Avaliação e estudo de sistema de geração de eletricidade por meio da energia eólica.

Prezados alunos,

Sejam bem-vindos a este semestre!

A proposta de Produção Textual Interdisciplinar em Grupo (PTG) terá como temática: Avaliação e estudo de sistema de geração de eletricidade por meio da energia eólica. A temática foi escolhida a fim de possibilitar a aprendizagem interdisciplinar dos conteúdos desenvolvidos nas disciplinas desse semestre.

SITUAÇÃO GERADORA DE APRENDIZAGEM (SGA)

Com o aumento da população e crescimento econômico existe um constante aumento da demanda por energia elétrica. Aliado a isso, a utilização de fontes energéticas renováveis é cada vez mais presente na matriz energética mundial. As fontes renováveis com maior visibilidade atualmente são a solar fotovoltaica e a eólica, devido ao mínimo impacto ambiental que causam.

Um grande problema da geração de energia elétrica por meio de painéis fotovoltaicos é a descontinuidade na geração, já que ela irá acontecer somente quando houver sol. Tratando da geração eólica, acontece algo semelhante, mas não tão crítica. Por mais que as usinas eólicas sejam instaladas em locais onde há ventos por praticamente todo instante, como por exemplo em regiões litorâneas, ainda há uma variação na intensidade do vento. Essa variação requer técnicas para que a geração de energia elétrica não seja interrompida e siga os padrões de tensão e frequência necessários.

Um aerogerador pode ser conectado na rede elétrica de forma direta ou indireta, onde os sistemas de geradores podem operar com velocidade fixa ou variável. Na operação em velocidade fixa, utiliza-se uma caixa de multiplicação (engrenagens) acoplada à turbina eólica, que tem a função de adequar a velocidade de rotação da turbina para que ela seja aplicada no gerador (FADIGAS, 2011). Normalmente, o gerador utilizado nesse tipo de funcionamento é do tipo síncrono, conforme pode ser visto no esquema apresentado na Figura 1. Nessa montagem, caixa de engrenagens, o número de polos do gerador e a frequência da rede fazem com que a velocidade de rotação da turbina seja fixa.

Quando a turbina do aerogerador opera em velocidade variável, naturalmente haverá uma variação da frequência da tensão de saída do gerador alternado, necessitando de um inversor de frequência para adequar a frequência da corrente gerada. Pode se ainda, utilizar um gerador de corrente contínua, necessitando de um conversor eletrônico de potência mais simples.

Figura 1 – Aerogerador com gerador elétrico síncrono acoplado diretamente na rede elétrica.

Fonte: Fadigas (2011, p. 171).

Dentro desse contexto, considere que você e um grupo de amigos montaram uma empresa de projetos de sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, atuando também no projeto de instalações elétricas. A especialidade de vocês é o desenvolvimento de sistemas de geração de eletricidade utilizando energias renováveis, com foco na energia eólica.

Nesse momento, a sua empresa foi contratada por uma grande indústria que tem interesse na instalação de um sistema de geração eólico para alimentar uma nova linha de produção. A indústria em questão fica localizada a alguns quilômetros de uma área, também de sua propriedade, que possui ótimos índices de incidência de ventos, viabilizando a instalação de aerogeradores. Assim, a sua empresa deverá realizar o desenvolvimento de um sistema inovador de geração de eletricidade a partir da energia eólica, de uma linha de transmissão do grupo de aerogeradores a serem instalados até a indústria e também do projeto e dimensionamento da instalação elétrica que irá alimentar a nova linha de produção da indústria.

Agora, é com vocês!

TAREFAS

Pensando sobre a instalação dos aerogeradores, o primeiro passo foi determinar a topologia do gerador elétrico que será utilizado. Para isso, considere que você e seus colegas de trabalho concluíram que para garantir um caráter inovador e otimizado para o funcionamento do aerogerador, será utilizado um gerador CC, que terá a sua tensão de saída variável conforme a velocidade de rotação da turbina. Para fazer com que essa tensão CC se torne fixa, será utilizado um conversor CC/CC que deve ser projetado e modelado, junto com um conversor CC/CA comercial. Além disso, deverão ser determinados os parâmetros da linha de transmissão para a ligação do grupo de geradores até a sede da indústria e as instalações elétricas da nova linha de produção. Somado a isso, ainda deverá ser feito um estudo sobre a compatibilidade eletromagnética dos componentes. Todas essas etapas que são necessárias para a conclusão da PTG, estão descritas detalhadamente a seguir.

