sábado, 16 de julho de 2011

Energia Eólica

Generalidades Sobre Energia Eólica
O vento, movimento do ar na atmosfera terrestre, é a fonte primária do sistema de energia eólica. Esse movimento do ar é gerado principalmente pelo aquecimento da superfície da Terra nas regiões próximas ao Equador e pelo resfriamento nas regiões dos pólos. Dessa forma, os ventos das superfícies frias circulam dos pólos em direção ao Equador para substituir o ar quente tropical que, por sua vez, desloca-se para os pólos.
O vento é influenciado pela rotação da Terra, provocando variações sazonais na sua intensidade e direção, e pela topografia do local. Para utilizar a energia dos ventos de maneira eficiente na geração de energia, é necessário medir a direção e a intensidade dos ventos. Essas medições são feitas normalmente com anemômetros instalados em alturas variadas dependendo do relevo e da finalidade da medição. É possível fazer estimativas do comportamento dos ventos utilizando-se o tratamento estatístico dos dados obtidos (CASTRO, 2005).
No tratamento desses dados, a curva mais importante (geradora de outras curvas) é a curva da freqüência das velocidades, que fornece o período de tempo (percentual) em que uma velocidade foi observada. Dessa curva deriva-se também a curva de energia disponível (Wh/m²), também conhecida como potência média bruta ou fluxo de potência eólica. Outras curvas importantes são as que fornecem o período de calmaria e a ventos fortes.
Caso não exista disponibilidade de uma curva de freqüência de velocidade do vento, as velocidades podem ser projetadas a partir da velocidade média, utilizandose a modelagem matemática baseada na distribuição de Rayleigh.
Conhecer a velocidade média do vento é fundamental para a estimativa da energia produzida, porque os aerogeradores começam a gerar numa determinada velocidade de vento e param de gerar quando a velocidade ultrapassa determinado valor de segurança. Além disso, a velocidade média do vento é fator determinante para o dimensionamento do sistema de armazenamento (BLASQUES, 2005).
ENERGIA E POTÊNCIA
A quantidade de trabalho que um sistema físico é capaz de realizar, durante certo período de tempo, denomina-se energia. Então a energia não pode ser criada, nem consumida ou destruída, mas ela pode ser convertida ou transferida para outras formas: a energia cinética do movimento das moléculas do ar pode ser convertida em energia de movimento pelo rotor de uma turbina eólica, que por sua vez pode ser convertida em energia elétrica por um gerador acoplado à turbina. Em cada uma destas conversões uma parte da energia original é convertida em energia calorífera (BLASQUES, 2005).
A turbina eólica também é chamada de conversor de energia eólica, e sua performance é medida em termos da quantidade de energia eólica que ela pode converter da energia cinética do vento. Normalmente, essa energia é medida em quilowatts-hora (kWh) ou megawatts-hora (MWh) durante um certo período de tempo, geralmente uma hora, um mês ou um ano.
A potência elétrica é medida em Watt (W), quilowatt (kW), megawatt (MW), etc.. Potência é a energia transferida por unidade de tempo e pode ser medida em qualquer instante, enquanto que a energia tem de ser medida durante um certo período de tempo: um segundo, uma hora ou um ano. Exemplo: uma turbina de 10 kW pode produzir 16.000 kW anualmente, suficiente para alimentar uma residência de bom porte. Uma turbina de 1,65 MW pode produzir cerca de 4,7 milhões de kW em um ano, suficientes para abastecer uma pequena comunidade.
Se uma turbina eólica tem potência de 600 kW, isto significa que ela produz 600 kW de energia por hora de operação, na sua máxima performance. Se um local tem 1.000 MW de potência instalada, este valor não traduz a quantidade de energia produzida (GARCIA, 2004).
Algumas relações entre unidades:
1 kW = 1.359 HP;
1 MW = 1.000 kW = 1.000.000 W;
1 J (joule) = 1 Ws = 41.868 cal;
1 kWh = 3.600.000 J;
1 HP = 745,7 W.
ENERGIA EÓLICA E SUA ORIGEM
No século VII, na Pérsia, moinhos movidos por vento já eram utilizados para moer grãos. Esses moinhos, onde a roda das pás (hélices) era horizontal e sustentada por um eixo vertical, não eram eficazes.
Na Europa, os primeiros moinhos surgiram no século XII na França e Inglaterra. Como características comuns, eles possuíam na sua parte superior um eixo horizontal que suportava de quatro a oito vigas de madeira com comprimento e 3 a 9 metros. As vigas eram cobertas com telas ou pranchas de madeira e a energia gerada pelo giro do eixo era transmitida por um sistema de engrenagens para as máquinas do moinho, instaladas na base da estrutura.
O desenvolvimento dos moinhos de vento sofre uma parada com o advento da revolução industrial do século XIX, onde a fonte de energia principal é direcionada para o vapor, a eletricidade e os combustíveis fósseis. Entretanto, na segunda metade do século XIX surge o moinho de pás múltiplas, tipo americano, considerado um dos mais importantes avanços na tecnologia de aproveitamento do vento, utilizado praticamente em todo o mundo para o bombeamento de água e cujas características serviram de base para o projeto dos modernos geradores eólicos (CASTRO, 2005).
A partir daí, outras aplicações foram desenvolvidas para os moinhos: serrarias, fábricas de papel e prensa de grãos para produção de azeite.
Melhoramentos foram introduzidos na aerodinâmica das pás e freios hidráulicos utilizados para deter o movimento das hélices. A aplicação de turbinas eólicas para geração de eletricidade iniciou-se na Dinamarca, ao final do século XIX.
O primeiro aerogerador de grande dimensão foi construído na França em 1929, e era constituído de duas pás com 20 metros de diâmetro. Após algum tempo em operação, ele foi destruído por uma tormenta. Nessa época foram construídos diversos aerogeradores de grandes dimensões, com diâmetros variando entre 30 a 53 metros. Todos foram destruídos por tormentas. Os problemas estruturais para enfrentar ventos de grande intensidade foram corrigidos e atualmente existem diversos aerogeradores com capacidade de 2.500 kW, diâmetro de pás até 93 metros, funcionando há mais de 20 anos (CRESESB 1, s.d.).
O princípio de funcionamento do gerador eólico-elétrico é o mesmo do gerador hidrelétrico. Nas usinas hidrelétricas o fluxo de água é utilizado para girar o rotor de uma turbina, e a turbina aciona o eixo de um gerador para produzir eletricidade. Na energia eólica, o fluxo de ar provocado pelo vento é que impele o rotor de uma turbina; o rotor gira e aciona o eixo de um gerador elétrico. A principal diferença entre os dois sistemas é que o ar possui densidade menor do que a água, e por isso o diâmetro da turbina eólica deverá ser muito maior. Outra diferença é que o vento se apresenta melhor distribuído na natureza do que os rios, além de não ser necessário canalizá-lo.
As turbinas modernas são acionadas por arraste, onde o vento empurra as hélices, ou por elevação, onde as hélices atuam de modo parecido com as asas do avião através de uma corrente de ar. As turbinas que funcionam por elevação trabalham com maior velocidade de rotação e são mais eficazes em relação as turbinas acionadas por arraste.

