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Frederico Barcelos dos Santos
Henrique Silva Cardoso
Lucas Coelho de Lima

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Para maiores detalhes de projeto, consulte a referência:

CORDOVIL, Paulo Torres de Carvalho. Modelagem e aspectos construtivos de geradores síncronos multifásicos para turbinas eólicas offshore. 2018. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Potência) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. doi:10.11606/D.3.2018.tde-16072018-110020. Acesso em: 2022-12-11

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Os geradores síncronos são aplicados em condições onde alta potência e confiabilidade são o principal requisito.

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Informações sobre a geração de energia elétrica a partir da energia eólica

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Informações sobre a geração de energia elétrica a partir da energia eólica

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CORDOVIL, Paulo Torres de Carvalho. Modelagem e aspectos construtivos de geradores sí­ncronos multifásicos para turbinas eólicas offshore. 2018. Dissertação (

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A solução seria o uso de conversores eletrônicos em paralelo, resultando na redundância do ponto de vista de eletrônica de potência. Isso acontece, pois, caso haja falha em um conversor, ainda é possível manter o sistema em operação.
Tal redundância não pode ser observada se considerado o gerador. Dessa forma, surge a oportunidade de geradores síncronos multifásicos, visto a demanda e necessidade de confiabilidade, resiliência e confiabilidade.
O emprego desse tipo de gerador ainda resolve o problema de possível limitação do mercado eletrônica de potência em relação ao limite de correntes de conversores eletrônicos de potência, pois agora há a divisão da corrente.

: CORDOVIL, Paulo Torres de Carvalho. Modelagem e aspectos construtivos de geradores síncronos multifásicos para turbinas eólicas offshore. 2018. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Potência) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. doi:10.11606/D.3.2018.tde-16072018-110020. Acesso em: 2022-12-11.

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Problemas envolvidos no Trem de Potência (Direct-Drive)

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Problemas envolvidos no Trem de Potência (Direct-Drive)

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Essa aplicação basicamente exclui a caixa multiplicadora do sistema, diminuindo o custo e a complexidade do projeto e da instalação.
Entretanto, como consequência, a velocidade do eixo de baixa velocidade não seria necessária para gerar níveis razoáveis de energia elétrica através de geradores convencionais. Tal fato acarreta algumas consequências:
- Necessidade de aumento do tamanho do gerador devido à baixa rotação;
- Necessidade de conversores eletrônicos de mesma potência do gerador, sendo essa uma possível limitação do mercado;

CORDOVIL, Paulo Torres de Carvalho. Modelagem e aspectos construtivos de geradores síncronos multifásicos para turbinas eólicas offshore. 2018. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Potência) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. doi:10.11606/D.3.2018.tde-16072018-110020. Acesso em: 2022-12-11.

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Problemas envolvidos no Trem de Potência (DFIGs)

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Problemas envolvidos no Trem de Potência (DFIGs)

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Quando geradores de indução duplamente alimentados são utilizados, os problemas serão:
- Necessidade de uma relação de transmissão da caixa multiplicadora muito elevada. Fato que implica na dificuldade do projeto devido aos níveis elevados do torque de entrada;
- Esse tipo de gerador também apresentam a necessidade de anéis coletores para conexão com conversores eletrônicos de potência. Como é de conhecimento, anéis coletores são componentes cuja manutenção deve ser recorrente, aumentando o custo de operação de instalações Offshore.

CORDOVIL, Paulo Torres de Carvalho. Modelagem e aspectos construtivos de geradores síncronos multifásicos para turbinas eólicas offshore. 2018. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Potência) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. doi:10.11606/D.3.2018.tde-16072018-110020. Acesso em: 2022-12-11.