TAREFA 1

Como foi apresentado, para manter a tensão de saída constante, será necessário um conversor CC/CC. Para tanto, será utilizado um conversor Boost, que deve ser projetado e simulado. A topologia do conversor está apresentada na Figura 2 e ele deve ser projetado para ter uma tensão de saída CC fixa em 350 V, com frequência de acionamento da chave de 12 kHz e corrente de saída de 40 A. A tensão de saída pode possuir um ripple de até 35 V e os limites da tensão de entrada são dados pela faixa de variação da saída do gerador, que poderá variar entre 180 e 280 V.

Figura 2 – Conversor Boost.

Fonte: disponível em: <https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boost_converter.svg>. Acesso em 15 jul. 2019.

Apresente no relatório o passo-a-passo descritivo de projeto e funcionamento do conversor Boost, juntamente com a simulação realizada. Para a simulação utilize componentes ideais e apresente as ondas de saída de tensão e corrente de saída para as tensões de entrada de 180 V, 230 V e 280 V. Utilize como carga um resistor que garanta que a corrente de saída do circuito seja de 40 A. Vale ressaltar que para permitir que a saída do conversor tenha uma tensão constante, independentemente do valor da tensão de entrada, será necessário se ajustar o valor da razão cíclica do sinal aplicado na chave S da Figura 2, que pode ser substituída por um transistor ou mosfet para a simulação. Assim, para cada valor de tensão de entrada, deverá ser feito o ajuste da razão cíclica, e o valor de ajuste deve ser apresentado no relatório. Documente também o circuito montado no software de simulação.

TAREFA 2

O conversor Boost pode ser modelado matematicamente, de forma a se obter a sua função de transferência (tensão de saída por tensão de entrada). Para a realização dessa modelagem devem ser considerados dois momentos, um com a chave aberta e outro com a chave fechada. Cada um desses momentos vai gerar duas equações pelas Leis de Kirchhoff, uma equação relacionando a tensão sobre o indutor e outra relacionando a corrente no capacitor.

As equações obtidas da chave fechada devem ser multiplicadas pela razão cíclica D e as equações obtidas da chave em aberto devem ser multiplicadas pelo complemento da razão cíclica (D – 1). Após isso, em um sistema de equações, soma-se as equações que relacionam a tensão do indutor e em outro sistema de equações soma-se as equações da corrente do capacitor.

Com esses dois sistemas de equações, isola-se a corrente do indutor de uma delas e substitui no outro sistema de equações, em que com manipulações matemáticas é possível obter apenas uma equação que relaciona a tensão de saída pela tensão de entrada, de acordo com modelo genérico de um sistema de segunda ordem dado pela equação abaixo.

Lembre-se que pelo circuito, a tensão no capacitor é a mesma que a tensão de saída do conversor Boost, isso será importante para obter a função de transferência.

Desta forma, obtenha modelo dinâmico do conversor Boost da Figura 02, adote valores de L, C, R e D, conforme o circuito projetado anteriormente, e apresente no relatório dessa PTG a equação final no domínio da frequência e aplique um sinal degrau para avaliar o comportamento em regime permanente do sistema, apresentando os valores de tempo de subida, tempo de estabelecimento e o máximo valor de ultrapassagem (em porcentagem).

Para analisar a resposta ao degrau utilize um software computacional para a simulação do sistema. Apresente no relatório o desenvolvimento matemático para a obtenção da função de transferência, os resultados (gráficos) da simulação e uma análise sobre tais resultados.

TAREFA 3

Assim como mencionado, as unidades geradoras eólicas não serão construídas nas instalações da indústria. A fim de aproveitar uma propriedade do grupo comercial dessa indústria, os donos optaram por construí-las em uma fazenda localizada a 200 km de distância do ponto consumidor. Isso é possível de ser feito, desde que a concessionária local fiscalize e autorize tais instalações.

