrente, nos modos oscilaes do fluxo estatrico, que surgem

prximos freqncia da rede eltrica. Essas oscilaes aparecem na parte no

controlada da GIDA, resultante do acoplamento direto do circuito estatrico com

a rede eltrica. O controlador proposto baseia-se num lao interno de corrente e

um lao externo de potncias ativa e reativa. Como os controladores so

implementados em DSP, tambm, so apresentados os projeto dos controladores

em tempo discreto com limitao da ao integral. Finalmente, so apresentados

ix

resultados experimentais utilizando um GIDA de 2 kW e um inversor PWM,

controlado atravs do DSP TMS320F241.

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA PROGRAMA DE

PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

Autor: Eng, Jeferson Marques

Orientador: Humberto Pinheiro, PhD.

Ttulo: Turbinas Elicas: modelo, anlise, e controle do gerador de

induo com dupla alimentao.

Dissertao de Mestrado em Engenharia Eltrica.

Santa Maria, 21 de dezembro de 2004.

x

Abstract WIND TURBINE: MODELING, ANALYSIS AND

CONTROL OF DOUBLY FED INDUCTION

GENERADOR

Author: Jeferson Marques, Ing.

Research Supervisor: Humberto Pinheiro, PhD.

This thesis presents the main concepts and configurations used in wind

turbine connected to the grid, as well as, an analysis, design and implementation

of the control system for the Doubly Fed Induction Generator (DFIG). The DFIG

has been selected since it is the concept frequently adopted by the wind turbine

manufactures. In the thesis, it is presented a model of the DFIG in stator flux

reference frame that is normally used in DFIG. The main reason for use the stator

flux reference frame is that in this referential is possible to control the active and

reactive power of the stator circuit independently. However, the main limitation

related with the DFIG vector control is the poor damping oscillation of the stator

flux. Aiming to study this problem, the impact of the bandwidth of the rotor

currents control loop in the stator flux oscillation mode that appears near the

voltage grid frequency, is investigated. It is demonstrated that when Rs approaches

of the zero, these oscillations can not be controlled by the rotor converter. The

proposed controller has an internal current control loop and an external power

control loop. As the controllers are usually implemented in a digital signal

processor (DSP), a redesign in discrete time to compute the control action with

anti-windup is given. Finally, experimental results to validate the controllers

design using a 2 kW DFIG and IGBT PWM converter, controlled by the DSP

TMS320F241, are presented.

xi

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA PROGRAMA DE

PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

Author: Eng, Jeferson Marques

Research Supervisor: Humberto Pinheiro, PhD.

Title: Wind Turbine: Modeling, Analysis and Control of Doubly Fed

Induction Generator.

Master Thesis on Electrical Engineering.

Santa Maria, December 21, 2004.

xii

ndice Captulo 1 - Introduo ........................................................................................... 1

1.1. Introduo ............................................................................................... 1

1.2. Reviso dos Trabalhos Relacionados...................................................... 2

1.3. Objetivos do Trabalho............................................................................. 6

1.4. Organizao da Dissertao .................................................................... 7

Bibliografia ......................................................................................................... 8

Captulo 2 O Estado da Arte da Energia Elica no Brasil e no Mundo............. 11

2.1. Introduo ............................................................................................. 11

2.2. Introduo a Energia Elica .................................................................. 11

2.3. A Historia da Energia Elica no Mundo............................................... 16

2.4. A Histria da Energia Elica no Brasil ................................................. 28

2.5. Sumrio ................................................................................................. 35

Bibliografia ....................................................................................................... 35

Captulo 3 Turbinas Elicas: Conceitos e Componentes ................................... 37

3.1. Introduo ............................................................................................. 37

3.2. Converso da Energia do Vento em Energia Mecnica........................ 37

3.2.1) Fora de arrasto ................................................................................. 40

3.2.2) Fora de Sustentao......................................................................... 42

3.3. Configuraes do Rotor e Principais componentes das Turbinas Elicas

Modernas........................................................................................................... 45

xiii

3.3.1) Glossrio da turbina elica (Figura 3-12) ......................................... 49

3.4. Modos de Operao de uma Turbina Elica ......................................... 51

3.4.1) Operao em velocidade Constante .................................................. 52

3.4.2) Operao em Velocidade Varivel.................................................... 54

3.5. Mtodos de Limitao de Potncia. ...................................................... 56

3.5.1) Perda Aerodinmica Passiva ............................................................. 56

3.5.2) Regulao por Passo ......................................................................... 58

3.5.3) Perda Aerodinmica Ativa ................................................................ 60

3.6. Sumrio ................................................................................................. 62

Bibliografia ....................................................................................................... 63

Captulo 4 Tipos de Geradores Elicos e Sistemas de Controle........................ 65

4.1. Introduo ............................................................................................. 65

4.2. Gerador de Induo em Gaiola de Esquilo (GIGE) .............................. 65

4.3. Gerador Sncrono com rotor Bobinado (GSRB)................................... 68

4.4. Gerador Induo com Dupla Alimentao (GIDA) .............................. 69

4.5. Sumrio ................................................................................................. 71

Bibliografia ....................................................................................................... 71

Captulo 5 Modelo do Gerador de Induo com Dupla Alimentao................ 73

5.1. Introduo ............................................................................................. 73

5.2. Histrico................................................................................................ 73

5.3. Modelo do Gerador de Induo com Dupla Alimentao em qd0........ 74

5.3.1 Transformaes Lineares Ortogonais ................................................... 75

5.3.2 Equaes das Tenses em qd0 no Referencial Genrico ...................... 79

xiv

5.3.3 Equao do Torque eletromagntico e da Potncia Ativa e reativa em

qd0 no Referencial genrico.............................................................................. 85

5.3.4 Referencial no Fluxo Estatrico............................................................ 86

5.4. Sumrio ................................................................................................. 89

Bibliografia ....................................................................................................... 90

Captulo 6 Projeto dos Controladores Vetorias.................................................. 91

6.1. Introduo ............................................................................................. 91

6.2. Projeto dos Controladores de Corrente Rotrica .................................. 93

6.3. Anlise do GIDA com Controladores PI na Malha Interna de Corrente. .

............................................................................................................... 95

6.3.1 Anlise dos Autovalores do GIDA em Malha Fechada...................... 100

6.3.2 Comportamento Transitrio do GIDA com PI ................................... 103

6.4. Controlador PI da malha externa de Potncia ..................................... 109

6.5. Sumrio ............................................................................................... 112

Bibliografia ..................................................................................................... 112

Captulo 7 Resultados Experimentais .............................................................. 114

7.1. Introduo ........................................................................................... 114

7.2. Resultados Experimentais do Estimador da posio do fluxo estatrico..

............................................................................................................. 114

7.3. Resultados Experimentais da resposta transitria das correntes rotricas

............................................................................................................. 116

7.4. Resultados Experimentais em Regime Permanente............................ 117

7.5. Sumrio ............................................................................................... 122

Bibliografia ..................................................................................................... 122

xv

Captulo 8 Concluses Gerais .......................................................................... 124

Apndice A Descrio do Prottipo Utilizado na Implementao .................. 126

Apndice B Projeto dos Controladores PIs em Tempo Discreto ..................... 131

xvi

ndice de Figuras Figura 1-1. Acionamento esttico de Kramer. ........................................................ 3

Figura 1-2. Acionamento esttico de Scherbius...................................................... 4

Figura 1-3. Acionamento esttico de Scherbius com pontes de IGBTs................. 4

Figura 2-1. Crescimento global da populao e do consumo de eletricidade [2]. 12

Figura 2-2. Diviso da Produo de Eletricidade em 1999................................... 12

Figura 2-3. Distribuio dos custos para diferentes plantas de potncia. ............. 13

Figura 2-4. Cenrio previsto para suprir a demanda de energia global nos

prximos anos.[14]........................................................................................ 14

Figura 2-5. Polticas governamentais e seus efeitos em alguns mercados europeus.

....................................................................................................................... 15

Figura 2-6. Capacidade total de energia elica instalada no mundo at o final de

2001. [16] ...................................................................................................... 16

Figura 2-7. Moinho de vento do tipo Prsia [1]. ................................................... 17

Figura 2-8. Aproximao do moinho de vento chins [1]. ................................... 18

Figura 2-9. Moinho de vento de eixo horizontal construdo na costa do

Mediterrneo[1]. ........................................................................................... 18

Figura 2-10. Moinho de vento do tipo Dutch [3]. ................................................. 19

Figura 2-11. Moinho de vento do tipo leque ou americano [1]. ........................... 20

Figura 2-12. Moinho de vento construdo por Brush ........................................... 21

Figura 2-13. Turbina Elica de Smith-Putnam. .................................................... 22

Figura 2-14. Turbina elica Gedser. ..................................................................... 23

xvii

Figura 2-15. Turbina elica de Hutter................................................................... 24

Figura 2-16. Turbina elica de eixo vertical do tipo Darrieus [6]. ....................... 24

Figura 2-17. Turbina elica de eixo vertical do tipo Savonius [6]........................ 25

Figura 2-18. Turbina elica MOD-1 de 2MW [7]. ............................................... 26

Figura 2-19. Evoluo das turbinas elicas. Fonte ISET...................................... 27

Figura 2-20. Turbina Elica de 75 kW instalada na Ilha de Fernando de Noronha

[11]. ............................................................................................................... 30

Figura 2-21. Parque Elico do Morro do Camelinho. [11] ................................... 31

Figura 2-22. Parque Elico de Prainha. ................................................................ 33

Figura 2-23. Parque Elico de Taba. ................................................................... 33

