UNIVERSIDADE TECNOL ´ OGICA FEDERAL DO PARAN ´ A PROGRAMA DE P ´ OS-GRADUAC ¸ ˜ AO EM ENGENHARIA EL ´ ETRICA ODILIO DE SOUZA DUARTE ALGORITMO MPPT PARA SISTEMA DE GERAC ¸ ˜ AO DE ENERGIA E ´ OLICA DE PEQUENO PORTE COM PMSG DISSERTAC ¸ ˜ AO PATO BRANCO 2017
112
Embed
UNIVERSIDADE TECNOLOGICA FEDERAL DO PARAN´ A´ …repositorio.utfpr.edu.br/jspui/bitstream/1/3008/1/PB_PPGEE_2017_M... · extra´ıda do vento por um gerador s ´ıncrono de ´ıma
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
UNIVERSIDADE TECNOLOGICA FEDERAL DO PARANA
PROGRAMA DE POS-GRADUACAO EM ENGENHARIA ELETRICA
ODILIO DE SOUZA DUARTE
ALGORITMO MPPT PARA SISTEMA DE GERACAO DE ENERGIAEOLICA DE PEQUENO PORTE COM PMSG
DISSERTACAO
PATO BRANCO
2017
ODILIO DE SOUZA DUARTE
ALGORITMO MPPT PARA SISTEMA DE GERACAO DE ENERGIAEOLICA DE PEQUENO PORTE COM PMSG
Dissertacao apresentada ao Programa de Pos-
graduacao em Engenharia Eletrica da Universidade
Tecnologica Federal do Parana como requisito
parcial para obtencao do grau de “Mestre em
Engenharia Eletrica” – Area de Concentracao:
Sistemas e Processamento de Energia.
Orientador: Jean Patric da Costa
PATO BRANCO
2017
Ficha Catalográfica elaborada por Suélem Belmudes Cardoso CRB9/1630 Biblioteca da UTFPR Campus Pato Branco
D812a Duarte, Odilio de Souza. Algoritmo MPPT para sistema de geração de energia eólica de
pequeno porte com PMSG / Odilio de Souza Duarte. -- 2017. 110 f. : il. ; 30 cm Orientador: Prof. Dr. Jean Patric da Costa Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do
Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Pato Branco, PR, 2017.
Bibliografia: f. 85 – 88.
1. Energia eólica. 2. Energia - Fontes alternativas. 3. Conversores de corrente elétrica. I. Costa, Jean Patric da, orient. II. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. III. Título. CDD 22. ed. 621.3
Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus Pato Branco Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PR
TERMO DE APROVAÇÃO
Título da Dissertação n.° 056
“ALGORITMO MPPT PARA SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA DE
PEQUENO PORTE COM PMSG”
por
Odilio de Souza Duarte
Dissertação apresentada às treze horas e trinta minutos, do dia seis de setembro de dois mil e dezessete, como requisito parcial para obtenção do título de MESTRE EM ENGENHARIA ELÉTRICA. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Câmpus Pato Branco. O candidato foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho APROVADO. Banca examinadora:
Prof. Dr. Jean Patric da Costa (orientador) - UTFPR/PB
Prof. Dr. Marconi Januário UNOESC/Joaçaba
Prof. Dr. Emerson Giovani Carati UTFPR/PB
Prof. Dr. Jorge Luis Roel Ortiz UTFPR/PB
Prof. Dr. Gustavo Weber Denardin
Coordenador Substituto do Programa
de Pós-Graduação em Engenharia
Elétrica - PPGEE/UTFPR
A via original, devidamente assinada, encontra-se na Biblioteca da UTFPR – Câmpus Pato Branco.
RESUMO
DUARTE, Odilio de Souza. ALGORITMO MPPT PARA SISTEMA DE GERACAO DE
ENERGIA EOLICA DE PEQUENO PORTE COM PMSG. 110 f. Dissertacao – Programa
de Pos-graduacao em Engenharia Eletrica, Universidade Tecnologica Federal do Parana. Pato
Branco, 2017.
Este trabalho tem como objetivo desenvolver um algoritmo MPPT para otimizar a energia
extraıda do vento por um gerador sıncrono de ıma permanente (PMSG) em um sistema de
geracao de energia eolica de velocidade variavel. A proposta do algoritmo e de encontrar o
ponto de maxima extracao de potencia sem precisar de um sistema de medicao de velocidade
do vento, nem das caracterısticas construtivas da turbina eolica que descreve seu coeficiente de
potencia (CP). A base do desenvolvimento do algoritmo MPPT, esta em combinar os metodos
OTC (Optimal Torque Control) e HCS (Hill Climb Searching). Com o metodo HCS, o algoritmo
rastreia o MPPT e define o valor do ganho aqui chamado de Kotm. Esse ganho carrega de forma
indireta caracterısticas construtivas da turbina eolica relacionadas a extracao de potencia, sendo
utilizado para gerar a referencia de torque ao sistema de controle pelo Metodo OTC. Resultados
experimentais sao apresentados com auxılio de uma plataforma de testes, com uso de um PMSG
de 5 kW com 36 polos.
Palavras-chave: Energia Eolica, MPPT, PMSG.
ABSTRACT
DUARTE, Odilio de Souza. ALGORITHM MPPT FOR SMALL SISE WIND POWER
GENERATION SYSTEM WITH PMSG. 110 f. Dissertation – Eletrical Engineering Graduate
Program, Federal Technology University of Parana. Pato Branco, 2017.
This work aims to develop an MPPT algorithm to optimize the energy extracted from the wind
by a permanent magnet synchronous generator (PMSG) in a wind energy generation system
with variable speed. The algorithm proposes to find the point of maximum power extraction
without requiring a wind speed measurement system, nor of the constructive characteristics
of the wind turbine that describes its power coefficient (CP). The basis for the development
of the MPPT algorithm lies in combining the OTC (Optimal Torque Control) and HCS (Hill
Climb Searching) methods. With the HCS method, the algorithm traces the MPPT and sets the
gain value here called Kotm. This gain indirectly carries constructive characteristics of the wind
turbine related to power extraction, being used to generate the torque reference to the control
system by the OTC Method. Experimental results are presented with the aid of a test platform,
HCS Hill Climb SearchingHP Horse Power - Cavalo Forca
IGBT Insulated Gate Bipolar Transitor - Transistor Bipolar de Porta Isolada
ISA International Society of AutomationMPPT Maximum Power Point Tracking - Rastreamento de Ponto de Maxima Potencia
OTC Optimal Torque ControlPI Proporcional e Integral
PMSG Permanent Magnet Synchronous Generator - Gerador Sıncrono de Ima PermanentePROINFA Programa de Incentivo as Fontes Alternativas de Energia Eletrica
PSF Power Signal FeedbackPWM Pulse Width Modulation - Modulacao por largura de pulso
P&O Pertub and ObservationSIN Sistema Interligado Nacional
SVM Space Vector Modulation - Modulacao por Vetor de EstadosTSR Tip Speed Ratio
LISTA DE SIMBOLOS
Hm Altitude
β Angulo de ataque das pas da turbina eolica
θe Angulo eletrico
θm Angulo mecanico
A Area
C Capacitor
Cp Coeficiente de potencia da turbina
Cpmax Coeficiente de potencia da turbina maximo teorico
τ Constante de tempo
Kotm Constante de torque otimo
Icc Corrente continua
id,q Correntes sincronas
ia,b,c Correntes trifasicas
ρ Densidade do ar
d Distancia
ed,eq Eixos sıncronos direto e de em quadratura
E Energia cinetica
λma,mb,mc Fluxo magnetico em cada fase do estator
λa,b,c Fluxo magnetico no estator de cada fase
λm Fluxo magnetico permanente
fe Frequecia eletrica
kic Ganho do integrador da malha de corrente
kiT Ganho do integrador da malha de torque
kpc Ganho proporcional da malha de corrente
kpT Ganho proporcional da malha de torque
Mab,bc,ca Indutancia mutua entre bobinas do estator
Laa,bb,cc Indutancia propria de cada fase do estator
Ld,q Indutancia sıncrona eixo direto e em quadratura
Ls Indutancias sıncronas
m Massa de ar
N Numero de par de polos
Np Numero de polos
Pe Potencia eletrica
pabc Potencia instantanea
pe Potencia instantanea eletrica
pm Potencia instantanea mecanica
pmag Potencia instantanea perdida na magnetizacao do estator
Na Tabela 5 sao apresentados valores de referencia ilustrados na Figura 36.