Princípio aerodinâmico da turbina eólica
Fonte: SALA DE FÍSICA, s.d.
A figura ilustra o princípio aerodinâmico de uma turbina eólica com eixo horizontal. O vento passa em ambas as faces do plano de sustentação da palheta (lâmina) da hélice. A velocidade do vento é maior na face com superfície mais extensa (face superior) da palheta, criando uma área de baixa pressão sobre o plano de sustentação. A pressão diferencial entre as superfícies superior e inferior resulta numa força, chamada de elevação aerodinâmica. Nas asas de um avião essa força provoca a “subida” do plano de sustentação, possibilitando a decolagem e o vôo.
As palhetas de uma turbina eólica são construídas para girar num plano em torno do cubo1 da hélice, constituindo um movimento de rotação. Existe outra força, chamada de arraste, que é perpendicular à força de elevação. A força de arraste se opõe ao movimento de rotação. O principal objetivo no projeto de uma turbina eólica é que a palheta da hélice tenha uma alta relação entre elevação e arraste. Esta relação pode variar ao longo do comprimento da palheta, otimizando a energia produzida para diversas velocidades do vento (CRESESB 1, s.d.).
As turbinas podem ter eixo principal paralelo ao solo, chamada de eixo horizontal, e eixo vertical, perpendicular ao solo, conforme mostrado na figura; As turbinas de eixo horizontal utilizadas para gerar eletricidade têm de uma a três hélices, enquanto as utilizadas para bombeamento de água podem ter várias hélices (PEREIRA, 2002).
rbinas de eixo vertical (a) e horizontal (b)
Fonte: ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2002
A turbina eólica de eixo vertical pode ter projeto baseado na elevação ou arraste. O sistema em arraste é semelhante ao trabalho realizado pelo remo para impulsionar uma canoa na água. Supondo remadas perfeitas (sem deslizamento do remo em relação à água), a velocidade máxima é praticamente a mesma que a velocidade da remada. O mesmo acontece com a ação do vento. O anemômetro de pás, dispositivo comum para a medição da velocidade do vento, é um rotor de eixo vertical baseado em arraste. Se a velocidade das pás for exatamente a mesma da velocidade do vento, podemos afirmar que o instrumento está operando na razão de velocidade máxima 1 (TSR – Tip Speed Ratio). As pás do anemômetro nunca podem ter velocidade superior à do vento, assim TSR é sempre menor ou igual a 1.
Uma forma de determinar se uma turbina eólica de eixo vertical é baseada em arraste ou elevação, é verificar se o TSR pode ser maior que 1. Um TSR acima de 1 significa alguma quantidade de elevação, enquanto TSR abaixo de 1 significa maior ênfase em arraste. Os projetos baseados em elevação geralmente fornecem maior potência, aliado a maior eficiência.
O rotor Savonius, mostrado na figura 3.5, é um exemplo de sistema eólico com eixo vertical baseado em arraste. Ele possui baixa velocidade e alto torque, sendo utilizado na moagem de grãos e bombeamento de água, mas não para gerar eletricidade. Para gerar eletricidade, o número de rotações por minuto deve ser superior a 1.000, enquanto que os projetos baseados em arraste possuem velocidade abaixo de 100 rpm. No Savonius, a utilização de engrenagens para multiplicar a velocidade de rotação causa perda de eficiência e dificuldade para ultrapassar a inércia de partida.

Turbinas eólica Savonius
Fonte: ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2002
A primeira turbina eólica operada automaticamente para geração de energia elétrica foi construída por Charles Brush (1849 – 1929) em 1888. O diâmetro do seu rotor tinha 17 m e possuía 144 pás de madeira. O gerador tinha 12 kW e funcionou por 20 anos, carregando um sistema de baterias. A desproporção entre o tamanho da turbina e a capacidade do gerador era devido ao tipo de sistema com elevado número de pás, proporcionando baixa velocidade (PEREIRA, 2002).
Paul de la Cour (1846 – 1908) foi um dos pioneiros da aerodinâmica moderna, tendo construído seu próprio túnel de vento para experimentos. Ele descobriu que turbinas com menos pás, mais rápidas, são mais eficientes para a produção de eletricidade.

Turbina eólica de Paul de la Cour
Fonte: TIMS, 1998
No ano de 1980 surgiu a máquina Darrieus, mostrado na figura. Este sistema eólico com eixo vertical é baseado em elevação, onde cada palheta recebe torque máximo somente duas vezes por revolução. Dessa forma, a potência de saída é elevada e senoidal. Algumas freqüências naturais de vibração devem ser evitadas durante a operação de rotor Darrieus com palhetas longas. Um dos principais problemas deste sistema é a montagem sobre torres pois a utilização de estaiamento para manter a turbina ereta provoca a ação de forças sobre os rolamentos da turbina (PEREIRA, 2002).

