GERADOR DE GAIOLA DE ESQUILO SCIG

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GERADOR DE GAIOLA DE ESQUILO SCIG
DIRETRIZES ANALÍTICAS PARA PROJETO DE GERADORES DE INDUÇÃO DE ROTOR TIPO GAIOLA DE ESQUILO
A aplicação destas maquinas em conjunto com turbinas eólicas e mesmo hidráulicas é um exemplo típico desta possibilidade. Assim, a abordagem de aplicação com geração baseada em velocidade variável pode ser mais atraente, pois se pode buscar operar no máximo rendimento para todas as faixas de velocidade do vento e de vazão de água.
Quando comparado com o gerador síncrono, utilizado em centrais hidrelétricas, o gerador de indução possui varias e importantes vantagens, onde se destaca o custo reduzido e a robustez. Como desvantagem, para fins limitante, cita – se o baixo fator de potência como característica intrínseca de geradores de indução. O gerador de indução pode ser uma opção viável técnica e economicamente para potencias de até 100kVA, de acordo com (CHAPALLAZ),1992). Devido á qualidade dessas pesquisas desenvolvidas, chega – se a resultados interessantes sobre o assunto. Um exemplo é o fato do rendimento de uma maquina de indução na função como gerador apresentar um rendimento muito próximo ao que apresenta na função de motor (Santos, 2003).
Mas é necessário lembrar que o foco usual no projeto da máquina de indução, especialmente a que emprega o rotor tipo gaiola de esquilo, está no seu uso como motor dado que é a sua principal aplicação. Desta forma, características como corrente e conjugado de partida entre outros, que são próprios dessa aplicação, são especialmente consideradas no projeto da máquina inclusive com definições normativas. No caso do gerador de indução, isso não ocorre, o que indica que se pode tratar do projeto de tal maquina com foco na sua utilização como gerador de forma específica e diferenciado do projeto como motor.
As maquinas de indução são normalmente projetadas para funcionar como motor. Sim, quando em funcionamento no modo de geração, a parte real da corrente no circuito do rotor assume um valor oposto ao obtido na operação como motor. A tensão induzida E2 é aumentada para contrabalancear as perdas nos enrolamentos do estator. A figura 2 mostra as tensões referentes ao circuito equivalente para maquinas de indução operando como gerador (MIG):
Em sistemas de geração com MIG, uma maquina primaria fornece a potência mecânica necessária para acelerar a maquina de indução acima da velocidade síncrona. Assim, a MIG pode operar e fornecer potencia ativa, se conectado a uma fonte externa de potencia reativa (CHAPALLAZ,1992). A potência reativa necessária para magnetização não pode ser obtida pela maquina primaria nem pelo rotor tipo gaiola de esquilo. Para sistemas de velocidade variável com MIG conectado a uma rede de distribuição, ou seja, com valores de tensão e frequência impostas pela rede, usualmente, conversores de potencia são dimensionados a fim de fornecer a potencia reativa necessária. A figura 3 mostra o fluxo de potência de uma MIG. Assim, as perdas são atribuídas da seguinte forma (FITZgerald,2003):
Perdas mecânicas (rotacionais) Prot – incluem todas as perdas rotacionais tais como atrito em rolamento e perdas devido á ventilação forçada ou resfriamento.
Perdas no núcleo Pfe – perdas por histerese, corrente de Foucault e anômalas devido a variações de densidade de fluxo magnético.
Perdas por efeito Joule Pj1 e Pj2 – estas perdas são devidas às resistências ôhmicas do estator e rotor, respectivamente.
Diretrizes de projeto para geradores de indução: 
De acordo com (LIUZZI et al., 2003), o projeto de motores elétricos requer uma atenção especial na escolha dos objetivos, que geralmente referem – se a recursos econômicos ou de desempenho. Assim, destacam – se quatro objetivos que podem afetar o projeto de motores de indução trifásicos, conforme descritos a seguir: Custo de fabricação, rendimento nominal (maximizar), fator de potencia (maximizar), corrente de partida (minimizar).
Logo, diretrizes de projeto para geradores de indução diferenciam – se das utilizadas para motores de indução. Uma delas está no fato de que geradores não necessitam de conjugado de partida porque são acelerados por maquinas primárias até a velocidade nominal de geração.
Outra questão abordada refere – se ao uso de motores de indução como gerador interligado a rede, ou seja, impulsionados a velocidade sobres síncronos, pois se tem um fato importante relacionado a saturação do material do núcleo ferromagnético. Conforme (SAWETSAKULANOND, HOTHONGKHAM, KINNARES,2008), ao se considerar a região de operação como mostra a figura 7, uma maquina atuando como um motor de indução funciona usualmente apenas na região insaturada (Linear), diferentemente quando atua como gerador que opera em duas regiões, ou seja, insaturada (linear) e saturada (não linear). Logo, um dos principais efeitos da saturação do núcleo ferromagnético é o aumento da corrente de magnetização e, consequentemente, da potência reativa necessária para o motor de indução funcionar como gerador, diminuindo, assim, o valor de fator de potencia nominal. Portanto, é necessário um projeto adequado para geradores de indução.
Uma referência bibliográfica que aborda diretrizes de projeto para geradores de indução operando interligado á rede, embora este não tenha concebido um gerador com este propósito, encontra -se em (SAWETSAKULANOND, HOTHONGKHAM, KINNARES, 2008). De acordo com os testes e analises realizados neste estudo, salientam – se as seguintes características desejáveis para geradores de indução:
Alto rendimento – o gerador de indução operando á rede deve apresentar baixo valor das perdas principais (perdas Joule e ferromagnéticas); 
Baixos valores de capacitores conectados em paralelo com o gerador interligado à rede – significa o dimensionamento do banco de capacitores para a compensação da potência reativa;
A potência atuava fornecida pelo gerador de indução interligado á rede deve apresentar uma forma de onda senoidal – refere – se á qualidade da energia gerada. Para isto, é necessário reduzir harmônicos associados com enrolamentos e ranhuras.
Através do estudo das diretrizes encontradas na literatura, observaram – se diretrizes com objetivos conflitantes. Neste contexto, questões geométricas de projeto afetam diversas características de desempenho, sendo por muitas vezes recomendado o emprego de otimização multiobjectivo, como relata a referencia (LIUZZI et al., 2003). Entretanto, como não é o foco deste estudo desenvolver e aplicar algoritmos de otimização, utilizou – se analises paramétricas para definir a melhor escolha, quando necessário. Assim, os objetivos para projetos de geradores de indução propostas neste trabalho são apresentados na tabela 1(variável: rendimento; fator de potência; área da seção da ranhura; taxa de distorção harmônica). Salienta – se que os valores de fator de potencia e rendimento tem maior importância que os valores da área de secção da ranhura e da taxa de distorção harmônica nas escolhas realizadas nas análises paramétricas.
Características em regime permanente:
Em maquinas de indução trifásicas, as tensões aplicadas no enrolamento do estator estabelecem correntes através das bobinas do mesmo. Estas correntes criam campos magnéticos alternados que, somados a cada instante, dão origem a um campo magnético resultante cuja orientação gira em torno de um eixo, formando assim o campo girante da máquina (CHAPALLAZ,1992) (SANTOS,2003) (FITZGERALD,2003). A velocidade síncrona do campo girante da maquina é determinada pela equação (1): ns=120f/p (onde: ns – velocidade síncrona, r/min; f - frequência, HZ; p – número de pares de polos.
Para que haja força eletromotriz induzida no rotor, é necessário que as barras ou enrolamentos do rotor cortem as linhas de fluxo magnético do campo girante. Isto apenas ocorre se houver um movimento relativo entre o rotor e o campo girante. Na operação como motor, rotação do rotor n é sempre menor que a do campo girante ns. A diferença entre a velocidade do campo girante, velocidade síncrona e a do rotor, chama – se deslizamento das rotações, ouescorregamento de rotação, ou escorregamento de fase ou ainda simplesmente escorregamento (CHAPALLAZ,1992) (FITZGERAL,2003). Prefere – se apresentar o escorregamento “s” correspondente a uma determinação nem r/min como uma fração da velocidade síncrona ns, também em r/min, conforme mostra a equação (2): s= ns -n/ ns (onde: s – escorregamento; ns – rotação síncrona, r/min; n rotação do rotor, r/min.
Na maquinas de indução, o campo girante da armadura e o rotor tem velocidades diferentes; observam – se, então três possibilidades segundo as quais ela pode funcionar (SANTOS, 2003):
Se a velocidade do seu rotor for menor que a do campo girante, mas no mesmo sentido, a máquina assíncrona se comporta como motor, fornecendo potência mecânica em seu eixo.
Quando a velocidade do rotor for maior do que a síncrona, ela se transforma em gerador de energia elétrica; neste caso, uma outra maquina deve ser ligada ao seu eixo e desta forma transferir – lhe energia mecânica que será convertida em energia elétrica nos terminais do estator.
Se o campo girante da armadura e do rotor tiverem sentidos de rotação diferentes, a máquina está na região de frenagem; o conjugado motor de origem elétrica e que atua sobre o eixo é o conjugado resistente.
A figura 8 apresenta a curva de conjugado versus velocidade angular para a maquina de indução e mostra as faixas de operação.
Operação com escorregamento negativo:
Para a maquina de indução funcionar como gerador interligado pá rede, ela precisa atingir velocidade sobres síncrona, ou seja, operar com escorregamento negativo. Essa faixa de operação caracteriza – se pelo fornecimento de potência mecânica através de uma maquina primaria. O valor da tensão induzida através do entreferro E2 é menor que a tensão nos terminais V1 do motor de indução. Entretanto, como gerador, a tensão induzida E2 terá que ser maior que V1 para manter o mesmo valor de tensão nos terminais. A figura 9 ilustra os fasores resultantes da tensão induzida.