Figura 2-24. Parque Elico de Palmas. ................................................................. 34

Figura 3-1. Variao da massa atravs da rea de varredura A. ........................... 39

Figura 3-2. Variao da velocidade do vento atravs do rotor da turbina. ........... 39

Figura 3-3. Utilizao da fora de arrasto e cD para diferentes tipo de ps. ......... 40

Figura 3-4. Modelo simplificado da turbina do tipo Prsia. ................................. 41

Figura 3-5. Coeficiente de potncia (cp) em funo do tip speed ratio () para uma

turbina do tipo Prsia. ................................................................................... 42

Figura 3-6. Definio da fora de sustentao e arrasto considerando uma

representao em 2-D.................................................................................... 43

Figura 3-7. Coeficientes cL e cD em funo do ngulo de ataque () [1] ............. 44

Figura 3-8. Fluxo laminar e fluxo turbulento sobre o perfil de uma p [1]. ......... 45

Figura 3-9. Direo do vento para turbinas upwind e downwind.......................... 46

Figura 3-10. TSR para diferentes tipos de turbinas elicas [1]............................. 47

xviii

Figura 3-11. Desbalanceamento causado pela passagem das ps pela torre......... 48

Figura 3-12. Principais componentes de uma turbina elica moderna [12].......... 49

Figura 3-13. Regies de operao de uma turbina elica. .................................... 51

Figura 3-14. Caracterstica de uma turbina elica operando em velocidade

constante [1]. ................................................................................................. 53

Figura 3-15. Caracterstica de uma turbina elica operando em duas velocidades

[1]. ................................................................................................................. 54

Figura 3-16. Caracterstica de uma turbina elica operando em velocidade varivel

[1]. ................................................................................................................. 55

Figura 3-17. Variao do ngulo de ataque() com a velocidade do vento. ........ 57

Figura 3-18. Curva de potncia para uma turbina com perda aerodinmica passiva

[1]. ................................................................................................................. 58

Figura 3-19. Regulao por passo......................................................................... 59

Figura 3-20. Coeficiente de potncia para diferentes ngulos de passo. .............. 60

Figura 3-21. Curva de potncia para uma turbina com regulao por passo. ....... 60

Figura 3-22. Regulao por perda aerodinmica ativa.......................................... 61

Figura 4-1. Sistema de gerao elica com GIGE. ............................................... 66

Figura 4-2. Caracterstica torque x velocidade do rotor para operao em duas

velocidades.................................................................................................... 67

Figura 4-3. Sistema de gerao elica com GSRB. .............................................. 69

Figura 4-4. Sistema de gerao elica com GIDA................................................ 70

Figura 5-1 Representao Trigonomtrica da Transformao para o circuito

estacionrio . ................................................................................................. 76

xix

Figura 5-2 - Representao Trigonomtrica da Transformao para o circuito

rotrico. ......................................................................................................... 78

Figura 5-3 Circuito Equivalente do Gerador de Induo trifsico com dupla

alimentao. .................................................................................................. 79

Figura 5-4 Circuito equivalente do GIDA no referencial genrico.................... 85

Figura 5-5 Variveis do estator e do rotor no referencial do fluxo estatrico. .. 87

Figura 6-1 Diagrama de blocos do GIDA e do sistema de controle. ................. 91

Figura 6-2 Fluxos de potncia ativa e reativa no modo de operao sub-

sncrono......................................................................................................... 92

Figura 6-3 - Fluxos de potncia ativa e reativa no modo de operao sob-sncrono.

....................................................................................................................... 93

Figura 6-4 Diagrama de blocos do controlador PI para o GIDA. ...................... 95

Figura 6-5. Lugar das Razes para a variao da banda passante de 1 a 1000 rad/s.

Para operao com potncia reativa, sendo que a letra X indica o ponto

inicial........................................................................................................... 101

Figura 6-6. Lugar das Razes para a variao da banda passante de 1 a 1000 rad/s,

Para operao com potncia ativa, sendo que a letra X indica o ponto inicial.

..................................................................................................................... 101

Figura 6-7. Lugar das razes para Rs variando de 50%, considerando a banda

passante dos controladores de eixo q e d de 500 rad/s. ............................ 102

Figura 6-8. Comportamento transitrio do GIDA para uma mudana de idr de a

para in, e aps 0.5 s houve uma queda de 20 % em Vn. Para r=0.7s e a

xx

banda passante do controlador de corrente de eixo q e d igual a 100 rad/s.

..................................................................................................................... 105


para in, e aps 0.5 s houve uma queda de 20 % em Vn. Para r=0.7s e a

banda passante do controlador de corrente de eixo q e d igual a 100 rad/s.

..................................................................................................................... 106


para in, e aps 0.5 s houve uma queda de 20 % em Vn. Para r=0.7s ,

banda passante do controlador de corrente de eixo q igual a 100 rad/s. e

banda passante do controlado de corrente eixo de d igual a 1000 rad/s. .... 107


para in, e aps 0.5 s houve uma queda de 20 % em Vn. Para r=0.7s ,

banda passante do controlador de corrente de eixo q igual a 1000 rad/s. e

banda passante do controlado de corrente eixo de d igual a 100 rad/s. ...... 108

Figura 6-12. Resultado Experimental. Transitrio na potncia ativa no estator. 110

Figura 6-13. Diagrama de Blocos completo do GIDA com as malhas internas de

corrente e as malhas externas de potncia. ................................................. 111

Figura 7-1. Resultado Experimental. Posio angular estimada do fluxo estatrico.

..................................................................................................................... 115

Figura 7-2. Resultado Experimental. Velocidade angular estimada do fluxo

estatrico. .................................................................................................... 115

Figura 7-3. Resultado Experimental do comportamento transitrio do GIDA para

uma mudana de idr de a para 0.5 pu, e aps 0.5 s houve uma queda de 10

xxi

% em Vn. Para r=0.7s, banda passante do controlador de corrente de eixo

q e d igual a 1000 rad/s............................................................................. 116

Figura 7-4. Resultado Experimental do comportamento transitrio do GIDA para

uma mudana de idr de a para 0.5 pu, e aps 0.5 s houve uma queda de 10

% em Vn. Para r=0.7s, banda passante do controlador de corrente de eixo

q e d igual a 1000 rad/s............................................................................. 117

Figura 7-6. Tenso e corrente estatrica na fase a e corrente rotrica na fase A

Escala vertical: 100V/div, 5A/div e 10 A/div, respectivamente. ................ 118

Figura 7-7. Tenso e corrente estatrica na fase A. Escala vertical: 100V/div,

5A/div.......................................................................................................... 118

Figura 7-8. Corrente trifsicas de fase no circuito rotrico. Escala vertical:

10A/div........................................................................................................ 119

Figura 7-9. Tenso e corrente estatrica na fase a e corrente rotrica na fase a

Escala vertical: 100V/div, 5A/div e 10A/div, respectivamente. ................. 120

Figura 7-10. Tenso e corrente estatrica na fase a. Escala vertical: 100V/div,

5A/div.......................................................................................................... 120

Figura 7-11. Corrente trifsicas no circuito rotrico. Escala vertical: 10A/div. . 121

Figura 7-12. Transitrio das correntes rotricas em abc..................................... 121

Figura 7-13. Correntes rotricas na passagem no modo sub-sncrono para o sob-

sncrono....................................................................................................... 122

xxii

ndice de Tabelas Tabela 3-1. Configuraes possveis de turbinas elicas utilizando a combinao

dos conceitos. ................................................................................................ 62

Tabela 3-2. Caractersticas das Turbinas elicas em relao ao n de turbinas

estaladas por ano [9]. .................................................................................... 63

Tabela 6-1. Parmetros do controlador PID obtidos atravs do mtodo de malha

aberta de Ziegler-Nichols............................................................................ 110

xxiii

Simbologia m& - Taxa de variao da massa do ar

- ngulo de ataque

- ngulo de passo

- Densidade do ar (1,225 Kg/m3 ao nvel do mar)

- Deslocamento angular das variveis estatricas

- Velocidade angular das variveis estatricas

m - Velocidade angular no eixo da turbina

- Referencial estacionrio

s, s - Fluxos estatricas no referencial estacionrio

e - Posio angular do fluxo estatrico

e - Velocidade angular do fluxo estatrico

opt - Tip Speed Ratio timo

'qr, dr - Fluxos rotricas em eixos sncronos qd0

qs, ds - Fluxos de seqncia zero

qs, ds - Fluxos estatricas em eixos sncronos qd0

r - Velocidade angular do circuito rotrico

s - Posio angular da tenso estatrica

A - rea de varredura da turbina elica

abc - Sistema de coordenadas trifsico

cD - Coeficiente de arrasto

cL - Coeficiente de sustentao

cp - Coeficiente de potncia

cp,Betz - Coeficiente de potncia mximo

ct - Coeficiente de torque

D - Fora de arrasto

DSP - Digital Signal Processor Processador Digital de Sinais

xxiv

E - Energia Cintica (joules)

e - Vetor de erro

f - Vetor de funes escalares

fabcs - Vetor de variveis estatricas no sistema trifsico

fqd0s - Vetor de variveis estatricas em eixos sncronos qd0

G - Relao de engrenagem

GIDA - Gerador de Induo com Dupla Excitao

GIGE - Gerador de Induo em Gaiola de Esquilo

GSRB - Gerador Sncrono com Rotor Bobinado

is, is - Correntes estatricas no referencial estacionrio

i0s, i0s - Correntes de seqncia zero

in - Corrente nominal do gerador

i'qr, idr - Tenses rotricas em eixos sncronos qd0

iqs, ids - Correntes estatricas em eixos sncronos qd0

k - Amostra

Ki - Ganho do controlador integral

Kp - Ganho do controlador proporcional

Ks - Matriz de transformao de abcs para qd0

L - Fora de sustentao

Llr - Indutncia de disperso do enrolamento rotrico

Lls - Indutncia de disperso do enrolamento estatrico

Lmr - Indutncia de magnetizao do enrolamento rotrico

Lms - Indutncia de magnetizao do enrolamento estatrico

Lsr - Amplitude da indutncia mtua entre os enrolamentos estatricos

e rotricos

M - Indutncia Mtua

m - Massa do ar (Kg)