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Taherian Fard, Elaheh & Sahebi, Ramin & Niknam, Taher & Izadian, Afshin & Shasadezhi, Mokhtar. (2018). Wind Turbine Drivetrains: A Glimpse of Existing Technolog

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A geração de energia elétrica a partir de outra fonte de energia envolve a conversão, sendo necessário um sistema que seja inteiramente dedicado a essa função.
Na aplicação eólica, o sistema responsável por realizá-la é chamado de trem de potência e possui os seguintes componentes: :
- Eixo mecânico da turbina (baixa velocidade);
- Caixa multiplicadora;
- Freio;
- Eixo mecânico de alta ou média velocidade;
- Gerador elétrico e estruturas auxiliares de suporte mecânico e de refrigeração;

Dentre todos os componentes, deve-se destacar o freio e a caixa multiplicadora, visto que esses constituem o estágio intermediário entre o gerador e as hélices.
A caixa multiplicadora possui função básica de fazer a transmissão entre a velocidade do eixo da hélice e a velocidade do eixo do gerador.
O freio, por sua vez, atuará em dias nos quais os ventos estiverem em velocidades exageradas, regulando a velocidade de saída entre o a caixa multiplicadora e o eixo do gerador.

FONTES:
Taherian Fard, Elaheh & Sahebi, Ramin & Niknam, Taher & Izadian, Afshin & Shasadezhi, Mokhtar. (2018). Wind Turbine Drivetrains: A Glimpse of Existing Technologies. 977-983. 10.1109/ECCE.2018.8557505.

CORDOVIL, Paulo Torres de Carvalho. Modelagem e aspectos construtivos de geradores síncronos multifásicos para turbinas eólicas offshore. 2018. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Potência) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. doi:10.11606/D.3.2018.tde-16072018-110020. Acesso em: 2022-12-11.

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Comparação entre o setor Onshore x Offshore quanto as dimensões, densidade de potência e capacidade

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Wiser, Ryan & Rand, Joseph & Seel, Joachim & Beiter, Philipp & Baker, Erin & Lantz, Eric & Gilman, Patrick. (2021). Expert elicitation survey predicts 37% to 49% declines in wind energy costs by 2050. Nature Energy. 2021. 10.1038/s41560-021-00810-z.

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Apesar de longo período sendo implementado, o setor Onshore vem perdendo força, visto o aumento da demanda de geração e, consequentemente, o aumento das pás/hélices.
Além desse fator, outros também influenciam e incentivam o crescimento no número de instalações offshore, sendo eles:

- Limitação dos recursos eólicos em terra firme;
- Comprometimento com metas de redução de CO2 (gás responsável por aproximadamente 60% do efeito estufa);

CORDOVIL, Paulo Torres de Carvalho. Modelagem e aspectos construtivos de geradores síncronos multifásicos para turbinas eólicas offshore. 2018. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Potência) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. doi:10.11606/D.3.2018.tde-16072018-110020. Acesso em: 2022-12-11

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As instalações de energia eólica podem ser de dois tipos: Onshore e Offshore.
As instalações Onshore são caracterizadas por possuírem contato com a terra firme. É com a implementação desse tipo que a maior parcela de energia elétrica a partir da energia eólica é gerada.
As instalações Offshore, diferentemente da anterior, estão presentes em plataformas no meio do oceano. A localização facilita o transporte das pás, mas dificulta e aumenta os custos de manutenção.

CORDOVIL, Paulo Torres de Carvalho. Modelagem e aspectos construtivos de geradores síncronos multifásicos para turbinas eólicas offshore. 2018. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Potência) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. doi:10.11606/D.3.2018.tde-16072018-110020. Acesso em: 2022-12-11

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● Um grande número de fases aumenta o custo e a complexidade do sistema,

● Eletrônica de potência;

● Falta de controle de tensão devido à sua excitação constante;

● Complexidade no controle.

Fonte: CORDOVIL, Paulo Torres de Carvalho. Modelagem e aspectos construtivos de geradores síncronos multifásicos para turbinas eólicas offshore. 2018. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Potência) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. doi:10.11606/D.3.2018.tde-16072018-110020. Acesso em: 2022-12-11

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A possibilidade de operação mesmo em caso de falha é muito interessante para aplicações onde o tempo entre manutenções deve ser longo.

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Por que usar uma máquina síncrona multifásica ao invés de uma trifásica?