Conforme aumenta a velocidade sobres síncrona, a potência ativa gerada irá aumentar também. Por definição, o valor da corrente no estator não deve ultrapassar o valor nominal informado pelos dados de placa da máquina, evitando danos aos enrolamentos. Sendo assim, após suprir a parcela de potencia envolvida em perdas (enrolamentos e núcleo), potencia ativa passa a ser entregue á carga ou rede conectada nos terminais da máquina.
O conhecimento dos parâmetros do circuito equivalente por fase possibilita a determinação de várias características das maquinas de indução em regime permanente. Alguns destas características são as variações de corrente, o conjugado máximo e de partida, velocidade e perdas. Como na maquina de indução os parâmetros do circuito elétrico equivalente são considerados constantes, apenas a faixa de escorregamento difere os modos de operação (frenagem, motorização e geração), o circuito equivalente monofásico mostra – se útil na analise das mais variadas aplicações. Na pratica, porém, essa constância dos parâmetros pode não se manter devido ao efeito térmico sobre as resistências, por exemplo. O conjugado eletromagnético correspondente á potencia envolvida no entreferro pode ser obtido a partir da equação (3): Tmec = Pg / ws (onde: Tmec – conjugado eletromagnético, Nm; Pg – potência envolvida no entreferro da máquina, w; ws – velocidade angular síncrona, rad/s).
Observando o circuito da figura 10, afirma – se que a potencia envolvida no entreferro da maquina na operação com escorregamento negativo é determinada pela equação (4): Pg = nfases I22(s<0) (R2/s) (onde: nfases – número de fases; I2(s<0) – corrente referida ao circuito do rotor para operação com escorregamento negativo (A); R2 – resistência do rotor).
A componente de excitação Îφ é a corrente de excitação no estator que é necessaria para criar o fluxo magnetico de entreferro, sendo uma função da tensao induzida Ê2 (FITZGERALD,2003).
As perdas ohmicas associadas ao circuito do rotor Pj2 são calculadas pela equaçao (5): Pj2 = nfase I22(s<0) R2.
A potencia eletromagnetica Pmec(s<0) pode ser determinada pelo resultado da soma da dissipação de potencia no rotor com a potencia no entreferro, conforme mostra a equação (6):
(-1)Pmec(s<0) = |Pg| + Pj2 = | nfase I22 (R2/s)| + nfase I22 R2
(-1)Pmec(s<0) = |Pg| + Pj2 = nfase I22 R2 (1+|s| / |s|)
Voltando á equação (3), a potencia eletromagnética Pmec(s<0) e as perdas ohmicas Pj2 envolvidas no circuito do rotor serão as seguintes fraçoes da potencia de entreferro:
Pmec(s<0) = (1+|s|) Pg ; Pj2 = sPg
A tensao induzida no gerador de indução Ê2(s<0) é maior que na operação como motor. Sendo assim, de acordo com a figura 9, a tensao induzida Ê2(s<0) é a soma da tensao nos terminais V1 mais a queda de tensao no estator (VR1 + Vx1). Uma formulação para o conjugado com escorregamento negativo pode ser realizado a partir da determinação da tensao induzida Ê2(s<0), da corrente Î2(s<0) e do conhecimento da impedância Zab referente ao circuito equivalente monofásico:
Logo, o conjugado eletromagnético gerador pode ser calculado com a combinação das equações (3), (9) e (10), e a potência eletromagnética do gerador de indução pelas equações (7), (9) e (10):
Perdas no gerador de indução:
As maquinas de indução trifásica (MIT), mesmo sendo consideradas maquinas eficientes, apresentam varias formas de perdas que, em geral, se denotam em perdas fixas que não dependem da carga, e variáveis, as quais dependem da carga (ELETROBRAS, 2009). Ao longo da vida útil da MIT, as perdas tentem a assumir um valor maior do que o custo de aquisição da máquina, salientando a importância do emprego de maquinas elétricas com alto rendimento. 
Rendimento no gerador de indução:
O rendimento é a razão da potencia de saída pela potencia de entrada. No motor de indução, é a razão entre a potência mecânica disponível no eixo e a potencia de entrada (FITZGERALD, 2003). Na abordagem realizada neste estudo, o rendimento do gerador de indução é calculado como sendo a razão entre a potência elétrica ativa gerada Psaida e a potência mecânica entregue pela máquina primaria P eixo.
ANALISE DE ESTABILIDADE DE GERADORES DE INDUÇÃO UTILIZADOS EM TURBINAS EÓLICAS DE VELOCIDADE FIXA.
Neste trabalho, analisa – se o desempenho dinâmico de dois métodos para melhorar a estabilidade de turbinas eólicas de velocidade fixa, equipadas com geradores de indução, conectadas em redes de distribuição de energia elétrica, durante contingências no sistema elétrico. O primeiro método se baseia na compensação dinâmica de potencia reativa, para o qual foram utilizadas duas tecnologias: compensação via SVC (static Var Compensator) e compensação via DSTACOM (Distribuition stacti synchronous compensator). O segundo se baseia no controle de ângulo de passo das hélices das turbinas eólicas. O desempenho desses geradores durante curtos – circuitos trifásicos é analisado para se verificar o impacto do uso de diferentes sinais de controle nos dispositivos eletrônicos e mecânicos. De compensação dinâmica tiveram melhor desempenho quando controlados por tensão terminal, e os mecânicos, utilizando a velocidade do rotor ou uma combinação de sinais (tensão terminal e potência elétrica).
Modelo do sistema:
O sistema teste foi implementado no SimPowerSystem (toolbox do ambiente Matlabl Simulink), derivado de um sistema apresentado por Jenkins (2000), cujo diagrama é apresentado.
Estabilidade de geradores de indução sujeitos a grandes perturbações:
Geralmente, o problema de estabilidade relacionado com geradores de indução é designado por estabilidade de tensão. Entretanto, artigos recentes mostram que esse problema também está relacionado á estabilidade de velocidade dos geradores.
Operação de turbinas eólicas durante contingencias:
Durante curtos – circuitos na rede elétrica, maquinas de indução empregadas em geradores eólicos podem acelerar resultando no consumo de uma grande quantidade de potencia reativa, podendo levar o sistema a um colapso de tensão (AKHMATOV et al., 2003; HEIER,2006). A pratica geralmente adotada nessescasos é a desconexão desses geradores utilizando relés de subtensão ou de sobre velocidade, com ajustes sensíveis. Porém, o aumento da penetração de geração de energia eólica nos sistemas elétricos modernos fez com que se mantivessem em operação durante determinadas contingências, fornecendo suporte ao sistema em um período crítico de falta de geração (AKHMATOV et al., 2003; HEIER, 2006). Em alguns países como Dinamarca, Alemanha, Irlanda, Holanda e Espanha, a exigência para que esses geradores permaneçam em operação durante diversas perturbações na rede é requerida pelos órgãos de regulamentação do setor elétrico.
Modelo aerodinâmico da turbina eólica:
Em razão do tipo de gerador utilizado (gerador de indução em gaiola de esquilo, conectado diretamente à rede elétrica), sua velocidade é determinada basicamente pela frequência fixa da rede (60 HZ). Essas turbinas são projetadas para produzir potencia nominal em determinado valor de velocidade do vento (usualmente entre 10 e 16 m/s), para o qual um valor correspondente de velocidade do rotor é atingido.
Tm = ½ (pARCpv2/ λ) (onde: Tm – torque mecanico fornecido pela turbina eólica (N.m); p – densidade do ar (kg/m3); A – area varrida pelas hélices da turbina (m2); R – raio do rotor da turbina eólica (m), Cp – coeficiente de performance da turbina eólica; v – velocidade do vento (m/s); λ = wm R/v – relação entre a velocidade linear do rotor e a velocidade do vento; Wm – velocidade angular do rotor da turbina eólica (rad/s)).
Normalmente, o coeficiente de performance Cp é obtido por meio de curvas fornecidas pelo fabricante. Porem, para a turbina eólica analisada neste trabalho, tais curvas podem ser aproximadas pela segunite equação:
 Β = ângulo de passo das hélices das turbinas.
O ângulo de passo β é igual a 0 grau quando a superfície da hélice se encontra perpendicular á direção do vento, e igual a 90 graus quando paralela à direção do vento.
Compensação dinâmica de potência reativa:
As duas formas mais utilizadas de compensação dinâmica de potencia reativa, para turbinas eólicas de velocidade fixa, são o SVC (static var compensator) e o DSTATCOM (distribution static synchronous compensator). Mais detalhes sobre algumas instalações que utilizam tais tecnologias são encontrados em SOBRINK (1998) e GAZTANAGA (2007). 
SVC (static var compensator):
O SVC é um dispositivo composto por uma combinação de reatores controlados por tiristores (TCRs – thyristor controlled reactor) e capacitores chaveados por tiristores (TSCs – thyristor Switcheb capacitor), conectados em derivação na rede elétrica via transformador de acoplamento. A troca de potencia reativa com o sistema é controlada, variando – se o valor da reatância equivalente. O diagrama do controlador de tensão do SVC é mostrado na figura 3, em que Vm é o valor rms (root mean square) trifásico da tensão terminal; B, a susceptância equivalente desejada; I, a magnitude da corrente injetada pelo SVC, e o sobrescrito * representa valor de referência. O regulador PI é responsável por controlar a tensão terminal por meio da troca de potencia reativa com a rede. A saída desse regulador é o valor de referência da susceptância equivalente desejada. Esse regulador tem uma característica em declive (droop) de +- 5%, para evitar um comportamento oscilatório (SONG,2000).
DSTATCOM (distribution STATIC Synchronous Compensator)
DSTATCOM consiste em um conversor fonte de tensão conectado em derivação na rede de distribuição via transformador de acoplamento (SONG,200) Normalmente, utilizam – se IGBTs (insulated Gate bipolar transistor) com técnicas de chaveamento PWM (pulse – width modulation). A configuração implementada neste trabalho permite que o dispositivo forneça apenas potencia reativa variando a magnitude da tensão alternada gerada na saída do conversor. 