MIDE - Mquina de Induo com Dupla Excitao

Mir - Mdulo das correntes rotricas

MPPT - Maximum Power Point Tracking

Nr - Nmero de espiras do enrolamento rotrico

xxv

Ns - Nmero de espiras do enrolamento estatrico

p - Nmero de plos

P - Potncia (W)

PI - Controlador Proporcional-Integral

Pm - Potncia mecnica

Pr - Potncia ativa no circuito rotrico

PROINFA - Programa de Incentivos as Fontes Alternativas de Energia

Ps - Potncia ativa no circuito estatrico

PWM - Pulse width Modulation Modulao por largura de Pulso

qd0 - Sistema de coordenadas em eixos sncronos

Qs - Potncia reativa no circuito estatrico

stall - Perda aerodinmica

t - Tempo (s)

Td - Perodo de discretizao

Te - Torque eltrico

TSR - Tip Speed Ratio ()

u - Velocidade das ps

u - Vetor de entrada

v - Velocidade do vento (m/s)

vs, vs - Tenses estatricas no referencial estacionrio

v0s, v0s - Tenses de seqncia zero

v'qr, vdr - Tenses rotricas em eixos sncronos qd0

vqs, vds - Tenses estatricas em eixos sncronos qd0

Vs - Amplitude da tenso da rede eltrica

w - Velocidade relativa vista pela turbina elica

x - Vetor de estados do integrador

Captulo 1

INTRODUO

1.1. Introduo

A demanda de energia, especialmente eltrica, aumentou

drasticamente nos ltimos 100 anos. Portanto, torna-se importante considerar os

impactos ambientais causados pela produo de energia. O uso contnuo de fontes

convencionais1 para suprir essa crescente demanda contribui para o aquecimento

global que apontado como um dos possveis causadores das mudanas

climticas em todo o planeta. Uma alternativa para diminuir estes problemas o

uso de fontes de energia renovveis, oriundas do vento, da gua e do sol. Pois,

estas tendem a diminuir o aquecimento global, visto que a produo de energia,

atravs destas fontes, no emite gs carbnico e no produz lixo nuclear.

Dentre as fontes alternativas de energia, a elica apresenta um

elevado crescimento nos ltimos anos, principalmente devido a incentivos

governamentais e ao alto grau de desenvolvimento e confiabilidade desta

tecnologia. Com o objetivo de incentivar a abertura do mercado para a energia

elica necessria uma poltica especial que torne esta lucrativa, de modo que

essa possa competir com outras plantas de gerao de energia, principalmente as

convencionais. Exemplos de polticas governamentais so o programa de

incentivo s fontes alternativas de energia (PROINFA) e o programa Ventos do

Sul. O PROINFA um programa do governo brasileiro que prev a instalao na

1 fase de 3.3 GW de fontes alternativas at 2008, sendo 1.1 GW destinado para

energia elica. A segunda fase prev que a instalao de, aproximadamente, 15

1 Fontes convencionais: leo, Nuclear, Termo, Hidroeltrica, etc

2

GW de fontes alternativas at 2014, sendo 4.15 GW destinado para energia elica.

A meta deste programa cobrir 10% da demanda de energia eltrica, no Brasil,

atravs de fontes alternativas. Alm de diversificar a matriz energtica brasileira,

que basicamente formada por hidroeltricas.

O alto grau de desenvolvimento alcanado pela indstria elica

deve-se ao crescimento histrico desta tecnologia que iniciou com os moinhos de

vento at chegarem nas modernas turbinas elicas utilizadas atualmente. Os

principais conceitos utilizados pelas modernas turbinas elicas so: (i) a operao

em duas velocidades, utilizando o gerador de induo em gaiola de esquilo

(GIGE); (ii) a operao em velocidade varivel, utilizando o gerador sncrono de

plos salientes e rotor bobinado (GSRB) e (iii) a operao em velocidade varivel,

utilizando o gerador de induo com dupla alimentao (GIDA). Dentre estes

conceitos, o que utiliza GIDA o que mais vem sendo utilizado pela indstria,

principalmente para potncia acima de 1.5MW, que a faixa de potncia

utilizada, atualmente, para a conexo a rede eltrica.

Devido a grande utilizao industrial do conceito de turbina elica

de velocidade varivel com o GIDA, surge a necessidade de analisar-se o sistema

de controle utilizado neste tipo de turbina elica, de modo que esta possa ser

conectada a rede eltrica. Os principais fatores que so analisados neste trabalho

so o controle da potncia ativa e reativa entregue pela turbina elica para a rede

eltrica.

1.2. Reviso dos Trabalhos Relacionados

A mquina de induo com dupla alimentao (MIDA) com

controle de velocidade feito mecanicamente, atravs de um reostato colocado no

circuito rotrico , possivelmente, o mtodo mais antigo utilizado pela indstria,

para o controle de mquinas AC. Para aplicaes onde requerido o controle de

velocidade em uma faixa limitada de operao, a MIDA uma boa alternativa.

Pois, potncia do circuito rotrico (potncia de escorregamento) somente uma

3

frao da potncia da mquina e, conseqentemente, o custo do conversor de

potncia menor. Alguns exemplos desse tipo de aplicao so listados abaixo.

(i) Acionamento de alta capacidade para sistemas de ventilao

e bombas.

(ii) Turbinas elicas de velocidade varivel.

(iii) Sistemas de Navios com operao em velocidade varivel e

freqncia constante.

(iv) Geradores hdricos de velocidade varivel.

(v) Sistemas de armazenamento de energia flywheel utilizado

nas redes eltricas.

Outra alternativa para o controle de velocidade da MIDE a utilizao do

acionamento esttico de Kramer2 (Figura 1-1). Neste mtodo, a potncia do

circuito rotrico no queimada na resistncia rotrica, como no caso do reostato,

mas convertida em AC 60Hz (50Hz) e , normalmente, devolvida rede

eltrica.

MIDE

Tm Rede

Eltrica

sPg

Figura 1-1. Acionamento esttico de Kramer.

O acionamento esttico de Kramer permite o controle da velocidade no modo sub-

sncrono motor e no modo sob-sncrono gerador, pois o fluxo de potncia do

circuito rotrico unidirecional. A desvantagem deste mtodo que ele no

permite a operao nos modos sub-sncrono gerador e no modo sob-sncrono

motor. Desta forma, este mtodo no apropriado para aplicaes em sistemas de

2 Este sistema diferente do acionamento de Kramer original, onde utilizada uma mquina AC no circuito rotrico no lugar do conversor mostrado na Figura 1-1.

4

gerao elicos. Para possibilitar a operao no modo sub-sncrono gerador, pode-

se substituir a retificador a diodo da Figura 1-1, por uma ponte de tiristores, como

mostrado na Figura 1-2. Este esquema denominado acionamento esttico de

Scherbius.

MIDE

Tm Rede

Eltrica

sPg

Figura 1-2. Acionamento esttico de Scherbius.

Esse sistema permite o fluxo bidirecional de potncia no circuito rotrico, que

pode ser controlado tanto no modo motor como no modo gerador para velocidades

sub-sncronas e sobre-sncronas. Alm disso, variaes no do acionamento de

Scherbius podem ser obtidas pela substituio das duas pontes de tiristores por um

cicloconversor ou por dois conversores PWM. Devido ao fluxo bidirecional de

potncia, este sistema vem sendo, constantemente, aplicado em turbinas elicas e

geradores hdricos de velocidade varivel [1].

A grande maioria das aplicaes da MIDA em turbinas elicas

utiliza a configurao de Scherbius com duas pontes de IGBTs, conforme

mostrado na Figura 1-3.

MIDE

Tm Rede

Eltrica

sPg

Figura 1-3. Acionamento esttico de Scherbius com pontes de IGBTs.

Na Figura 1-3, o objetivo do controlador do lado da rede eltrica manter o

barramento CC constante, independente da magnitude e da direo da potncia

5

estatrica, e controlar o fator de potncia entre o conversor e a rede eltrica [2]-

[7]. Normalmente, para esse propsito so utilizados controladores vetoriais

(FOC) no referencial da tenso ou do fluxo estatrico [6] que permitem o

desacoplamento entre o controlador da tenso do barramento CC e a potncia

reativa [2][5][24]. Por outro lado, o objetivo do conversor do lado do rotor

controlar a potncia ativa e reativa do circuito estatrico ou o torque eltrico e a

corrente de excitao da MIDE [2]-[21]. Os dois tipos de controladores mais

utilizados para o controle da potncia ativa e reativa o controle direto de

torque/potncia (DTC) e o controle vetorial (FOC) no referencial do fluxo ou da

tenso estatrica. Na tcnica de DTC so usados dois controladores por histereses

para determinar os vetores de comutao do conversor do lado do rotor, sendo um

controlador para o torque eltrico/potncia ativa e outro para o fluxo

rotrico/potncia reativa [4][14][20]. As vantagens desta tcnica so: a rpida

resposta dos controladores e o clculo da ao de controle que no requer grande

esforo computacional e independente da posio do rotor. Uma desvantagem

do DTC que o erro do controlador mantido dentro de uma faixa limitada,

definida pela banda de histerese. Deste modo, o erro nunca ser nulo, e as

variveis da mquina apresentam uma oscilao mesmo em regime permanente,

principalmente no torque e no fluxo rotrico. As oscilaes de torque podem

causar fadigas nos componentes mecnicos e eltricos da turbina elica,

conseqentemente, diminuindo o tempo de vida da turbina elica. Na tcnica

FOC, normalmente so utilizados dois controladores PI um para corrente rotrica

de eixo q e outro para a corrente rotrica de eixo d. Sendo que, um controla a

potncia ativa/torque eltrico e o outro a potncia reativa/corrente de excitao.