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Por que usar uma máquina síncrona multifásica ao invés de uma trifásica?

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A máquina síncrona multifásica é capaz de manter o campo girante mesmo em condição de falha de uma ou mais fases.

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Figura – Esquema de um aerogerador GE HELIADE. 

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Gerador de imãs permanentes
Características:
9 fases (3 grupos trifásicos);
Rotação: 4 - 11,5  rpm;
Tensão: 900 V;
Corrente nominal: 1540 A.
Fator de potência: 0,88.

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Gerador de imãs permanentes
Características:
12 fases;
Rotação: 490 rpm;
Tensão: 690 V;
Fator de potência: 0,9.

Cada conjunto de pares de polos é associado a um enrolamento trifásico convencional.

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Com o crescimento contínuo do transporte aéreo, tanto de carga quanto de passageiros, mais gases poluentes são emitidos. Assim como pode ser visualizado em outras aplicações relacionadas ao transporte, como em veículos elétricos, a principal discussão reside no comprometimento com a redução desses gases.
Surge, então, a ideia do MEA (More Electric Aircraft) que, basicamente, pode ser descrita como a substituição de sistemas mecânicos e hidráulicos presentes em aeronaves por sistemas elétricos, trazendo redução de peso, redução de complexidade, menores custos de manutenção.
Entretanto, como é de conhecimento, sistemas presentes em aeronaves devem possuir confiabilidade e redundância, visto que, para a possibilidade de falha, sempre será necessário possuir um segundo plano. Essas características, dentre outras, justificam o uso de gerados síncronos multifásicos em relação ao geradores síncronos trifásicos.

Fontes: ZHANG, X. (2019). Multiphase Synchronous Generator-Rectifier System for More-Electric Transport Applications. The University of Manchester (United Kingdom).

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Cargas do sistema elétrico de energia do navio, como armas de energia e armas a laser exigem poder controlado flexível com alta qualidade de energia. Um gerador síncrono multifásico fornece energia de alta qualidade com menos ondulações e uma corrente no lado DC.

Para mais informações:
M. Lin, A. K. Srivastava and N. N. Schulz, "A Generic Digital Model of Multiphase Synchronous Generator for Shipboard PowerSystem," 2007 IEEE Electric Ship Technologies Symposium, 2007, pp. 348-355, doi: 10.1109/ESTS.2007.372109.

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Perdas no cobre e no núcleo ferromagnético

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Resistência elétrica

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Quantidade de pares de polos

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Indutância de dispersão

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Estimação do tamanho do entreferro

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Corrente e indutância de magnetização

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Conjugado e densidade de conjugado

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Fator de enrolamento

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Força magnetomotriz

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Relações matemáticas que permitem o cálculo das principais dimensões mecânicas de geradores síncronos multifásicos com excitação por imãs permanentes.

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Fase as, bs, ... ns

Função:
Transferir a potência gerada para uma carga.
Toda a energia elétrica gerada irá percorrer o estator.

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Kdr e Kqr

Função:
Amortecer oscilações de conjugado mecânico que provoquem quebras de sincronismo da máquina.

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fdr

Função:
Produzir um campo magnético para “excitar" a máquina.

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Diagrama de uma Máquina Síncrona Multifásica

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Diagrama de uma Máquina Síncrona Multifásica

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COMSOL. https://www.comsol.com/model/analyzing-electric-motor-and-generator-designs-97091

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Geometria do Motor Síncrono Multifásico de Imãs Permanentes

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Geometria do Motor Síncrono Multifásico de Imãs Permanentes

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Geometria utilizada para simulação da máquina síncrona multifásica.

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Resultado da Onda de Força Magnetomotriz (FMM)

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Resultado da Onda de Força Magnetomotriz (FMM)

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O efeito da saliência dos polos causa a distorção na onda de (FMM).

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Resultado da Densidade de Fluxo Magnético

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Resultado da Densidade de Fluxo Magnético

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Simulação usando Método dos Elementos Finitos

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Simulação usando Método dos Elementos Finitos

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Máquinas de fase dividida, geralmente composto por vários conjuntos de enrolamentos  trifásicos.

