2. Literature Review
2.2 Ship motion
2.2.1 Waves
Sinergia
Partindo de dois conceitos bastante discutidos na atualidade que são eficiência ener- gética e o uso de energia renovável, considerando-os como pilares para um caminho da sustentabilidade energética, uma das grandes pontecialidades do REF aponta para o con- ceito de sinergia.
Uma das possíveis evoluções do sistema é alimentar as baterias do link dc do inver- sor através de energia oriunda de outras fontes, tais como, painéis solares, células de hidrogênio, diesel ou até mesmo um conjunto de aerogeradores de menor porte, possi- bilitando uma geração integrada e aumentando a eficiência de produção de energia do sistema. Um diagrama esquemático dessa proposta é apresentado na Figura 1.9.
Baseado no princípio de funcionamento descrito anteriormente, é possível manter constante por mais tempo a potência produzida necessária, já que passamos a ter mais de uma fonte de energia de entrada, como a solar e a eólica por exemplo. Para o aumento da eficiência energética do sistema, ele pode ser redimensionado para valores nominais das máquinas envolvidas mais próximos do potencial gerado, diminuindo gastos e aumen- tando rendimento.
Figura 1.8: Diagrama esquemático ilustrando os principais componentes da tecnologia proposta.
Campos de Estudos
Além da conexão de uma outra fonte de energia ao sistema, outros campos impor- tantes de estudos são apresentados a seguir e detalhados novamente no Capítulo 5, com as propostas de trabalhos futuros.
Com a evolução da montagem, analisar experimentalmente o sistema conectando o gerador síncrono à rede elétrica ou a um simulador de rede Real Time Digital Simulator (RTDS), para validar os resultados de simulação para controle de velocidade do rotor síncrono para variações de carga e de vento, acrescentando testes reais característicos de uma rede elétrica como curto-circuito, falta de fase e sobrecargas.
Após testes com gerador síncrono, deve ser realizada a substituição desse gerador por um gerador de indução e acoplar um filtro ativo para relização da excitação inicial e/ou correção de harmônicos da rede. Um diagrama esquemático dessa proposta é apresentado na Figura 1.10. O mesmo estudo de eficiência deve ser analisado, tanto para variações de vento como de carga, para validar a proposta do REF para outros geradores. Para conectar o aerogerador à rede elétrica, o sistema de controle deverá detectar as tensões da rede e obter, a partir das componentes alfa/beta, o vetor girante a ser sincronizado com as tensões geradas no aerogerador. Ou seja, não será mero controle de frequência ou velocidade, mas, entrará o controle de sincronismo.
Por último, deve ser estudada a dinâmica dos campos magnéticos dos rotores sín- crono e assíncrono, analisando a interação entres eles para variações de vento e de carga, utilizando programas como o Comsol Multiphysic, diferente dos trabalhos atuais que ana-
Figura 1.9: Diagrama esquemático ilustrando as principais fontes para alimentação da bateria que alimenta o Inversor.
lisam campos magnéticos de estatores convencionais. Cenários do REF nas Atuais Topologias
É possível perceber que o REF proporciona, nas aplicações em aerogeradores, uma nova concepção tecnológica, através da qual novos modelos de aerogeradores e de par- ques eólicos poderão proporcionar mais eficiência para a produção de energia a partir dos ventos. Este aumento de eficiência deverá resultar em redução de custo da energia elétrica produzida, aumentando a confiabilidade da geração eólica.
Além de contribuir para novos melhores modelos de parques eólicos, o REF deverá proporcionar um sitema inovador do ponto de vista do aerogerador em si, possibilitando o desenvolvimento de um gerador capaz de gerar de forma autônoma (independente da rede elétrica), isolada e contínua.
A semelhança do REF com um motor de indução com rotor em gaiola, assegura a substituição da transmissão mecânica por um equipamento robusto dotado de elevada confiabilidade e rendimento.
Outras consequências tecnológicas do REF são:
• possibilita o uso de gerador síncrono ou de indução convencional (e não multipolar), o que reduz o custo do equipamento;
• realizar acoplamento direto do gerador com a carga ou rede de CA, dispensando conversores eletroeletrônicos para isto, aumentando a confiabilidade, o rendimento, a qualidade da energia e reduzindo custo;
Figura 1.10: Diagrama esquemático ilustrando a topologia com o Gerador de Indução e o filtro ativo.