Para permitir um controle desacoplado entre os controladores de corrente,

geralmente, utilizado o referencial no fluxo estatrico [2][3][5]-[10][15]-

[19][21], embora algumas referncias tambm utilizem o referencial na tenso

estatrica [11][13].

Um problema comum associado ao controlador vetorial do GIDA

so as oscilaes pouco amortecidas do fluxo estatrico [25]. Essas oscilaes

6

aparecem na parte no controlada da GIDA3, resultante do acoplamento direto do

circuito estatrico com a rede eltrica. Existem vrias tcnicas para amortecer as

oscilaes do fluxo estatrico. Em [22] foi concludo que, tanto a reduo da

banda passante dos controladores de corrente de eixo q e d, quanto

implementao de um amortecimento adicional no fluxo estatrico podem

amortecer as oscilaes do fluxo estatrico. Note que, geralmente, assumido que

as malhas de corrente rotricas so rpidas o suficiente, para que as suas

dinmicas possam ser desprezadas no projeto dos controladores de potncia ativa

e reativa [8]. Portanto deve-se ter cuidado na reduo da banda passante para que

est hiptese no seja comprometida. Em [23][25], a realimentao da derivada do

fluxo estatrico foi introduzida para criar um amortecimento adicional nos modos

oscilatrios. A desvantagem da realimentao da derivada do fluxo a

necessidade de um filtro para obteno dessa varivel. Alm disso, em [8][25]

analisada a insero de um conversor adicional, conectado em srie com o estator,

para agregar um amortecimento ao fluxo estatrico. A desvantagem deste mtodo

a necessidade de um conversor adicional, que aumenta o custo do sistema.

Baseado no texto acima, se observa que existem algumas tcnicas

de controle para o conversor do lado da rede e para o conversor do lado do rotor,

que so, normalmente, utilizadas para o controle do GIDA aplicado em turbinas

elicas. Neste trabalho tratado controlador do conversor do lado do rotor

utilizando FOC no referencial do fluxo estatrico. Alm disso, ser analisado o

impacto na banda passantes dos controladores de corrente nas oscilaes do fluxo

estatrico.

1.3. Objetivos do Trabalho

Nesta dissertao so apresentados o estado da arte e alguns

conceitos de turbinas elicas, bem como a anlise, modelo e projeto do

3 A denominao parte no controlada foi utilizada aqui porque no sistema de gerao elica com GIDA que analisado neste trabalho no existe nenhum sistema de atuao no circuito estatrico.

7

controlador vetorial para o conceito de turbina elica que utiliza o GIDA. Como

objetivos especficos tem-se:

(i) Mostrar a evoluo das turbinas elicas que levou esta

tecnologia ao alto grau de desenvolvimento e confiabilidade.

(ii) Descrever os conceitos de turbinas elicas mais utilizados,

atualmente, para a conexo a rede eltrica.

(iii) Descrever o Modelo do GIDA no referencial do fluxo

estatrico, que comumente utilizado para o projeto dos controladores vetoriais

de corrente.

(iv) Desenvolver o projeto dos controladores da malha interna

de corrente de eixo q e d, bem como dos controladores da malha externa de

potncia ativa e reativa.

(v) Analisar os modos oscilatrios do fluxo estatrico.

(vi) Investigar o impacto da banda passante dos controladores de

corrente em malha fechada no sentido de amortecer as oscilaes do fluxo

estatrico.

(vii) Projetar um controlador vetorial para o GIDA em tempo

discreto para implementao em um processador digital de sinais (DSP).

(viii) Validar a anlise e projeto do controlador mediante

resultados experimentais.

1.4. Organizao da Dissertao

Esta dissertao organizada da seguinte forma:

No Captulo 2 so abordados os principais fatores que estimulam o uso da energia

elica para suprir a crescente demanda global por energia, especialmente eltrica.

Alm disso, mostrado o desenvolvimento histrico da energia elica no Brasil e

no Mundo, que levou a evoluo tecnolgica das turbinas elicas.

8

No Captulo 3 ser mostrado o fundamento fsico para a transformao da energia

do vento em energia mecnica, bem como as configuraes do rotor e os

principais componentes das turbinas elicas modernas. Alm disso, os conceitos

de velocidade fixa e varivel e os mtodos de limitao de potncia tambm so

abordados.

No Captulo 4 so apresentados os principais tipos de geradores eltricos e

sistemas de controle, normalmente utilizados em turbinas elicas, bem como as

principais caractersticas destes sistemas.

No Captulo 5 apresentado o modelo do GIDA no referencial genrico e, a partir

deste, ser obtido o modelo no referencial do fluxo estatrico, que ,

freqentemente, utilizado no projeto de controladores vetoriais do GIDA.

No Captulo 6 analisado o desempenho dos controladores PI para o conversor do

lado do rotor com o objetivo de garantir a operao do sistema de gerao elico

no modo sub-sncrono e sob-sncrono. Tambm apresentado um modelo

simplificado do GIDA adequado para o projeto dos controladores de corrente

rotricas. E, finalmente, analisado o impacto da banda passante dos

controladores PI do desempenho transitrio do GIDA, com o objetivo de diminuir

as oscilaes do fluxo estatrico.

No Captulo 7 so apresentados os resultados experimentais do prottipo

implementado para o controle do GIDA, bem como uma breve descrio do

GIDA, do conversor de potncia, dos circuitos de medio e do DSP utilizados no

prottipo. Alm disso, apresentado o projeto do controlador em tempo discreto.

Visto que, este implementado atravs de um DSP.

Finalmente, no Captulo 8 so apresentadas as concluses gerais do trabalho, bem

como as sugestes para trabalhos futuros.

Bibliografia

[1] Bose, B. K. Modern Power Electronic and AC Drivers. Prentice Hall, 2002.

[2] Pena, R.; Clare, J.C.; Asher, G.M. Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable-speed wind-

9

energy generation. Electric Power Applications, IEE Proceedings, Volume: 143, pp: 231 24, May 1996.

[3] Datta, R.; Ranganathan, V. T. Decoupled Control of Active and Reactive Power for a Grid-connected Doubly-fed Wound Rotor Induction Machine without Position Sensors. Industry Applications Conference, 1999. Thirty-Fourth IAS Annual Meeting. Conference Record of the 1999 IEEE, Volume: 4, 3-7 Oct. 1999.

[4] Gmes, S. A.; Amenedo, J. R. Grid Synchronization of Doubly Fed Induction Generator using Direct Torque Control. IECON 2002.

[5] Rabelo, B.; Hofmann, W. Optimal active and reactive power control with the doubly-fed induction generator in the MW-class wind-turbines. Power Electronics and Drive Systems, 2001. Proceedings, 2001 4th IEEE International Conference on, Volume: 1 , 22-25 Oct. 2001.

[6] Yifan Tang; Longya Xu. A flexible active and reactive power control strategy for a variable speed constant frequency generating system. Power Electronics, IEEE Transactions on , Volume: 10 , Issue: 4 , July 1995.

[7] Spe et al. Performance Optimization Controller and Control Method for Doubly-Fed Machines. United States Patent. No. 5,798,631, Aug. 1998.

[8] Petersson, A. Analysis, Modeling and Control of Doubly Fed Induction Generators for Wind Turbine. Chalmers University of Technology, Gteborg, Sweden 2003.

[9] Morel, L.; Godfroid, H.; Mirzaian, A.; Kauffmann, J.M. Double-fed induction machine: converter ptimization and field oriented control without position sensor. Electric Power Applications, IEE Proceedings- , Volume: 145 , July 1998.

[10] Bogalecka, E.; Krzeminski, Z. Control systems of doubly-fed induction machine supplied by current controlled voltage source inverter. Electrical Machines and Drives, 1993. Sixth International Conference on (Conf. Publ. No. 376), Sep 1993.

[11] Brekken, T.; Mohan, N. A novel doubly-fed induction wind generator control scheme for reactive power control and torque pulsation compensation under unbalanced grid voltage conditions. Power Electronics Specialist, 2003. PESC 03. IEEE 34th Annual Conference on , Volume: 2, June 2003.

[12] Datta, R.; Ranganathan, V.T. A simple position-sensorless algorithm for rotor-side field-oriented control of wound-rotor induction machine. Industrial Electronics, IEEE Transactions on , Volume: 48 , Aug. 2001

[13] Muller, S.; Deicke, M.; De Doncker, R.W. Doubly fed induction generator systems for wind turbines. Industry Applications Magazine, IEEE , Volume: 8, May-June 2002.

[14] Datta, R.; Ranganathan, V.T. Direct power control of grid-connected

10

wound rotor induction machine without rotor position sensors. Power Electronics, IEEE Transactions on , Volume: 16 , May 2001.

