PAPER Title Micro central hidrelétrica com turbina

PAPER
1/6
Micro central hidrelétrica com turbina hidrocinética
(Estudo de caso no Rio Caçadorzinho)
Title
Registration Nº:
(Abstract)
AWLC6774
Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR (Campus Pato Branco)
Via do Conhecimento, Km 1, 85501-970, Pato Branco, Paraná, Brasil.
Name
César Augusto Portolann
Sergio Luis Ribas Pessa
Juliana Kock
Geovane Snizer
Authors of the paper
Country
Rua Francisco Xavier, 244, 85505020, Centro, Pato Branco, PR, Brasil
Rua Manaus, 55, 85504-270, Bairro
Pinheiros, Pato Branco, Paraná, Brasil
Brasil
Thiago Prado De Campos
Rua Duque de Caxias, SN, 85550000, Coronel Vivida, PR, Brasil
Brasil
Daniel Prado De Campos
Brasil
e-mail
(055) 46 3220 2589
[email protected]
(055) 46 3220 2585
[email protected]
[email protected]
[email protected]
thiagopradodecampos@hotmail.
com
[email protected]
Key words
Carga dump, Controle de tensão, Eficiência energética, Micro-central hidrelétrica, Turbina
hidrocinética.
Resumo
O Sudoeste do Paraná necessita de incentivos
para um desenvolvimento mais sustentado.
Pequenos e médios agricultores dessa região
podem contribuir nisso, se tiverem maior
oferta de energia elétrica para manufatura de
produtos. Grande parte dos agricultores recebe
potência em 5 KVA. Com maior capacidade
instalada, poderão industrializar e agregar
valor a produtos antes comercializados “in
natura”, e também oferecer serviços. O
incremento na oferta de eletricidade poderá
ser feito por meio de micro-centrais
hidrelétricas, que sejam atrativas técnica e
economicamente. Em geral, pequenas plantas
de geração convencional não são atrativas
devido ao custo da turbina e dos reguladores
de tensão e velocidade. Este estudo propõe
uma micro usina que usa turbina hidrocinética,
e os controles de tensão e frequência se
utilizam de “link” de corrente contínua, carga
“dump” e inversor de tensão. Este tipo de
geração se caracteriza pelo baixo custo, aliado
à confiabilidade, onde se evita a construção de
barragem, operando de forma a extrair
máxima potência, com custo inicial e de
manutenção baixos, operação automática
confiável, pouca exigência de manutenção e
espera-se vida longa. O projeto tem o objetivo
de desenvolver uma micro-central hidrocinética
que tenha boa aceitação entre os agricultores,
e consequentemente facilidade para a difusão
do seu uso. Neste artigo a ênfase é dada ao
controle de tensão, que é uma parte vital do
projeto, pois é também responsável pela
qualidade da energia elétrica gerada. Uma
equação mostra a relação entre a tensão
terminal da micro-central e a ação do
controlador sobre a carga “dump”. São obtidos
resultados de um protótipo que confirmam a
teoria preestabelecida.
1/6
PAPER
2/6
1 - Introdução
2 - Descrição sucinta do sistema
Este trabalho visa contribuir para a difusão
de micro-usinas hidrelétricas (MCH) nas
regiões sudoeste do Estado do Paraná e
Oeste de Santa Catarina (Brasil), onde se
verificam baixos índices de desenvolvimento
humano (IDH). Uma maior oferta de energia
elétrica permite que famílias manufaturem
produtos, agregando valor, ao invés de
comercializá-los “in natura”, como é o caso de
frutas, legumes, cereais e carnes, que
poderiam ser transformados em geléias,
compotas, vinhos, biscoitos e embutidos, etc.
Também, os agricultores sofrem com
interrupções frequentes no fornecimento de
energia elétrica, que implica em ordenha
manual e falta de refrigeração do leite.
A
difusão
destas
usinas
ocorre
basicamente por meio da minimização dos
custos globais, ao mesmo tempo que se
mantém a confiabilidade e a boa qualidade da
energia. Para alcançar esses objetivos, neste
projeto, duas ações básicas são consideradas.
A primeira refere-se à utilização de turbina
hidrocinética, que evita a construção de
barragem, canalização, tubulação forçada e
comporta, conferindo mais economia.
A segunda ação diz respeito ao
processamento da energia gerada, que deve
ser de boa qualidade, porém, os controladores
devem ser simples e robustos. De modo mais
específico, é necessário que a amplitude e a
frequência da tensão gerada sejam mantidas
controladas, através de dispositivos baratos e
confiáveis. O controle da frequência será de
responsabilidade de inversor(es) de tensão,
cuja saída fornece uma frequência fixa; assim,
a ênfase deste trabalho será o controle da
amplitude da tensão. O projeto desta micro
usina está previsto para ser implementado no
Rio Caçadorzinho, município de Vitorino ou no
Rio Marmeleiro no município de Marmeleiro,
ambos no estado do Paraná.
O artigo está estruturado como segue.
Depois da introdução será vista uma breve
descrição geral do esquema proposto. Na
sequência serão abordados os aspectos
teóricos, que justificam por meio de equações,
a relação da tensão com alguns parâmetros.
Em continuidade são apresentados os
resultados, obtidos de um protótipo, com a
finalidade de atestar o controle de tensão.
Finalmente são feitas as conclusões.
A Figura 1 representa o sistema, que é
composto de turbina hidrocinética, gerador de
indução auto-excitado (ou gerador de ímã
permanente ou síncrono), retificador a diodos,
controlador de tensão e inversor de tensão.
Fig. 1 - Esquema da micro-central proposta.
Uma parte fundamental da MCH é a
turbina, que no caso optou-se por uma do tipo
hidrocinética,
conforme
justificado
anteriormente. A foto dessa máquina a ser
utilizada no projeto, pode ser vista na Figura 2.
A aplicação do gerador de indução tipo
gaiola de esquilo, em sistemas autônomos ou
isolados, como nesse caso, é muito difundida,
principalmente por sua robustez, e pouca
necessidade de manutenção.
O retificador trifásico, sendo do tipo não
controlado, oferece simplicidade e baixo custo.
É seguido de um filtro passa-baixas que
minimiza a ondulação da tensão gerada,
contribuindo para a boa eficiência do
controlador de tensão.
Fig. 2 – Turbina hidrocinética utilizada.
2/6
PAPER
O “link” de corrente contínua é desejável, e
importante porque simplifica o controle da
frequência que é ajustada por um inversor de
tensão, permitindo que o controle de tensão
seja efetuado por uma única chave
semicondutora.
O inversor de tensão se constitui num
conversor CC-CA, e providencia a tensão
alternada para cargas como motores em geral,
iluminação fluorescente e outras cargas, com
a frequência fixa, no caso em 60 Hz.
3 - O controle de tensão
3.1 - Generalidades
O controlador de tensão é sintetizado por
um conversor “chopper” atuando sobre uma
carga “dump”. Do circuito da Figura 1, tem-se
que:
V  E  Ir
onde:




