Instruções aos Autores de Contribuições para o SIBGRAPI

GERAÇÃO EÓLICA E APLICAÇÃO DE PMSG
MANGA, Luis Enrique1; VIEIRA, Emanuel A.2; FEKSA, Lucas R.3; KRÜGER, Cristiane4
Resumo: O objetivo desta pesquisa é analisar geradores de imãs permanentes ou Permanent
Magnet Synchronous Generator (PMSG) em turbinas eólicas. Inicialmente é apresentada a
teoria de funcionamento dos geradores, os principais tipos e variações destes, os avanços
recentes desta tecnologia, vantagens e desvantagens dos PMSG, por fim, apresenta-se uma
aplicação no software Homer®. Realiza-se a simulação de uma turbina eólica com gerador de
imãs permanentes assistindo uma carga simulada de uma comunidade, similar a simulação de
aerogeradores que possuam tecnologias próximas. Por fim realiza-se uma comparação de
resultados. Os resultados simulados obtidos indicam uma resposta lógica, ao nível de geração
por cada um dos geradores.
Abstract: The objective of this research is to analyze permanent magnet generators or
Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) in wind turbines. Initially shows the
theory of operation of the generator, the main types and variations of these, recent advances in
this technology, advantages and disadvantages of PMSG, finally, presents an implementation
in software Homer®. It carried out the simulation of a wind turbine with permanent magnet
generator watching simulated load of a community, like the simulation of wind turbines that
have upcoming technologies. Finally carried out if a comparison result. The simulated results
indicate a logical response to the generation level of each of the generators.
Palavras-Chave: Magnetismo. Ímã. Força eletromotriz.
Keywords: Magnetism. Magnet. Electromotive force.
INTRODUÇÃO
Observa-se um crescimento da utilização de máquinas de ímãs permanentes em
diversos segmentos de atividades industriais. Dois aspectos contribuem de forma significativa
para tal: a evolução dos materiais magnéticos aplicáveis e as geometrias empregadas em
projetos inovadores. Neste contexto estudos, como os de Bianchi e Bolognani (2002), Jahns e
Soong (1996), entre outros, evidenciam a prática de combinar diferentes técnicas construtivas,
permitindo que esta modalidade de máquina elétrica venha apresentando evolução crescente
1
Mestrando em Engenharia Elétrica, UFSM. Email: [email protected].
Mestrando em Engenharia Elétrica, UFSM. Email: emanuel.antunesvieira@gmail.
3
Doutorando em Engenharia Elétrica, UFSM. Email: [email protected].
4
Mestranda em Administração, UFSM. Email: [email protected].
2
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quanto a seu desempenho. Isto inclui a redução de perdas e aumento da relação torque/peso,
como de forma específica mostrada por Hanitsch (1989) e Chabban (1994).
Nos geradores de energia, o nível de distorção harmônica na forma de onda gerada
representa um dos principais parâmetros na qualidade da energia gerada. Muitas topologias,
técnicas construtivas e geometrias tornaram-se, nos últimos anos, foco de pesquisas, nos
geradores em geral e naqueles que empregam ímãs permanentes em particular, visando gerar
energia de qualidade a custos razoáveis.
Em relação à geração eólica os PSMG são uma boa opção, isto é dado pela evolução
significativa nos últimos anos nas ligações de alto magnetismo remanescente. O uso de ímãs
permanentes apresenta-se como uma vantagem, na eliminação dos anéis deslizantes, e
também das perdas no enrolamento do rotor, portanto não se tem que refrigerar estes
enrolamentos. Outra vantagem dessas máquinas é a diminuição significativa do tamanho da
mesma, o que faz que seja possível fazer máquinas com um maior número de polos, o que por
sua vez implica a não necessidade do uso de uma caixa multiplicadora da velocidade, o que
resulta nos seguintes benefícios:
Menor poluição sonora.
Manutenção reduzida do sistema mecânico.
Menor as perdas mecânicas
Os geradores de ímãs permanentes têm como desvantagens: o alto custo,
desmagnetização dos ímãs permanentes por estar exposto a altas temperaturas, e dificuldade
de manipulação devido ao seu tamanho.