Turbina eólica Darrieus
Fonte: UNICAMP, 1996
Na mesma época foi desenvolvido um modelo de grande porte muito popular
na Europa, conhecido como Bônus 300 kW. A máquina Twind de 2 MW possui rotor
com diâmetro de 54 m girando em velocidade variável, acoplado a um gerador
síncrono.
Bônus 300 kW
Fonte: UNICAMP, 1996
A turbina NEG Micon de 22 MW foi desenvolvida em 1999, possui rotor com diâmetro de 72 m. A figura 3.9 mostra a instalação de Hagesholm, Dinamarca, com a turbina montada numa torre de 68 m e fundações para receber mais duas turbinas.
Turbina NEG Micon 2MW, Hagesholm, Dinamarca
Fonte: ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2002
Desenvolvimentos tecnológicos buscam a redução de custos por meio de conceitos simplificados, tais como: utilização de potências modulares, projetos sem caixa de multiplicação e sistemas com orientação livre. As pesquisas também incidem sobre a redução de cargas por meio de articulações e com sistemas de velocidade variável, e controle que reduza as flutuações. Ao mesmo tempo, há uma preocupação em reduzir a poluição visual e sonora (CRESESB 1, s.d.).
O material tradicionalmente utilizado para a fabricação de hélices é a fibra de vidro. Existe uma tendência para a utilização de epóxi (resina de poliéster) reforçado com fibras de vidro ou carbono. Outra possibilidade é utilizar aramida (kevlar) como material de reforço, mas é um material ainda antieconômico para turbinas de grande dimensão. Alguns fabricantes de aerogeradores de pequeno porte utilizam madeira para confecção de hélices.
PARTES COMPONENTES
a) Aerogerador de grande porte
Esquema básico de uma turbina eólica.
Fonte: CRESESB 1, s.d.
As principais partes componentes de uma instalação eólica para geração de
eletricidade são (CRESESB 1, s.d.):
cubo: constitui elemento de conexão das pás com o eixo do rotor transmitindo forças, conjugados e vibrações;
pás: o conjunto de pás, na maioria dos casos igual a três, é denominado rotor. Visando o uso em máquinas para geração de eletricidade, as pás devem conciliar uma série de características, entre as quais podem ser citadas: leveza, rigidez, e um bom rendimento
aerodinâmico. Na maior parte das aplicações, as pás são produzidas assumindo contorno retangular ou trapezoidal, sendo este último a forma mais usada em unidades de médio e grande porte devido ao alto rendimento aerodinâmico. Quanto ao comprimento, as pás variam de cerca de 0,40 metros para unidades de 100 W de potência até cerca de 52 metros para unidades com 6 MW de potência. Quanto ao material de fabricação, pás modernas usam na maioria dos casos compostos de epoxy e polyester reforçados com fibra de vidro;
eixo do rotor: nas unidades eólicas que não possuem engrenagens, o eixo do rotor representa o próprio eixo do gerador elétrico; caso contrário, a caixa de engrenagem realiza o casamento entre o eixo do rotor e o eixo do gerador;
caixa multiplicadora de rotação: presente na maioria das instalações interligadas à rede elétrica funciona como elemento de ligação entre a baixa rotação das pás e a elevada rotação do gerador elétrico. Se a caixa de engrenagens possui apenas uma relação de velocidade, o projeto deve ser realizado considerando a velocidade do vento mais provável no local da instalação do ponto de vista estatístico. Algumas unidades dispensam o uso de engrenagens através do uso de gerador elétrico com elevado número de pares de pólos; gerador elétrico: elemento responsável pela geração de eletricidade.
Em geral, são empregadas máquinas de indução ou síncronas convencionais para unidades de média e grande potência; para unidades de pequena potência são empregadas também máquinas síncronas com excitação de ímãs permanentes.
unidades de controle: responsáveis por diferentes tarefas, como o acionamento do deslocamento angular das pás em torno do eixo e do acompanhamento da direção do vento pela nacele;
circuitos eletrônicos: estes componentes assumem diversas tarefas, como o desacoplamento elétrico entre o gerador e a rede através de circuitos retificadores, inversores, visando a operação em velocidade variável das turbinas e a entrega de eletricidade dentro das exigências de qualidade de energia;
anemômetro: mede a velocidade do vento e transmite a informação para o controlador;
freio: utilizado em emergência, pode ser aplicado por meio mecânico, elétrico ou hidráulico;
controlador: aciona e desliga a máquina quando a velocidade do vento atinge certos valores estabelecidos pelo fabricante da turbina eólica.
Certas turbinas não podem operar com velocidade do vento acima de 29 m/s (depende do fabricante) porque o gerador sofre sobreaquecimento e as estruturas ficam mais sujeitas ao processo de fadiga. Até pouco tempo, o controlador da turbina era utilizado basicamente para reduzir sua velocidade ou comando de parada, prevenindo a sobrevelocidade e a vibração na ocorrência de vento muito forte.
Atualmente, estão sendo desenvolvidos controladores inteligentes que otimizam a operação da turbina. Eles utilizam microprocessadores que analisam continuamente as condições do vento e a operação da turbina. O controlador ajusta a operação de modo a otimizar a quantidade de potência gerada, protegendo a máquina do desgaste excessivo e assegurando maior vida útil, além de garantir operação segura;
nacele: compartimento (estrutura de proteção) do conjunto contendo a engrenagem, eixo de baixa e alta velocidade, gerador, controlador e freio (todo o mecanismo do gerador). Em aerogeradores de grande porte, a nacele contém acessórios de manutenção e permite acesso de técnicos ao se interior;
passo: giro controlado das pás, alterando o seu perfil frente ao impacto do vento. Com isso, a velocidade de operação da turbina pode ser controlada;
rotor: composto pelas pás e o cubo frontal de interligação entre pás e eixo de acionamento;
veleta (sensor de vento): fornece a medida de orientação do vento que aciona o dispositivo que posiciona a face da turbina;
torre: constitui o elemento de sustentação da nacele, compartimento no interior do qual estão localizados a caixa de engrenagens e o gerador elétrico. As primeiras torres de treliça deram lugar para torres de aço, com alturas que podem chegar a 124 metros.
Os cabos que conduzem a corrente elétrica da turbina, através da torre, podem ser danificados por excesso de torção caso o dispositivo de orientação fique acionado somente num sentido.
Para evitar isso, a turbina é equipada com um contador de giro dos cabos, que informa ao controlador a necessidade de inverter a direção de giro e distorcer os cabos. O sistema de segurança para torção dos cabos é redundante: se os cabos estão muito torcidos, uma chave de parada de emergência independente do controlador é acionada.
A performance da turbina eólica depende principalmente da velocidade do vento e diâmetro do rotor. A tabela 3.1 fornece uma relação estimada entre esses dois fatores e a saída da turbina, em Watt-hora/dia.