Tabela 5: Valores de referencia.Velocidade do Vento
[m/s]Potencia Mecanica
[W]Velocidade da Turbina
[rpm]Torque Mecanico
[Nm]4,5 646 125 49,4
6,0 1538 168 87,4
Um perfil de vento de forma retangular foi aplicado na simulacao do algoritmo MPPT
para demostrar o seu funcionamento. Na Figura 37 e ilustrado o grafico da resposta do sistema
rastreando o perfil de potencia e a alternancia entre os metodos OTC e HCS.
Figura 37: Sistema operando com o algoritmo MPPT.
Conforme e demarcado no grafico ilustrado na Figura 37, pelas letras “a, b, c, d, e, f ”,
observa-se a atuacao do algoritmo em que:
a - Ao iniciar a simulacao, a linha denominada de “Perfil de Potencia”, indica uma potencia
mecanica disponıvel de 646 W. Inicialmente o algoritmo entra no metodo HCS para
rastrear a maxima potencia e depois passa a operar com o metodo OTC (parte b);
b - O algoritmo esta operando no metodo OTC ate que o perfil de potencia passe para 1538
W, momento este em que o algoritmo detecta a mudanca de potencia e passa a operar no
metodo HCS para rastrear o novo ponto de maxima potencia (parte c);
c - Neste intervalo de tempo, o algoritmo permanece operando no metodo HCS ate que um
novo ponto de maxima potencia seja detectado;
d - O algoritmo opera com o metodo OTC e se mantem no ponto ate detectar a alteracao do
perfil de potencia para 646 W.
73
e - O algoritmo encontra-se operando no metodo HCS rastreando um novo ponto de
maxima potencia;
f - O algoritmo volta a operar no metodo OTC mantendo-se no ponto de maxima potencia.
5.3 CONSIDERACOES FINAIS
No capıtulo foi apresentado o algoritmo MPPT proposto, desenvolvido com base nos
metodos OTC e HCS, bem como a definicoes dos tempos de acomodacao dos passos de torque
aplicados durante a execucao do algoritmo. No proximo sao apresentados capıtulo resultados
experimentais.
74
6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Para realizacao dos testes com o algoritmo proposto, uma plataforma experimental foi
utilizada em que consiste em um simulador da turbina eolica atraves de um motor de inducao
trifasico de 4 polos comandado por um inversor comercial que disponibiliza torque mecanico
ao PMSG acoplado. O PMSG tem sua energia processada por chaves IGBTs e descarregada em
um banco de resistencias conectadas ao barramento CC. Os detalhes da plataforma experimental
e apresentado no Apendice (A).
6.1 ENSAIO 1: DETERMINACAO DE CURVAS DE POTENCIA PARA COMPARACOES
COM O ALGORITMO MPPT
Antes de testar o algoritmo proposto, curvas de potencia de referencia ao sistema
eolico experimental foram levantadas para que as mesmas sirvam de comparacao na verificacao
dos testes com o algoritmo MPPT. O inversor de frequencia da plataforma experimental foi
configurado para modo torque variavel. Este mesmo inversor tem disponıvel uma funcao que
permite programar dois nıveis de correntes maximas de saıdas. Desta forma, duas curvas de
potencia distintas em funcao da variacao de torque podem ser conhecidas determinadas por
“Curva P1” e “Curva P2”. Outras curvas podem ser produzidas variando o potenciometro
instalado no inversor de frequencia, o que modifica as caracterısticas da turbina eolica simulada
no que se refere a velocidade otima de operacao mantendo o mesmo torque disponıvel. Essas
curvas foram determinada sendo “Curva P3”, “Curva P4”, “Curva P5”, “Curva P6” e “Curva
P7”.
Para determinar as curvas de referencia de MPPT, um DSP foi programado para
incrementar pequenos nıveis de torque a cada amostragem e, quando o PMSG passa do ponto
de maxima potencia, caracterizado pela diminuicao da potencia o sistema entao e deligado.
75
Primeiramente e apresentado as curvas de referencia, “Curva P1” e “Curva P2”
determinadas pela variacao do torque conforme ilustradas nas Figuras 38 e 39.
(a)
(b)
Figura 38: Referencia “Curva P1” : a) Curva de potencia; b) Curva de velocidade.
76
(a)
(b)
Figura 39: Referencia “Curva P1” : a) Curva de potencia; b) Curva de velocidade.
Os dados obtidos com levantamento das curvas de referencia para variacao de torque
sao apresentados na Tabela 6.
Tabela 6: Dados das curvas de referencia para variacao de torque.Curva Pmotm [W] nsotm [rad/s] Tmotm [Nm]
P1 750 15,1 49,7
P2 976 14,4 67,8
Alterando as caracterısticas da turbina atraves da variacao da velocidade com auxılio
do potenciometro instalado no inversor de frequencia, as curvas de potencia “P3 a P7”, sao
ilustradas na Figura 40, “potencia em funcao do ” e na Figura 41 “velocidade em funcao do
tempo”.
77
Figura 40: Curvas de potencia em funcao do tempo.
Figura 41: Curvas de velocidade em funcao do tempo.
Observa-se nas curvas ilustradas pelas Figuras 40 e 41, que para cada ponto de maxima
potencia ha uma velocidade correspondente, sendo assim, o grafico ilustrado na Figura 42
representa a relacao da curva de potencia em funcao da velocidade facilitando visualizacao
dos pontos MPPT’s a serem utilizados como referencia aos ensaios.