Neste trabalho, os objetivos centralizam-se na avaliação experimental das melhorias
técnicas e econômicas da energia gerada por um gerador síncrono com rotor de ímãs
permanentes em turbinas eólicas, apresentar também uma explicação de seu funcionamento,
tipos de PMSG e comparações com tecnologias próximas. Pretende-se correlacionar, turbinas
eólicas existentes no mercado mundial e simular seu comportamento em Homer.
FÓRMULA DE LORENTZ
Um gerador de ímãs permanentes (PMSG) consiste de um conjunto de ímãs que se
movem em relação a algumas bobinas fixas. Ainda que a Lei de Faraday é frequentemente
aplicada ao fenômeno da indução elétrica, a fórmula de Lorentz é mais fácil de aplicar e
proporciona uma explicação mais simples deste mesmo fenômeno.
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A Lei de Faraday considera a espira, na qual se induz a força eletromotriz, em todo
seu conjunto. Sua expressão matemática é aplicada sobre a superfície da espira, enquanto a
fórmula de Lorentz aplica-se aos condutores que formam a espira.
Antes da aplicação da fórmula de Lorentz em uma espira, se explicara a fórmula de
Lorentz para um segmento condutor que se move em um campo magnético estático.
Figura 1 - Representação da formula de Lorentz
Na Figura 1, considera-se que o segmento AB se move para a direita, acima de um
ímã cujo polo norte é o lado posterior da folha, e o polo sul está no lado superior da folha.
Então, o campo magnético é perpendicular à folha de papel e dirigida para dentro. Neste
simples caso, a expressão de Lorentz é a seguinte:
(1)
Onde L é o comprimento do segmento AB.
O polo positivo de  é o extremo A do segmento e o polo negativo é o extremo B.
Em um PMSG, não é o condutor que se move no campo magnético, pelo contrário,
os condutores que formam as espiras permanecem quietos e são os ímãs os que se movem.
Este caso é apresentado na Figura 2.
Figura 2 - Representação da formula de Lorentz para PMSG.
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Na Figura 2, o ímã se move para a direita e o segmento está em repouso. Esta
situação é equivalente, num movimento relativo, à situação que o íman está em repouso e o
condutor se move para a esquerda. Por essa razão, para manter a polaridade da f.e.m. (Força
Eletromotriz) induzida no segmento condutor, o polo norte do ímã está no lado superior da
folha de papel e o campo magnético sai do papel. Entretanto, se o polo sul do ímã está no lado
superior da folha de papel, e, o ímã se move para a direita, a tensão gerada no segmento AB é
representada na Figura 3.
Figura 3 - Representação inversa da formula de Lorentz para PMSG
TIPOS DE PMSG
Anteriormente presumiu-se que se têm uma fila de ímãs que se movem com
velocidade "linear" em frente de um grupo de espiras. Esta situação não é o que acontece na
realidade, pelo contrário, nos geradores elétricos os ímãs são movidos com velocidade
"circular". Dependendo do eixo de rotação, os geradores são de dois tipos, de fluxo axial e de
fluxo radial.
 Geradores de fluxo axial: o eixo de giro é paralelo ao campo magnético dos ímãs.
 Geradores de fluxo radial: o eixo de giro é perpendicular ao campo magnético dos
ímãs.
As expressões "fluxo axial" e "fluxo radial" não estão fisicamente corretas, posto que
o fluxo é uma magnitude escalar e, por conseguinte, não pode ter sentido axial ou radial, mas
esta terminologia tem sido estabelecida como distintiva dos dois tipos de geradores, por tanto,
se seguirá usando no presente documento.
A. Geradores de ímãs permanentes de fluxo axial.
Nos geradores de fluxo axial, os ímãs se dispõem acima de um disco de ferro que
gira ao redor de um eixo perpendicular que passa por seu centro. Assim, o campo dos ímãs é
paralelo ao eixo de giro, por essa razão a frase “fluxo axial” o que realmente significa campo
magnético paralelo ao eixo de giro.
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Figura 4 - PMSG de fluxo axial.
Na figura 4, se apresenta um esquema básico de um gerador de fluxo axial.
Construtivamente consta de um espaço entre o rotor e o estator em direção axial (air-gap),
estator longitudinal respeito ao estator rotor com ranhuras e ímãs montados sobre a superfície
do rotor.
Figura 5 - Gerador de ímãs permanentes de fluxo axial com ranhuras
A principal vantagem destas máquinas é seu tamanho reduzido (Figura 5) para um
torque dado, em troca, presentam como desvantagem a complexidade grande do núcleo do
estator, já que deve ser laminado direção paralela à direção do movimento e também paralela
à direção do eixo.