O diagrama do controlador do DSTATCOM, baseado na estrutura rotacional de referencia dq0, atuando como regulador de tensão, é mostrado na figura 4. Nessa figura, VABC representa as tensões trifásicas terminais; Iabc representa as correntes trifásicas injetadas pelo DSTATCOM; Vrms, o valor rms trifásico da tensão terminal; Vcc, a tensão continua no capacitor, e os sobrescrito * representam valores de referência. Tal controlador emprega um PLL (phase lockes loop) para sincronizar a tensão alternada na saída do conversor com a componente fundamental da fase A da tensão terminal. O controle de fator de potencia é bastante similar ao controle de tensão brevemente descrito, sendo a principal diferença a substituição de Vrms e V*rms por Q(pu) e Q* (pu), respectivamente. Pode – se encontrar mais detalhes em SALLES (2004).
Analises de estabilidade frente a grandes perturbações: 
Como o objetivo é determinar a influência dos dispositivos dinâmicos de compensação de potencia reativa na estabilidade transitória de geradores de indução, o controle de ângulo de passo utilizado é o estol, sendo β = 0. Um curto – circuito trifásico – terra é aplicado á barra 4 do sistema teste (figura 1) e eliminado pela desconexão do ramo 2-4 em 200 ms. O comportamento dinâmico das principais variáveis do sistema, para os casos com e sem compensação dinâmica, é mostrado na figura 5. Observa - se que, para essa contingencia, o sistema é instável quando não há um dispositivo de compensadores dinâmicos, independentemente do dispositivo utilizado, o sistema torna – se estável.
Varias simulações foram realizadas para determinar o tempo critico de eliminação da falta trifásica (tabela 2): verificou – se que o uso do SVC e do DSTATCOM aumenta o tempo critico de eliminação da falta. Como esperado, quanto maior a capacidade de compensação desses dispositivos, maior o tempo de eliminação.
O comportamento da potencia reativa injetada por diferentes controladores, considerando a falta eliminada em 240 ms, é mostrada na figura 6. Nesse caso, o sistema é estável somente com ouso de um DSTATCOM controlador por tensão. Nota – se que antes da falta, o DSTATCOM controlado por fator de potência injeta uma quantidade maior de potencia reativa na rede. Porem, durante a falta, esse controlador consome potência reativa a partir da rede. Adicionalmente, logo após a falta, a quantidade de potencia reativa injetada no inicio é menor do que aquela verificada no DSTATCOM controlado por tensão. Ao se comparar SVC, verifica – se que, durante e após a falta, a quantidade de potência reativa injetada pelo SVC é menor, visto que a capacidade de compensação desse dispositivo e mais influenciada pela tensão na rede. 
Controle de ângulo de passo das hélices:
Ventos com velocidade acima da nominal são menos frequentes. Portanto, projetar turbinas que maximizassem a produção de energia para velocidades elevadas do vento tornaria o investimento oneroso. Em caso de ventos com velocidades superiores a projetada para potência nominal, deve – se empregar algum mecanismo que possibilite dissipar o excesso de energia.
Tipos de controle:
1- Controle Estol (Stall control): o ângulo de passo é constante, i.e, as hélices são firmemente fixadas no cubo da turbina, sem possibilidade de rotação em torno de seu eixo longitudinal. No entanto, a aerodinâmica das hélices é projetada para diminuir o valor da potência mecânica retirada da força do vento, para velocidades de vento superiores ao valor nominal. Essa é a solução mais barata e simples, ainda que limitada. Nas analises subsequentes, ela está identificada como sem controle.
2- Controle de Passo (Pitch control): para limitar a potencia gerada em velocidades do vento acima da nominal, as hélices da turbina ou parte delas são giradas em torno de seu eixo longitudinal, i.e., o ângulo de passo (β) é variado, de forma que diminua o ângulo de ataque, reduzindo a potência extraída do vento. Nesse caso, o ângulo de passo, como definido neste trabalho, assume valores positivos.
Analise de estabilidade ante a grandes perturbações:
O uso do controle de ângulo de passo tem como função principal limitar a potência mecânica que a turbina eólica distribui ao gerador elétrico. Entretanto, mais recentemente,foi proposta sua utilização para diminuir a diferença entre torque mecânico e elétrico durante curtos – circuitos na rede elétrica, diminuindo a aceleração do gerador e aumentando a velocidade critica. 
Um curto – circuito trifásico – terra é aplicado na barra 4 do sistema teste (figura 1) e eliminado por meio da desconexão do ramo 2-4 em 200 ms. O comportamento dinâmico das principais variáveis do sistema é mostrado na figura 8. Observa – se que os casos com e sem controle de ângulo atuando como um regulador de potência (sinal Pe), são instáveis. Por outro lado, quando o controlador de ângulo emprega o sinal de velocidade do rotor ou Pe / V*T2, o sistema se mante estável. Essa diferença de resposta ocorre em razão da atuação do controle de ângulo de potencia constante no sentido oposto, aumentando a velocidade do rotor e levando – o a instabilidade.
Conclusão:
No caso do uso de dispositivos de compensação dinâmica de potência reativa, constatou – se que tal metodologia permite aumentar a margem de estabilidade do sistema, quando comparado com o caso em que se emprega banco fixo de capacitores (considerando a turbina eólica sem controle de ângulo de passo). Nesse caso, é preferível que o DSTATCOM seja controlado como um regulador de tensão para maximizar o aumento da margem se estabilidade transitória.
No caso da compensação de reativos via banco fixo de capacitores (sem compensação dinâmica), verificou – se que o uso do controle de ângulo de passo permite aumentar a margem de estabilidade transitória do sistema, caso a variável de entrada empregada seja a velocidade do rotor ou o sinal combinado. Por outro lado, o uso da potência elétrica como sinal de entrada afeta, de forma adversa, a margem de estabilidade transitória do sistema. Contudo, a combinação entre o controle de ângulo e a compensação dinâmica de reativos pode levar a resultados ainda mais interessantes.
Estudo e analise do gerador de indução com rotor gaiola de esquilo conectado à rede elétrica com emprego do filtro LCL aplicado em sistemas de geração eólica.
O gerador de indução rotor gaiola de esquilo (GIGE). Este gerador pode ser conectado diretamente á rede de alimentação conforme mostra na 2.6. Nesta configuração GIGE apresenta como vantagens: baixo custo e manutenção simples e como desvantagens: falta de possibilidade de regulação de tensão e de frequência e a operação apenas em velocidade fixada pela frequência da rede quando o gerador está conectado diretamente à rede elétrica.
Para o GIGE superar os problemas mencionados anterior mente deve – se utilizar conversores eletrônicos de potencia para o processamento da sua energia. A topologia que traz o GIGE conectado à rede elétrica com o uso do conversor back to back possibilita o uso do GIGE em velocidade variável. O conversor conectado á rede elétrica é controlado a fim de enviar potencia gerada para rede com o emprego do controle da tensão do elo CC. A topologia do GIGE com emprego de conversores back to back.
DETECÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE FALHAS DE CURTO – CIRCUTIO EM GERADORES DE INDUÇÃO APLICADOS EM GERAÇÃO EÓLICA UTILIZANDO APRENDIZADO DE MAQUINA.
Justificativa:
Visto os altos custos atribuídos a um parque eólico quando há falha em geradores elétricos, existe uma preocupação latente com a manutenção desses equipamentos. Esse fator é ainda mais critico em parques eólicos offshore, especialmente pelos altos gastos operacionais. Isso foi constatado também por Lau, Ma e Pecht (2012) durante sua revisão de métodos para prognostico de falhas em aerogeradores. Então, há um direcionamento de pesquisas que buscam maior confiabilidade em sistemas de aero geração, através do prognostico de falhas em geradores de indução.
Uma compilação de dados de falhas em maquinas de indução na indústria química e do petróleo, em um período de 40 anos realizada por Bonnett (2010), exibe quais as falhas mais expressivas nesse tipo de máquina. Em destaque estão as falhas em rolamentos, que representam 51% das falhas na máquina, seguida pelas falhas nos rolamentos do estator, que dominam 16% do total, enquanto que falas de barras no rotor representam 5%. 
Baseado na importância do gerador, na representação do SCIG em aerogeradores e nas projeções futuras dessa tecnologia evidenciadas por Yaramasu et al. (2015), a presente pesquisa justifica – se pela necessidade de garantir maior confiabilidade a turbinas eólicas que utilizem o SCIG, embasado, também por Lima et al. (2015).
O objetivo deste trabalho é realizar a detecção de curto – circuito incipiente entre espiras do bobinamento estatórico do gerador de indução gaiola de esquilo, aplicado na geração eólica.
Construir uma bancada para emulação de um sistema de aero geração, que deve possuir um quadro de comandos para automatizar o processo de inserção do curto – circuito em um gerador elétrico e um sistema para sensoriamento e aquisição dos dados que vise replicar estudos anteriores e servir como gerador de dados para estudos futuros;
Realizar aquisições dos sinais de caracterizam o funcionamento do gerador de indução baseado na emulação de um sistema de aero geração;
Avaliar a aplicação de técnicas para extração de características em sinais;
Avaliar métodos de aprendizado de maquina para detecção e classificação das falhas no gerador;
A necessidade e utilização de um conjunto de redução mecânico (do inglês: gearbox) tronar – se obrigatória em um AS com SCIG, em virtude da construção deste gerador. Essa obrigatoriedade pode ser eliminada, ao utilizar um PMSG, com um elevado numero de polos. Com o DFIG ou WRIG a obrigatoriedade é mantida (YARAMASU et al., 2015). Utilizar um PMSG parece vantajoso, pois conjuntos redutores mecânicos proporcionam perdas de rendimento, porém, a escolha de utiliza – ló é baseada em uma solução de compromisso que equipare peso, tamanho e necessidade da aplicação (DUAN; HARLEY, 2009).
