O que é um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG)?
Princípio de funcionamento
Um gerador de indução duplamente alimentado é uma máquina de indução de rotor bobinado cujo estator é ligado diretamente à rede, enquanto o rotor é alimentado por anéis coletores a partir de um conversor back-to-back. O conversor injeta uma tensão na frequência de escorregamento, de modo que o estator vê sempre a frequência da rede, qualquer que seja a velocidade. Por fase, V_r/s = (R_r/s + jX_r)·I_r − E: a tensão do rotor é proporcional ao escorregamento s, e por isso o conversor pode ser pequeno.
Operação subsíncrona e supersíncrona
Com o escorregamento s = (n_s − n)/n_s, a potência do rotor é P_r ≈ −s·P_s e a potência total para a rede é P ≈ (1 − s)·P_s. Abaixo da velocidade síncrona (s > 0) o rotor absorve potência da rede pelo conversor; acima (s < 0) o rotor também entrega potência, e a máquina pode fornecer mais que a potência nominal do estator. Na velocidade síncrona a corrente do rotor é contínua e a potência do rotor é nula. Um conversor de 25–30 % da potência da máquina cobre cerca de ±30 % de velocidade.
Controle da turbina eólica
A potência da turbina é P = ½·ρ·A·v³·Cp(λ, β), com a razão de velocidade de ponta λ = ω·R/v. Abaixo do vento nominal as pás ficam planas (β = 0) e o rastreador do ponto de máxima potência define a velocidade que mantém λ no ótimo, perto de 8, então a velocidade sobe com o vento. Ao atingir o limite de velocidade e a potência nominal, as pás variam o passo para limitar a potência. Entre as velocidades de corte inferior e superior a turbina funciona; fora dessa janela ela é parada.
Potência reativa e suporte à rede
A corrente do rotor precisa fornecer a corrente de magnetização que o estator não fornece, por isso o conversor controla a potência reativa (e a ativa) do estator pelas correntes d e q do rotor. A máquina pode entregar ou absorver potência reativa para sustentar a tensão da rede, dentro dos limites de tensão e corrente do conversor. Se o setpoint pede mais do que ele permite, a potência reativa é limitada primeiro e depois uma sobrecarga é sinalizada. O conversor do lado da rede costuma operar com fator de potência unitário.
Perguntas frequentes
- Por que o conversor pode ter só cerca de 30 % da potência da máquina?
- Porque ele só transporta a potência de escorregamento. A tensão do rotor é proporcional ao escorregamento e a potência ativa do rotor é aproximadamente s vezes a do estator; numa faixa de ±30 % de velocidade o conversor trata no máximo cerca de 30 % da potência nominal. Um conversor de potência plena, como em um aerogerador síncrono, precisa tratar tudo: é maior, mais caro e tem mais perdas.
- O que acontece na velocidade síncrona?
- O escorregamento é zero, então a tensão do rotor é quase nula e sua corrente é contínua, como a excitação de uma máquina síncrona. A potência do rotor é zero e muda de sinal: abaixo, o rotor absorve; acima, entrega. Ficar muito tempo nesse ponto aquece o conversor de forma desigual, porque uma fase leva a maior parte da corrente contínua; por isso as turbinas costumam atravessá-lo rapidamente.
- Por que a turbina varia o passo das pás acima do vento nominal?
- A potência do vento cresce com o cubo da velocidade, mas o gerador e o conversor têm potência fixa. Variar o passo reduz o coeficiente de potência Cp, e a turbina capta só a potência nominal enquanto a velocidade fica no limite. Abaixo do vento nominal as pás ficam planas e o rastreador maximiza Cp.