78
Figura 42: Curvas potencia em funcao da velocidade de P3 a P7.
Com base nas informacoes apresentadas no grafico ilustrado na Figura 42, a Tabela 7
apresenta os valores de potencia e velocidade que determinam os pontos de referencias MPPT’s.
Tabela 7: Dados das curvas de referencia com variacao de velocidade.Curva Pmotm [W] nsotm [rad/s] Tmotm [Nm]
P3 892 15,5 57,6
P4 824 14,2 58,1
P5 753 13,9 54,2
P6 702 12,6 55,7
P7 620 11,9 52,1
Analisando os valores mostrados na Tabela 7, pode ser observado que o valor do torque
mecanico (Tm) e aproximadamente o mesmo para todos os pontos. Isso porque neste ensaio
o torque disponıvel para cada curva levantada nao e alterado, o que se altera e a velocidade
caracterıstica da turbina quando a mesma esta submetida a uma velocidade do vento sem
nenhuma carga acoplada. Esse efeito e realizado no laboratorio com auxılio de um inversor
de frequencia instalado no simulador da turbina eolica conforme e apresentado no Apendice
(A).
6.2 ENSAIO 2: DEMONSTRACAO ALGORITMO MPPT
Este ensaio tem como objetivo demostrar o algoritmo detectando mudancas na potencia
disponıvel e alternando durante sua operacao entre os metodos OTC e HCS. Com auxılio da
saıda digital do DSP, a alternancia entre os metodos foram registradas no momento do ensaio em
79
que o sistema foi submetido ha uma variacao de torque caracterizado pelas curvas de potencia
P1 e P2 relatadas na secao 6.1.
Na Figura 43 e ilustrado o grafico da resposta do sistema submetido a uma variacao de
torque. Observa-se p algoritmo MPPT rastreando o perfil de potencia e a alternancia entre os
metodos OTC e HCS.
(a)
Figura 43: Grafico demostracao do funcionamento do algoritmo MPPT.
Conforme e demarcado no grafico ilustrado na Figura 43, pelas letras “a, b, c, d, e, f”,
observa-se a atuacao do algoritmo em que:
a - Ao iniciar o ensaio, a linha denominada de “Perfil de Potencia”, indica uma potencia
mecanica disponıvel de 750 W. Inicialmente o algoritmo entra no metodo HCS para
rastrear a maxima potencia duas vezes, depois passa a operar com o metodo OTC (parte
b);
b - O algoritmo esta operando no metodo OTC ate que o perfil de potencia passe para 976
W, momento este em que o algoritmo detecta a mudanca de potencia e passa a operar no
metodo HCS para rastrear o novo ponto de maxima potencia (parte c);
c - Neste intervalo de tempo, o algoritmo permanece operando no metodo HCS ate que um
novo ponto de maxima potencia seja detectado;
d - O algoritmo opera com o metodo OTC e se mantem no ponto ate detectar a alteracao do
perfil de potencia para 750 W. Intervalo em que uma rapida queda na potencia extraıda e
percebida;
80
e - O algoritmo encontra-se operando no metodo HCS rastreando um novo ponto de
maxima potencia;
f - O algoritmo volta a operar no metodo OTC mantendo-se no ponto de maxima potencia.
6.3 ENSAIO 3: ALGORITMO MPPT APLICADO FRENTE A VARIACAO DE DEGRAU
DE TORQUE
A bancada eolica permite programar dois nıveis de corrente de saıda do inversor de
frequencia, sendo aqui representados pelas curvas de potencia “P1” e “P2” da Tabela 6. Neste
ensaio, o algoritmo MPPT rastrear o perfil de potencia determinados pelos pontos “P1” e “P2”.
A Figura 44 ilustra o comportamento do sistema com o algoritmo MPPT.
(a)
Figura 44: Rastreando perfil de potencia frente a variacao de torque.
6.4 ENSAIO 4: ALGORITMO MPPT APLICADO FRENTE A VARIACAO DAS
CARACTERISTICAS DA TURBINA
Neste ensaio o torque disponıvel e mantido o mesmo para todos os pontos, e uma
variacao de referencia de velocidade e aplicada ao sistema utilizando-se de um potenciometro
instalado junto ao inversor de frequencia responsavel por simular a turbina eolica. Essa variacao
altera a caracterıstica da turbina referente a velocidade quando nenhuma carga esta conectada, o
que resulta numa alteracao do coeficiente de potencia da turbina eolica. Logo diferentes pontos
MPPT sao encontrados.
81
Na Figura 45 e ilustrado o grafico do resultado experimental em que se observa-se
o sistema com o algoritmo implementado rastreando o perfil de potencia oriundo da variacao
da velocidade caracterıstica da turbina eolica. Os resultados podem ser confrontados com os
valores apresentados na Tabela 7.
Figura 45: Resposta do sistema frente a variacao de velocidade caracterıstica da turbina eolica.
6.5 CONSIDERACOES FINAIS
Os graficos apresentados neste capitulo foram produzidos a partir de dados coletados
por um osciloscopio digital, com auxılio de um script desenvolvido no software Matlab, em
que:
1. A velocidade do eixo em “rpm”, foi adquirida programando a saıda de um DSP para gerar
uma forma de onda quadrada que representa-se o inıcio e o fim do ciclo eletrico do PMSG
com auxılio do sinal lido de um encoder;
2. Os dados apresentado nas curvas de potencia “P1 a P7”, foram adquiridas obtendo-se a
velocidade do gerador em radianos (ωm) e, com aquisicao do sinal eletrico em Volts de
um torquımetro disponıvel no eixo do PMSG.
3. O perfil de potencia apresentado na Figura 44 foi construıdo a partir da aquisicao do sinal
de tensao eletrica da chave de posicao instalada no inversor de frequencia;
4. De forma similar ao item anterior, o perfil de potencia para Figura 45 foi construıdo
obtendo-se os valores de tensao eletrica do potenciometro, este responsavel por
82
dar referencia de velocidade ao inversor de frequencia (Apendice E, ensaio do
potenciometro).
83
7 CONCLUSAO
Nas ultimas decadas, a utilizacao de fontes renovaveis para geracao de energia eletrica
tem recebido atencao especial devido a escassez e encarecimento dos combustıveis fosseis e
problemas ambientais. A energia eolica por se tratar de uma energia limpa e com menores
impactos ambientais vem em crescente desenvolvimento no mundo. Assim, como qualquer
sistema de geracao de energia, a busca por um sistema que melhor aproveite os recursos naturais
e desejada.
Neste trabalho buscou-se contribuir com uma melhor compreensao do funcionamento
de um sistema de geracao de energia eolica com o uso de geradores sıncronos a ıma permanente
apresentando o desenvolvimento do modelo matematico do gerador, bem como a descricao de
suas caracterısticas construtivas e roteiro de ensaio para obtencao de seus parametros sıncronos.