[15] Hofmann, W. Optimal reactive power splitting in wind power plants controlled by double-fed induction generator. AFRICON, 1999 IEEE, Volume: 2 ,Sept.-Oct. 1999

[16] Tang, Y.; Xu, L. Stator field oriented control of doubly-excited induction machine in wind power generating system. Circuits and Systems, 1992, Proceedings of the 35th Midwest Symposium on, Aug. 1992

[17] Yifan Tang; Longya Xu. Vector control and fuzzy logic control of doubly fed variable speed drives with DSP implementation. Energy Conversion, IEEE Transactions on, Volume: 10, Dec. 1995.

[18] Krzeminski, Z. Sensorless multiscalar control of double fed machine for wind power generators. Power Conversion Conference, 2002. PCC Osaka 2002. Proceedings of the , Volume: 1 , 2-5 April 2002.

[19] Mikhail et al. Variable Speed Wind Turbine Generator. United State Patent, No 6,420,795 B1, Jul. 2002.

[20] Gokhale et al. Controller for a Wound Rotor Slip Ring Induction Machine. United State Patent, No. 6,448,735 B1, Sep. 2002.

[21] Lauw et al. Doubly Fed Generator Variable Speed Generation Control System. United State Patent. No. 4,994,684, Feb. 1991.

[22] M. Heller, W.Schumacher, Stability analysis of doubly-fed induction machines in stator flux reference frame. In Proceedings of 7th European Conference on Power Electronics and Applications, pp. 707-710 vol.2, Brussels, Belgium, 1997. EPE Assoc.

[23] S. Wang, Y. Ding, Stability analysis of field oriented doubly-fed induction machine drive based on computer simulation. Electric Machines and Power Systems,pp:11-24, 1993.

[24] Camargo, R. F.; Bottern, F.; Duarte, M. H.; Marques, J. e Pinheiro, H. Anlise e Implementao de Retificadores PWM trifsicos com Resposta Deadbeat utilizando desacoplamento por retroao de estados.

[25] Kelber, C. R.; Schumacher, W. Amortecimento Ativo do Fluxo em Mquinas Trifsicas de Dupla Alimentao Controladas pelas Correntes Rotricas. Revista Brasileira de Eletrnica de Potncia (SOBRAEP); ISSN 1414-8862; v.8, n.1, pp 33-41, 2003.

11

Captulo 2

O ESTADO DA ARTE DA ENERGIA ELICA NO BRASIL E NO MUNDO

2.1. Introduo

Neste capitulo so abordados os principais fatores que estimulam o

uso da energia elica para suprir a crescente demanda global por energia,

especialmente a eltrica, bem como a histria da energia elica no Brasil e no

Mundo.

2.2. Introduo a Energia Elica

Como a necessidade de energia, especialmente eltrica, aumentou

drasticamente nos ltimos 100 anos, conforme mostrado na Figura 2-1, torna-se

importante considerar os impactos ambientais causados pela produo de energia.

Em 1999, a demanda global por eletricidade foi de aproximadamente 14.764 TWh

[2], e essa demanda foi abastecida, principalmente, atravs de combustveis

fsseis e energia nuclear (Figura 2-2). O contnuo uso de fontes convencionais4 de

energia para suprir a crescente demanda de energia contribui para o aquecimento

global que um dos provveis causadores dos desastres climticos em todo o

planeta [13] [15].

4Exemplos de Fontes convencionais de Energia: Usinas a carvo, usinas nucleares, Usinas a Diesel, etc...

12

Consumo de Eletricidade

Populao

Figura 2-1. Crescimento global da populao e do consumo de eletricidade [2].

O aumento do uso da energia oriunda do vento, da gua e do sol tende a diminuir

o aquecimento global, pois a produo de energia, atravs destas fontes, no emite

gs carbnico e tambm no produzem lixo nuclear [16]. Alm disso, a produo

de energia atravs de fontes renovveis ainda apresenta outras vantagens com

relao s plantas convencionais que a necessidade de uma menor quantidade de

terra para uma mesma gerao de energia e um menor tempo de instalao. Uma

conseqncia desta ltima vantagem que, dentro de poucos meses, uma planta

de energia renovvel capaz de produzir energia suficiente para compensar a

energia gasta em sua construo. Este fenmeno denominado amortizao de

energia[2].

17% gs

17% nuclear

9% leo

2% renovveis

18% hidro

37% carvo

Figura 2-2. Diviso da Produo de Eletricidade em 1999.

Outro fator importante na produo de energia, atravs de plantas

renovveis que estas contribuem para a descentralizao da gerao de energia.

13

Um efeito econmico positivo associado descentralizao da gerao o

aumento de empregos e a possibilidade de um crescimento local sustentvel [2].

Na Figura 2-3, o custo mdio para a produo de eletricidade para

plantas de potncia mostrado. Para diferentes tipos de gerao de eletricidade

[2], os custos so divididos em trs categorias: (i)- Custo Capital: que o

investimento total, incluindo as condies de financiamento (taxa de retorno e

perodo para restituio do dinheiro investido); (ii)- Custo do Combustvel: que

o custo do combustvel utilizado para a produo de energia; (iii)- Custo de

operao e manuteno. Conforme pode ser observado na Figura 2-3, embora o

custo capital para as plantas a combustveis fsseis seja menor que o custo para as

plantas nucleares e elicas, o custo do combustvel maior. Portanto, deve-se ter

cuidado na anlise do custo entre plantas de diferentes tipos.

14,2 15,9

69,9

52,1

14,1 33,8

18,5 44,6

37

0

17,5

82,5

Nuclear (0.057/kWh) Carvo (0.046/kWh)

Gs (0.036/kWh) Elica (0.057/kWh)

Legenda: Custo Capital Custo Combustvel O&M

Figura 2-3. Distribuio dos custos para diferentes plantas de potncia.

Baseado no contexto acima, pode-se dizer que as fontes renovveis de energia

representam uma alternativa para suprir a demanda crescente de energia sem

comprometer o meio ambiente e, conseqentemente, sem contribuir para os

desastres climticos. A Figura 2-4 mostra o cenrio projetado pela Shell para

alcanar uma produo de energia mais sustentvel.

14

Fontes Renovveis Fontes Convencionais

Exaj

oule

s

Figura 2-4. Cenrio previsto para suprir a demanda de energia global nos

prximos anos.[14]

Dentre as fontes alternativas de energia, a elica vem crescendo bastante nos

ltimos anos, principalmente, devido a incentivos governamentais e ao alto grau

de desenvolvimento e confiabilidade dessa tecnologia. Com o objetivo de

incentivar a abertura do mercado para a energia elica, necessrio uma poltica

especial que torne a energia elica lucrativa, de modo que esta possa competir

com outras plantas de energia, principalmente, as plantas convencionais. A lista,

abaixo, mostra os tpicos instrumentos polticos usados para incentivar a energia

elica:

Fundos Pblicos para a P&D de Programas

Preo diferenciado para a energia elica

Incentivos Financeiros emprstimos especiais, taxas de

interesse favorveis, etc.

Taxas de incentivo depreciao favorvel, etc.

Outros Incentivos.

Uma anlise do desenvolvimento da energia elica, em diferentes mercados,

mostra que uma mistura apropriada dos diferentes instrumentos polticos

influencia diretamente no crescimento do mercado da energia elica. Uma questo

essencial para o crescimento do mercado dessa energia dar garantias e

15

seguridade, permitindo que os investidores calculem a sua lucratividade sobre o

tempo de vida da turbina elica, que em torno de 20 anos. A Figura 2-5 compara

as polticas governamentais utilizadas por diferentes pases da unio europia para

incentivar o mercado da energia elica. Alguns pases, como a Alemanha e a

Dinamarca, garantem um preo fixo, atravs do programa de Feed-In Tariff,

enquanto outros pases, como a Inglaterra, empregam o sistema de quotas, onde

todas as plantas elicas competem, anualmente, entre si pela parte do mercado

que lhes fixada [18]. Conforme pode ser observado na Figura 2-5, pases que

garantem o preo fixo por kWh de energia elica estimularam muito mais seus

mercados do que pases que usam o sistema de quotas. Isso devido aos os

investidores tm muito mais seguridade no sistema de preo fixo do que no

sistema de quota.

Mercado Pases

Capacidade Instalada

(2001) MW

Novas Instalaes

(2001) MW

Taxa de Crescimento

(2001) %

Porcentagem do Mercado

Europeu %

Preo Fixo Alemanha Espanha 8,754 3,337

2,659 802

44.4 31.6

50.0 19.0

Total 12,091 3,467 40.1 69.0

Regulao por Quota

Inglaterra Irlanda

474 125

65 6

15.9 5.0

2.7 0.7

Total 599 71 13.4 3.4

Figura 2-5. Polticas governamentais e seus efeitos em alguns mercados europeus.

A capacidade total de energia elica instalada no mundo mostrada na Figura 2-6.

O aumento da capacidade instalada, nos ltimos anos, se deve ao desenvolvimento

tecnolgico das turbinas elicas, que aumentou a confiabilidade dos sistemas de

gerao elica, principalmente, na faixa de MW, e tambm a diminuio dos

custos das turbinas.

Portanto, para suprir a crescente demanda de energia sem

prejudicar o meio ambiente necessrio incentivar o uso de fontes alternativas de

energia. Dentre estas, a energia elica vem se mostrando como uma boa

alternativa, o que pode ser comprovado atravs do crescimento obtido nos ltimos

16

anos. Crescimento este, alcanado graas ao alto grau de desenvolvimento desta

tecnologia e a incentivos governamentais. Alm disso, pode-se destacar que a

energia elica tambm contribui para a gerao distribuda e que o local onde

instalada a turbina elica tambm pode ser usado para outras atividades, como por

exemplo, a agricultura e pecuria.