(1)
V: tensão nos terminais das cargas;
E: tensão na saída do retificador;
I: corrente no link CC;
r: soma de diversas resistências.
Considerando que a potência nas cargas é:
(2)
Pc  VI
Substituindo (1) em (2):
Pc 
 E  Ir  I
(3)
Pc  EI  I 2 r
(4)
Isolando I em (1) e substituindo em (4):
I 
E V
r
 E V
Pc  E 
 r
(5)
2
  E V 
 r  r
 

(6)
EV V 2
(7)

r
r
Multiplicando por r, resulta a seguinte
expressão, que pode refletir a regulação do
link de CC, como função da f.e.m., de r e da
carga total Pc:
Pc 
V 2  EV  rPc  0
(8)
A tensão terminal pode ser mantida
constante pelo “chopper”, por meio de
variações apropriadas na potência demandada
pela carga dump R2 (Subramanian, Ray). Com
3/6
base no fato que a tensão terminal cai com o
aumento da carga, e vice-versa, a
minimização da regulação de tensão ocorre
obviamente da seguinte forma: se a tensão
terminal tende a cair por causa do aumento da
carga principal (ou ainda em razão de um
déficit da energia primária, que por sua vez
implica em uma redução da tensão E), a
potência na carga dump é automaticamente
reduzida, com base na variação da largura de
pulso de tensão aplicado em R2. Se a tensão
tende aumentar, a largura de pulso é
incrementada adequadamente.
A carga principal em uma micro-central
com link de CC, pode ser constituída de vários
aparelhos, tais como aquecedores, lâmpadas
incandescentes, motores CC, carregadores de
baterias e inversores de tensão para cargas
de corrente alternada.
No caso, para facilidade na obtenção dos
resultados, R1 foi formada somente por quatro
lâmpadas incandescentes de 100W, 220V. A
carga dump foi constituída por uma resistência
em série com um transistor Mosfet IRF730. O
sinal de tensão é obtido de um divisor de
tensão formado pelos resistores Ra e Rb. Este
sinal é introduzido em um dispositivo que
converte o sinal de tensão contínua, em sinal
de tensão pulsante, com largura de pulso
proporcional ao sinal de entrada – PWM. No
caso foi utilizado o circuito integrado LM3524.
Na prática, a carga dump R2 pode ser
plenamente utilizada, como por exemplo em
aquecimento de água, aquecimento de fornos
e carga de baterias, dentre outras aplicações.
3.2 - Tensão versus largura de pulso (w)
A carga “dump” tem o objetivo de manter a
potência gerada, aproximadamente constante
(valor nominal), mantendo fixa a queda de
tensão natural ou regulação. Assim, ele
executa um papel de controlador de tensão,
compensando variações na carga principal, e
na força eletromotriz gerada (Stein, Manwell).
A carga dump é modulada por um
conversor CC-CC, sintetizado por um único
semicondutor de potência, significando maior
confiabilidade e possível menor custo.
Algumas vantagens deste controle:
 Substitui a excitatriz (caso de gerador
síncrono), ou controle de tensão em geradores
de indução, via de regra complexos;
 Contribui para a regulação de velocidade,
substituindo em parte o regulador de
velocidade, geralmente oneroso;
3/6
PAPER
 Previsão de bom comportamento para
grandes e súbitas variações de carga;
 A mão-de-obra para instalação não
necessita ser especializada.
De modo geral, o funcionamento da carga
“dump” é representado como segue, onde se
despreza as perdas:
V
4/6