O algoritmo MPPT proposto une as vantagens dos metodos HCS e OTC para sistemas
de pequeno porte com velocidade variavel. A principal vantagem do metodo HCS para o
controle da extracao de energia se da por nao precisar de medicao da velocidade do vento e,
conhecimento do coeficiente de potencia da turbina eolica. Ja com o metodo OTC sua principal
vantagem esta relacionado com a estabilidade, pois mesmo com variacoes bruscas de velocidade
do vento, o sistema tende a se manter operavel dentro de seus limites. Um dos motivos se da
pela referencia de torque na malha de controle depender diretamente do valor da velocidade do
gerador.
Essa combinacao dos dois metodos ajusta o sistema de controle para operacao do
gerador conforme as caracterısticas aerodinamicas da turbina eolica e com as variacoes
imposta pelo meio ambiente. Um dos parametros modificados pela alteracao da caracterıstica
aerodinamica se da na velocidade do eixo da turbina eolica ha uma mesma velocidade de vento.
No Ensaio 4 da Seccao (6.4), a velocidade caracterıstica do simulador da turbina eolica quando
nao esta acoplado a nenhuma carga e alterada. Com este ensaio e possıvel observar o sistema
de controle se ajustando com a mudanca da caracterıstica da velocidade representada pelo perfil
de potencia conforme e apresentado na Figura 45.
84
No Ensaio 3 da Seccao (6.3), o algoritmo rastreia o ponto de maxima extracao de
potencia determinada pela variacao de torque aplicada ao sistema conforme e apresentado pelo
grafico de perfil de potencia ilustrado na Figura 44. Analisando o grafico de “potencia medida”
ilustrado na Figura 44, observa-se a estabilidade do sistema quando o perfil de potencia reduz
de 976 W para 750 W (proximo a base de tempo de 80 segundos). Neste ponto, o sistema
se mantem em operacao fora do MPPT por aproximadamente 2 segundos e na sequencia o
algoritmo leva o sistema a operar no MPPT.
Por fim, com base nas informacoes coletadas nos ensaios em laboratorio, pode-se
concluir que o algoritmo apresentado converge o sistema ao ponto de operacao para maxima
extracao de potencia, sem a necessidade de um sistema de medicao de velocidade de vento e do
conhecimento do coeficiente de potencia da turbina eolica. Porem, este nao foram realizados
ensaios em ambiente externo, o que implica na necessidade adaptar parametros do algoritmo
para uma situacao real.
7.1 SUGESTOES DE TRABALHOS FUTUROS
Como sugestao para trabalhos futuros, podemos citar o aperfeicoamento dos ensaios
realizados, aplicando perfil de ventos com um emulador de ventos como o apresentado em
Martinello (2015).
Outras propostas para trabalhos futuros:
1. comparar diferentes topologias de retificadores PWM, identificando suas potencialidades
para o uso em sistemas de geracao de energia eolica com uo de geradores sıncronos a ıma
permanente;
2. propor um controle sensorless;
3. implementar conversor para conexao com a rede de energia eletrica externa.
85
REFERENCIAS
ADHIKARI, J.; PRASANNA, I. V.; PANDA, S. K. Maximum power-point tracking of high
altitude wind power generating system using optimal vector control technique. Proceedingsof the International Conference on Power Electronics and Drive Systems, v. 46, n. 1, p.
773–778, June 2015. Disponıvel em: <http://ieeexplore.ieee.org/document/7203477>.
AMARANTE, O. A. C. do et al. Atlas do Potencial Eolico Brasileiro.
http://www.cresesb.cepel.br/, 2001.
ANEEL, A. N. de E. E. BIG - Banco de Informacoes de Geracao. Outubro 2015. Site.
AYDIN, M.; HUANG, S.; LIPO, T. Axial flux permanent magnet disc machines: A review.
University of Wisconsin-Madison, 2004.
BERNARDES, T. A. Analise e Controle de Gerador Sıncrono a Ima Pemanente Aplicadoa Sistema de Conversao de Energia Eolica. Dissertacao (Mestrado) — Universidade Federal
de Santa Maria - UFSM, 2009.
BIM, E. Maquinas Eletricas e Acionamentos. [S.l.: s.n.], 2013.
BOBEK, V. PMSM Electrical Parameters Measurement. [S.l.], february 2013. AN4680.
CAIXETA, D. A. et al. MaximizaCAo da potEncia de uma turbina eOlica de velocidade
variAvel considerando o efeito da inErcia. IX CEEL, Outubro 2011. Disponıvel em:
<www.ceel.eletrica.ufu.br - Acesso em 26/11/15>.
CAMARA, H. T. Uma Contribuicao ao Controle de MoMotor de Inducao Trifasica Sem oUso de Sensores Mecanicos. Tese (Doutorado) — Universidade Federal de Santa Maria, 2007.
CARVALHO, P. Geracao Eolica. [S.l.: s.n.], 2003.
CHUN, W. et al. An adaptive network-based reinforcement learning method for mppt control
of pmsg wind energy conversion systems. EEE Transactions on Power Electronics, v. 8993,
p. 1–1, 2016.
COLLIER, D. A. F. Modelagem e Controle de Retificadores PWM Trifasicos Conectados aGeradores Sıncronos a Imas Permanentes em Sistemas de Conversao de Energia Eolica.
Dissertacao (Mestrado) — Universidade Federal de Santa Catarina, 2011.
COUNCIL, G. W. E. (Ed.). Global Wind Report. [S.l.], 2014.
86
CRESESB. Energia Eolica. Fevereiro 2014. Disponıvel em: <http://www.cresesb.cepel.br>.
Acesso em: 2015.07.11.
DUTRA, R. M. Viabilidade Tecnico-Economica da Energia Eolica Face ao Novo MarcoRegulatorio do Setor Eletrico Brasileiro. Tese (Doutorado) — Universidade Federal do Rio
de Janeiro, 2001. Disponıvel em: <http://www.ppe.ufrj.br/ppe/production/tesis/rmdutra.pdf>.
Acesso em: 2015.07.11.
ELETROBRAS. Programa de Incentivo as Fontes Alternativas de Energia Eletrica -PROINFA. 2015. Disponıvel em: <http://www.eletrobras.com>. Acesso em: 2015.07.15.
ENERGIA, M. de Minas e. Resenha Energetica Brasileira.
FAZLI, N.; SIAHBALAEE, J. Direct torque control of a wind energy conversion system
with permanent magnet synchronous generator and matrix converter. Power Electronics,Drive Systems & Technologies Conference (PEDSTC), p. 166–171, 2017. Disponıvel em:
<http://ieeexplore.ieee.org/document/7910315/>.
FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, J. C.; UMANS, S. D. Maquinas Eletricas: comintroducao a eletronica de potencia. 6. ed. [S.l.]: Porto Alegre: Bookman, 2006.
GASCH, R.; TWELE, J. (Ed.). Wind Power Plants: Fundamentals, Design, Constructionand Operation. [S.l.]: Springer Berlin Heidelberg, 2012.