Capacidade anual de instalao na Europa Capacidade anual de instalao no Mundo Capacidade acumulada na Europa Capacidade acumulada no Mundo

Cap

acid

ade

inst

alad

a po

r an

o, M

W

Cap

acid

ade

inst

alad

a ac

umul

ada,

MW

Figura 2-6. Capacidade total de energia elica instalada no mundo at o final de 2001. [16]

O alto grau de desenvolvimento alcanado pela indstria elica se

deve ao desenvolvimento histrico desta tecnologia que iniciou com os moinhos

de vento chegando s modernas turbinas elicas.

2.3. A Historia da Energia Elica no Mundo

O primeiro uso da energia elica de que se tem conhecimento a

utilizada nos barcos vela. Esta tecnologia teve um importante impacto,

posteriormente, no desenvolvimento dos moinhos de vento do tipo vela [1]. O

primeiro moinho de vento foi desenvolvido na Mesopotmia por volta de 1700 ac

e utilizava um sistema de eixo vertical para bombear gua. Por volta de 500-900

dc surgiram, na Prsia, os primeiros moinhos de vento desenvolvidos para

automatizar tarefas como: moer gros e bombear gua. Esses moinhos possuam

17

eixo vertical e as ps de tecido ou velas, diretamente fixadas no rotor. O modo de

funcionamento era baseado em uma assimetria criada por uma parede que cobria

metade do rotor. Desse modo, as velas geravam uma fora de arrasto que era

utilizada para girar o rotor, conforme mostrado na Figura 2-7. Por volta de 1000

dc, surgem os moinhos de vento Chineses que, como os Persas apresentavam eixo

vertical e utilizavam as ps de tecido (velas). Entretanto, eles se diferenciavam

destes por apresentarem uma tpica vantagem dos moinhos de vento de eixo

vertical, que o simples fato de utilizarem o vento independente da direo,

conforme mostrado na Figura 2-8. Normalmente, nessas configuraes de eixo

vertical a pedra de moer era fixada diretamente no eixo, sem a necessidade de

redirecionamento do movimento rotacional e sem necessidade da caixa de

engrenagem para aumentar a velocidade de rotao [2].

Figura 2-7. Moinho de vento do tipo Prsia [1].

O primeiro moinho de vento a aparecer no oeste europeu foi um

modelo com uma configurao de eixo horizontal, baseada nas rodas dgua, que

tambm possuam essa configurao. A configurao foi denominada de moinho

de torre. A primeira ilustrao de 1270 dc mostra um moinho com quatro ps de

madeira, montadas em um poste central, semelhante ao mostrado na Figura 2-9.

Essa configurao mostra um enorme avano tecnolgico em relao ao tipo Prsa

e Chins. Esse moinho usava uma engrenagem de madeira para transmitir o

movimento horizontal do eixo para movimento vertical girando uma pedra, que

era utilizada para moer gros. Alm disso, essa configurao utiliza a fora de

sustentao para girar o rotor, o que proporciona uma melhor eficincia no rotor

18

em relao aos moinhos de eixo vertical (que utilizam a fora de arrasto), por

permitir um aumento na velocidade do rotor.

Figura 2-8. Aproximao do moinho de vento chins [1].

Em 1500, surgem os moinhos de vento do tipo Dutch (Figura

2-10), que foi um desenvolvimento dos moinhos de torre, cuja principal

caracterstica era a construo em madeira, que facilitava a montagem em relao

s pesadas pedras dos moinhos de torre. Essa configurao foi muito utilizada na

Holanda para drenar Polders5, devido ao interesse econmico em aumentar sua

rea territorial, enquanto que, no resto da Europa, essa configurao foi utilizada

para moer gros [3].

Figura 2-9. Moinho de vento de eixo horizontal construdo na costa do Mediterrneo[1].

5 Polders tambm conhecidos como terras baixas na Holanda.

19

Tanto nos moinhos de torre quanto nos moinhos do tipo Dutch, a orientao do

moinho com relao ao vento era feita, manualmente, pelo operador do moinho,

que tambm era responsvel pela tarefa de fiscalizar o processo de moagem dos

gros ou bombeamento de gua, bem como a frenagem do moinho em condies

adversas, como uma tempestade, por exemplo [2].

A configurao de eixo horizontal baseado nas rodas dgua foi

utilizada por muitos sculos, at surgirem, em meados do sculo 19, nos Estados

Unidos, os moinhos de vento do tipo leque ou americanos. Esses apresentavam

eixo horizontal e seu principal aproveitamento era o bombeamento de gua. As

principais caractersticas dessa configurao eram a torre de trelia de 3 a 5

metros de altura, as aproximadamente, 20 ps de metal e a cauda, cuja funo era

orientar o moinho na direo do vento, conforme pode ser observado na Figura

2-11. O desenvolvimento do moinho do tipo leque inaugurou uma nova era na

utilizao da energia elica. Eles refletem a industrializao histrica do uso da

energia elica, por serem fabricados em srie e feitos de metal. Alm de serem os

primeiros moinhos de ventos auto-regulveis [2].

Figura 2-10. Moinho de vento do tipo Dutch [3].

20

Por algumas centenas de anos, a mais importante aplicao dos

moinhos de vento era para subsistncia, sendo utilizados para bombear gua e

moer gros, usando sistemas relativamente pequenos, at surgirem no final do

sculo 19, os primeiros sistemas que utilizavam a energia do vento para gerao

de eletricidade. O primeiro sistema automatizado, utilizado para gerar energia em

grande escala, foi construdo em Cleveland, em 1888, por Charles Brush. Essa

mquina foi desenvolvida pela Brush Electric, que mais tarde seria vendida e

fundida com outra companhia denominada General Electric Company (GE). A

mquina de Brush era um moinho de vento com 144 ps de madeira, 17 metros de

dimetro que utilizava um gerador CC para carregar um banco de baterias. Esta

tambm possua uma grande cauda que girava o rotor na direo do vento,

conforme mostrado na Figura 2-12. Esse foi o primeiro moinho de vento que

incorporou uma caixa de engrenagem (1:50) para adaptar a velocidade de rotao

do eixo velocidade de operao do gerador. A pesar do relativo sucesso durante

os 20 anos de operao, essa mquina demonstrou algumas limitaes como,

baixa velocidade de operao e alto peso do rotor para aplicar na gerao de

eletricidade [4]. Os 12 kW, produzidos pelo rotor de 17 metros de dimetro,

mostram um fraco desempenho quando comparado com os 70-100 kW,

produzidos pelos modernos moinhos de ventos ou Turbinas elicas, com os

mesmos 17 metros de dimetro.

Figura 2-11. Moinho de vento do tipo leque ou americano [1].

21

Em 1891, Poul La Cour desenvolveu a primeira mquina de vento

que incorporou princpios de projetos aerodinmicos e mostrou que os moinhos de

vento que operam em alta velocidade e possuem poucas ps, so mais eficientes

para a gerao de eletricidade. Alm disso, foi Poul La Cour que publicou a

primeira revista sobre energia elica [5]. Em 1918, algumas das 120 companhias

de energia eltrica da Dinamarca possuam uma turbina elica, tipicamente na

faixa de 20 a 30 kW, totalizando uma potncia instalada de 3MW. Essas turbinas

cobriam, aproximadamente, 3% do consumo de eletricidade da Dinamarca na

poca.

Figura 2-12. Moinho de vento construdo por Brush .

Em 1920, as duas configuraes de rotor dominante, do tipo leque

e a do tipo vela, foram consideradas inadequadas para a gerao de uma

quantidade aprecivel de energia, principalmente, devido baixa velocidade de

rotao, conforme comprovado por Poul La Cour. A partir da comeou o

desenvolvimento de sistemas inspirados no projeto das hlices de avio, ou seja,

projetos que incorporam princpios aerodinmicos e utilizam a fora de

sustentao para girar o rotor [1].

Durante o perodo de 1920-1970, sugiram diversas plantas de

grande escala para a gerao de eletricidade que incorporaram os princpios

aerodinmicos nos seus projetos, mas seus resultados prticos, em sua maioria,

foram reprovados para a produo de energia elica em larga escala. Muitos

destes projetos tiveram importante papel no posterior desenvolvimento dos

22

modernos moinhos de vento ou Turbinas elicas, dentre estes, pode-se citar os

moinhos de ventos de eixo horizontal, denominados de Balacrava, Smith-Putnam,

Gedser e Hutter, alm das turbinas de eixo verticais, denominadas Darrieus e

Savonious. A Balacrava era uma mquina de 100 kW, que surgiu na Rssia em

1931. Essa mquina operou por, aproximadamente dois anos, na costa do mar

Cspio, gerando 200.000 kWh de eletricidade. A maior mquina construda, nessa

poca, foi mquina Smith-Putnam de 1,25MW, instalada em Vermont. Essa era

caracterizada por possuir duas ps e o rotor com 53 m (175 ps) de dimetro

orientado downwind, conforme mostrado na Figura 2-13.

Figura 2-13. Turbina Elica de Smith-Putnam.