• em uma concepção de geração híbrida, o REF proporcionará um sistema no qual outras fontes energéticas, especialmente que produzem energia em corrente con- tínua, somar-se-ão à energia da fonte eólica, porém, dispensando a necessidade da multiplicidade do controle da injeção de energia na rede elétrica, já que, com ele, todas as fontes de energia injetarão suas contribuições exclusivamente através do gerador acoplado ao REF;
• possibilidade de várias fontes primárias de energia serem utilizadas ao mesmo tempo, graças ao REF.
2.1
Descrição do Sistema
A Figura 2.1 ilustra a topologia completa utilizada nesta tese. Ela é composta pela turbina, o REF, o gerador síncrono, a carga resistiva, o inversor e uma bateria que pode ser alimentada a partir de outras fontes de energia. O regulador eletromagnético de fre- quência (REF) é derivado de uma máquina de indução com rotor em gaiola de esquilo, com o enrolamento de armadura trifásico acomodado na parte da máquina conhecida como estator, já que numa máquina convencional essa peça é estática. Contudo, neste caso, o enrolamento de armadura gira solidariamente ao eixo da turbina eólica, sendo denominado neste trabalho de rotor assíncrono, apoiado em mancais. Sua utilização irá representar uma vantagem na topologia proposta em relação à robustez e diminuição nos custos de manutenção.
REF
O enrolamento de armadura do rotor assíncrono é alimentado eletricamente através de um inversor de frequência que produz correntes a uma frequência tal que determina a velocidade do campo girante, em relação ao referencial fixo "F", apresentada no dia- grama esquemático da Figura 2.2, como (W−−−−→C_RASF ) que resulta em uma velocidade do rotor síncrono (Wrm), descontando o valor do escorregamento (S), acompanhando o vetor do
campo girante do rotor síncrono (W−−−→C_RSF ), no valor da velocidade síncrona desejada no eixo do gerador, como ilustrado no diagrama de posição dos vetores da Figura 2.2. Para valores de vento com velocidades iguais a zero, esse diagrama se assemelha ao princípio de funcionamento de uma máquina de indução convencional.
No caso do sistema proposto, é acrescida ao eixo de referência fixo (F) a velocidade da turbina (Wv), deslocando o rotor assíncrono, resultando em um novo eixo de referência
Figura 2.1: Diagrama esquemático ilustrando a topologia proposta.
girante das correntes injetadas pelo inversor em relação ao eixo do rotor assíncrono é denominado (−−−−−→WCG_RASRA ), como ilustrado no diagrama da Figura 2.3.
O sistema de referência entre o rotor síncrono e o rotor assíncrono permanece equiva- lente ao de uma máquina de indução convencional, encontrado amplamente na literatura. Contudo, o posicionamento relativo entre o rotor síncrono e o eixo de referência fixo passa a ser diferente do convencional, já que o rotor assíncrono sofre um deslocamento vetorial denominado (W−→VF), referente à velocidade da turbina. Com isso, pode-se observar que continua havendo campos estacionários entre o rotor assíncrono e o síncrono, condição essencial para que seja mantido o torque eletromagnético que move o rotor síncrono.
Analisando a Equação 2.1, pode-se perceber que para velocidade de vento nula, temos o sistema tradicional de referência, com o vetor do campo do rotor assíncrono girando com velocidade igual ao vetor do campo girante das correntes nele injetadas, com isso, teríamos a velocidade do campo do rotor assíncrono igual a velocidade do rotor síncrono.
−−−→
WC_RSF =W−−−−−→CG_RASRA +W−→VF (2.1) A estrutura física do protótipo do REF e a estrutura completa são apresentadas esque- maticamente nas Figura 2.4 e Figura 2.5, respectivamente. Como observado na figura, o motor de corrente contínua (CC) irá simular o torque da turbina eólica e o gerador síncrono está acoplado mecanicamente ao rotor síncrono. Maiores detalhes serão apre- sentados no próximo capítulo. A imagem do protótipo fabricado é apresentada na Figura 2.6.
Figura 2.2: Diagrama com a ilustração do sistema de referência - máquina convencional.
Figura 2.3: Diagrama com a ilustração do sistema de referência - REF.
Figura 2.5: Diagrama esquemático ilustrando a estrutura mecânica completa.
vos de acionamento mais eficientes para controlar a velocidade de motores de indução. Sobre os tipos de métodos de controle utilizados, existem basicamente dois tipos: controle escalar e o controle vetorial [Santos et al. 2014],[Liu et al. 2010]. De forma resumida, no controle escalar é imposta ao motor uma razão entre tensão e frequência, visando manter essa razão constante, ou seja, manter o fluxo constante, controlando com isso a veloci- dade do motor. É aplicado quando não há necessidade de respostas rápidas a comandos de velocidade e de torque.