A utilização de um conversor eletrônico de potencia permite os sistemas de aero geração operar em velocidade variável, eliminando o uso de uma soft -starter e de um compensador de potência reativa (YARAMASU et al., 2015). Além disso, os conversores garantem uma entrega de energia rápida, constante e livre de oscilações, possibitando maior flexibilidade para estratégias de controle e melhorando da qualidade energética (POLINDER, 2011). Sua utilização torna -se obrigatória em AS de velocidade variável (do inglês: full speed range), que utiliza um SCIG. Entretendo, a adição de mais um componente aumenta a complexidade do sistema e pode torna – ló mais susceptível a falhas. A faixa de potencia na qual o conversor deverá operar é de uma importância, visto que o seu alto custo inicial gira em torno de 7 a 12% do custo total do aerogerador, de acordo com (YARAMASU et al., 2015).
Quando o SCIG estiver operando em um sistema de velocidade completamente variável, há a necessidade de utilizar conversores eletrônicos na topologia back – to – back (YARAMASU et al., 2015). Essa configuração consiste em dois conversores em cascata, sendo um deles responsável pela conversão de corrente alternada (CA) para corrente continua (CC), com tensão e frequência variáveis no lado do gerador e o outro pela conversão CC/CA, com tensão e frequência variáveis no lado da rede. Essa topologia permite fluxo bidirecional de potência e é necessário serem fabricados dois conversores por gerador, projetados para sua potencia nominal. Contudo, no DFIG de velocidade semivariável o conversor é limitado a 30% da potência do gerador (YARAMASU et al., 2015). Dessa forma, a escolha de utilizar um SCIG como gerador elétrico é pautada na localização, tipo e potencia do parque eólico, devendo ser alinhado com a visão empresarial em termos de gestão de viabilidade e retornos. O movimento do mercado eólico tem – se demostrado aceitador dessa tecnologia, indicando – o inclusive como tendencia atuais e futuras.
Estado da arte para o SCIG aplicado em aerogeradores:
Como evidenciado, a principal desvantagem da geração offshore está nos elevados custos de manutenção e transmissão. Portanto, é necessárioque, além do AS ser confiável, também possua alta disponibilidade, a fim de minimizar os impactos da manutenção nos custos energéticos, como estimado por (POLINDER et al. 2013). Estas características são os fatores decisivos quanto a escolha de construção de um parque offshore e é em meio os esses aspectos que se encaixa o SCIG, pois a maturidade tecnológica desta maquina elétrica reflete em uma tecnologia robusta e barata.
Em um levantamento apresentado por (Zhang et. Al. 2013), do total de aerogeradores instalados em parques eólicos offshore, 48,11% utilizam o SCIG, representando uma vantagem enorme aos PMSG e WRIG, e concorrendo apenas com o DFIG. O ambiente operacional hostil, no qual o gerador elétrico está inserido, torna praticamente inviável o uso de um WRIG mediante essas maiores necessidades de manutenções em bobinamento e escovas, de acordo com (YARAMASU et al 2015).
Neste cenário, um SCIG com gearbox também possui vantagens sobre um PMSG, sem conjunto redutor mecânico (do inglês gearless), pois, apesar da inexistência de uma gearbox, esta solução torna o PMSG grande, pesado e de difícil instalação (YARAMASU et al., 2015). Além disso, um estudo realizado por (Tavner, bussel e spinato 2006) concluiu que a taxa de falha média de um aerogerador não diminuiu ao retirar – se a gearbox, contradizendo a percepção de que esse componente mecânico causasse problemas ao sistema. Em geral, um PMSG é mais eficiente que um SCIG, entretanto, um estudo realizado por (ALNASIR et al.,2014) demonstrou que, em condições de ventos constantes e médios (entre 6-10 m/s), esses geradores apresentaram eficiências similares, e esse representa o cenário de aero geração offshore. Portanto o uso de um PMSG não denota vantagens explícitas para essa aplicação. Além disso, há uma incerteza quanto ao futuro do uso do PMSG, visto que estes geradores utilizam ímãs permanentes, compostos por materiais raros na terra que estes geradores utilizam ímãs permanentes, compostos por materiais raros na terra (ALNASIR et al.,2014). Mediante os fatos supracitados, um SCIG acoplado a um conjunto de redução mecânico, demostra ser a opção ideal quanto a escolha do gerador elétrico, para o cenário de geração offshore.
Apesar de no cenário atual da aero geração o gerador elétrico mais utilizado ser o DFIG – constituindo mais que 50% dos aerogeradores instalados, (Yaramasu et al. 2015) afirmam que o SCIG, com gearbox e utilizando conversor eletrônico para operação em full speed range, dominarão o mercado nos próximos anos. Há uma tendencia para escolha de sistemas de aero geração que utilizem essa tecnologia em virtude da capacidade de operação em velocidade completamente variável, capaz de melhorar o rendimento e reduzir estresses mecânicos. Um levantamento feito (Yaramasu et al. 2015) exibiu que 90% dos fabricantes de turbinas eólicas do mundo anunciaram futuros projetos baseados nessa tecnologia. É neste cenário que se encaixa a utilização de um SCIG com um conversor eletrônico full scale, capaz de extrair potência elétrica em diferentes regimes de operação dos ventos.
Em suma, o uso de SCIG em sistema de aero geração de alta potência, principalmente em parques offchore, é viável e vantajoso. A comprovação reside na tendência futura para a construção de parques offsgore e em anúncios feitos pelas maiores empresas que circundam estes mercados, as quais afirmam que haverá investimentos de desenvolvimentos nesta tecnologia voltados para aplicações de grande potência. 
Constituição do gerador de indução trifásico:
Na máquina elétrica assíncrona trifásica, o bobinamento estatórico é formado por conjuntos de três enrolamentos, instalados de forma que suas forças magnetomotrizes estejam defasadas em um ângulo de 120° entre si. Pela lei de Faraday qunado os enrolamentos são percorridos por correntes eletricas defasadas eletricamente de 120° , induz – se campos magnéticos em fase com a corrente elétrica, ditos como pulsantes. A combinação vetorial de três campos magnéticos pulsantes resulta em um campo magnético girante de frequência igual à da fonte de alimentação. Esse campo, ao atravessar o entreferro, provoca uma variação de fluxo magnético nos condutores do rotor, gerando uma força eletromotriz induzida nesses condutores, também de acordo com a lei de faraday. Considerando que os condutores do rotor estão em um circuito fechado, os mesmos são percorridos por correntes induzidas. Estas correntes induzidas, de acordo com a lei de Lenz, têm um sentido tal que criam um campo magnético opositor ao campo magnético criado pelo estator. O rotor tenta acompanhar o campo girante produzido pelo estator, entrando, assim, em movimento (FRANCISCO,2006), mas nunca acalcando a velocidade estatórica. Por isso, dá – se o nome de motor assíncrono (i.e., velocidade rotórica fora de sincronia com a estatórica).
A diferença entre essas velocidades dá origem ao conceito de escorregamento, s, que é positivo quando a maquina funciona como motor, zero quando a maquina atinge a velocidade síncrona e negativo quando opera como gerador. A frequência do estator é chamado neste trabalho pela sigla fg, fazendo alusão a frequência comandada pelo conversor de frequência que acima o gerador de indução. Enquanto que a sigla fb simboliza a frequência comandada pelo conversor que aciona a maquina primaria, acoplada ao gerador, e faz alusão a rotação rotatórica.
Na fig. 9 é exibido um esquema contendo o gerador de indução gaiola de esquilo, SCIG, e uma maquinas primária (MP), ambos alimentados por um conversor de frequência trifásica. O conjunto pode funcionar como: (i) motor, figura 9ª, ao fg ser maior que fb, nesse momento, o sentido do fluxo de potencia é da fonte de alimentação para a maquina de indução, propiciando potência mecânico na ponta do eixo; (ii) gerador, fig. 9b, desde que fb seja maior que fg, nessa operação, o fluxo de potência inverte – se e passa a ser no sentido da maquina para fonte de alimentação. É importante salientar que, mesmo operando como gerador, a maquina de indução precisa de uma alimentação estatórica para fins de magnetização da mesma. Quando fb = fg, não há fluxo de potência e, por consequência, não há geração de energia elétrica.
Não é qualquer diferença entre fb e fg que propicia a geração de energia. A diferença deve ser suficiente para que não haja circulação de corrente da rede elétrica para o conversor de frequência do gerador. Esse momento é chamado, neste trabalho, de primeiro ponto de geração, pois o SCIG está gerando tanto energia elétrica para o barramento CC do conversor de frequência, quanto reativos necessários para a magnetização do seu estator.
Monitoramento das condições de funcionamento:
Há uma constante necessidade por redução de custos operacionais e de manutenção em parques eólicos (ASFANI; PURNOMO; SAWITRI,2013). Segundo Asfani, Purnomo e Sawitri (2013), a forma mais eficiente de se reduzir tais custos é continuamente monitorar esses sistemas, de forma a prever a degradação dos componentes para otimizar rotinas de manutenção e planejamento do parque eólico, como também prover maior disponibilidade do sistema.
Kusiak e Li (2011) relatam que para tirar proveitos de um sistema de monitoramento das condições de funcionamento de um parque eólico é necessário, além de indicar condições falhas e não falhas, também indicar severidade e ainda prever futuras falhas. O autor utiliza técnicas baseadas em dados, como redes neurais integradas com informações de um sistema de controle e aquisição de dados (SCADA).
1) Falhas de curto – circuito em maquinas elétricas de indução:
Apesar da versatilidade do SCIG, ele não é imune a falhas, e possui limitações. Em termos gerais, as falhas neste tipo de equipamento estão associadas a diversos fatores em conjunto, dentre eles: sobreaquecimento, efeitos elétricos, dinâmicos e mecânicos (BONNETT; SOUKUP,1991). A literatura enfatiza que, de uma maneira geral, a combinação de fatores induz a ocorrência, prematura ou não, de falhas na máquina elétrica.