GIERAS, J. F.; WANG, R.-J.; KAMPER, M. J. Axial Flux Permanent Magnet BrushlessMachines. [S.l.]: Kluwer Academic Publishers, 2004. ISBN: 1-4020-2661-7.
GUIMARaES, J. S.; OLIVEIRA, D. de S. Limiting power control strategy combining spring
system and speed control feasible to small wecs. IEEE Conference Publications, 2015.
HAQUE, E.; NEGNEVITSKY, M.; MUTTAQI, K. M. A novel control strategy for
a variable-speed wind turbine with a permanent-magnet synchronous generator. IEEETransactions on Industry Applications, v. 46, n. 1, p. 331–339, 2010. Disponıvel em:
KRAUSE, P. et al. Analisis of Electricalic Machinery and Drive Systems. 3. ed. [S.l.]: John
Wiley & Sons, 2013.
87
KRISHNAN, R. Eletric Motor Drives: Modeling, Analysis, andControl@ManualFreescale2013, Title = PMSM Electrical Parameters Measurement,Author = Viktor Bobek, Month = february, Note = AN4680, Organization = FreescaleSemiconductor, Year = 2013, Owner = Odilio Duarte, Timestamp = 2016.04.09 . [S.l.: s.n.],
2001.
KUMAR, A. V. P. Implementation of mppt control using fuzzy logic in solar-wind hybrid power
system. IEEE Conference Publications, 2015.
LAHARI, N. V.; SHETTY, H. V. K. Integration of grid connected pmg wind energy and solar
energy systems using different control stratagies. International Conference on Power andAdvanced Control Engineering (ICPACE), p. 23–27, 2015.
LINUS, R. M.; DAMODHARAN, P. Maximum power point tracking of pmsg based grid
connected wecs using quadrature axis current. IEEE Conference Publications, v. 5, p. 671–
676, November 2015.
MADANI, N. Design of a Permanent Magnet Synchronous Generator for a VerticalAxis Wind Turbine. Dissertacao (Mestrado) — School of Electrical Engineering
Royal Institute of Technology Stockholm, 2011. Disponıvel em: <http://www.diva-
MARQUES, J. Turbinas eolica: modelo, analise e controle do gerador de inducao comdupla alimentacao. Dissertacao (Mestrado) — UFSM, 2004.
MARTINELLO, D. Sistema de emulacao de aerogeradores para aplicacao em geracaodistribuida de energia eletrica. Dissertacao (Mestrado) — Universidade Tecnologica Federal
do Para - UTFPR, 2015.
MELO, E. A Perspectiva de Futuro da Energia Eolica. 2012. Disponıvel em:
<http://www.portalabeeolica.org.br>.
MOJTABA, H. Comparison of maximum power point tracking methods for medium to high
power wind energy systems. IEEE Conference Publications, p. 28–29, April 2015.
MOOR, G.; BEUKES, H. Maximum power point trackers for wind
turbines. IEEE, v. 3, p. 2044–2049, Marco 2004. Disponıvel em:
MUSAK, M.; STULRAJTER, M. Novel methods for parameters investigation of pm
synchronous motors. Acta Techinica Corviniensis, v. 1, 2013.
NAKAMURA, T. et al. Optimum control of ipmsg for wind generation system. IEEE Trans.Ind. Application, p. 1435–1440, 2002.
OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 3. ed. [S.l.]: LTC - Livros Tecnicos e
Cientıficos Editora S.A., 2000.
PATEL, M. R. Wind and Solar Power Systems. [S.l.]: CRC Press, 1999.
PINTO, J. E. M. G. Aplicacao Pratica do Metodo de Sintonia de Controaldores PIDUtilizando o Metodo do Rele com Histerese. Dissertacao (Mestrado) — Universidade Federal
do Rio Grande do Norte, Maio 2014.
88
QUINCY, W.; LIUCHEN, C. An intelligent maximum power extraction algorithm for inverter-
based variable speed wind turbine systems. Power Electronics, IEEE Transactions on, v. 19,
p. 1242–1249, 2004.
RUNCOS, F. et al. Geracao de energia eolica - tecnologias atuais e futuras. WEG Maquinas -GRUCAD-EEL-TET-UFSC, 2000.
SANTOS, G. V. Sistemas de Controle Aplicado Aerogeradores Sıncronos com ConversorBack-to-Back. Dissertacao (Mestrado) — Universidade Federal de Minas Gerais, 2015.
SRIGHAKOLLAPU, N.; SENSARMA, P. Sensorless maximum power
point tracking control in wind energy generation using permanent magnet
synchronous generator. In: . IEEE, 2008. p. 2225–2230. Disponıvel em:
THONGAM, J. S. et al. Control of variable speed wind energy conversion system using a
wind speed sensorless optimum speed mppt control method. IECON 2011 - 37th AnnualConference of the IEEE Industrial Electronics Society, p. 855–860, 2011.
TIBOLA, G. Sitema Eolico de Pequeno Porte para Geracao de Energia Eletrica comRastreamento de Maxima Potencia. Dissertacao (Mestrado) — Universidade Federal de Santa
Catarina - UFSC, Marco 2009.
ZHAO, Y. et al. A review on position/speed sensorless control for permanent-magnet
synchronous machine-based wind energy conversion systems. IEEE Journal of OceanicEngineering, v. 1, n. 4, p. 203–216, December 2013.
ZHU, Y. et al. A novel maximum power point tracking control for permanent magnet direct
drive wind energy conversion systems. Energies, v. 5, p. 1398–1412, 2012.
89
APENDICE A -- PLATAFORMA EXPERIMENTAL
Para realizar os testes com o algoritmo proposto, uma plataforma experimental foi
utilizada composta por uma “Bancada de Simulacao Eolica” e uma “Bancada de Conversao
e Armazenamento de Energia”. Uma visao geral da plataforma experimental e ilustrada pela
Figura 46.
Figura 46: Plataforma Experimental.
Na bancada de simulacao eolica ha um motor de inducao trifasico controlado por
inversor de frequencia, este controla a velocidade e torque disponıvel a um gerador sıncrono
de ima permanente que esta acoplado ao motor de inducao. Ja a bancada de conversao e
armazenamento, e constituıda de um modulo retificador, um modulo de controle, um banco de
baterias, um banco de resistencias e dois paineis de comandos eletricos onde estao instalados
os dispositivos de acionamento e protecao (contatores e disjuntores) e sensores de corrente e
tensao eletrica.
90
(a)
(b)
Figura 47: Plataforma Experimental: a) Bancada de simulacao eolica; b) Bancada de conversao earmazenamento de energia.
Mais detalhes da plataforma experimental sao apresentados na sequencia.
Primeiramente sao apresentados detalhes da bancada de simulacao da turbina eolica e
posteriormente os detalhes da bancada responsavel por fazer a conversao e armazenamento da
energia produzida pelo gerador.