B.Geradores de ímãs permanentes de fluxo radial.
O gerador de ímãs permanentes de fluxo radial é conhecido como máquina síncrona
de ímanes permanentes convencional, e é a mais comum nas máquinas de ímãs permanentes.
Nestes, os ímãs se colocam acima da superfície lateral de um cilindro que gira ao
redor de seu eixo. Então, o campo magnético dos ímãs é perpendicular ao eixo de giro,
portanto vá em direção radial e por essa razão a frase “fluxo radial” o que realmente significa
campo magnético em direção radial ou perpendicular ao eixo de giro.
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Figura 6 - PMSG de fluxo radial.
Este tipo de máquina (Figura 6) é caracterizado pelo bom desempenho em uma
ampla faixa de velocidade. Há dois tipos de topologias de estes geradores, geradores de ímãs
superficiais ou com fluxo concentrado de ímãs estampados, conforme apresentado na Figura
7.
Figura 7 - Variantes de geradores síncronos de fluxo radial.
Os principais aspectos construtivos de estas máquinas são: o espaço entre o estator e
o rotor radial em relação ao eixo (air-gap), e o estator longitudinal com ranhuras e ímãs
montados sobre a superfície do rotor.
Por outro lado, o gerador com fluxo concentrado de ímãs estampados, pelo contrário
do gerador ímãs superficiais, tem ímãs montados dentro das ranhuras do rotor. Portanto
permite um maior fluxo entre o rotor e o estator, o que possibilita o uso de ímãs mais
económicos, por exemplo, os de ferrita (Ferrite) no lugar de ímãs de terras raras (Rare-Earth).
A principal desvantagem de essas máquinas é que o uso de ímãs de ferrita
proporciona um aumento da massa do gerador devido à quantidade de material magnético,
além disso, é construtivamente mais complexo que os geradores de ímãs superficiais.
AVANÇOS EM PMSG
Nos últimos anos, o desenvolvimento dos ímãs permanentes, teve um grande avance,
e, como resultado, o seu emprego na construção de máquinas elétricas de uma determinada
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gama de potências para diferentes aplicações, tais como o gerador de ímãs permanentes para
trabalhar com turbinas eólicas em pequena e grande escala.
Os ímãs de ferrite os quais são uma das famílias de ímãs, e foram desenvolvidos pela
Philips. Ferrites são geralmente compostos cerâmicos ferrimagnéticos não-condutores,
derivados do óxido de ferro tais como a hematite (Fe2O3) ou magnetite (Fe3O4), assim como
os óxidos de outros metais.
Outra família importante de materiais de ímãs permanente que pôde ser desenvolvida
no século 20 baseiam-se nos elementos de terras raras, tais como o samário, o cério, o ítrio, o
praseodímio, neodímio, gadolínio, etc. Um ímã de neodímio (também chamado de ímã de
neodímio-ferro-boro, ou menos especificamente de ímã de terras raras) é feito a partir de uma
combinação de neodímio, ferro e boro — Nd2Fe14B, existe uma procura constante em
alternativas a este ímã devido ao incremento de custo, como resultado tem-se novas ferrites
sintetizadas e Fe16N2 8 de alto magnetismo (18% mais que o NdFeB).
Muitas topologias, técnicas construtivas e geometrias tornaram-se, nos últimos anos,
foco de pesquisas, nos geradores em geral e naqueles que empregam ímãs permanentes em
particular, visando gerar energia de qualidade a custos razoáveis. Podem ser citadas, entre
outras iniciativas:
A atuação na distribuição dos enrolamentos (distribuídos e fracionados);
A atuação na inclinação dos ímãs e/ou das ranhuras do estator;
A adoção de variações na forma geométrica dos dentes das ranhuras do estator, no
desvio rotacional e/ou a utilização de diferentes comprimentos do arco de circunferência dos
ímãs permanentes;
A forma de distribuição física dos ímãs no rotor.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A partir do atlas eólico do Rio Grande do Sul (2014), observa-se que a região
analisada possui pontos de velocidades do vento de 9m/s, localização próxima do mar,
definiu-se uma comunidade denominada Maria Elisa, apresentada na Figura 8 - Localização da
área de análise.