Segundo Bonett e Soukup (1991), as falhas relacionadasao bobinamento do estator são de 5 tipos: (i) entre espiras, (ii) entre bobinas, (iii) circuito aberto, (iv) fase – fase e (v) fase – terra, exibida na figura 10. Todos os tipos de falhas iniciam – se de uma condição de curto – circuito entre espiras em uma mesma fase. Nessa condição inicia – se a circulação de elevadas correntes na região em curto – circuito que ocasiona uma degradação do isolamento por sobreaquecimento (BONNETT; SOUKUP,1991). A esse processo é dado o nome de curto – circuito incipiente. Entretanto, esse tipo de falha é geralmente não perceptível, sendo por isso, negligenciada por métodos de proteção. E assim, o curto – circuito continua evoluindo até que o isolamento de are maior seja danificado e cause falhas mais severas, como o curto – circuito entre fase – fase ou entre fase – terra, levando a degradação total da máquina (BONNETT; SOUKUP,1991; SHARIFI; EBRAHIMI,2011).
Há, ainda, uma característica determinante para a ocorrência de falhas em bobinamento de máquina de indução: demonstrou -se que utilizar conversores de frequência para acionamento da maquina pode causar dez vezes mais estresses no bobinamento da máquina (KAUFHOLD et al.,2002). Isso porque o chaveamento da ordem de microssegundos causa distribuições não lineares de tensão que acarretam em estressas elétricos entre espiras ou terminação de uma bobina (KAUFHOLD et al.,2002). Esse fato vem de encontro com os sistemas de aero geração que utilizam SCIG com conversores eletrônicos.
Então, há a necessidade de haver sistemas para detecção prematura de falhas de curto – circuito entre espiras do estator no gerador de indução, visto que Bonnett e Soukup (1991) enfatiza que o curto entre espiras é a falha incipiente e a mais difícil de ser detectada.
Estado da arte em detecção de falhas de curto – circuito entre espiras estatórica
Quando se trata de análise de falhas em maquinas elétricas, há métodos relevantes como a analise de vibração (TORABIZADEH; NOSHADI,2001). Contudo, a busca na literatura evidenciou a técnica de analise da assinatura de corrente (do inglês, motor current signature analysis – MCSA) como uma técnica estabelecida. Essa consiste em um conjunto de métodos consolidados, que desenvolveram – se principalmente entre os anos de 1975 e 1985 em pesquisas ao redor do mundo, que tinham em comum a análise da corrente e do seu espectro de frequência para caracterizar maquinas de indução (THOMSON,2017).
Em base á manutenção centrada em confiabilidade, Gradin e Burstein (1993) propuseram a utilização MCSA como uma técnica não invasiva para identificação de problemas em rolamentos de motores de ventiladores de usinas nucleares. Os autores ratificam que havendo a possibilidade de realizar a leitura do sinal de corrente elétrica de um ambiente controlado, sem necessidade de exposição da planta industrial, pode – se aplicar a técnica e identificar, de maneira operacionalmente segura, problema no sistema de ventilação.
Albizu et al. (2004) realizam uma revisão sobre métodos para detecção online de falhas no estator de geradores de indução aplicados em energias renováveis. O estudo elaborado pelos autores indica que há métodos confiáveis para detecção de falhas em MI de alta tensão. Contudo, as técnicas para baixa tensão ainda está sendo padronizadas, o que também foi ratificado posteriormente por Nandi, Toliyat e Li (2005). Para maquinas de baixa tensão (abaixo de 600V), métodos como assinatura de corrente são válidos, porém, a principal desvantagem é a dificuldade em relacionar a assinatura de corrente com a severidade da falha (ALBIZU et al.,2004).
Royo e Arcega (2007) estuda a aplicação da transformada de Fourier com o método MCSA em um SCIG submetido á falhas de curto – circuito entre espiras, quebra de barras e com rolamento defeituoso. Os autores utilizam modelos matemáticos para encontrar as componentes de frequência em maquinas submetidas á essas condições. E analisam os espectros em frequência obtidos de ensaios. Utilizam sensores de corrente e velocidade para validar a aplicação da técnica matemática e, mediante os critérios estabelecidos, concluem que é possível discernir características normais dos três tipos de falhas. Porem, a variação de carga no gerador, algumas vezes, induz componentes no espectro de Fourier que podem mascarar as frequências de falhas.
A necessidade por detecção de curto – circuito incipientes continuou e atualmente empregam – se técnicas de inteligência computacional para as detecções, como exibido nas pesquisas de Asfani, Purnomo e Sawitri (2013). Os autores obtêm taxas de acertos de 100% para a detecção temporária com 75% de espiras em curto – circuito. As desvantagens dessa metodologia estão na necessidade de utilizar três sensores de corrente elétrica. Visto que o autor assume que haverá uma variação na corrente das fases do gerador e, segundo Umans et al. (2014), o circuito elétrico de uma máquina de indução é teoricamente equilibrado, portanto, a inserção de um curto – circuito entre espiras proporciona um desequilíbrio no estator e a percepção desse problema só é conclusiva ao analisar – se as três fases da máquina elétrica. Além disso, o curto incipiente pode ocorrer em uma quantidade pequena de espiras, o que não é contemplado na pesquisa do autor.
Oliveira, Silva e Medeiros (2013) utilizam um único sensor de corrente, sem sensor de velocidade, para identificar falhas de curto – circuito entre espiras a partir de 1.4% em uma maquina elétrica de indução operando como motor. Os autores conseguem identificar 67% das condições de curto. Os autores propuseram o uso da técnica MCSA, combinada com Fourier, a partir da teoria do espectro de frequência de Penman et al. (1994), e thomson e Fenger (2001). Vieira (2016) continuaram esses estudos, e conseguiram desenvolver um sistema embarcado para detecção dessas falhas.
Técnicas de aprendizado de maquina
O termo aprendizado de máquina (do inglês, machine learning) é especialmente utilizado no âmbito da ciência da computação. Esse termo faz alusão á capacidade computacional de resolver problemas a partir de um conhecimento prévio, ou seja, a partir de dados. É um campo de estudo vasto, que compreende diferentes estudos e aplicações dentre eles as tarefas de reconhecimento de padrões.
Padrões podem ser interpretador de acordo com a subjetividade do projetista, por exemplo: padrões visuais, temporais ou lógicos. A identificação do sexo de uma pessoa, a partir de uma foto, feita por um computador é um exemplo, nesse caso especifico, é uma tarefa denominada classificação. Em uma maneira filosófica pode – se dizer que tarefas de reconhecimento de padrões são encontradas em toda atividade inteligente.
A classificação é uma tarefa que consiste em associar dados a uma determinada categoria, como falha e não falha de um gerador, por exemplo. Existem diversas técnicas para tratar esse tipo de problema. Uma outra forma de entender no que consiste essa área é fazer uma alusão a problemas matemáticos. Classicamente é comum fazer equacionamentos do problema que se almeja resolver, isso consiste em uma abordagem tradicionalista, dita como determinística. A ideia por detrás do aprendizado de maquina é estocástica, pois ao invés de realizar – se equacionamentos específicos para o problema, pode – se deixar a “maquina aprender o comportamento a partir dos dados. A versatilidade dessa abordagem é a possibilidade da aplicação de técnicas não lineares para problemas deterministicamente complexos. Entretanto, enfatiza – se, que esse conjunto de técnicas dependem exclusivamente dos dados.
Os problemas de reconhecimento de padrões abordados nessa dissertação serão tratados como problema de classificação. Antes de se iniciar as fundamentações essa seção, é importante fazer algumas definições preliminares:
Atributo: é uma característica que possa descrever o problema a ser tratado. Por exemplo, altura, peso, quantidade de habitantes, ou ainda amplitude harmônica da corrente elétrica. Convenciona -se atributo como sendo a variável p e que o espaço de atributos échamado de RP;
Amostra: é a composição de um ou mais atributos que possam descrever aquele tipo de dado. Também chamado de vetor de entrada para as notações matemáticas, xn;
Rótulo: valor que define a que grupo (i.e., classe Ci) pertence aquela amostra. Por exemplo, Normal e falha de curto – circuito são duas classes distintas que rotulam todas as amostras do banco de dados. É comum quantizar -se esses rotulo, di, durante a formação do banco de dados, e.g., atribuir valor numérico a classe normal e 2 a classe de falha;
Treinamento e parametrização: Esses termos fazem alusões ao processo de identificação automática do modelo por parte do modelo por parte do método de aprendizagem de máquina. Pode ser recursivo, aonde cada amostra produz um sinal de erro que servirá para ajuste ou em lote (do inglês batch), na qual o modelo é estimado com todos os dados de uma vez só. Há diferenças operacionais, vantagens e desvantagens entre esses tipos e serão discutidas adiante;
Teste: é o momento que se apresentam dados não utilizados na etapa de treinamento para avaliar a capacidade do método em generalizar o “conhecimento” obtido.
Classificador: método ou algoritmo que realiza a classificação da amostra, xj como sendo da classe Ci.
Função discriminante: é a função mapeada pelo classificador para realizar a classificação do vetor de entrada.
Hiperespaço: é o espaço n – dimensional de projeção dos dados de entrada.
Hiper parâmetros: são parâmetros inerentes a cada um dos classificadores que precisam ser definidos a priori do treinamento. É comum nessa área serem adotadas passos, i.e., heurísticas, para a seleção desses valores.
Estado da arte de aplicações em maquinas rotativas
Em termos de aprendizado de maquinas o campo de reconhecimento de padrões visa a identificação automática de regularidade em dados, a partir do uso de algoritmos que possam descrever o comportamento dos dados e realizar tarefas de classificação (BISHOP 2013). Há diversos métodos para diferentes aplicações na literatura e a vantagem da utilização de métodos de aprendizado de maquina reside na possibilidade de adaptação à necessidade do problema em questão.