Inicialmente esse controle foi simulado no sistema proposto, para uma referência de velocidade de 188,5 rad/s com variações do valor de referência em +/- 5%, como mostra o gráfico da Figura 2.7. Os resultados porém não foram satisfatórios, como apresentado no gráfico da Figura 2.8 que mostra a velocidade do rotor síncrono.
Figura 2.7: Gráfico da velocidade de referência - controle escalar.
Como observado no gráfico da Figura 2.9, não foi possivel obter o erro nulo no con- trole de velocidade utilizando o controle tensão/frequência (v/f), sendo alterada a técnica de controle para o vetorial.
O controle vetorial decompõe a corrente estatórica em dois vetores: um que produz o fluxo magnetizante e outro que produz o torque, regulando-os separadamente. Essa estratégia permite atingir um elevado grau de precisão e rapidez no controle do torque e velocidade. Dentre as técnicas de controle vetorial para máquinas assíncronas encontradas
Figura 2.8: Gráfico da velocidade Wrm - controle escalar.
Figura 2.9: Gráfico do comportamento do sinal de erro de Wrm - controle escalar. na literatura, foi utilizada a técnica de controle em quadratura com referencial no fluxo rotórico [Jacobina & Lima 1996].
2.2
Modelagem Matemática
2.2.1
Turbina
Para modelar o sistema, é necessário começar pelo modelo da turbina, e, para isto, recorreu-se à literatura existente, especialmente no que se refere à ação aerodinâmica do vento sobre ela. Para obter tal análise, deve-se levar em conta o comportamento aleatório da velocidade do vento, inclusive pelo efeito de turbulências [Neto et al. 2005], [de Oliveira Pinto 2013].
As equações apresentadas nessa seção já foram exploradas por diversos trabalhos. A potência mecânica de saída fornecida por uma turbina eólica é obtida a partir de [Garcia-
cp(λ, β) = 0.22
λi − 0.4β − 5 e (2.3)
onde λié obtido por:
1 λi = 1 λ + 0, 08β− 0,035 β3+ 1 (2.4)
e λ é a razão entre a velocidade linear das pontas das pás da hélice e a velocidade do vento, sendo obtida por:
λ = ωr
vW.R (2.5)
onde:
ωr é a velocidade angular da máquina;
β é o ângulo de passo das pás; vW é a velocidade dos ventos.
A partir das equações descritas anteriormente, pode-se construir o gráfico apresentado na Figura 2.10, que representa a curva cpx λ, para diferentes valores de β.
Figura 2.10: Coeficiente de potência em função λ.
através dos eixos rotativos da turbina [de Oliveira Pinto 2013]. Quando essa potência é transmitida através do eixo é obtido um torque Tv, calculado pela Equação 2.6.
Tv=C2tρ2πR2vW2 D (2.6)
onde:
Cté o coeficiente de torque da turbina;
Dé o diâmetro externo da turbina; Tvé torque mecânico de saída da turbina.
2.2.2
REF
As equações que descrevem a modelagem de uma máquina de indução são encon- tradas na literatura [Liu 2011], [Ronconi 2010]. De um modo geral, para se reduzir a complexidade das equações de tensão que descrevem o modelo da máquina, elas são transformadas de um sistema trifásico para um sistema bifásico com eixos estacionários (transformação αβ) e em seguida, em um sistema bifásico com eixos girantes (transfor- mada de Park), como ilustrado na Figura 2.11. Essa modelagem matemática é muito bem descrita em [Barbi 1985] e serve como base para os resultados obtidos no decorrer deste trabalho.
Figura 2.11: Ilustração demonstrando a Transformação 123 para dq, passando pela Trans- formação αβ .
A transformação αβ permite determinar o vetor bifásico girante, resultante da com- posição em magnitude, fase e espaço, das tensões (ou correntes) de um sistema trifásico.
A finalidade da segunda transformação matemática consiste em viabilizar o controle da máquina de corrente alternada (CA) como se fosse uma máquina CC, já que nessa, os eixos dos enrolamentos da armadura e do campo são sempre ortogonais, equivalentes ao sistema bifásico dq, onde as componentes ortogonais podem ser matematicamente desacopladas dependendo do referencial utilizado, o que significa poder controlá-las de forma independente.