Relação entre velocidade do vento e diâmetro do rotor
Velocidade do vento (m/s)
Diâmetro do rotor (m) 4 5 6 7
1,5 35 70 94 117
3 152 269 386 468
5 421 769 1053 1287
7 831 1522 2107 2575
Wh / dia
Fonte: CRESESB 1, s.d.
a) Aerogerador de pequeno porte
Figura 3.11 - Esquema básico de um aerogerador de pequeno porte.
Fonte: AIRX, 2001.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM AEROGERADOR
O princípio de funcionamento do aerogerador, descrito na figura 3.12,
compreende dois processos de conversão, que são: o rotor, que retira a energia
cinética do vento e a converte em conjugado mecânico, e o gerador, que converte o
conjugado mecânico em eletricidade (PEREIRA, 2006).

Princípio básico de funcionamento de um aerogerador.
Fonte: PEREIRA, 2004
Diagrama de blocos simplificado de um aerogerador.
Fonte: LEITE, 2005
A transformação da energia mecânica em elétrica por meio de geradores eletromecânicos é um problema tecnologicamente dominado, existindo vários fabricantes destes equipamentos disponíveis no mercado, citados no item 3.8. Alguns problemas prejudicam a integração dos sistemas eólicos aos geradores, podendo citar (CRESESB 1, s.d., LEITE, 2005):
variações na velocidade do vento;
variações do torque de entrada;
controle de freqüência e tensão;
confiabilidade.
A conversão da energia mecânica disponível no rotor é feita mediante o uso de geradores síncronos (alternadores), geradores assíncronos (de indução) ou corrente contínua, e cada um deles apresenta vantagens e desvantagens que devem ser analisadas com cuidado na sua incorporação a sistemas de conversão de energia eólica (FARRET, 1999).
Aerogeradores de pequeno porte normalmente são destinados à eletrificação de pequenos consumidores e ao carregamento de baterias. As tensões de funcionamento mais comuns são de 12 e 24V, podendo ser encontradas tensões maiores. São fundamentalmente constituídos por geradores de corrente alternada, necessitando de sistemas de retificação para armazenamento da energia, porém, dispõem de diodos retificadores para converter a tensão alternada de saída em uma tensão contínua (GARCIA, 2005).
Atualmente, em aerogeradores de pequeno porte, utiliza-se a tecnologia de geradores com ímãs permanentes, que dispensam o uso de escovas. A utilização desta tecnologia diminui consideravelmente a sua manutenção, uma vez que não tem necessidade de efetuar a troca das escovas (elemento de alto desgaste por atrito mecânico) (ELETRICISTA, 2004).
Não se utiliza aerogeradores em série. A associação paralela é utilizada para a obtenção de maiores potências, embora existam no mercado aerogeradores com as principais potências para várias aplicações.
A figura mostra o comportamento teórico do sistema que forma o aerogerador, determinado pela interseção entre as curvas da turbina para diferentes velocidades e a curva do gerador elétrico para as mesmas rotações, como mostrado em (a) gerando a curva mostrada em (b). Essa relação é conhecida como curva característica do aerogerador ou curva de potência.
(a) (b)
(a) Curva característica do gerador para diferentes rotações (b) Curva de potência do aerogerador em função da velocidade do vento.
Fonte: GARCIA, 2005
A curva de potência reconhecida é aquela obtida experimentalmente. A figura 3.15 mostra a curva característica típica de aerogeradores, onde a potência é incrementada com o aumento da sua rotação (aumento da velocidade do vento) até um ponto em que a alta rotação dificulta a passagem do vento pela turbina, e mesmo com o aumento da rotação a potência produzida se mantêm constante ou até mesmo diminui, chegando a um ponto em que velocidades muito altas cortam a produção de energia.

Curva de potência típica de aerogeradores.
Fonte: CAMARGO, 2005
Para começar a girar e se manter em movimento, o aerogerador precisa de uma potência de vento suficiente para sobrepor o chamado torque de arranque.
Após arrancar, a máquina pode precisar de uma velocidade ainda maior para começar a produzir eletricidade, devido ao fato do gerador elétrico necessitar atingir uma rotação mínima. Esta velocidade do vento é conhecida como velocidade de início de geração ou velocidade de partida.
A partir da velocidade de partida, a potência produzida pelo aerogerador aumenta até atingir o valor definido como potência nominal, estando o gerador operando em velocidade nominal. Isto não significa necessariamente que a máquina esteja fornecendo sua máxima potência. A partir do ponto de máxima potência mudará o comportamento da máquina, alteração devida ao fato da turbina estar “presa” ao seu eixo, e a força das altas velocidades do vento a deforma, piorando suas características aerodinâmicas e diminuindo a potência produzida.
Um aerogerador pode possuir diversos sistemas de controle, destacando-se o controle de velocidade e de orientação do rotor. A velocidade é regulada principalmente pelos controles de passo e estol.
As pás de alguns aerogeradores podem girar sobre o eixo que as fixa ao rotor da turbina devido à ação do vento. Essa característica mantém a rotação do aerogerador e conseqüentemente não permite aumento na potência produzida.
Essas máquinas são chamadas de passo variável. As que não possuem este sistema são conhecidas como de passo fixo.
A figura a seguir mostra as curvas características idealizadas de dois aerogeradores com e sem regulação do passo das pás, comprovando a diferença de comportamento depois de atingida a velocidade nominal. Entre as velocidades de início de geração (Vv0) e nominal da máquina (Vvn), os aerogeradores com e sem regulação de passo tem comportamento semelhante, a partir da velocidade nominal, a máquina de passo variável mantêm a potência gerada constante (GARCIA, 2005).