As redes neurais artificiais têm sido utilizadas para a detecção de problemas em caixas de engrenagens de aerogeradores por Yang, Li e Wang (2008). A utilização de 9 sensores de vibração instalados no gerador, em conjunto com decomposições de Wavelet provê capacidade de auto – adaptação e identificação de problemas no sistema mecânico de engrenagens (YANG; Li; Wang,2008).
Jus et al. (2011) realiza diagnostico do gearbox, gerador e sistema hidráulico de duas turbinas instaladas em um parque eólico, combinando informações provenientes do vento, potencia gerada, temperatura de diversas partes do equipamento e parâmetro de operação do equipamento e foi capaz de identificar 80% das condições defeituosas. Contudo, Ju et al. (2011) expressa que para poder generalizar a utilização da técnica é necessário maior quantidade de dados. Outras metodologias para analises generalistas em turbinas eólicas foram apresentadas em Na, Jiang e Li (2010), Manrique, Giraldo e Esmeral (2012), levando em consideração problemas gerais na turbina, sem forçar – se em um componente especifico, como o gerador elétrico.
Já a pesquisa de Tom, Capocchi e Capolino (2013) realiza um estudo para implementação de uma rede neural embarcada para identificação das falhas de curto – circuito entre espiras de um WRIG. O autor exibe um estudo preliminar sobre a implementação em um processador do tipo FPGA. Pesquisas como essa denotam que há uma mobilidade na comunidade cientifica em desenvolver – se sistemas de prognostico de falhas para geradores de indução.
Por outro lado, Asfani, Purnomo e Sawitri (2013) utiliza outras técnicas bastante populares a literatura, os métodos Bayesianos. Nesse caso a ideia é a identificação temporária de curto – circuito, exibindo se capaz de identificar desde que se utilizem um sensor de corrente para cada fase e um sensor de velocidade na ponta do eixo da máquina.
Tomando de mãos da técnica MCSA, oliveira, silva e Medeiros (2013) utiliza as harmônicas de curto – circuito segundo a equação de Penman et al. (1994) para treinar uma rede neural do tipo perceptor de multi camadas para identificar falhas no motor de indução gaiola de esquilo. O autor realiza, também, um estudo de relevância das harmônicas exibindo que nem todas as retiradas da equação Penman et al. (1994) foram relevantes para a rede neural. A metodologia para o treinamento e validação da rede é exibida em Oliveira (2014) e atingiu – se acerto médio de falhas acima de 80%, identificando 100% dos casos normais. Os erros cometidos pela rede neural proposta por Oliveira (2014) foram entre níveis de curto – circuito, mas se pensar que o objetivo é a detecção do curto incipiente, inda em formação, a rede obteve êxito de 100% em sua tarefa.
O trabalho de Oliveira (2014) motivou a pesquisa de Coelho et al. (2014), que propõe o uso de outras técnicas, como variantes da rede neural MPL, a ELM e MLM, e ainda técnicas baseadas na teoria do aprendizado estatístico como as maquinas de vetor suporte e suas variantes. Sua metodologia é exposta em Coelho (2015) e o autor consegue resultados da ordem de 98% de acerto. Vieira (2016), também, utilizou a pesquisa de Oliveira (2014) para projetar um sistema embarcado. Esse sistema foi baseado em processadores digitais de sinais, para identificar as falhas de curto – circuito entre espiras. Os autores obtiveram resultados que consideraram satisfatórios.
Em suma, a técnica de MCSA, combinada com as harmônicas de Penman et al. (1994), e com os métodos de aprendizado de máquina proporcionam uma abordagem promissora para detecção prematura de falhas de curto – circuito em maquinas de indução acionadas por conversores de frequência. A seguir são apresentadas explicações sucintas das técnicas de processamento de sinais utilizadas como extrator de atributos.
2.4 Técnicas de extração de atributo em sinais
A etapa de extração de atributos consiste em identificar informações presentes em um sinal. Essas informações, chamadas de atributos, podem ser quaisquer uma que descrevam quantitativamente ou qualitativamente um problema. Por exemplo, a média salarial, ou até amplitude da harmônica fundamental em uma sina periódica. É um a etapa extremamente importante na área de aprendizado de máquina, pois é uma das etapas de pré-processamento dos dados. A seguir, estão uma breve explicação das técnicas utilizadas nesse trabalho.
 2.5 Contribuição da pesquisa
A revisão bibliográfica realizada possibilitou identificar o espaço no qual a presente pesquisa está inserida, pois contribui com embasamento teórico e tendencias de estudos atuais. Mediante isso, as diretrizes desse trabalho são listadas a seguir:
O trabalho está alinhado com os planos mundiais para desenvolvimento da energia eólica, como também para o Nordeste brasileiro, em especial para o Ceará que é extremamente representativo para a matriz energética brasileira em termos de energia eólica.
Além disso, a escolha do gerador de indução gaiola de esquilo está pautada nas projeções futuras feitas por YARAMASU et al. (2015), e também está alinhada com as pesquisas de Lima et al. (2015). Então, isso torna o presente trabalho inédito para região, pois proverá um estudo que poderá ser utilizado pelos gestores dos parques eólicos locais para otimizar rotinas de manutenção e reduzir custos operacionais em geradores elétricos.
Será possível detectar as falhas utilizando apenas um único sensor de corrente e sem empregar o sensor de velocidade do gerador, em contrapartida aos trabalhos evidenciados na literatura. Isso tornará nosso sistema apto a trabalhar em geradores alimentados por conversores de frequência que já possuem embarcado em sua eletrônica um sensor de corrente elétrica. A solução proposta poderá ser disponibilizada para empresas que desenvolvem conversores de frequência para aerogeradores.
A analise dos dados proposta possibilitará a detecção prematura de falhas noSCIG, indicando ainda a severidade do defeito na maquina elétrica, refutando a afirmativa de Albizu et al. (2004) de que a utilização da técnica MCSA é valida para identificar anormalidades, porem=, carente para indicar intensidades.
3 Experimentos e aquisições de dados no SCIG
O aerogerador simulado neste trabalho é baseado na configuração descrita por YARAMASU et al. (2015), que consiste em u gerador de indução gaiola de esquilo, do tipo Full – scale e full – variável – Speed, ou seja, a máquina elétrica está apta a gerar energia elétrica em toda a faixa de operação de velocidade. Na figura 13 é exibido o diagrama do sistema de emulação do aerogerador.
Para realizar experimentos, utilizou – se um gerador de indução do tipo gaiola de esquilo (SCUG) com as seguintes características: 4 polos, potência mecânica de 1cv, eletricamente ligado em configuração de delta para tensão de alimentação de 220V, com corrente nominal de 3ª. As bobinas estatórica são alimentados por conversor de frequência trifásico com alimentação monofásica, CFW – 08 da marca WEG. Como maquina primaria (MP), acoplada mecanicamente ao gerador, utilizou -se um motor de indução com as mesmas características e ligações, e acionado por conversores de frequência.
O conversor de frequência que aciona a MP faz o papel do vento e irá propiciar velocidade variáveis a MP, lado marcado em azul na figura 13. A maquinas primaria faz o papel das pás da turbina eólica, provendo movimento rotativo ao eixo do gerador, que é marcado pelo lado verde na mesma figura.
O SCIG utilizado no sistema de aero geração emulado foi devidamente modificado para facilitar a inserção de curto – circuito entre as espiras. Os detalhes sobre esse procedimento serão expostos na secção 3.2. Os experimentos são comandados por um quadro de teste de curto em maquinas (QTCM), cuja a função é realizar ligações elétrica que emulem o processo de curto – circuito entre espiras do bobinamento estatórico. Há também módulos aquisição e envio de dados a um microcomputador, que possui uma interface gráfica para gerenciamento dos testes.
Os dados coletados com o sistema proposto conterão informações do SCIG operando em diferentes regimes de geração, submetidos a falhas ou não. Isso possibilitará criar uma base de dados em que será aplicada posteriormente técnicas de aprendizado de máquina para detecção prematura das falhas.
O protótipo do gerador
Para realizar os ensaios de curto – circuito, a máquina elétrica utilizada nos experimentos foi devidamente preparada por uma empresa especializada, pois sofreu processo de rebobinamento do seu circuito estatórico, tornando acessíveis as ramificações das bobinas por meio de terminais elétricos que permitem a inserções de curto – circuito entre espiras. A preparação da máquina foi realizada de uma forma que pudessem serem feitas emulações da evolução do curto – circuito, desde sua ocorrência incipiente, quase imperceptível, até situações severas de pré – degradação do bobinamento estatórico. A mesma máquina foi utilizada também por Oliveira, Silva e Medeiros (2013) em seus experimentos para detecção de falhas em motores elétricas, seguindo os mesmos critérios para emulação das falhas.
O esquema de ligações das botinas para inserção do curto-circuito é exibido na figura 17. Quanto ao tipo, os curto – circuitos se classificam como (i)Alta impedância (AI), pois há um caminho paralelo criado para a circulação de corrente elétrica, figura 17ª. Esse estado indica o curto incipiente, em momentos iniciais, pois parte do isolamento elétrico entre espiras está se deteriorando, criando um ramo secundário para passagem da corrente elétrica e sofrendo sobreaquecimento até que haja a ruptura total do isolante. A ruptura total do isolamento é emulada como exibido na figura 17b. Uma quantidade de bobinas é retirada do circuito elétrico da maquina e colocadas em curto – circuito pleno por meio de comandos elétricos. Plena lei de Faraday, uma tensão é induzida nos terminais dessa bobina, proveniente no campo magnético do restante das bobinas que permaneceram alimentadas. Esse comportamento é análogo a um ramo secundário de um transformador, e dar- se o nome a esse processo de curto – circuito de (ii) Baixa Impedância (BI).