91
Detalhes da Bancada de Simulacao Eolica:
- Painel Geral: Apresenta visores de leituras digitais da potencia fornecida pelo inversor
de frequencia, da velocidade do eixo do gerador e da leitura de torque mecanico do eixo
do gerador. Ainda contem visores analogicos para indicacao de tensao e corrente eletrica
de saıda do gerador. Contem um potenciometro analogico para ajustar a frequencia
eletrica de saıda do inversor para definir a velocidade quando o gerador esta sem
carga e botoeiras para acionamento do inversor, habilitar saıda de energia do gerador
e botao de emergencia. Para saıda de energia do gerador, esta disponıvel uma tomada
trifasica de 32 A tipo 3F1T , para interligacao com a bancada de conversao de energia e
armazenamento.
Na Figura 48 apresenta a fotografia da parte frontal do painel e a descricao dos principais
componentes.
Figura 48: Componentes parte frontal do painel geral do simulador eolico.
92
- Inversor de Frequencia: Configurado para controlar o torque do motor de inducao
acoplado a uma polia redutora de velocidade responsavel por transferir o torque mecanico
ao eixo do gerador. A Figura 49 ilustra a fotografia do inversor de frequencia da marca
Schneider.
Figura 49: Inversor de Frequencia comercial marca Schneider.
- Motor de Inducao: Utilizado para fornecer torque mecanico ao gerador. Na Figura 50
ilustra o motor de inducao fixado na base da plataforma experimental e sua descricao
tecnica.
Figura 50: Motor de inducao trifasico marca SEW.
- PMSG: O gerador sıncrono de ıma permanente e do tipo fluxo axial, com ligacao interna
do estator em estrela, sem acesso ao ponto neutro. Na Figura 51 sao apresentados detalhes
de instalacao e os dados tecnicos do PMSG.
93
- Encoder: A velocidade e posicao angular do PMSG e obtida com auxılio de um encoder
absoluto em que os dados sao transmitidos por cabo em uma interface paralela. Para tal,
uma placa com circuito de isolacao foi utilizada para estabelecer uma comunicacao entre
o DSP e o encoder. Na Figura 51 sao apresentados detalhes da placa de isolacao e do
encoder.
- Torquımetro: Utilizado para comparacao dos valores de torque mecanico registrados
pelo DSP durante os ensaios. Na Figura 51 sao apresentados detalhes da instalacao do
torquımetro bem como seus principiais dados tecnicos.
Figura 51: Dados do PMSG, do encoder, da placa de isolacao e do torquımetro.
Detalhes Bancada de Conversao e Armazenamento de Energia:
- Modulo de Controle: Na Figura 52 e apresentado a fotografia da parte interna do painel
com os componentes do modulo de controle. Um DSP Piccolo F28069, montado em
uma plataforma de desenvolvimento da Texas Instruments chamada de “Experimenter
Kit”, processa os sinais eletricos de tensao e corrente fornecidas pelas placas de
condicionamento e da placa do encoder.
94
Experimenter Kit
Figura 52: Fotografia do PMSG, do encoder, da placa de isolacao e do torquımetro.
- Paineis de comando: A Figura 53 apresenta a fotografia interna dos paineis de comando
detalhando a disposicao dos principais componentes: Placas de tensao e corrente eletrica,
disjuntores de protecao e chaves eletromagneticas (contatores).
Figura 53: Fotografia painel de comando.
- Banco de Resistencia: Um conjunto de resistencias configuradas em serie permite uma
tensao de alimentacao de 660 V e dissipa uma potencia de 3000 W. A Figura 54 apresenta
a fotografia do local de instalacao e principais dados tecnicos.
95
- Banco de Baterias: A plataforma experimental conta com um banco de baterias
compostas por 10 unidades de 24 V por 10 A/h, que permite o armazenamento de energia
produzida pelo gerador. Conforme a Figura 54, pode-se observar a instalacao do banco
de baterias e sua disposicao na bancada. OBS: Esse recurso nao foi utilizado nos ensaios
para esta dissertacao.
Figura 54: Detalhes do banco de bateria e resistencia.
- Modulo Retificador: Para o controle do retificador, 3 modulos de chaves IGBT’s de 1200
V por 150 A sao dispostos sobre o dissipador. Cada modulo utiliza um driver isolado da
Supplier, modelo DRM100D80A responsaveis por acionar as chaves IGBT’s de forma
complementar.
Entre o DSP e a placa de driver de acionamento dos IGBT’s, uma placa auxiliar foi
projetada para fazer o isolamento do sinal PWM e, converter o nıvel de tensao 3.3 V de
saıda do DSP para 15 Vcc, nıvel recomendado para o acionamento do IGBT.
Na Figura 55 sao apresentados detalhes de instalacao do modulo retificador juntos as
placas de controle e acionamento.
- Modulo Barramento CC: O nıvel de tensao ao barramento CC e mantido por duas fontes
CC da TDK-Lambda ligas em serie. Estas fontes sao iguais de capacidade de tensao CC
de 300 V e de corrente 11 A.
Junto ao barramento esta conectado seis capacitores de 450 V por 4700 μF, sendo ligados
em paralelo a cada grupo de dois capacitores em serie. Na Figura 55 sao apresentados os
detalhes da instalacao e sua disposicao na bancada.
96
Figura 55: Detalhes do retificador e barramento CC.
A.1 LIMITACOES EM FUNCAO DA TENSAO DO BARRAMENTO CC
Para controle do retificador uma das limitacoes de operacao e estabelecida pelo nıvel
de tensao do barramento CC. Logo a tensao de pico do gerador nao pode ser maior, caso
contrario os diodos internos do modulo IGBT polarizam, tornando-se um retificador trifasico
nao controlado.
Com o ensaio do gerador para determinacao da constante de tensao por velocidade, e
possıvel determinar a maxima velocidade mecanica do gerador para que nao exceda a tensao do
barramento CC. Sendo esta constante definida no Apendice D.5 dada por:
cte =uabp
ns= 2,36 (118)
Conforme apresentado os detalhes da plataforma experimental, a tensao maxima dos
capacitores, gerador e da fonte CC utilizada sao apresentadas na Tabela 8 em termos de tensao
de pico.
97
Tabela 8: Tabela de tensoes de picoDescricao Tensao RMS (V) Tensao de pico (V)
Capacitor (2 em serie) 900 1273
Gerador 500 707
Fonte CC (2 em serie) 600 848,5
Sendo definida a tensao do barramento CC em 500 V por seguranca de operacao, a
velocidade do gerador e limitada em:
ns =500
2,36= 212[rpm] (119)
98
APENDICE B -- BIG - CAPACIDADE DE GERACAO
Atualizado em: 04/06/2017BIG - Banco de Informações de Geração
O Brasil possui no total 4.667 empreendimentos em operação , totalizando 152.253.294kW de potência instalada.
Está prevista para os próximos anos uma adição de 24.530.802 kW na capacidade degeração do País, proveniente dos 270 empreendimentos atualmente em construção e mais 546em Empreendimentos com Construção não iniciada.
