Estudo e desenvolvimento de gerador eólico síncrono de ímãs permanentes com estator modular - Oliveira, Jefferson Alves (2019)
As metas de redução da dependência de recursos fósseis e a crescente demanda por energia têm impulsionado investimentos na aplicação de fontes alternativas de energia. Inserido nesse contexto, este trabalho apresenta uma proposta que consiste no projeto, análise e construção de um gerador síncrono de ímãs permanentes com estator modular, conectado à rede por meio de um conversor CA/CC/CA. Essa proposta tem como principal diferencial o fato de o gerador elétrico ser construído nas extremidades das pás da turbina eólica, que por sua vez está inserida em um concentrador eólico que aumenta a velocidade do vento na turbina e, consequentemente, a potência convertida. Desse modo, a principal contribuição científica desse trabalho é o estudo e a análise, por meio da implementação de um modelo analítico, das possibilidades de modularização do estator para essa configuração de gerador e o projeto deste último. A modularização do estator tem como objetivo reduzir a complexidade da construção e da montagem, pois nessas circunstâncias o diâmetro do gerador aumenta a dificuldade da execução do projeto. O projeto é desenvolvido com base nas informações do potencial eólico, na curva de conjugado em função da rotação da turbina eólica, e conduzido de forma a avaliar o comportamento da variação dos parâmetros que compõem o projeto do gerador. O projeto da estrutura mecânica e aerodinâmica da turbina e do concentrador eólico não faz parte do desenvolvimento deste trabalho, de modo que são utilizadas apenas as informações relativas às dimensões para o encaixe do gerador síncrono e à curva de conjugado em função da velocidade de rotação da turbina eólica. São apresentadas três propostas para os módulos do estator juntamente com os procedimentos adotados para o seu dimensionamento preliminar. Essas propostas são avaliadas com relação ao volume de ferro e de cobre e à estimativa de perdas em ambos. A modelagem analítica que utiliza o método de subdomínio é implementada e a partir das formas de onda das componentes radial e tangencial e da densidade de campo magnético são calculadas as indutâncias, a tensão induzida, a reação da armadura e o conjugado eletromagnético. Os módulos propostos são simulados pelo método de elementos finitos, e os resultados obtidos são comparados com aqueles encontrados na modelagem analítica. A partir do dimensionamento preliminar e com base na validação dos resultados obtidos pelos métodos analítico e de elementos finitos, é desenvolvido o projeto mecânico do protótipo e da estrutura de sustentação para testes em laboratório. Os métodos de fabricação das peças e as etapas de montagem do protótipo e da estrutura de sustentação são apresentados. Os testes experimentais são conduzidos de forma a validar os resultados obtidos pelos métodos analítico e de elementos finitos. Os resultados experimentais mostram que existem diferenças com relação aos modelos desenvolvidos na fase de projeto e a fonte dessas diferenças são discutidas ao longo da análise dos resultados. Apesar das diferenças encontradas na fase experimental, são realizadas adequações com relação à operação do protótipo que fazem o mesmo atingir os objetivos estabelecidos previamente de conjugado e de potência.