Enviado por Víctor Hugo Kurtz
Abstract. This paper presents the design and realization of an electronic frequency and voltage automatic regulator with a ballast load, for use with asynchronous induction motors operating as generators. The high performance compensator enables to maintain the synthesized voltage and frequency in order to assure that the generation occurs at constant power, evenly with suddenly load changes; pure resistive loads as well resistive-inductive loads. This solution is interesting due to this controller only use the measure of the generated voltage to perform the compensation. This proposal is a simple and cost-effective solution for micro hydroelectric, as well as, a good performance solution with fast load changes.
No presente trabalho se apresenta o projeto e implementação de um regulador automático de tensão e freqüência eletrônico por carga balastro (dummy load) para sua utilização com motores assíncronos de indução, tipo gaiola de esquilo, operando como geradores. Estes geradores são acionados por micro turbinas hidráulicas tipo Michell-Banki sem controle de velocidade e operando de forma autônoma. O compensador de elevado desempenho proposto, permite manter a tensão e freqüência geradas de forma tal que a geração se realize a potência constante; incluso com variações bruscas de carga, tanto resistiva pura bem como resistiva-indutiva. O que faz atrativa essa solução é que o controlador utiliza unicamente a medida da tensão gerada, para efetuar a compensação bem como para alimentar todo o circuito eletrônico. Essa proposta constitui não só una solução simples e econômica para a geração com Micro-centrais Hidroelétricas (MCH), mas também uma solução de elevado desempenho para variações rápidas de carga.
O aproveitamento dos recursos naturais renováveis para geração de energia elétrica em pequena escala, e com o mínimo impacto sobre o ecossistema, é hoje em dia, de vital importância; ainda mais quando existem regiões de nosso país que apresentam um potencial energético importante, como por exemplo, o hídrico. A província de Misiones, especificamente, encontra-se atualmente isolada do sistema nacional de transmissão de energia elétrica. Isso faz com que o problema da falta de energia elétrica seja cada vez mais preocupante. Por outro lado, esta província possui um significativo potencial hídrico em arroios e pequenos rios, bem como importantes incentivos financeiros para a implantação de pequenas, micro centrais hidroelétricas; dentre as fontes de geração economicamente mais factíveis de serem instaladas na região. Boa parte desse incentivo está orientada à realização de sistemas de geração de operação isolada, devido à necessidade de energia elétrica de pequenas comunidades que vivem em zonas rurais muito afastadas do sistema elétrico provincial.
As comunidades onde se instalam esses sistemas de geração, em geral não possuem mão de obra qualificada, e no caso de possuí-la, é muito limitada, além de ter limitados recursos financeiros. Portanto, é importante nessas centrais de geração, a utilização de equipamentos, tanto elétricos, mecânicos e eletrônicos, de manutenção reduzida, relativamente baixos custos, altamente confiáveis e fáceis de instalar. Além disto, e o mais importante, é imprescindível que a operação do equipamento requeira a mínima intervenção de alguma pessoa da comunidade, o que supõe a utilização de sistemas de supervisão, proteção e de controle automático da geração [Marchegiani e Audisio 2000], [Audisio 2002], [Henderson 1998], [Sandeep e Ajay 2007].
De acordo a estas premissas, e considerando as pequenas potências de estes sistemas de geração, resulta economicamente factível o uso de motores de indução assíncronos com rotor em curto-circuito operando como geradores [Audisio 2002] (também denominados, geradores de indução auto-excitados). Esses motores são acionados por pico ou micro turbinas hidráulicas tipo Mitchel-Banki o Pelton com vazão de água constante [Kurtz et al 2009].
Isto último significa que se prescinde do regulador de vazão eletro-hidráulico que controla a velocidade da turbina, devido justamente ao custo significativo de este sistema comparado com o custo do gerador. A alternativa neste caso para o controle da geração, é utilizar um controlador eletrônico, baseado no principio de carga constante, conectando ou desconectando uma carga lastre o balastro [Henderson 1998], [Kurtz e Botterón 2005]. Esse controle permite manter a velocidade do conjunto turbina-gerador praticamente constante e regular o valor eficaz e a freqüência da tensão gerada dentro de limites aceitáveis para estes usuários.
Baseado no anteriormente exposto, neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento e a implementação de um controle automático do valor eficaz e da freqüência da tensão gerada nos terminais do gerador de indução auto-excitado. Esse regulador utiliza como atuador, um transistor de potencia tipo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor – Transistor Bipolar de Porta Isolada) o qual atua regulando a potência ativa consumida pela carga balastro (por exemplo: resistências de aquecedor elétrico e/ou lâmpadas incandescentes). Este IGBT comuta a corrente continua que passa pela carga, e fornecida por uma ponte de Graetz (monofásica ou trifásica). Essa comutação se realiza na forma de pulsos de largura variável, a qual é proporcional à variação de tensão ocorrida nos terminais do gerador de indução quando o usuário conecta ou desconecta cargas. Este controle acrescenta ou reduz carga balastro eficientemente de acordo á desconexão o conexão respectiva de cargas por parte do usuário. O controlador aqui proposto apresenta um desempenho satisfatório sob variações importantes de carga, linear bem como não linear, apresentando a tensão gerada, pequenas variações do valor eficaz e da freqüência em torno aos valores nominais.
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