PROPOSTA DE UMA ESTRATÉGIA DE CONTROLE POR

BORBA, L. de S.; MARRA, E.G. Proposta de uma Estratégia de Controle por Freqüência do Gerador de Indução em Operação
Isolada In: CONGRESSO DE PESQUISA, ENSINO E EXTENSÃO DA UFG - CONPEEX, 2., 2005, Goiânia.
PROPOSTA DE UMA ESTRATÉGIA DE CONTROLE POR FREQÜÊNCIA DO
GERADOR DE INDUÇÃO EM OPERAÇÃO ISOLADA
BORBA, Leandro de Sousa 1; MARRA, Enes Gonçalves2
Palavras-chave: Gerador de Indução, geração de energia, controle PI
1. INTRODUÇÃO
custo atrativo, a robustez e a facilidade de manutenção da máquina de indução trifásica
com rotor em gaiola, tornam interessante a investigação de sua aplicação no campo da
geração de energia elétrica. (Bansal et al., 2003; Marra e Pomilio, 2000). Esta proposta
apresenta um sistema de produção de energia baseado em um gerador de indução com rotor
em gaiola, excitado por um conversor PWM bidirecional, operando com freqüência variável.
Um conjunto de curvas de torque em função da velocidade angular elétrica do rotor
para uma máquina de indução trifásica com rotor em gaiola, em diversas freqüências
síncronas, é apresentado na figura 1 e ilustra o princípio de funcionamento do gerador de
indução. Estas curvas foram obtidas através de simulação do modelo estático da máquina de
indução trifásica, mantendo-se constante a tensão nos terminais do estator da máquina, e
variando-se a freqüência desta tensão do estator. No estudo apresentado, o gerador opera na
região do gráfico na qual o escorregamento é negativo, ou seja, região na qual a velocidade do
rotor é maior que a velocidade síncrona da onda de indução magnética resultante no entreferro
do gerador
A figura 1 indica que o torque desenvolvido pela máquina varia significativamente
com a variação da freqüência síncrona, mantida a velocidade do rotor. Deste modo, constatase que uma variação de apenas ±5% na freqüência síncrona da máquina, altera
significativamente a potência gerada. A figura 1 ilustra o princípio fundamental da proposta,
qual seja, variar a freqüência síncrona, a fim de ajustar a potência produzida pelo gerador, de
forma a atender a demanda da carga conectada no lado de corrente alternada (ca) do sistema.
O
50Hz
60Hz
70Hz
A
B
Figura 1. Curvas torque (Tmec) em função da velocidade angular elétrica do rotor (wr) em rd/s, para 50 Hz, 60 Hz e 70 Hz.
Esta proposta baseia-se nas seguintes premissas: 1) a máquina de indução é capaz de
suportar variações de ±5% na freqüência síncrona, mantendo-se a tensão do estator, sem que a
saturação produza sobre-aquecimento ou distorções harmônicas de tensão que comprometam
a carga; 2) a carga ca alimentada pelo sistema tolera a operação com freqüências na faixa de
57 Hz a 63 Hz; 3) o modelo dinâmico do gerador considera que a indução magnética está
senoidalmente distribuída ao longo do entreferro para efeito de controle da freqüência; 4) a
velocidade mecânica do rotor do Gerador de Indução Trifásico é constante.
2. METODOLOGIA
BORBA, L. de S.; MARRA, E.G. Proposta de uma Estratégia de Controle por Freqüência do Gerador de Indução em Operação
Isolada In: CONGRESSO DE PESQUISA, ENSINO E EXTENSÃO DA UFG - CONPEEX, 2., 2005, Goiânia.
O sistema proposto consiste em: um conversor bidirecional de freqüência, cujas
chaves são controladas com a técnica da modulação por largura de pulso (PWM) senoidal; um
gerador de indução trifásico (GIT) com rotor tipo gaiola; um filtro composto por um conjunto
de indutores (Lf) conectados entre o conversor PWM e os terminais de estator do gerador, e
por um banco de capacitores Cca, o qual auxilia também no processo de magnetização do GIT.
O sistema é controlado por meio de um compensador Proporcional-Integral (PI),
implementado digitalmente com base na plataforma de desenvolvimento EZ-Kit Lite para
Processadores Digitais de Sinais (DSP) (Analog Devices, 2002; Analog Devices, 2000), com
processador modelo ADSP21992. A figura 2 apresenta um diagrama geral da proposta, na
qual o compensador PI e o ajuste de freqüência são implementados digitalmente, enquanto a
figura 3 apresenta os componentes que usados na montagem real do sistema.