• Matriz de EnergiaElétrica
• Fontes de energiaexploradas no Brasil
• Usinas e CentraisGeradoras
• Co-geraçãoQualificada
Os valores de porcentagem são referentes a PotênciaFiscalizada. A Potência Outorgada é igual a consideradano Ato de Outorga. A Potência Fiscalizada é igual aconsiderada a partir da operação comercial da primeiraunidade geradora.
Potência(%)
Figura 56: Banco de Informacao de Geracao
Fonte: (ANEEL, 2017)
99
APENDICE C -- BIG - FONTES DE ENERGIA EXPLORADAS NO BRASIL
Atualizado em: 04/06/2017
BIG - Banco de Informações de Geração
» Rios
» Fontes
» EnergiaNuclear
Eólica Utiliza a força dos ventos para acionar uma usina elétrica Fotovoltaica Utiliza a energia recebida diretamente do Sol Hidrelétrica Utiliza a energia hidráulica (dos rios) na geração de energia elétrica Maré Utiliza a energia obtida pela cinética das ondas do mar
Termelétrica Utiliza a energia obtida pela combustão de combustível fóssil, biomassa ou pela energia térmicaliberada em reações nucleares
Resumo da Situação Atual dos Empreendimentos
Fonte de Energia Situação Potência Associada (kW) 168 empreendimento(s) de fonte Eólica Construção não iniciada 3.839.250 161 empreendimento(s) de fonte Eólica Construção 3.760.700 429 empreendimento(s) de fonte Eólica Operação 10.474.143 73 empreendimento(s) de fonte Fotovoltaica Construção não iniciada 1.886.997 38 empreendimento(s) de fonte Fotovoltaica Construção 1.093.400 44 empreendimento(s) de fonte Fotovoltaica Operação 23.761 176 empreendimento(s) de fonte Hidrelétrica Construção não iniciada 2.431.871 38 empreendimento(s) de fonte Hidrelétrica Construção 2.300.939 1265 empreendimento(s) de fonte Hidrelétrica Operação 98.733.053 1 empreendimento(s) de fonte Maré Construção não iniciada 50 129 empreendimento(s) de fonte Termelétrica Construção não iniciada 4.895.067 33 empreendimento(s) de fonte Termelétrica Construção 4.328.528 2929 empreendimento(s) de fonte Termelétrica Operação 43.022.337
Figura 57: Banco de Informacao de Geracao
Fonte: (ANEEL, 2017)
100
APENDICE D -- ENSAIO PARA OBTENCAO DOS PARAMETROS ELETRICOS DOPMSG
Nesta seccao, serao apesentados procedimentos experimentais adotados na
determinacao dos parametros do modelo matematico de um PMSG. Os parametros a serem
definidos sao o numero de polos, a resistencia dos enrolamentos do estator Rs, a indutancia
do eixo direto Ld , a indutancia do eixo em quadratura Lq e a constante de fluxo permanente
produzida pelos ımas λm.
D.1 DETERMINACAO EXPERIMENTAL DO NUMERO DE POLOS
Quando nao ha a informacao do numero de polos de um gerador sıncrono, sua
determinacao pode ser atraves da relacao da frequencia eletrica produzida na saıda do gerador
com a velocidade mecanica (rpm) (BOBEK, 2013):
Np = (120. fe)/ns (120)
Onde Np e o numero de polos, fe a frequencia eletrica e ns velocidade mecanica. A
medicao do parametro ns pode ser obtida atraves de um instrumento de medicao de rotacao
(Tacometro) instalado no eixo do rotor e a frequencia eletrica pode ser obtida utilizando-se um
osciloscopio.
Seguindo as orientacoes para determinacao do numero de polos, a Tabela 9 apresenta
o resultado do ensaio para o PMSG.
101
Tabela 9: Ensaio - Numero de Polosns-rpm Frequencia-Hz Numero de Polos
24 7,3 36,5
60 18,2 36,3
81 24,3 36,1
100 30,1 36,1
130 39,0 36,0
161 48,4 36,1
180 54,2 36,1
200 60,3 36,2
No de Polos 36,2
D.2 DETERMINACAO DA RESISTENCIA DO ENROLAMENTO DO ESTATOR
Geralmente o valor dessa resistencia e definida medindo entre fase e neutro. Porem,
na maioria dos geradores de ıma permanentes de enrolamento em Y , o ponto neutro nao esta
acessıvel e, portanto, a determinacao do valor da resistencia de fase e obtida atraves de ensaios
que determinem a resistencia de linha sendo convertida posteriormente para resistencia de fase
(MUSAK; STULRAJTER, 2013).
Uma resistencia RT pode ser encontrada pela relacao da tensao e corrente aplicando-se
nos terminais de linha uma tensao contınua conhecida e ao mesmo tempo medir a corrente que
circula nos terminais conforme e sugerido na Figura 58. A Resistencia Rs pode ser definida
sendo:
Rs =RT
2(121)
Figura 58: Esquema eletrico para determinacao da Resistencia Rs.
Fonte: Adaptado de (MUSAK; STULRAJTER, 2013)
102
D.3 DETERMINACAO DAS INDUTANCIAS
Devido ao acoplamento magnetico mutuo entre as tres fases, para a determinacao das
indutancias Ld e Lq, Gieras et al. (2004), Musak e Stulrajter (2013), sugerem a aplicacao de
uma tensao contınua entre os tres terminais do gerador. Isso fara com que o rotor siga o fluxo
resultante (ψabc) produzido pela aplicacao da tensao contınua e consequentemente o fluxo do
rotor (λm) produzido pelos ımas estara alinhado com eixo d e θ = 0◦ conforme esta ilustrado
na Figura 59.
Figura 59: Alinhamento do rotor com os eixos d e q. a) Circuito eletrico, b) Representacao daorientacao do fluxo magnetico
Fonte: Adaptado de (MUSAK; STULRAJTER, 2013)
Para medicao da indutancia Lq, o angulo entre o fluxo magnetico do rotor (λm) e o fluxo
resultante da armadura (ψabc) deve ser de 90◦ (θ = 90◦) conforme esta mostrado na Figura 60.
Uma vez que o rotor ja esta alinhado ao eixo d, o alinhamento do rotor para o eixo q e obtido
saindo da posicao atual avancando em 90◦ girando o rotor (MUSAK; STULRAJTER, 2013).
Como mostrado na Figura 60, o esquema considera apenas duas fases do motor
energizado e a fase A e desligado. Esta abordagem faz com que a geracao de fluxo na armadura
(ψbc) desloque em 90◦ em relacao ao fluxo resultante armadura (ψabc) representado na Figura
59. O rotor move-se para a posicao da armadura com fluxo (ψbc) que significa o alinhamento
do eixo q do rotor com o centro de fase A do estator. A indutancia medida no circuito sera
equivalente a indutancia Lq. Esse metodo apresentado para determinacao das indutancias Ld
e Lq so e valido quando as indutancias mutuas nao sao levadas em consideracao no modelo
Figura 60: a) Circuito eletrico, b) Representacao da orientacao do fluxo magnetico
Fonte: Adaptado de (MUSAK; STULRAJTER, 2013)
A indutancia total Ls, se relaciona com a indutancia Ld e Lq dado por (122) e (123)
(KRAUSE et al., 2013; FITZGERALD et al., 2006).