Curva de potência de aerogeradores com e sem regulação de passo das pás.
Fonte: GARCIA, 2005
Como já foi dito anteriormente, para velocidades de vento muito altas o aerogerador não deve continuar funcionando, pois a elevada rotação pode causar alguns danos à máquina e encurtar sua vida útil, além de que a máquina poderia cair pela força do vento. Por esse motivo, contam com um sistema de proteção que em alguns casos “afastam” o aerogerador da direção do vento, outros torcem as pás até ângulos elevados diminuindo a ação do vento. A velocidade na qual isso acontece é denominada velocidade de saída ou velocidade de corte (Vvs) (GARCIA, 2005).
As velocidades do vento mencionadas modificam a curva que representa a curva característica teórica do gerador elétrico, como foi mostrado na figura, obtendo-se como resultado a curva característica do aerogerador.
O controle da orientação do rotor, para máquinas de pequeno porte, é feito empregando modelos aerodinâmicos ao desenho do aerogerador. A esse desenho é adaptado um leme simples, como mostra a figura (aerogerador de pequeno porte), que mantém o equipamento sempre direcionado no sentido do vento predominante (PEREIRA, 2004).
Exemplos de aerogeradores de pequeno, médio e grande porte.
Fonte: ANEEL, 1998

O uso de inversores para controle de velocidade de motores trifasicos de inducao e bastante difundido na industria em aplicacoes que variam desde bombeamento de fluidos ate o controle da propria linha de producao.
Os motores de inducao sao muito utilizados em aplicacoes industriais devido a sua construcao simples, sua baixa manutencao e tamanho reduzido se comparado a um motor de mesma potencia, porem de corrente continuah (SA, 1978, p9).
No entanto a forma de controle dos motores trifasicos de inducao e extremamente mais comp4lexa do que a de um motor de corrente continua, devido ao fato de que se trabalha com reatancias indutivas variaveis, de acordo com a frequencia de operacao.
A forma universalmente difundida e comprovadamente eficaz de controle destes motores e por PWM (Modulacao por largura de Pulso), que e apenas uma das formas de controle da potencia aplicada sobre o motor, e possui inúmeras variacoes, desde o simples PWM de Pulsos Multiplos ate o extremamente complexo, porem eficaz, PWM Vetorial.
Em aplicacoes onde a precisao da velocidade do motor nao e critica (sistemas de acionamento de uso geral), deveria existir uma forma alternativa de controle de velocidade que fosse simples e barata.
Seria viavel a criacao de um circuito de controle simples, focado em aplicações especificas, utilizando um unico microcontrolador, e que pudesse controlar avelocidade de pequenos motores de inducao?
ACIONAMENTOS CA
O controle das maquinas CC requer o fornecimento de uma tensao CC variavel que pode ser obtida a partir de choppers ou retificadores controlados, esses controladores de tensao sao simples e baratos. Porem as maquinas CC são relativamente caras e requerem mais manutencao devido as escovas e comutadores que se desgastam rapidamente. Entretanto, os acionamentos CC ainda são utilizados em diversas aplicacoes industriais e de transporte.
As maquinas CA, por sua vez, exibem estruturas altamente acopladas, naolineares e multivariaveis, que sao exatamente o oposto das maquinas CC de excitacao separada, com estruturas desacopladas e muito mais simples.
O controle dos acionamentos CA geralmente requer algoritmos complexos que podem ser implementados atraves de microcontroladores juntamente com conversores de potencia de chaveamento rapido como as pontes H compostas de IGBTS ou MOSFETs.
As maquinas CA possuem inumeras vantagens: sao mais leves (20% a 40% mais leves que as maquinas CC equivalentes), mais baratas e tem menos manutencao.
Requerem basicamente controle de frequencia, tensao e corrente para aplicações de velocidade variavel. (RASHID, 1992, Cap.15).
Os conversores de potencia, inversores e controladores de tensao CA podem controlar a frequencia, a tensao e/ou a corrente para fornecer os requisitos do acionamento. Os conversores de potencia, que sao relativamente complexos e mais caros, requerem tecnicas avancadas de controle com realimentacao, tais como modelo de referencia, controle adaptativo, controle do escorregamento e controle de campo orientado. Entretanto as vantagens dos acionamentos CA compensam as desvantagens de controles tao complexos.
METODOS DE CONTROLE DE MOTORES CA
Controle da tensao do estator
Neste tipo de controle o torque e proporcional ao quadrado da tensao de alimentacao do estator, e uma reducao nesta produzira uma reducao na velocidade.
A figura 2.1 mostra as curvas caracteristicas tipicas torque-velocidade para os varios valores de escorregamento. Os pontos de intersecao com a linha da carga definem os pontos de operacao estavel.
A medida que a tensao do estator e reduzida, o fluxo do entreferro e o torque tambem sao reduzidos. A uma tensao mais baixa, a corrente tera um maximo a um escorregamento de s=1/3. A faixa de controle de velocidade depende do escorregamento para o torque maximo. Para uma maquina de baixo escorregamento, a faixa de velocidade e muito estreita, esse tipo de controle de tensao nao e adequado para uma carga de torque constante e em geral e aplicado em situacoes que requerem baixo torque de partida e faixa estreita de velocidade.