A tensão Vcc no capacitor Ccc é a variável capaz de indicar qualquer desequilíbrio entre
a potência gerada e a potência consumida no sistema. Como o conversor PWM de freqüência
é bidirecional, a energia elétrica excedente produzida pelo gerador, e não consumida pela
carga ca, é armazenada no capacitor Ccc, produzindo elevação transitória na tensão Vcc.
Figura 2. Diagrama do sistema proposto
Figura 3. Componentes utilizados na implementação real
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
O sistema foi simulado com base em uma máquina de indução trifásica com potência
de 1 cv e 4 pólos. A freqüência do sistema a vazio após o transitório inicial é de
aproximadamente 60,04 Hz.
A primeira simulação foi feita com adição de uma carga trifásica resistiva equilibrada
de 0,4 pu da potência nominal do GIT (0,4pu=300W) . Ao conectar a carga resistiva trifásica,
a tensão Vcc cai, devido à descarga do capacitor Ccc que supre o déficit de energia do sistema,
conforme pode ser observado na figura 4. O controle atua no sentido de diminuir o valor da
freqüência e aumentar a potência elétrica gerada. O valor final da freqüência após a
estabilização do sistema foi de 58,33 Hz.
Outra simulação foi feita com uma carga trifásica resistiva equilibrada de 0,61 pu
conectada em 4 s. A figura 5 apresenta a tensão Vcc e o valor da freqüência nesta simulação.
O valor final da freqüência para este caso foi de 57,51 Hz.
O Sistema proposto foi então implementado em bancada sendo que alguns de seus
resultados estão apresentados a seguir. A figura 6 apresenta a tensão Vcc para a situação em
que o sistema inicialmente alimentava 300W (0,400pu) resistivos equilibrados quando sofre
uma conexão de mais 450W (0,619pu) resistivos equilibrados. Da mesma forma que na
simulação, o valor de Vcc apresenta uma queda e em seguida retorna ao seu valor de
referência. A figura 7 apresenta a freqüência síncrona para a carga de 750W em regime
permanente.
BORBA, L. de S.; MARRA, E.G. Proposta de uma Estratégia de Controle por Freqüência do Gerador de Indução em Operação
Isolada In: CONGRESSO DE PESQUISA, ENSINO E EXTENSÃO DA UFG - CONPEEX, 2., 2005, Goiânia.
Figura 4. Tensão Vcc e valor da freqüência para carga trifásica
resistiva equilibrada de 0,40 pu.
Figura 5. Tensão Vcc e valor da freqüência para carga trifásica
resistiva equilibrada de 0,61 pu.
Figura 6. Tensão Vcc para carga trifásica resistiva equilibrada de 0,4
pu, seguida de conexão de 0,61pu, totalizando 750W.
Figura 7. Freqüência síncrona para carga de 1,019 pu
4. CONCLUSÃO
Constata-se a viabilidade da realização do controle da potência gerada por um sistema
baseado em gerador de indução trifásico com rotor tipo gaiola, fixando-se a velocidade
mecânica do rotor e ajustando-se o valor do escorregamento para um valor conveniente.
O sistema apresentou um melhor desempenho quando alimentando cargas de maior
potência. Em vazio, a tensão nos terminais do gerador apresentou uma oscilação de ±6V,
porém à medida em que se adiciona mais carga, a amplitude desta oscilação é reduzida a
valores desconsideráveis quando o sistema alimenta a sua carga nominal.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANALOG DEVICES (2002) ADSP-21992 EZ-KIT LITE, Evaluation System Manual, (manufacturer manual),
1st edition, Norwood, USA, ISBN:82-000700-01
ANALOG DEVICES (2000) ADSP-219x DSP, Instruction Set Reference, (manufacturer manual), 1st edition,
Norwood, USA, ISBN:82-000390-07
BANSAL, R.C.; BHATTI, T.S.; KOTHARI, D.P. (2003) Bibliography on the application of induction
generators in nonconventional energy systems, Energy Conversion, IEEE Transactions on, Volume: 18 , Issue: 3
pages:433 - 439
MARRA, E.G.; POMILIO, J.A (2000). Induction-generator-based system providing regulated voltage with
constant frequency, Industrial Electronics, IEEE Transactions on , Volume: 47 , Issue: 4, Pages:908 – 914
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Mestrando em Engenharia Elétrica pela EEEC/UFG, [email protected]
Orientador EEEC/UFG, [email protected]