É importante enfatizar que em todos os ensaios a corrente de curto é limitada ao valor da corrente nominal da máquina, por meio de uma resistência variável, cujo ajuste é feito mediante aferições em um amperímetro analógico. Isto se dá porque em situações reais de curto – circuito a corrente nas bobinas pode subir excessivamente ao ponto de danificar a máquina. Isso tornaria o ensaio destrutivo. Portanto, a emulação de BI e AI feita na máquina são, na verdade, um curto – circuito de baixa impedância, mas visto que um dos objetivos desse trabalho é a detecção incipiente de curto – circuitos, espera -se que se for possível identificar o curto BI emulado também será possível detecta – ló em condições reais.
Pode – se também escolher o curto – circuito que deseja emular em termos de intensidade, que representa quantidade de bobinas submetida á falha. Isso pode ser feito em três níveis conforme tabela 1. Os textos seguintes deste trabalho farão referência às falhas de curto – circuito pelas siglas AI - 1, AI – 2, AI – 3, BI – 1, BI – 2 e BI – 3. A primeira parte da sigla representa o tipo, baixa ou alta impedância, e a segunda parte a quantidade de espiras em falha. Por fim, há a possibilidade de inserção de 6 níveis diferentes de falhas no SCIG, resumidos na tabela 1. Ha também uma definição de escala evolutiva de serenidade. 
O grau de severidade do curto – circuito, estabelecido na tabela 1, é uma premissa para detecção do curto incipiente: identifica -ló em situações iniciais. A pesar de Albizu et al. (2004) indicar que com a técnica MCSA não é possível identificar a severidade de curto – circuito entre as espiras, acredita – se que com a metodologia proposta nesse trabalho seja possível refutar essa afirmativa, exibindo que é possível identificar curtos incipientes.
A emulação da falha quanto a numero de espiras é feita por meio dos terminais da máquina, exibidos na figura 18. A escolha do tipo de curto é feita com o auxilio do QTCM e os detalhes do esquema elétrico estão no apêndice A.
ESTUDO DA MAQUINA DE INDUÇÃO DO TIPO “GAIOLA DE ESQUILO” NA GERAÇÃO EÓLICA COM FREQUENCIA DE ALIMENTAÇÃO VARIAVEL
4. Descrição da solução proposta
Estrutura da máquina de indução
O rotor do tipo “gaiola de esquilo” não possui conexões externas, ao contrário do rotor tipo bobinado, pois o material condutor está fundido internamente ao núcleo. O rotor pode ser dividido em quatro estruturas principais: o eixo, o núcleo ferromagnético, as barras de material condutor e os anéis de curto – circuito.
Principio de funcionamento da máquina de indução
O principio de funcionamento da maquinas de indução se baseia na indução de corrente elétrica nas bobinas do rotor, devido à variação do fluxo magnético incidente nas mesmas. Ao invés de gerar um campo eletromagnético fixo com amplitude variável no tempo, cria – se um somatório de vetores de campo que resultam em um campo girante. 
Isso é possível visto que os enrolamentos das bobinas do estator estão dispostas de modo a criar mais de dois polos magnéticos, e a variação da intensidade do campo magnético representado por esses polos produz um efeito girante. A força magnetomotrizes resultante, possui um comportamento giratório, pois a amplitude do vetor resultante irá variar com o tempo e com o ângulo. A frequência das correntes elétricas que alimentam esse campo irá determinar a velocidade de rotação do mesmo.
A velocidade do campo girante, resultante é chamada de velocidade síncrona, pois é sincronizada com a frequência da rede, e pode ser calculada como função do numero de polos e pela frequência do sinal. O rotor é atravessado pelo campo eletromagnético gerado, a variação deste induz o surgimento de uma corrente elétrica nas bobinas do rotor, esta por sua vez produz um campo magnético contrario a variação, de velocidade,conforme afirmado pela lei de Lenz. A corrente induzida no rotor sobre a influência do campo magnético gera uma força sobre o rotor com sentido igual ao de rotação do campo magnético, provocando movimento no rotor. 
O modo de operação da maquina de indução é definido pelo escorregamento e pode operar como gerador, motor ou como sistema de frenagem.
Em seu funcionamento como motor, o rotor gira no mesmo sentido do campo girante do estator, mas sempre a uma velocidade menor. Essa velocidade será dependente da frequência da rede. A função do motor é produzir trabalho a partir da energia elétrica fornecida nos terminais da máquina.
Seu funcionamento como freio ocorre no momento em que o rotor gira no sentido contrario ao campo girante, a tendencia do rotor é seguir o campo girante com isso será gerado um torque contrario a rotação do eixo. Esse modo de operação é mais usado em sistemas de frenagem de veículos.
A utilização de maquina de indução como gerador é o enfoque deste trabalho e será analisado com mais detalhes posteriormente. Para que a energia elétrica seja gerada por essa máquina, a velocidade de rotação do eixo deve ser maior que a velocidade síncrona, representado pelo escorregamento negativo.
Modelo equivalente da máquina de indução
O circuito equivalente de uma máquina elétrica é uma ferramenta que ajuda na previsão do comportamento do sistema. Através dele é possível calcular os parâmetros da maquina e assim obter as grandezas de interesse, tal como: potência elétrica de entrada ou saída; parcela de energia referente às perdas na máquina; rendimento da máquina; fator de potência; corrente nominal.
Existem alguns tipos de modelos equivalentes que são utilizados para essa finalidade, como o modelo IEEE, o modelo completo ou modelo aproximado. O modelo utilizado nesse trabalho será o recomendado pelo IEEE.
O circuito equivalente de uma máquina de indução, ao contrario do modelo equivalente de um transformador, é dinâmico, pois seus parâmetros irão variar com o aumento da velocidade do rotor. À medida que a velocidade do rotor se aproxima da velocidade síncrona, a variação do campo magnético aplicado no rotor se aproxima da velocidade síncrona, a variação do campo magnético aplicado no rotor diminui e consequentemente a corrente induzida no rotor diminui.
V1 – tensão de fase aplicada ao enrolamento do estator (V);
R1 – Resistencia das bobinas do estator por fase (Ω);
E1 – Tensão induzida nas bobinas do estator por fase (V);
I1 – Corrente de fase do estator (A);
I0 – Corrente de magnetização por fase (A);
I’2 – Corrente de fase do rotor refletida no estator (A);
X1 - Reatância de magnetização (Ω);
X2 – Resistividade do material (Ω);
Xm – Reatância de magnetização (Ω);
R2 – Resistencia do rotor refletida no estator (Ω);
S – Escorregamento.
Os parâmetros do circuito equivalente são calculados com base nas condições obtidas em uma sequencia de ensaios. Os ensaios são realizados na maquina operando como motor, pois dessa forma é possível quantificar a energia gasta, a energia gasta para vencer o atrito com a estrutura e com o ar. Os realizados para obtenção dos parâmetros são:
1. Medição da resistência do enrolamento do estator;
2. Ensaio a vazio;
3. Ensaio com rotor bloqueado.
O ensaio da obtenção da resistência R1 consiste na aplicação de corrente continua nos terminais da máquina e então medido a tensão gerada entre eles. Entretanto o valor medido não é a resistência da bobina de uma das fases, mas do conjunto das bobinas ligadas em delta dentro da máquina, como apresentado na figura 4.6:
Como o circuito equivalente a ser utilizado considera as bobinas ligadas em estrelas, a resistência R1 utilizada no modelo deve ser três vezes menor que o valor obtido por esse ensaio.
O ensaio a vazio consiste na obtenção dos parâmetros de magnetização do estator e perdas rotacionais. Como o torque contrario a rotação do rotor não representa um valor significativo, pode – se considerar que ele gira com velocidade igual á velocidade síncrona do estator, de forma que o escorregamento é nulo. Para um escorregamento nulo não há indução eletromagnética no rotor.
Esse ensaio é realizado pela aplicação da tensão de fase com frequência nominal nos terminais da máquina, mantendo o eixo doo rotor livre para se movimentar. O diagramado ensaio com os instrumentos já posicionado é apresentado na figura 4.7:
As medições realizadas pelo amperímetro e pelo wattímetro irão fornecer a potencia e a corrente de entrada. As perdas rotacionais podem ser calculadas aplicando os dados medidos na equação (12), (7):
Prot = PNL – 3I2R1 {12}; F(θ) = Nia cosθ + Nib cos (θ – 120°) + Nic cos (θ + 120°) {7}.
Onde:
Prot – perdas rotacionais (W);
PNL - Potencia a vazio medida no wattímetro (w);
I – Corrente de entrada medida no amperímetro (A);
R1 – Resistencia do enrolamento do estator obtida no ensaio anterior (Ω).
F – Força magnetomotrizes (Ae);
I – Corrente circulando pela bobina (A);
N – numero de espiras na bobina;
Θ – angulo entre a normal da bobina e o ponto de analise (radianos);
A impedancia de entrada da maquina a vazio consiste na soma da resistencia de entrada mais a soma das reatancias de dispersão do estator e da reatancia de magnetização da maquina. Para o calculo da impedancia de entrada, utiliza – se a tensao de alimentação da maquina dividido por raiz de 3, pois o modelo considera um circuito monofasico, dividido pela corrente medida no amperimetro, como descrito pela equação (13):
ZNL = V1 / I
Onde: 
ZNL - impedancia de entrada a vazio (Ω);
V1 – tensão monofásico aplicada aos enrolamentos do estator (V);
I – Corrente de entrada medida no amperímetro (A).