2 
E  E 1 
 r


G2 o 
1
T

w
0
2
G2,max
dt
(15)
2
Potência gerada = carga dump + carga principal
A função da carga dump, neste caso, é
“casar” a potência gerada com as variações de
carga. Assim, a potência gerada deve ser
constante, independentemente das variações
na carga principal. Com a técnica de controlar
a carga através de um dispositivo eletrônico,
uma carga ôhmica pode ter os seus valores
médio e eficaz controlados [2,3]. Por
conveniência a carga dump será tratada
inicialmente como condutância efetiva.



4r


R1 R2

w
R1  R2 
T

A tensão depende da potência modulada
pela carga dump, que por sua vez está
relacionada com a largura do pulso de tensão
aplicado sobre R2. Se a corrente da carga
principal aumenta/diminui, a largura de pulso
diminui/aumenta respectivamente, para que a
carga dump se adapte, fazendo com que o
gerador perceba uma corrente constante nos
seus terminais. A Figura 3 ilustra essa
adaptação da largura de pulso para diferentes
resistências (R1) da carga principal, em Ω.
(9)
230
225
w
G2 o 
G2,max
T
(10)
(11)
A expressão (11) constitui a resistência
efetiva da carga dump, como função da
largura de pulso w do conversor CC-CC:
Tensão terminal (V)
1
T 1

G2 o
w G2,max
220
215
210
205
200
195
190
185
R2 o 
T
R2
w
(12)
Por sua vez, a resistência efetiva total de
carga do link CC, pode ser dada por:
Rc 
R1 R2
(13)
w
R1  R2
T
Considera-se também que a potência
gerada pode ser estabelecida por:
Pg 
E2

 r  Rc 
r
E2
R1 R2
(14)
w
R1  R2
T
Admitindo as perdas desprezíveis frente às
cargas, permitindo aproximar Pc = Pg, a
expressão (8) pode ser rearranjada para (15),
a qual evidencia a relação da tensão V com a
largura de pulso w.
w(163,3)
0
0.5
1
w(R1=121ohm)
w(242)
1.5
w(484)
2
2.5
3
Largura de pulso - w (us)
w(inf)
3.5
4
x 10
-4
Fig. 3 - Tensão versus w.
4 - Resultados
Com base no esquema da Figura 1, se
verifica o comportamento em regime
permanente
do
sistema
apresentado.
Efetuaram-se variações na carga principal,
reduzindo-se a sua potência, desde um valor
máximo até zero. R1 se constituiu inicialmente
de quatro lâmpadas incandescentes de
100W/220V. A carga dump R2 foi formada por
uma resistência com aproximadamente o
mesmo valor e potência da carga principal, e
submetida à modulação PWM. A partir desse
estado inicial, a carga principal foi reduzida em
degraus iguais, e registrada a largura de pulso
respectivo, ilustrado nas Figuras que seguem,
bem como outras grandezas de interesse.
4/6
PAPER
Ponto 1 – estado inicial
Cada estado do pequeno sistema isolado
foi rotulado como um ponto diferente do outro.
O ponto 1 é caracterizado pelo fato da carga
principal ser máxima. A tensão terminal foi de
193 V, a corrente na carga principal foi de 1,73
A, enquanto na carga dump foi nula. Para este
caso, a largura de pulso w também foi zero.
Utilizando a expressão (11), a resistência
efetiva da carga dump, e a potência dissipada
nela, tiveram respectivamente os seguintes
valores:
R2 o ,1 
P2,1 
5/6
Ponto 3
A Figura 5 mostra a largura de pulso w,
resultante do caso onde a potência da carga
principal foi reduzida pela metade, e a corrente
dela caiu para 0,862 A. Para manter a tensão
em 193 V, foi necessário incrementar w para o
valor de 156 µs, representando um aumento
da corrente na carga dump para 0,894 A.
380
121   ;
0
1932
0 W .