Curvas de torque-velocidade para tensao do estator variavel.
FONTE: RASHID, 1992.
A tensao do estator pode ser variada atraves de:
1. Controladores CA trifasicos;
2. Inversores trifasicos do tipo fonte de tensao com interligacao CC variavel;
3. Inversores trifasicos PWM.
Devido as caracteristicas de faixa de velocidade limitada, os controladores de tensao CA normalmente sao utilizados em controle de tensao de estator e são muito simples, mas o conteudo harmonico e elevado e o fator de potencia de entrada dos controladores e baixo. (RASHID, 1992, Cap.15).
Caso o motor nao tenha um rotor de alta resistencia alguns problemas poderao ocorrer como:
1. A variacao da caracteristica do conjugado motor na faixa entre a partida e o conjugado maximo e instavel. Manter uma velocidade limite nesta faixa so e possível com o auxilio de uma regulacao extremamente rapida.
2. Para conseguir-se um alto conjugado de partida sao necessarias correntes de partida da ordem de 6 a 10 vezes a corrente nominal.
3. O fator de potencia da maquina e baixo para valores altos de escorregamento.
2.3.1.1 Perdas no rotor devido a variacao do escorregamento
A regulacao de velocidade de um motor assincrono atraves da variacao da tensao do estator seria um processo simples e barato, se nao houvesse uma desvantagem que limita sua utilizacao: o aumento do escorregamento resulta em grandes perdas no rotor da maquina.
Para o escorregamento de 3% o motor deve poder absorver no rotor 3% da potencia nominal sob a forma de perdas.
O mesmo motor deveria, para conjugado resistente constante e escorregamento de 50%, admitir 50% da potencia nominal com perdas no rotor.
Sob estas condicoes, os motores de inducao com carga constante não admitem variacao de velocidade atraves do escorregamento.
Quando o conjugado resistente varia com o quadrado da velocidade as relacoes sao mais favoraveis. A potencia maxima de perdas e de 15% da nominal para 2/3 da velocidade sincrona.
Neste caso atraves do sobredimensionamento do motor, e possivel a operacao em toda a faixa de velocidades.
Para maquinas pequenas que sempre apresentam perdas porcentualmente maiores, o sobredimensionamento e menor do que nas maquinas grandes com bom rendimento.
Baseado nestes motivos, o controle de velocidade, em motores de indução tipo gaiola de esquilo, e feito atraves da regulacao da tensao do estator nos seguintes casos:
. Para operacao de curta duracao, com duracao de ligacao do controle de velocidade exatamente definida, por exemplo: partida lenta de maquinas e aceleracao de guindastes.
. Regulacao de velocidade de ventiladores e bombas com variação quadratica e cubica do conjugado resistente e sobredimensionamento correspondente do motor.
. Regulacao de velocidade de pequenos motores que possuam baixo rendimento, por exemplo: industria textil.
Controle da Tensao do Rotor
Em uma maquina de rotor bobinado1, uma conexao trifasica de resistores externos pode ser feita aos aneis, como mostrado na figura 2.2. O torque desenvolvido pode ser variado atraves da variacao da resistencia Rx. Esse método aumenta o torque de partida, alem de limitar a corrente de partida. Entretanto, e um metodo ineficiente e havera desequilibrio nas tensoes e correntes se as resistências no circuito do rotor nao forem exatamente iguais. Uma maquina de inducao de rotor bobinado e projetada para ter baixa resistencia de rotor de tal forma que a eficiência de operacao seja elevada e o escorregamento a plena carga seja baixo.
O controle de velocidade por tensao de rotor so pode ser efetuado em maquinas com rotores bobinados. Ao Contrario das maquinas de rotor bobinado, os motores de inducao com rotores Gaiolas de Esquiloh nao possuem bobinas de rotor nem tampouco aneis de comutacao, contudo são os motores mais utilizados em aplicacoes industriais de qualquer tipo.

Controle de velocidade atraves da tensao do rotor. FONTE: RASHID, 1992.
O aumento na resistencia do rotor nao afeta o valor do torque maximo, mas aumenta o escorregamento no torque maximo. As maquinas de rotor bobinado são amplamente utilizadas em aplicacoes que requerem frequentes partidas e frenagens com torques elevados (por exemplo, guindastes). Devido a disponibilidade dos enrolamentos do rotor para a variacao da resistencia deste, a maquina de rotor bobinado oferece maior flexibilidade para o controle, mas ha um aumento do custo e necessidade de manutencao devido aos aneis e escovas. Rashid (1992, Cap.15) confirma que: gA maquina de rotor bobinado nao e tao amplamente utilizada como a maquina de rotor em gaiola de esquiloh.
Controle da Frequencia
O torque e a velocidade das maquinas de inducao podem ser controlados variando-se somente a frequencia da fonte de alimentacao. Se a tensao for mantida fixa em seu valor nominal enquanto a frequencia e reduzida abaixo do seu valor nominal, o fluxo aumentara, o que pode levar a saturacao do fluxo do entreferro.
Assim, os parametros da maquina podem perder sua validade. Em baixa frequencia, as reatancias diminuem e a corrente da maquina pode ser muito elevada.
Devido a estes problemas, o controle de velocidade por freqüência normalmente nao e muito utilizadoh. (RASHID, 1992, Cap. 15).
Se a frequencia for aumentada acima do seu valor nominal, o fluxo e o torque diminuem.
As curvas caracteristicas tipicas torque-velocidade sao mostradas na figura. Assim, pode-se concluir que o torque maximo e inversamente proporcional ao quadrado da frequencia, similar ao comportamento das maquinas CC em serie.
Nesse tipo de controle, diz-se que a maquina opera no modo de genfraquecimento
de campoh.
Para ƒÀ > 1, a maquina e operada a tensao nominal constante e o fluxo e reduzido, limitando dessa maneira a sua capacidade de torque.
Para 1 < ƒÀ < 1,5, a relacao entre torque e ƒÀ pode ser considerada aproximadamente linear.
Para ƒÀ < 1, a maquina e normalmente operada a fluxo constante, reduzindo-se a tensao nominal juntamente com a frequencia de tal forma que o fluxo permaneca constante. Para este ultimo caso existe o controle escalar V/F, que será visto na sequencia.