Em 1945, depois de algumas centenas de horas de funcionamento

peridico, uma de suas lminas quebrou perto do centro, aparentemente por fadiga

metlica, devido s 16 toneladas de ao das ps [1]. Entre 1956-1957, Johannes

Juul, que desenvolveu a primeira turbina elica de corrente alternada, construiu,

na Dinamarca, a turbina elica denominada de Gedser (Figura 2-14). A Gedser era

uma turbina elica que operava upwind com gerador assncrono e utilizava um

sistema eletromecnico para direcionamento da turbina com relao ao vento.

Alm disso, a limitao de potncia atravs da perda aerodinmica passiva e o

freio aerodinmico nas pontas das ps, so basicamente os mesmo usados,

atualmente, em algumas turbinas elica. Essa turbina operou por 11 anos sem

nenhuma manuteno e foi um dos projetos pioneiros para o desenvolvimento das

23

turbinas elicas modernas usadas atualmente [2]. Nesta mesma poca, o professor

Ulrich Hutter desenvolveu uma srie de vantagens para o projeto de turbinas de

eixo horizontal, utilizando ps feita de fibra de vidro e plstico com regulao de

passo que deram uma maior eficincia e menor peso s ps. Esse projeto

propiciou uma reduo da estrutura mecnica, atravs da reduo das cargas do

rotor [1]. A turbina de Hutter mostrada na Figura 2-15.

Figura 2-14. Turbina elica Gedser.

A turbina do tipo Darrieus originou-se na Frana e foi patenteada em 1927. Seu

princpio de rotao baseado na fora de sustentao e suas principais vantagens

so o fato do gerador e a caixa de engrenagem serem colocados no solo, alm de

no necessitar nenhum sistema de direcionamento em relao direo do vento

[6], como mostrado na Figura 2-16. O problema desse tipo de configurao que,

como velocidade do vento muito baixa, prxima ao solo e aumenta conforme a

altura, essa mquina deve suportar diferentes esforos, ao longo do eixo, gerando

uma dificuldade adicional para manter a torre ereta para altos nveis de vento.

Alm disso, devido sua alta velocidade e baixo torque necessrio um sistema

para auxiliar a partida da turbina.

24

Figura 2-15. Turbina elica de Hutter.

A turbina do tipo Savonious, aparentemente, foi originada na Finlndia, em 1924,

e o princpio de funcionamento do rotor era baseado na fora de arrasto. Este tipo

de turbina se caracteriza por operar em baixa velocidade e com alto torque.

Portanto, sendo basicamente utilizadas para moer gros e bombear gua [6].

Figura 2-16. Turbina elica de eixo vertical do tipo Darrieus [6].

Apesar dos vrios esforos no perodo de 1920-1970, conforme

mencionado acima, somente com a crise do petrleo de 1973, que comeou o

desenvolvimento das Turbinas Elicas modernas. Aps os impactos da primeira

crise do petrleo de 1973, surgem vrios programas de pesquisa e subsdios,

oferecidos pelo Governo, para o desenvolvimento da energia elica em vrios

pases. Em muitos pases como Sua, Alemanha, Canad e Estados Unidos, os

suportes para o desenvolvimento da Energia Elica favoreciam o desenvolvimento

25

de prottipos de larga escala, ou seja, mquinas com mais de 100kW de potncia

instalada. Por outro lado, a Dinamarca seguiu o caminho inverso, adotando uma

poltica de aumentar, gradualmente, o tamanho das turbinas elicas.

Figura 2-17. Turbina elica de eixo vertical do tipo Savonius [6].

Entre os prottipos de larga escala, desenvolvido nesta poca, pode-se destacar a

srie MOD e a GROWIAN. A srie MOD surgiu nos Estados Unidos, em 1975.

Os prottipos dessa srie possuam eixo horizontal e duas ps6. As turbinas dessa

srie apresentaram vrios problemas, principalmente, mecnicos, como

envergadura das ps e fadiga de alguns componentes da turbina. Uma turbina

desta srie mostrada na Figura 2-18 [7]. A GROWIAN era uma mquina de

3MW que surgiu na Alemanha, em 1988. Essa mquina possua eixo horizontal e

duas ps. Aps operar por apenas 420 horas, apresentou fadiga em alguns

componentes do rotor devido a excessivas cargas exercidas sobre o rotor. Por

outro lado, no comeo dos anos 80, foi desenvolvida, na Dinamarca, uma turbina

de 22kW, criada por Christian Rsager. Esse projeto teve, como ponto de partida,

a experincia adquirida no projeto da turbina elica Gedser e utilizou alguns

componentes baratos como um motor eltrico e partes de carro, dentre estas, a

caixa de engrenagem e o freio mecnico. Essa turbina foi um sucesso devido ao

baixo custo e deu inspirao a muitas indstrias Dinamarquesas iniciarem o

desenvolvimento de suas prprias turbinas elicas por volta de 1980.

6 A maioria destes prottipos era de duas ps pro razes econmicas, devido ao elevado custa das ps.

26

Figura 2-18. Turbina elica MOD-1 de 2MW [7].

Portanto, como a maioria dos prottipos de larga escala

desenvolvidos nessa poca, como a srie MOD e a GROWIAN, no obtiveram

sucesso no s por problemas tcnicos, mas tambm econmicos, o caminho

encontrado, atravs de experincias adquiridas nesses projetos e o exemplo

dinamarqus, foi que a melhor opo seria comear com turbinas elicas menores,

ou seja, com apenas algumas dezenas de kilowatts, para o amadurecimento da

tecnologia.

A idia de comear com o desenvolvimento de turbinas elicas de

pequena escala (menor que 100 kW), no foi baseada somente nas limitaes

tecnolgicas da poca, mas tambm por produzirem energia muito mais barata

que as turbinas elicas de larga escala (maior que 100 kW) e terem um baixo

custo, podendo, assim, ser compradas, tambm, por pessoas privadas, interessadas

na energia elica, devido s taxas e subsdios governamentais oferecidos energia

elica. Para tornar essas turbinas ainda mais baratas, o controle foi reduzido ao

mnimo necessrio. Baseadas nesta filosofia, muitas das primeiras turbinas

comerciais, produzidas na Dinamarca, utilizaram o sistema de controle

denominado Danish Concept, ou conceito dinamarqus. Este conceito,

simplesmente, descreve uma turbina elica com trs ps, que opera numa

velocidade de rotao constante. Isso permite o uso de um gerador assncrono em

gaiola de esquilo, que barato e robusto e pode ser conectada diretamente rede

sem a necessidade de sistemas eltricos adicionais. As ps do rotor so fixas, ou

27

seja, no podem girar em torno do prprio eixo e a limitao da velocidade

durante tempestades ou rajadas de vento obtido pelo efeito da perda

aerodinmica passiva, provocado aerodinamicamente pelas ps [2][8].

Junto com o desenvolvimento da Indstria Elica, teve inicio um

desenvolvimento tecnolgico que tinha como objetivo a produo de grandes

turbinas elicas para a conexo rede eltrica. A filosofia utilizada era baseada no

fato de que o conhecimento adquirido em uma classe de turbina elica ajudava no

desenvolvimento da prxima classe de maior potncia. Este processo chamado

de aumento de escala e foi um sucesso, tanto que as turbinas elicas produzidas,

atualmente, seguem esta mesma filosofia [8]. O rpido aumento no tamanho das

turbinas elicas, entre os anos de 1957 e 2000 ilustrado na Figura 2-19.

Figura 2-19. Evoluo das turbinas elicas. Fonte ISET

Durante esse desenvolvimento, no somente os componentes

mecnicos tornaram-se mais complexos, como tambm o sistema eltrico e o

controle da turbina que envolve o mesmo. Alguns fabricantes comearam a

produzir as ps com pitch regulation ou regulao de passo, que permite que a p

gire ao redor do prprio eixo. Esse sistema utilizado para limitar a potncia de

sada durante algumas condies adversas, onde a velocidade do vento muito

alta, e tambm, em alguns casos para maximizar a potncia de sada da turbina

elica para baixas velocidades do vento. Outros fabricantes utilizaram conversores

estticos de potncia para variar a velocidade de operao da turbina elica, de

modo a maximizar a potncia de sada numa das regies de operao da turbina

28

elica. Esse conceito foi denominado de operao em velocidade varivel. Alm

disso, alguns fabricantes ainda substituram o gerador assncrono por um gerador

sncrono, para eliminar a necessidade da caixa de engrenagem.

Portanto, atualmente, existe um grande nmero de conceitos de

controle para turbinas elicas como velocidade fixa ou varivel, e a possibilidade

de se usar geradores assncrono ou sncrono, que so tratados com maior detalhe

no Captulos 4. Alm disso, alguns conceitos mencionados, no texto acima, como

regulao por passo, regulao por perda aerodinmica passiva , velocidade fixa,

velocidade varivel, fora de arrasto e fora de sustentao so abordados com

maior detalhe no Captulo 3.

2.4. A Histria da Energia Elica no Brasil

Os primeiros relatos do uso da energia elica no Brasil datam do

final do sculo 19, com a utilizao dos moinhos de vento do tipo leque para o

bombeamento de gua em sistemas isolados e de pequena escala [9].

Como em muitos pases, a crise do petrleo de 1973 incentivou

tambm o estudo de novas fontes de energia no Brasil. A partir da segunda metade

da dcada de setenta, algumas universidades e instituies de pesquisa iniciaram o

desenvolvimento de diversos modelos de moinhos de vento do tipo leque e de

turbinas elicas de pequeno porte, com o objetivo de atender comunidades

isoladas, que dependiam de combustveis fsseis para a gerao de eletricidade.