Ponto 2
Neste segundo estado, a corrente da carga
principal foi reduzida para 1,296 A devido à
redução da potência. A tensão terminal V
tenderia a aumentar, porém foi mantida em
193 V, graças ao aumento da corrente na
carga dump para 0,447 A (valor médio), como
conseqüência de um incremento na largura de
pulso w, para 52 µs. Isto pode ser verificado
na Figura 4. A resistência efetiva da carga
dump diminuiu como resultado da modulação
PWM. Naturalmente, a potência desta carga
aumentou.
Fig. 5 - W para P1=½Pmax
Os valores de resistência efetiva e de
potência para a carga dump foram
respectivamente:
R2 o ,3 
P2,3 
380
121  188,8  ;
156
1932
 197, 3 W .
188,8
Ponto 4
A Figura 6 ilustra o penúltimo estado das
variáveis foi caracterizado pela corrente
principal reduzida para o valor de 0,428 A.
Fig. 4 – W para P1=¾Pmax
Esses valores são mostrados a seguir.
R2 o ,2 
380
121  327,1  ;
52
2
P2,2 
193
 113,9 W .
327,1
Fig. 6 - W para P1=¼Pmax.
Agora, com um aumento da corrente em R2
para 1,125 A, decorrente de um incremento de
w para 260 µs, a tensão terminal foi garantida
no valor de 193 V. Os valores de resistência
efetiva e de potência para a carga dump,
neste caso, foram respectivamente:
5/6
PAPER
R2 o ,4 
P2,4 
6/6
A Figura 10 resume o efeito de
compensação da carga dump. Neste gráfico é
mostrado que a variação da carga principal é
sempre complementada pela carga dump, ou
seja, a potência gerada é mantida
aproximadamente constante, de forma que as
variações de tensão sejam reduzidas.
380
121  146, 3  ;
260
1932
 254, 6 W .
146,3
Ponto 5 – estado final
400
P1: Carga principal
P2: Carga auxiliar
P: Potência gerada
350
300
Potência (W)
Neste estado a carga principal foi zerada, e
a carga dump compensou mais uma vez a
variação de R1, assumindo toda demanda de
potência. Pode-se verificar na Figura 9 que a
largura de pulso w, praticamente se confunde
com o período estabelecido de 380 µs,
fazendo com que a potência da carga
secundária seja máxima. A corrente média
verificada foi de 1,60 A. Para este ponto, a
resistência efetiva de R2 e a sua potência são:
250
200
150
100
50
0
R2 o ,5 
P2,5 
0
380
121  121  ;
380
0.5
1
1.5
2
2.5
Tempo (min)
3
3.5
4
Fig. 10. Carga dump x carga principal.
5 - Conclusões
1932
 307,8 W .
121
O
estudo
permite
fazer
algumas
afirmações. A geração de energia elétrica de
pequeno porte com turbina hidrocinética e
“link” CC, numa estrutura onde a excitatriz ou
outro esquema complexo de controle de
tensão é substituído por uma carga eletrônica,
fica muito simplificada. Pode-se atestar a
viabilidade técnica para a regulação de tensão
com este esquema proposto, o que foi
indicado pelos valores e formas de onda
obtida. A mínima quantidade de materiais e
dispositivos indica que o investimento e custo
de manutenção são menores do que aqueles
das técnicas convencionais.
Fig. 9 - W para P1=0.
6 – Referências bibliográficas
A Tabela 1 contém os principais resultados
do ensaio, onde I2m e I2o representam
respectivamente as correntes média e eficaz
na carga dump.
Tabela 1 - Resumo dos resultados do ensaio.
Pto
w(µs)
R2o(Ω)
I 1(A)
I 2m(A)
I 2o(A)
P1(W)
P2(W )
1
0
∞
1,730
0,000
0,000
334
0
2
52
327
1,296
0,447
0,590
250
114
3
156
188
0,862
0,894
1,022
166
197
4
260
146
0,428
1,125
1,319
83
254
5
380
121
0,000
1,600
1,600
0
308
[1] Subramanian, K., Ray, K. k., Voltage
Regulation of 3-Φ Self Excited Asynchronous
Generator, International of Engineering
Science and Technology (IJEST), Vol. 2(12),
2010, ISSN: 0975-5462.
[2] Henderson, D., An Advanced Electronic
Load Governor for Control of Micro
Hydroelectric Generation, IEEE Trans. on
Energy Conversion, Vol. 13, No. 3, Sept. 1998.
[3] Portolann, C. A., Farret, F. A., Machado, R.
Q, Electronic Regulation by the Load of the
Electrical
Variables
and
Speed
of
Asynchronous Micro Turbogenerators, V IEEE
International Power Electronics Congress –
CIEP´96, Anais pp. 125-130, Cuernavaca,
Mex., Outubro 1996.
6/6