Caracteristica do torque com controle da frequencia.
FONTE: RASHID, 1992.
Controle da Tensao e da Frequencia (Controle Escalar V/F)
Se a relacao entre a tensao e a frequencia for mantida constante, o fluxo
permanecera constante. O torque maximo, que e independente da frequencia, pode
ser mantido aproximadamente constante. Entretanto, em baixa frequencia o fluxo do
entreferro e reduzido devido a queda na impedancia do estator, tendo a tensao de
ser aumentada para manter o nivel de torque.
As curvas caracteristicas tipicas torque-velocidade sao mostradas na figura a seguir.
A medida que a frequencia e reduzida, ƒÀ diminui e o escorregamento para o torque
maximo aumenta. Para uma dada demanda de torque, a velocidade pode ser
controlada variando-se a frequencia. Portanto, variando-se tanto a tensao quanto a
frequencia, o torque e a velocidade podem ser controlados. O torque normalmente e
mantido constante, enquanto a velocidade e variada. A tensao a frequencia variavel
pode ser obtida a partir de inversores trifasicos ou cicloconversores.
Os cicloconversores sao utilizados em aplicacoes de potencias muito
elevadas2, nas quais a exigencia de frequencia e de metade ou um terco da
frequencia da rede.

Curvas caracteristicas torque-velocidade para o controle V/F.
FONTE: RASHID, 1992.
A partir do advento da modulacao PWM para controle de maquinas de inducao, tres esquemas possiveis para obtencao de tensao e frequencia variáveis sao apresentados na figura a seguir.
Por exemplo: Locomotivas e moinhos de cimento.

Acionamentos de maquinas CA com fonte de tensao.
FONTE: RASHID, 1992.
Na figura a, a tensao permanece constante e a tecnica PWM3 e aplicada para variar tanto a tensao quanto a frequencia do inversor. Devido ao retificador com diodos, nao e possivel a regeneracao e o inversor ira gerar harmonicos em direcao a alimentacao CA.
Na figura b, o chopper4 varia a tensao CC para o inversor e este controla a frequencia. Devido ao chopper, a injecao de harmonicos na rede de alimentacao CA e reduzida. Neste caso o sistema de controle tera que trabalhar com 2 sinais PWMs, o primeiro fara a variacao do sinal CC do chopper para a entrada do inversor, e o segundo fara a variacao da frequencia do PWM na ponte H, que efetivamente será aplicada ao motor, sendo que o tipo de PWM aplicado ao motor pode aumentar ou reduzir ainda mais os harmonicos gerados.
Na figura c, a tensao CC e controlada pelo conversor Dual e a frequencia e controlada pelo inversor. O arranjo permite regeneracao, entretanto o fator de potencia do conversor e baixo, especialmente quando o angulo de disparo e alto.
INVERSORES TRIFASICOS
Uma saida trifasica em degrau (tensao quase quadrada) pode ser obtida a partir da configuracao padrao de inversores, onde sao utilizados 6 MOSFETs, IGBTs ou Transistores Bipolares de potencia. Os diodos em anti-paralelo servem para permitir um caminho de retorno para a corrente quando se alimenta uma carga indutiva. Este esquema se denomina Ponte H trifasica.
Conducao por 180o
Neste esquema, cada transistor conduz por 180o, ou seja, sempre existem tres transistores conduzindo a qualquer instante de tempo. Quando o transistor Q1 entra em conducao, o terminal a e conectado ao positivo da tensao CC de entrada. Quando o transistor Q4 entra em conducao, o terminal a e levado ao negativo da fonte CC. Existem 6 modos de operacao em um ciclo e a duracao de cada modo e de 60o. Os sinais de comando mostrados na figura a seguir sao defasados de 60o uns dos outros para que se possa obter tensoes trifásicas de saida equilibradas.
A carga pode ser conectada em estrela ou em triangulo.
Para uma carga em triangulo, as correntes de fase podem ser obtidas diretamente a partir das tensoes de linha, uma vez que as correntes de fase são conhecidas as correntes de linha podem ser determinadas.
Para uma carga em estrela, a tensao de fase-neutro tem de ser determinada de modo a se encontrar as correntes de linha e de fase.

Inversor trifasico em ponte e sinais de controle.
FONTE: RASHID, 1992.
Conducao por 120o
Neste tipo de controle cada transistor conduz por 120o. Apenas 2 transistores conduzem simultaneamente. Os sinais de comando sao mostrados na figura a seguir.
A qualquer instante, dois terminais da carga sao conectados a fonte de alimentacao CC e o terceiro permanece em aberto. O potencial desse terminal dependera das caracteristicas da carga. Como cada transistor conduz por 120o, cada um conduz por menos tempo que os de conducao por 180o para as mesmas condicoes de carga.

Sinais de comando para conducao por 120o.
FONTE: RASHID, 1992.
Controle de tensao de inversores
Para que possamos ter um controle V/F, precisamos saber as diversas tecnicas existentes para se alterar o ganho do inversor. O metodo mais eficiente de controle do ganho consiste em incorporar o controle de modulacao por largura de pulso (PWM) dentro do inversor. As técnicas mais utilizadas sao:
Modulacao por largura de pulso unico
Neste tipo de controle, existe somente um pulso por semiciclo e a sua largura e variada para controlar a tensao de saida do inversor. A figura a seguir mostra a geração dos sinais de comando e a tensao de saida do inversor monofasico em ponte completa. Os sinais de comando sao gerados por comparacao de um sinal de referencia retangular, com uma onda portadora triangular. A frequencia do sinal de referencia determina a frequencia fundamental da tensao de saida.

Modulacao por largura de pulso unico.
FONTE: RASHID, 1992.

Harmonicos da modulacao por largura de pulso unico.
FONTE: RASHID, 1992.
Neste tipo de modulacao, conforme figura 2.9, o harmonico dominante e o terceiro, que e muito dificil de ser filtrado por ter uma frequencia muito proxima da fundamental, e o fator de distorcao aumenta significativamente para baixas tensões de saida.
Modulacao por largura de pulsos multiplos (UPWM)
Os harmonicos podem ser reduzidos se ao inves de termos um unico pulso por semiciclo, tivermos diversos pulsos. A geracao dos sinais de comando para ligar e desligar os IGBTs e feita por comparacao de um sinal de referencia CC com uma onda portadora triangular conforme figura a seguir. A frequencia do sinal de referencia estabelece a frequencia de saida, e a frequencia da portadora determina o numero de pulsos por semiciclo. O indice de modulacao controla a tensao de saida. Esse tipo de modulacao tambem e conhecido como modulacao por largura de pulso uniforme.