Infelizmente, vrios desses projetos no chegaram a ser concludos. Dentre esses,

um dos grandes projetos foi construo e o ensaio de 15 prottipos de turbinas

elicas, desenvolvidos pelo IEA-CTA de So Jos dos Campos, entre 1973 e

1983. Em 1976, foi montado o primeiro prottipo, com potncia nominal de 20

kW. Esse prottipo operou por algumas semanas, at apresentar fadiga na

estrutura de suporte das ps [10].

Em 1977, o IEA-CTA iniciou a construo e teste de uma srie de

modelos de 5m de dimetro e potncia nominal de 1kW. Esses prottipos eram

construdos e testados com o objetivo de resolver os problemas eltricos e

29

estruturais de forma progressiva. Entre os melhoramentos alcanados, com esta

metodologia, esto o controle eletrnico do gerador e o projeto de novas ps com

maior eficincia aerodinmica. Devido a problemas de durabilidade dos materiais

do rotor, nenhum dos prottipos operou por mais de um ano e os projetos foram

sendo gradativamente abandonados.

Em 1981, o CTA firmou um acordo de cooperao tecnolgica

com o DFVLR (Centro Aeroespacial da Alemanha) para o desenvolvimento de

uma turbina elica de 100kW, com 25 m de dimetro, denominado, na poca, de

projeto DEBRA (Deustche-Brasil). No CTA foram fabricados os moldes das ps,

inteiramente de materiais compostos, e toda a parte de otimizao aerodinmica.

Todo o resto do projeto foi realizado em conjunto com a Alemanha, exceto o

projeto mecnico, que foi realizado pelos Alemes, porque os componentes

produzidos em ambos os pases apresentavam caractersticas diferentes. Em abril

de 1983, os moldes para a fabricao das ps foram embarcados para a Alemanha,

onde foi construdo e montado o primeiro prottipo para teste em julho de 1984

[10]. Este prottipo foi montado no campo de teste de Schnittlingen. No final de

1983, o projeto foi encerrado no CTA, por motivos de diretrizes internas.

Durante a dcada de 90, vrias entidades nacionais firmaram

acordo de cooperao com entidades estrangeiras para o desenvolvimento de

fontes alternativas no Brasil, principalmente, durante a conferencia do Rio de

Janeiro em 92. Os primeiros projetos experimentais de energia elica foram

implementados na Regio Norte e Nordeste, onde a carncia de abastecimento

eltrico era mais acentuada. A maioria destes projetos visava descentralizao

da gerao de energia eltrica no Brasil. Os principais projetos implementados em

mbito de cooperao internacional foram:

1- Projeto elico-diesel da Ilha de Fernando de Noronha.

A Companhia Energtica de Pernambuco (CELPE), em convenio

com a entidade Dinamarquesa Folkcenter e o Grupo de Energia Elica da UFPE,

instalou, em julho de 1992, na Ilha de Fernando de Noronha, a primeira turbina

elica de grande porte em operao comercial na Amrica Latina (Figura 2-20). O

30

equipamento produziu, no perodo de 1992-1995, uma energia acumulada de

152.926kWh. Este equipamento apresentava as seguintes caractersticas:

- Passo fixo (passive stall)

- 3 ps, com 17m de dimetro

- Torre, com 23m de altura

- Tenso Nominal: 3 - 380 V rms/60Hz

- Potncia Nominal: 90 kVA/75 kW (FP=0.93)

- Transformador de acoplamento a rede: 90kVA/380/13800V

rms

- Velocidade do vento:

- Nominal: 12 m/s

- Partida: 3.5 m/s.

Figura 2-20. Turbina Elica de 75 kW instalada na Ilha de Fernando de Noronha [11].

Com o aumento da demanda de energia, na Ilha de Fernando de

Noronha, a participao da energia elica no consumo de energia reduziu

significativamente, chegando a aproximadamente 3% da demanda total de energia

da Ilha [9],[11]. Para dar continuidade ao aproveitamento elico da Ilha, foi

instalada, em 2000, uma nova turbina de 300 kW.

31

2- Parque Elico Experimental de Morro do Camelinho MG:

A companhia eltrica de Minas gerais (CEMIG) em parceria com o

governo Alemo, que assumiu 70% dos custos totais do projeto, instalaram, em

agosto de 1994, o parque elico de 1MW do Morro do Camelinho, mostrado na

Figura 2-21. As turbinas foram fabricadas pela empresa Alem Tacke

Windtechnik e apresentavam as seguintes caractersticas [11]:

- 4 Turbinas Elicas, de 250 kW cada.

- 3 ps, com dimetro do rotor de 26 m.

- Torre tubular cnica, de 30 m de altura

- Gerador Assncrono de plos chaveados

- Potncia: 80/250 kW

- Rotao: 900/1200 rpm

- Tenso: 3 - 380 V rms/60 Hz


- Nominal: 14 m/s

- Partida: 3 m/s

Este foi o primeiro parque elico na escala de megawatt instalado

no Brasil.

Figura 2-21. Parque Elico do Morro do Camelinho. [11]

3 - Projeto elico de Mucuripe CE

O parque elico de Mucuripe foi inaugurado em novembro de 1996

com uma potncia instalada de 1.2 MW. O parque foi construdo com quatro

32

turbinas elicas de 300 kW, modelo TV 300, da empresa alem Tacke

Windtechnik. Esse projeto foi desenvolvido atravs de uma parceria entre a

Companhia Energtica do Cear (COELCE), a Companhia Hidroeltrica do So

Francisco (CHESF) e o governo Alemo, atravs do Programa Eldorado. O

projeto do parque elico de Mucuripe apresenta as seguintes especificaes

tcnicas:

- 4 Turbinas Elicas, de 300 kW cada.

- 3 ps, com dimetro do rotor de 33 m.

- Torre cnica, de 40 m de altura

- Gerador Assncrono de plos chaveados (6/4 plos)

- Tenso: 400 V rms/60 Hz

- Potncia Nominal: 100 kW no 1 estgio e 300 kW no 2

estgio (FP=0.92)


- Nominal: 14 m/s

- Partida: 3 m/s

Esse projeto apresentou alguns problemas devidos corroso

causada pela maresia em alguns componentes da turbina. Foram verificados

pontos de corroso na torre, vazamento de leo lubrificante na caixa de

engrenagem, defeito nos sensores de temperatura e mau funcionamento dos

computadores. As solues destes problemas se tornaram mais difceis com a

falncia da Tacke.

Em 1999, surgem os primeiros projetos implementados pela

iniciativa privada. Esses projetos foram impulsionados, principalmente, pela

instalao da primeira fbrica de turbinas elicas de grande porte da Amrica

Latina, a Wobben Windpower. Os principais projetos desenvolvidos pela

iniciativa privada no Brasil foram:

1 - Parque Elico de Taiba e Prainha CE

Em 29 de abril de 1999, foi instalado o maior parque elico da

Amrica Latina, no municpio de Aquiraz, no Cear. O parque elico de Prainha,

33

mostrado na Figura 2-22, composto por 20 turbinas elicas de 500 kW,

produzidas pela Wobben Windpower, totalizando uma potncia instalada de 5

MW [11].

Figura 2-22. Parque Elico de Prainha.

O parque elico de Taba, no municpio de So Gonalo do

Amarante no Cear foi inaugurado em Janeiro de 1999. Este parque composto

por 10 turbinas de 500 kW, produzidas pela Wobben Windpower, totalizando uma

potncia instalada de 5 MW. A Figura 2-23, mostra uma viso geral do parque de

Taba.

Figura 2-23. Parque Elico de Taba.

Uma caracterstica interessante destes dois parques elicos que

ambos foram construdos sobre dunas, sendo esta a primeira experincia mundial

na construo de uma fundao para este tipo de terreno [9].

34

2- Parque elico de Palmas Paran

O primeiro parque elico instalado na Regio Sul do Brasil foi

instalado em 1999, em Palmas, no Paran (Figura 2-24). O parque elico de

Palmas composto por cinco turbinas de 500 kW, fabricadas pela Wobben

Windpower, totalizando uma potncia instalada de 2.5 MW.

Alm dos dois parques elicos mencionados acima, a iniciativa

privada tambm desenvolveu mais trs parques elicos at o final de 2003. Em

2002 foi construdo o primeiro parque elico em Santa Catarina, na cidade Bom

Jardim da Serra, com uma potncia instalada de 600 kW. E, em 2003, foram

construdos os parques elico de Horizonte, em Santa Catarina, com um potncia

instalada de 2.4 MW, e o parque elico de Macau, no Rio Grande do Norte, com

uma potncia instalada de 1.8 MW, sendo este ltimo pertencente a Petrobrs. Em

todos estes parques foram utilizadas turbinas elicas E-40 de 600 kW produzidas

pela Wobben Windpower.

Como pode ser observada, a histria da energia elica no Brasil

iniciou-se atravs do desenvolvimento de projetos experimentais, sendo que a

maioria destes projetos foi realizada em parceria com instituies internacionais,

que totalizam uma potncia instalada de aproximadamente 2.6 MW, e, mais

recentemente, atravs da iniciativa privada, que instalou uma potncia de

aproximadamente 20 MW at o final de 2003.

Figura 2-24. Parque Elico de Palmas.

35

2.5. Sumrio

Neste captulo, inicialmente, so apresentadas as principais

motivaes do uso da energi

TURBINAS EÓLICAS: MODELO, ANÁLISE E CONTROLE DO GERADOR … · i TURBINAS EÓLICAS: MODELO,...

Documents

Transcript of TURBINAS EÓLICAS: MODELO, ANÁLISE E CONTROLE DO GERADOR … · i TURBINAS EÓLICAS: MODELO,...