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Figura 8 - Localização da área de análise.
Fonte: Atlas eólico do Rio Grande do Sul (2014).
Na Figura 9 apresenta-se a curva de velocidade do vento.
Figura 9 - Curva de velocidade do vento
Fonte: elaborado pelos autores.
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A seguir se insere a carga conforme a demanda de energia da geração de
potência, a carga é do tipo “Comunity”, pico de demanda em janeiro, as variáveis
aleatórias day to day em 20% e timestep em 15%. A curva resultante na primeira semana
do ano é apresentada na Figura 10.
Figura 10 - Curva de carga primeira semana do ano
Fonte: elaborado pelos autores.
Quando gerar mais potência do que pode ser consumir, poderá injetar a sobre de
energia à rede ou sistema interligado, por motivos de simulação o preço de compra e venda de
energia é igual.
Foram simuladas 3 modelos de turbinas, a primeira é a turbina Bergey Excel 10 de
10kW e que possui um PMSG, a segunda é a turbina Northern Power 100C-24 de 100kW e
com gerador de ímãs permanentes, por último a turbina Vergnet GEV MP C de 275kW e
como diferença com gerador de gaiola de esquilo. Os dados técnicos destes geradores são
parte da base de informações de Homer, as informações são apresentadas na Figura 11.
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Figura 11 – Dados técnicos
Elaborado pelos autores baseado em The European Wind Energy Association.
Destaca-se que as três turbinas foram simuladas a 100 m de altitude e usando uma
unidade geradora, como resultado na Figura 12 apresentam-se a capacidade de potência
gerada e a carga, isto na primeira semana do ano, conforme analisado.
Figura 12 – Potência gerada e carga
Fonte: elaborado pelos autores.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Não há nenhuma necessidade de corrente de excitação para criar o campo indutor,
pois esta é fornecida pelos ímãs. Isso torna desnecessária a leitura da velocidade de rotação do
rotor, para controlar a conexão do gerador. É, por conseguinte, se simplificam os dispositivos
de controle eletrônico.
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Não há necessidade de usar transmissão de velocidade, posto que seu acoplamento
com o rotor é direto, dessa forma se consegue gerar em baixas velocidades de giro.
Logra-se uma grande simplificação do gerador; isso se traduz em uma manutenção
menos complexa e uma diminuição da probabilidade de falha dos componentes.
Foram apresentados os resultados em um cenário ideal, procurando a máxima
geração para obter resultados viáveis, e logo, injetar na rede. Porém é preciso observar as
localizações das linhas de transmissão, porque a construção das mesmas resulta em um maior
investimos o que torna inviáveis os projetos de geração eólica. O artigo atingiu o objetivo
determinado, foram analisadas as turbinas eólicas que Homer tem em sua base de dados, os
resultados simulados obtidos indicam uma resposta lógica, ao nível de geração por cada um
dos geradores.
É difícil implementar projetos eólicos de alta capacidade porque o nível de
investimento exigido é alto, mas, por outro lado, tem um retorno relativamente rápido devido
à venda de altos níveis de potência.
Neste momento se tem 258 usinas eólicas no Brasil, o que significa 6000KW, ou
seja, 4% da geração total do país. O fator de capacidade (FC) vem aumentando
significativamente, em razão dos avanços tecnológicos em materiais e porte das instalações, o
que permite melhor aproveitamento dos ventos. O Brasil, 15º país em geração, é o 1º em fator
de capacidade (FC), superando em 53% o FC mundial. Turquia, EUA e a Austrália aparecem
com FC entre 33% e 32%.
Em 2001, foi lançado o primeiro Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, que estimou
em 143 GW o potencial nacional, considerando torres de até 50 m de altura. Com a expansão
do setor, boa parte dos estados brasileiros está revendo o seu potencial, agora para torres de
120 m ou mais. Há a previsão de que o potencial chegue a 350 GW.
O atual Plano Decenal de Expansão de Energia – PDE 2023, indica que a capacidade
instalada eólica brasileira chegará a 22,4 GW em 2023, respondendo por 11,7% do total e a
uma expansão média anual de 2 GW.
Uma limitação do estudo é a necessidade dos geradores quanto a ímãs permanentes,
especialmente a evolução dos ímãs, e também o custo destes, o que significa uma
desvantagem em comparação a outros tipos de geradores.
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