Ld =2
3Ls , quando θ = 0◦ (122)
e
Lq =2
3Ls , quando θ = 90◦ (123)
Conforme ilustrado na Figura 59, quando o rotor e alinhado com a fase A (θ = 0◦) e
bloqueado, sua resposta a um degrau de tensao, equivale a um circuito de 1o ordem RL e pode
ser representado pelo circuito da Figura 61.
Figura 61: Circuito eletrico representativo para alinhamento com o eixo d
Fonte: Adaptada de (MUSAK; STULRAJTER, 2013)
104
Sendo a tensao Vd = 2/3 V, corrente id = I e a resistencia Rs corresponde a 2/3
da resistencia total do circuito RT , visto pelos terminais da fonte de tensao “V”. Conforme
mostrado no circuito esbocado na Figura 59, a corrente de eixo direto id pode ser definida por:
id =VRT
(1− e
t/τ)
(124)
Sendo τ definida pela razao entre a indutancia total Ls e a resistencia total do circuito
RT , o que representa o tempo que a corrente leva para atingir o nıvel de 63.2% do seu valor
final.
τ =Ls
RT(125)
Com o resultado da medicao da constante τ , a indutancia equivalente Ls refletida na
fonte de tensao “V” pode ser determinada por:
Ls = τ.RT (126)
Ainda,
RT =3
2Rs (127)
e,
Ld =2
3RT τ (128)
A indutancia Ld pode ser defina sendo:
Ld = τRs (129)
Para definicao da indutancia Lq, pode ser aplicado a mesma rotina de calculo que Ld ,
mantendo-se o alinhamento do eixo de em quadratura conforme esbocado na Figura 60. Na
sequencia e apresentado um roteiro dos ensaios Ld e Lq.
a) Roteiro para determinacao da indutancias Ld
Para a determinacao da indutancia Ld , deve-se:
- Aplicar tensao continua conectando o terminal positivo na fase A e o terminal
105
negativo na fase B e C do gerador.
- Bloquear o rotor.
- Inverter a polaridade da fonte CC, conectando o terminal positivo nas fases B e C, e
terminal negativo na fase A.
- Gerar um degrau de tensao CC e com auxılio do osciloscopio medir a constante de
tempo τ entre a tensao e a corrente conforme exemplo apresentado na Figura 62.
b) Roteiro para determinacao da indutancias Lq
Para determinacao da indutancia Lq, deve-se:
- Aplicar tensao continua conectando o terminal positivo na fase B e o terminal
negativo na fase C do gerador. A fase A permanece desconectada.
- Bloquear o rotor na posicao em que ele permanecer.
- Com o rotor bloqueado, conecte a fase A do gerador ao terminal positivo da fonte
de tensao CC e as fases B e C ao terminal negativo.
- Gerar um degrau de tensao CC e com auxılio do osciloscopio medir a constante de
tempo τ entre a tensao e a corrente conforme exemplo apresentado na Figura 62.
- Calculo da indutancia Lq da mesma forma que Ld .
Figura 62: Grafico retirado osciloscopio no momento do ensaio Ld
Fonte: O autor
106
D.4 DETERMINACAO DA CONSTANTE DE FLUXO MAGNETICO
A constante de fluxo magnetico criada pelos ımas que concatena no estator e
denominado de λm, pode ser determinada fazendo o sistema girar sem carga uma velocidade
constante com auxılio de um motor externo acoplado ao seu eixo. A velocidade deve ser a
maior, pois os erros de medicao da tensao estao nas baixas velocidades (BOBEK, 2013).
Na Figura 63 e esbocado o esquema de ligacao eletrica para determinacao do parametro
λm.
Figura 63: Esquema de ligacao eletrica para determinacao da constante de fluxo λm
Fonte: Adaptada de (BOBEK, 2013)
O proximo passo para obtencao do parametro λm e medir a tensao de pico (Vpk−linha)
entre os terminais de saıda do gerador com auxılio de um osciloscopio. Assumindo que as
tensoes sao senoidais, λm pode ser determinado sendo:
λm =Vpk−linha√
3.ωe(130)
Onde ωe = 2 π fe, em que fe e a frequencia eletrica da tensao (Vpk−linha) gerada que
pode ser obtida na medicao com o osciloscopio e, λm o valor de pico do fluxo magnetico gerado
pelos ımas dado em Weber (Wb).
D.5 DETERMINACAO DA CONSTANTE DE TENSAO POR VELOCIDADE
De acordo com a velocidade mecanica do gerador um nıvel de tensao eletrica
e produzido em seus terminais que depende da relacao de tensao de pico de linha pela
107
velocidade em rotacoes por minuto (Vp/rpm). Esta informacao e importante para estudos
do comportamento do gerador bem como a definicao dos limites de operacao no processo de
retificacao. O ensaio consiste em medir a tensao de pico nos terminais do gerador relacionando
a sua velocidade mecanica.
Tabela 10: Relacao de tensao por velocidade mecanica do PMSGns [rpm] uab p [V] uab p/ns
49 125 2,551
69 165 2,391
90 215 2,389
100 240 2,400
115 275 2,391
130 305 2,346
140 325 2,321
155 365 2,355
170 390 2,294
185 430 2,324
200 465 2,325
220 510 2,318
230 535 2,326
240 555 2,312
Media : 2,360
108
APENDICE E -- ENSAIO PARA OBTENCAO DE REFERENCIA DE VELOCIDADEDO POTENCIOMETRO
Este ensaio tem por finalidade relacionar o sinal de tensao eletrica do potenciometro
instalado no inversor do simulador da turbina eolica para que o mesmo possa utilizado como
referencia nas curvas de MPPT. Na Tabela 11 sao apresentados valores com os resultados
coletados para uma faixa de trabalho de 130 a 170 rpm.
Tabela 11: Dados do ensaio do potenciometro
ns
(rpm)
Tensao do
potenciometro
(V)
130 2,582
170 3,467
A relacao de tensao pela velocidade pode ser obtida por:
ra =(3,467−2,582)
(170−130)= 0,02213 (V/rpm) (131)
109
APENDICE F -- EXEMPLO COEFICIENTE DE POTENCIA
clc, clear all, close all
x = 1; %auxiliary = 1; %ventoc = 1; %vetor colunal = 1; %vetor linhabeta =0; %Ângulo de ataque das pás da turbina eólica.ho = 1.225; %densidade do ar em 15ºC dado em kg/m³z=1; %parâmetro relacionado ao ângulo de ataque.R = 2.76; % Raio da pá em m.%---------------------------------------------------------k = 600; % nº pontosRPM = zeros(k+1,1); %Velociade em rmpPm = zeros(k+1,k+1);%---------------------------
while (x<=k)RPM(x+1,1) = RPM(x,1)+1;wm = RPM(x+1,1)*0.1047;while (y<=9) % varias velocidades de vento