Modulacao por pulsos multiplos.
FONTE: RASHID, 1992.

Figura 2.11 . Harmonicos da modulacao por largura de pulsos multiplos.
FONTE: RASHID, 1992.
Segundo a figura anterior, para p = 5 pulsos por semiciclo, a ordem dos harmonicos e a mesma da modulacao por pulso unico, entretanto, devido a um maior numero chaveamentos por unidade de tempo, as perdas por comutação aumentarao.
Aumentando-se o valor de p, consegue-se diminuir as amplitudes dos harmonicos de baixa ordem, com o 3o e o 5o, porem as amplitudes de harmonicos de mais alta ordem aumentarao, o que nao e problematico visto que tais harmônicos podem ser facilmente eliminados com filtros, ou na propria bobina do motor.
Modulacao por largura de pulsos senoidal (SPWM)
Ao inves de manter a largura de todos os pulsos sempre a mesma, como no caso da modulacao de pulsos multiplos, a largura de cada pulso e variada em proporcao a amplitude de uma onda senoidal de referencia.
Neste tipo de modulacao, o fator de distorcao e os harmonicos sao reduzidos significativamente.
Os sinais de controle sao gerados atraves da comparacao de um sinal de referencia senoidal com uma onda portadora triangular. Esse tipo de modulacao era muito utilizado em aplicacoes industriais, antes do advento da modulacao vetorial.
A frequencia do sinal de referencia determina a frequencia de saida do inversor, e sua amplitude maxima controla o indice de modulacao M, que, por sua vez, controla a tensao eficaz de saida.
O numero de pulsos por semiciclo depende da frequencia da portadora.
Dentro da restricao de que dois MOSFETs ou IGBTs do mesmo ramo não podem conduzir ao mesmo tempo, a tensao de saida e mostrada na figura a seguir. De acordo com a curva frequencia/torque, o motor de inducao, a partir da tensao nominal de trabalho, consome a corrente nominal e entrega torque nominal a velocidade nominal, normalmente 1800rpm para 60Hz em um motor de 4 polos, conforme dados de placa.
Quando se tem aumento de carga no eixo, em velocidade nominal, ha uma perda de velocidade e tanto o escorregamento como a corrente no estator aumentam. O motor pode suportar ate 2,5 vezes o torque nominal com apenas 20% de diminuicao da velocidade nominal, porem, qualquer acrescimo extra de carga alem deste limite causara a queima do motor.
O torque desenvolvido pelo motor e diretamente proporcional ao campo magnetico produzido pelo estator, isto e, a tensao aplicada ao estator e diretamente proporcional ao produto do fluxo e da velocidade angular. Isto faz o fluxo produzido pelo estator ser proporcional a razao entre tensao e frequencia aplicadas.
Variando a frequencia, a velocidade do motor tambem pode ser variada, porem, variando-se a tensao e a frequencia numa mesma proporcao, obtemos fluxo e torque constantes por toda faixa de velocidades, ou seja, podemos ter torque constante em velocidades extremamente baixas.
Em velocidade nominal, a tensao e a frequencia aplicadas ao motor precisam estar de acordo com os dados de placa do mesmo.
Podemos acionar o motor em velocidades maiores que as nominais, através da aplicacao de frequencias maiores que a nominal, porem, alem do valor nominal, a tensao nao pode ser incrementada, o que ocasiona diminuicao da constante V/F, diminuicao do campo e consequentemente perda de torque.

Sinais de controle e saida da modulacao SPWM.
FONTE: RASHID, 1992.


Harmonicos na modulacao SPWM.
FONTE: RASHID, 1992.
O perfil dos harmonicos e mostrado na figur anterior para cinco pulsos por semiciclo. O fator de distorcao e significativamente reduzido se comparado ao da modulacao por pulsos multiplos.
Mas o mais importante e que este tipo de modulacao elimina todos os harmonicos menores ou iguais a 2p -1. Para p = 5, o harmonico de mais baixa ordem e o 9o.
A tensao de saida de um inversor sempre contem harmonicos, porem, o SPWM forca os harmonicos a uma faixa de alta frequencia em torno da freqüência de chaveamento e de seus multiplos.
Modulacao por largura de pulsos senoidal modificada (MSPWM) 6
As larguras dos pulsos mais proximos do valor de pico da senoide nao mudam significativamente com a variacao do indice de modulacao, isso se deve a caracteristica das ondas senoidais em geral, e a tecnica SPWM pode ser modificada tal que a onda portadora seja aplicada durante o primeiro e o ultimo intervalo de 60º por semiciclo, conforme figura 2.14. Esse tipo de modulacao e conhecido como 6 MSPWM: Modified Sinusoidal Pulse Width Modulation.
MSPWM, que significa PWM senoidal modificada.
Resulta em aumento da componente fundamental e suas características harmonicas sao melhoradas conforme figura a seguir.
Reduz-se tambem o numero de chaveamentos dos dispositivos de potencia e com isso as perdas por chaveamento.

Modulacao MSPWM.
FONTE: RASHID, 1992.

Harmonicos da MSPWM.
FONTE: RASHID, 1992.
Modulacao Trapezoidal
Os sinais de comando sao gerados por comparacao de uma onda portadora triangular com uma onda de referencia trapezoidal, como mostrado na figura a seguir.
Modulacao Trapezoidal.
FONTE: RASHID, 1992.
Modulacao escada ou degrau
O sinal de referencia e uma escada, o qual nao e uma aproximacao de uma onda senoidal. Cada um dos degraus e calculado para que se possa eliminar harmonicos especificos e otimizar o valor da fundamental. Este e um PWM otimizado e nao e recomendado para menos que 15 pulsos por ciclo, conforme figura a seguir.
Neste tipo de modulacao, para que a tensao fundamental de saida seja elevada e o fator de distorcao seja baixo, o numero de pulsos por ciclo deve ser 15 para 2 degraus, 21 para tres e 27 para quatro niveish. (RASHID, 1992, Cap. 15).
Este tipo de modulacao fornece alta qualidade da tensao de saida.
Modulacao em degrau.
FONTE: RASHID, 1992.