A resistência de entrada é calculada aplicando a potencia a vazio medida pelo wattímetro na equação (14):
RNL = PNL / 3I12 {14}
Onde;
PNL – potencia a vazio medida no wattímetro (w);
RNL – Resistencia de entrada a vazio (Ω);
I – Corrente de entrada medida no amperímetro (A);
Agora que se conhece o valor de impedância total de entrada e o valor da resistência a vazio, é possível calcular o valor de reatância total de entrada, utilizando a equação (15):
XNL = √ ZNL2 – RNL2 {15}
Onde: 
ZNL – impedancia de entrada a vazio (Ω);
RNL – Resistencia de entrada a vazio (Ω);
XNL – Reatância de entrada a vazio (Ω);
O ensaio com rotor bloqueado é necessario para definir os parametros da maquina referente ás reatancias de dispersão do estator e rotor da mauina de indução. Nesse ensaio, o rotr é travado para o que valor da velocidade de rotação do rotor seja 0, dessa forma, conforme a equação (11), o valor do escorregamento será igual a 1.
Aplica – se no terminais da maquina sua corente nominal, para simular seu funcionamento em regime de operação. A frequencia da alimentação tambem deverá ser ajustada, pois as impedancias são condicionadas por essa frequencia.
A corrente induzida no rotor, em condiçao de operação, apresenta frequencia menor que a freqeuncia de alimentação, proporcional ao valor do escorregamento. Para que os valores de indutancia calculados por esse ensaio sejam proximos aos valores reais em condiçoes nominal, o IEEE recomenta uma freqeuncia igual a 25% da freqeuncia nominal.
4.1.4. Equacionamento da maquina de indução com base no circuito equivalente
O circuito apresento na figura 4.5 pode ser usado para se calcular as caracteristicas de performance da maquina de indução, como por exemplo, torque, rendimento, potencia gerada, perdas e fator de potencia (6). Esse calculo é realizado, principalemtne, com base nos valores das correntes do estator e do rotor, que podem ser obtidos Atraves da aplicação do metodo das malhas proveniente da lei de Kirchhoff das tensoes. A aplicação desse metodo no circuito equivalente da maquina de indução é exemplificado na figura 4.8:
Apos a aplicação do metodo das malhas o seguinte sistema de equaçoes é obtido:
A solução desse sistema apresenta os fasores das correntes do estator (I1) e do rotor (I’2), o que permite a dedução do sentido de circulação dessas correntes. Relembrando que s representa o escorregamento, que é a diferençaentre a velocidade do rotor (nr) e a velocidade do cmapo magnetico girante (ns), qunado nr se torna maior do que ns , ou seja (s<0), o torque magnetico proveniente desse campo atua para frenar o rotor, o que ocasiona a inversão do sentido daa correntes e I’2.
A soa das correntes e I’2. Resulta em uma terceiro que apresentada a corrente de magnetização da maquina de indução (I0). Essa corrente circula pela indutancia Xm, gerando uma tensao induzida E1 e é defasada em relação a tensao de alimentação V1 em 90°. As componentes elétrics e o fluxo de potencia do motor de indução são apresentados a seguir:
Espera – se que essa mauina gere potencia mecanica no rotor, sendo essa potencia o resultado da potencia eletrica inserida nos terminais menos as perdas eletricas nos condutores, perdas magneticas e perdas por atrito e ventilação, conforme apresentado na figura 4.10. Além disso, ela pode ser decomposta em dois fatores: o torque eletromagnetico induzido no rotr e a velocidade de rotação do proprio. Logo, a potencia mecanica é descrita matematicamente pela seguinte equação:
Pmec = Tmec * ωmec (18)
O torque gerado no eixo da maquina de indução, que é indicado na equação 18, tende a manter o rotor girando com velocidade proxima á velocidade do campo magnetico girante. Ele pode ser calculado a partir dos seguintes parametros eletricos do circuito equivalente: a resistencia R2, a corrente e o escorregmento s. Portanto, o torque é descrito matematicamente pela seguinte equação:
Outra caracteristica importante para analisar a operação da maquina de indução é o fator de potencia, uma vez que seu valor é a proporção de potencia ativa requerida pela maquina em relação á potencia aparente. O fator de potencia é dado pelo cosseno do angulo da impedancia equivalente do circuito da figura 4.8 ou pelo cosseno do angulo da corrente de entrada da maquina, como se segue:
FP = cos (θ1) (20)
A ultima caracteristicas de performance da maquina de indução a ser avaliada é a eficiencia dela, que quantifica o percentual de energia cinetica que foi efetivamente convertida em energia eletrica. O seu calculo é definido como a divisão da potencia de saída pela potencia de entrada da maquina, como se segue:
4.1.5. A operação da maquina de indução como gerador
O motor de indução pode ser ajustado de forma que a velocidad dosistema nr é maior que a velocidade síncrona ns, e dessa forma produz um escorregamento de valor negativo. O torque eletromagnetico originado na situação de escorregamwento negativo atua para frenar o rotor, o que ocasiona a inversãodo sentido das correntes I1 e I’2. As figuras 4.11 e 4.12 demostram os sentidos das correntes da maquina de indução na operação como gerador:
Ao se comparar os diagramas fasoriais dos modos de operação como motor e como gerador da maquinas de indução, observa – se que a parte imaginária da corrente do estator (I1), representada pela corrente de magnetização (I0) não altere, já a parte real, representada por I2 sofre inversçao de sianl, o que pode ser associado ao fluxo de potencia ativa do gerador que flui de dentro para fora. O modulo da corrente porduzida pelo gerador é função do valor do escorregamento, pois o aumento da diferença entre as velocidades síncrona e do rotr leva ao aumento do torque para tentar igualar essas velocidades, gerando correntes mais altas.
A tensao induzida no motor (E1) está relacionada ao s valores de correntes I1 e I2 da maquina de indução e nessa situação será maior que a tensao aplicada aos terminais do estator, devido á inversão do sinal das correntes. O valor da E1 pode ser calculado conforme apresentado na equação (22).
A potencia ativa, no modo de operação como gerador, flui do rotor para os terminais da maquina e sofre perdas ao longo do processo de conversão de energia, como por exemplo as perdas nos condutores, as perdas por atrito e ventilação e as perdas nos nucleos ferromagneticos. Já a potencia reativa continua a fluir em direção ao rotor, devido ao processo de magnetização da maquin, conforme representado na figura seguinte:
O gerador tem a funçao de converter potencia mecanica emeletrica, dessa forma a analise da eficiencia de um gerador considera como entrada do sistema a energia mecanico no rotor e a energia produzida é a potencia eletica media nos terminais da maquna. Nota -se na figura 4.13 que a potencia de entrada é decomposta em potencia mecanica do rotor que é convertida em energia eletrica, calculada pela equação (18) e nas perdas mecanicas que estão relacionadas ao movimento do rotor como atrito do rotor com a estrutura da maquina e com o ar confinado no equipamento. Essas perdas devem der consideradas apara calculo da eficiencia, conforme apresentado na euqação (23):
4.1.6 Gerador de indução associado a um banco de capacitores
A maquina de indução do tipo gaiola de esquilo, quando empregada para função de geração de energia eletrica, é normalmente associada a um banco de capacitores, como apresentado anteriormente na figura 3.4. O conjunto formado pelo gerador de indução e pelo banco de capacitores é utilizado devido á demanda de carga reativa requerica pelo proprio gerador. Esse conjunto pode ser aplicado em redes interligadas ou em sistemas isolados.
No caso de redes interligadas, a operação do gerador com banco de capacitores ocorre em paralelo a grandes carga e outra fontes geradoras de energia, de forma que disturbios do gerador interferem de forma insignificante na tensao e frequencia da rede. Entretanto, o GI requer potencia reativa da rede, que pode ser compensada a partir do uso do banco de capacitores (10). O valor dos capacitores de um banco conectado em é calculado conforme a equação a seguir:
Cf - capacitancia por fase (F);
ΔQ – Potencia reativa a ser compensada (Var);
VL – Tensão de linha (V);
F – Frequência da rede (Hz).
4.1.7. A operação da máquina auto – excitada em sistemas isolados
A conexão do GI, em um sistema isolado, é uma condição utilizada para alimentação de cargas de baixa potencia que se encontram afastadas dos centros de carga e geração. Nesse contexto, o GI é instalado em conjunto com um banco de capacitores que representa uma fonte de potencia reativa, permitindo a operação do gerador, esse processo é chamado de auto – excitação (14). Essa topologia é demonstrada na figura 4.14:
O banco de capacitores, em sistemas isolados, é dimensionado com base na curva de magnetização do gerador. Essa curva relaciona a tensao de saída do gerador pela corrente de fase ao se aplicar um escorregamento igual a 0, ou seja, uma velocidade do rotor igual a velocidade síncrona. Sabe – se pela análise do circuito apresentado na figura 3.13, que haverá corrente fluindo apenas pelo ramo da reatancia de magnetização, pois a componente R2/s adquire valores muito grandes. A figura seguinte apresenta um modelo de curva de magnetização de uma GI:
Na figura anterior, a reta que cruza a curva de magnetização da maquina de indução, representa a curva tensao versus corrente do banco de capacitores. Os capacitores são dimensionados, de forma que o ponto de intersecção das curvas (representado por P) ocorra sobre o ponto nominal de operação da maquina e permite o processo de auto- excitação descrito a seguir:
O gerador de indução qunado acionado por uma força motriz, roduz uma tensao induzida nas bobinas do estator, mas de pequena magnitude, o que é possivel, pois existe uma magnetismo residual no rotor. A frequencia da tensao induzida é proporcional a velocidade de rotação do rotor e a sua amplitude depende da intensidade do magnetismo residual. A tensao induzida inicia o processo de auto – excitação, fornecendo uma corrente pequena ao banco de capacitores, este ao receber corrente proveniente do gerador,gera um valor pequeno de tensao, amplificando a tensao nos terminais do gerador. O processo de auto – excitação é acumulativo e a tensao do gerador é incrementada até o ponto P de operação e a corrente entre o banco e a maquina entao se estabiliza no valor nominal de magnetização (14).
O sistema auto – excitado de geração