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Enrolamentos de fase são distribuídos uniformemente

ao redor da circunferência do estator.

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Youtube: https://youtu.be/NK__lJaIy_Q
Google Drive: https://drive.google.com/file/d/1Vk31lGfbf_TKEJoxJv-WfthNsdcf5E3X/view?usp=share_link

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ME  - GERADORES SÍNCRONOS MULTIFÁSICOS  - Frederico Barcelos, Henrique Cardoso, Lucas Coelho

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● Antigamente, um dos grande empecilhos para se utilizar um gerador síncrono multifásico era a rede ser trifásica, com o avanço da eletrônica de potência e dos conversores, isso agora é amplamente utilizado para algumas aplicações;

● Projeta-se atingir entre 49 e 99 GW de capacidade instalada em parques eólicos offshore na UE até 2030 [1];

● A capacidade instalada em parques eólicos aumentou de 17,4GW no ano 2000 para 486,7GW (472,4GW  onshore e 14,4GW offshore) no final de 2016 [1];

● 89,4% do tempo necessário para a atividade de manutenção corresponde à espera das condições climáticas adequadas [1];

●50% do custo total de manutenção é composto pela energia que não pode ser vendida no período (revenue costs) [1].

Fonte: CORDOVIL, Paulo Torres de Carvalho. Modelagem e aspectos construtivos de geradores síncronos multifásicos para turbinas eólicas offshore. 2018. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Potência) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. doi:10.11606/D.3.2018.tde-16072018-110020. Acesso em: 2022-12-11

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Material de apoio:

CORDOVIL, Paulo Torres de Carvalho. Modelagem e aspectos construtivos de geradores síncronos multifásicos para turbinas eólicas offshore. 2018. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Potência) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. doi:10.11606/D.3.2018.tde-16072018-110020. Acesso em: 2022-12-11

AYEHUNIE, Nahome Alemayehu. MultiPhase Permanent Magnet Synchronous Generators for Offshore Wind Enegy System: Control of six phase PMSG-six leg converter system. MS thesis. Institutt for elkraftteknikk, 2011.

DAMIANO, A., Gatto, G., Marongiu, I., Serpi, A., & Perfetto, A. (2012, June). A multiphase PM synchronous generator wind turbine control for internal medium voltage DC distribution system. In International Symposium on Power Electronics Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (pp. 1256-1262). IEEE.

RATHIKA, N., Kumar, A. S., Sivakumar, P., & Rahul, S. (2014, January). Analysis and control of multiphase synchronous generator for renewable energy generation. In 2014 International Conference on Advances in Electrical Engineering (ICAEE) (pp. 1-6). IEEE.

MENDES, J. A. S. D. P. (2018). Teste e validação de um protótipo de um gerador síncrono de ímanes permanentes de seis fases (Doctoral dissertation, Universidade de Coimbra).

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● A possibilidade de se continuar em operação, mesmo em caso de falha de um ou mais enrolamentos, é especialmente importante em aplicações onde resiliência e confiabilidade são essenciais;

● Divisão da corrente total da máquina em um maior número de fases;

● Menores custos de manutenção, devido à ausência de escovas e coletores no rotor;

● Rendimento elevado (perdas rotóricas minimizadas);

● Redução da amplitude e aumento da frequência do torque pulsante;

● Maior grau de liberdade e confiabilidade.

Fontes:
CORDOVIL, Paulo Torres de Carvalho. Modelagem e aspectos construtivos de geradores síncronos multifásicos para turbinas eólicas offshore. 2018. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Potência) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. doi:10.11606/D.3.2018.tde-16072018-110020. Acesso em: 2022-12-11

AYEHUNIE, Nahome Alemayehu. MultiPhase Permanent Magnet Synchronous Generators for Offshore Wind Enegy System: Control of six phase PMSG-six leg converter system. MS thesis. Institutt for elkraftteknikk, 2011.