Essa topologia será aceita, desde que haja também uma central para elevar a tensão a níveis de transmissão de energia elétrica. Partindo do princípio de que as instalações foram aceitas, o resultado foi que a energia gerada será transmitida, após passar pela subestação elevadora, por uma linha de transmissão trifásica, 60Hz, completamente transposta, com tensão de 345 kV, comprimento de 200 km e composta por dois condutores por fase, sendo cada um de seção igual a 795.00 cmil (403 mm²). As constantes da linha de transmissão são as seguintes: z = 0,0032 + j0,35 Ω/km y = j4,2x10-6 S/km

A potência total no terminal receptor da linha é de 800 MW com fator de potência igual a 0,99 indutivo a 95% da tensão nominal.

Para a correta análise de todos os parâmetros do SEP mostrado, é indispensável que você saiba modelar as malhas do sistema. Para isso, uma importante ferramenta é a modelagem com os parâmetros ABCD de linhas de transmissão.

Assumindo um modelo de linha de transmissão média, determine as seguintes características:

a. Os parâmetros ABCD do modelo π equivalente da linha de transmissão;

b. Os seguintes parâmetros no terminal transmissor: tensão VS, corrente IS e potência ativa PS;

Para resolver esta questão, você precisara utilizas as equações dos parâmetros ABCD que relacionam grandezas nas duas extremidades da linha de transmissão, além das equações básicas de potência, tensão e corrente trifásicas. Preste muita atenção nas contas, pois utilizam grandezas complexas.

TAREFA 4

Ao final da linha de transmissão, o objetivo é alimentar uma nova linha de produção da indústria contratante. Nesse sentido, a indústria irá ofertar um novo produto e sua aceitação depende de sua pré-venda. Então, você e sua equipe devem realizar uma proposta das instalações elétricas de uma edificação que funcionará como recepção e central de vendas desse produto. A Figura 3 ilustra a planta baixa da referida edificação que possui uma alimentação trifásica a quatro fios (FFFN) de 220V (tensão de linha) proveniente de um outro quadro já existente, que alimenta toda a indústria. O alimentador da recepção deve ser distribuído por meio de eletroduto embutido no piso até o quadro de força que já possui uma posição definida pelo cliente conforme observa-se na Figura 3.

Figura 3 – Planta baixa proposta.

Fonte: do autor.

Você e sua equipe devem projetar a parte elétrica dessa edificação. Em reunião com seus parceiros, foi definido que o projeto seja realizado de acordo com os critérios mínimos estabelecidos pela normativa NBR 5410. Haverá 2 pontos de Tomada de Uso Específico (TUE) de um ar- condicionado bifásico (220V / 1400W) no cômodo 1 e um outro ar condicionado bifásico (220V / 2200W) na recepção. Os circuitos de iluminação e de Tomada de Uso Geral (TUG) serão monofásicos (127V). Sua tarefa deve seguir algumas etapas, a definir:

a) Calcular os pontos mínimos de iluminação e tomadas de uso geral;

b) Realizar a divisão de cargas e definição da quantidade de circuitos;

c) Realizar o diagrama unifilar contendo a disposição dos pontos, dos eletrodutos e enfiação, de preferência em software Autocad.

TAREFA 5

A interferência eletromagnética é um grande problema que projetistas de sistemas de eletrônicos devem se atentar. Sabe-se que o campo eletromagnético gerado pelas linhas de transmissão pode afetar o funcionamento de um circuito, devido a sua grande intensidade. Assim, existem algumas técnicas de projeto que garantem a compatibilidade eletromagnética de um sistema, permitindo que ele funcione corretamente até mesmo em situações extremas, como a proximidade de uma linha de transmissão. Dentro desse contexto, existem três técnicas que podem ser aplicadas para minimizar a interferência eletromagnética: aterramento, blindagem e filtragem. Faça uma pesquisa e cite as características de cada uma dessas técnicas e como elas podem ser utilizadas para minimizar as interferências eletromagnéticas que podem ser causadas por uma linha de transmissão.