Um máquina de indução trifásica equilibrada convencional pode ser matematicamente representada pelas equações a seguir:
[Rs] = s
0 0 Rs
, [Rr] = r
0 0 Rr
[Lss] e [Lrr] representam de forma matricial as indutâncias próprias do estator e do
rotor, respectivamente. Estas matrizes são:
[Lss] = Ls Ms Ms Ms Ls Ms Ms Ms Ls , [Lrr] = Lr Mr Mr Mr Lr Mr Mr Mr Lr (2.9)
[Lsr(θ)] e [Lrs(θ)] representam as indutâncias mútuas entre o estator e o rotor e depen-
dem do ângulo θ, podendo ser calculadas por:
[Lsr(θ)] = Msr
cos(θ) cos(θ +2π3) cos(θ +4π3) cos(θ +4π3) cos(θ) cos(θ +2π3) cos(θ +2π3) cos(θ +4π3) cos(θ)
(2.10)
onde [Lsr(θ)] = [Lrs(θ)]t
Partindo do sistema trifásico e utilizando a transformação do sistema para bifásico com eixos estacionários (transformação αβ), é apresentada a seguir a modelagem de uma máquina de indução nas coordenadas αβ.
Tensões e fluxos no estator para o sistema αβ:
vsα= Rsisα+dλdtsα
vsβ= Rsisβ+dλdtsβ
(2.11)
λsα= Lsisα+ Lmirα
Tensões e fluxos no rotor para o sistema αβ: vrα= 0 = Rrirα+dλdtrα+ ωrλrα vrβ= 0 = Rrirβ+dλdtrβ+ ωrλrβ (2.13) λrα= Lrirα+ Lmisα λrβ= Lrirβ+ Lmisβ (2.14)
onde Rs , Rr , Ls e Lr são, respectivamente, as resistências e indutâncias do estator e do
rotor e Lmé a indutância mútua.
vsα, vsβ, vrα, vrβ, isα, isβ, irα, irβ, λsα, λsβ, λrα, e λrβ são as componentes α e β das
tensões, correntes e fluxos do estator e do rotor.
Agora, transformando em um sistema bifásico com eixos girantes (transformada de Park), temos as tensões e fluxos no estator para o sistema bifásico com eixos girantes dq:
vsd= Rsisd+dλdtsd − ωsλsq
vsq= Rsisq+dλdtsq+ ωsλsd
(2.15)
λsd= Lsisd+ Lmird
λsq= Lsisq+ Lmirq (2.16)
Tensões e fluxos no rotor para o sistema bifásico com eixos girantes dq: vrd= Rrird+dλdtrd− (ωs− ωr) λrq
vrq= Rrirq+dλdtrq+ (ωs− ωr) λrd
(2.17)
λrd= Lrird+ Lmisd
λrq= Lrirq+ Lmisq (2.18)
onde Rs , Rr , Ls e Lr são, respectivamente, as resistências e indutâncias do estator e do
rotor e Lmé a indutância mútua.
vsd, vsq, vrd, vrq, isd, isq, ird, irq, λsd, λsq, λrd, e λrq são as componentes d e q das
tensões, correntes e fluxos do estator e do rotor.
O torque eletromagnético é função da derivada parcial da co-energia armazenada nas indutâncias com relação ao deslocamento θ:
Tmi=∂W (θ, i)
2.2.3
Gerador Síncrono
Para o modelo do gerador síncrono [de Assis Pereira Matias 2007], aplica-se nova- mente a transformação de Park e com isso, as equações de tensão e fluxo no enrolamento do estator do gerador síncrono são:
vd = −rsid+dλdtd − ωrλq
vq= −rsiq+dλdtq+ ωrλd
(2.22)
λd= −Ldsid+ Lmdif d
λq= −Lqsiq (2.23)
onde rs, Ldse Lqs são, respectivamente, a resistência e as indutâncias do estator e Lf d é a
indutância do enrolamento de campo.
vd, vq, id, iq, λd e λq são as componentes d e q das tensões, correntes e fluxos do
estator.
A tensão e fluxo no enrolamento de campo do gerador para o sistema bifásico com eixos girantes dq:
vf d = −rf dif d+dλdtf d (2.24)
λf d= −Lmdid+ Lf dif d (2.25)
onde rf d é a resistência do enrolamento de campo e vf d, if d e λf d são, respectivamente, a tensão, corrente e fluxo do enrolamento de campo.
O torque eletromagnético interno do gerador síncrono (Te), que é também o torque
através do qual o gerador reage ao REF, é definido como:
Com isso, a equação principal do balanço energético do sistema é definida por: HP2d(ωr)
dt + Jωr= TREF− Te (2.27)
onde H representa o momento de inércia geral do conjunto, P é o número de polos, J representa a componente de atrito geral do conjunto e TREF é o torque mecânico de saída
do REF.
O torque mecânico de saída do REF é dado pelo somatório do torque eletromag- nético produzido pela máquina de indução adaptada com o torque mecânico produzido pela turbina, sendo definido por:
TREF= Tv+ Tmi (2.28)