2.5.1 Geração com caixa multiplicadora com distribuição
O conceito de caixa multiplicadora com distribuição pode ser utilizado com a topologia de geração eólica tipo 4, para formar uma nova estrutura de geração. A caixa de engrenagens com distribuição tem sua entrada acoplada mecanicamente ao eixo da turbina eólica e há vários eixos de saída com alta velocidade. Dessa forma, é possível conectar vários geradores à mesma turbina eólica. Nessa topologia, o gerador síncrono de ímã permanente é o mais comumente
utilizado. Devido à caixa de engrenagens com distribuição e a múltiplos geradores, uma maior densidade de potência pode ser alcançada. Adicionalmente, caso haja uma falha em um dos conversores, os demais podem continuar a operar normalmente. A principal desvantagem é a complicação do sistema mecânico de transformação de velocidades. Um desenho esquemático de uma caixa multiplicadora com distribuição de quatro velocidades é mostrado na Figura 6.
Figura 6 – Topologia de geração eólica com caixa multiplicadora com distribuição
Fonte: adaptado de Yaramasu et al. (2015).
Uma aplicação comercial desta topologia pode ser encontrada na turbina eólica Clipper Liberty C96 de 2,5 MW.
2.5.2 Gerador conectado à turbina através de conversor mecânico
Alguns autores chamam esta topologia de tipo 5, apesar dessa nomenclatura não ser unânime. Ela consiste em acoplar um gerador síncrono de rotor bobinado a uma turbina eólica por intermédio de uma caixa multiplicadora e um conversor mecânico de velocidade e torque (POLINDER et al., 2013). Esse conversor é semelhante a uma transmissão automática de um automóvel cuja função é manter o eixo do gerador na velocidade síncrona. Esse é um conceito bastante antigo para turbinas eólicas, em que a operação de velocidade variável é obtida pelo conversor mecânico em vez do conversor elétrico. O gerador opera na velocidade síncrona e é diretamente conectado à rede elétrica. Essa topologia é apresentada na Figura 7. A vantagem nessa topologia é a ausência de qualquer conversor de potência elétrico, enquanto a desvantagem é o complicado sistema mecânico de conversão de velocidades.
Figura 7 – Topologia de geração eólica com gerador conectado à turbina através de conversor mecânico
Fonte: adaptado de Yaramasu et al. (2015).
Um exemplo de solução comercial usando esta tecnologia é a turbina DeWind D8.2 de 2,2 MW.
2.5.3 Gerador com caixa multiplicadora e conversor pleno
Essa topologia se assemelha com a turbina eólica do tipo 4 em que toda a energia gerada perpassa dois conversores plenos CA/CC e CC/CA antes de se conectar à rede elétrica. A diferença é a utilização da caixa multiplicadora de velocidades entre a turbina e o gerador eólico. Nesse tipo de geração eólica a caixa multiplicadora tem uma taxa de conversão de velocidade baixa comparada com outras topologias, podendo inclusive ter apenas um estágio planetário (LISERRE et al., 2011). Esse conceito ganhou a atenção porque tem as vantagens de uma velocidade mais alta que o conceito de acionamento direto e um componente mecânico mais baixo que o conceito de caixa multiplicadora de múltiplos estágios. A máquina elétrica utilizada pode ser o gerador síncrono de ímã permanente ou o gerador de indução com rotor em gaiola. A topologia descrita é ilustrada na Figura 8.
Essa tecnologia pode ser entendida como um misto entre as turbinas dos tipos 1 e 4. As vantagens e desvantagens dessa topologia dependem de qual o objeto de comparação. Quando comparada ao GIDA tem como pontos positivos possuir uma caixa de engrenagens mais simples e, portanto, com menor taxa de defeitos; a ausência de escovas e anéis coletores; e uma maior capacidade de atender às exigências dos códigos de rede frente às faltas da rede elétrica. Se a comparação for com a turbina do tipo 4, como a velocidade do eixo do gerador é maior, é possível a utilização de uma máquina elétrica com menor quantidade de polos e, dessa forma, com menor diâmetro do rotor e melhor eficiência energética.
Figura 8 – Topologia de geração eólica com caixa multiplicadora e conversor pleno
Fonte: autoria própria.
As desvantagens com relação à turbina do tipo 3 são: a utilização de um conversor dimensionado para 100% da potência do gerador em vez de apenas 30%, aumentado o custo e reduzindo a qualidade da energia gerada e aumento nas perdas elétricas no conversor, visto que toda potência gerada passa através dele. Com relação à turbina do tipo 4, a desvantagem é a utilização da caixa multiplicadora.
Os exemplos de turbinas comerciais que utilizam esse conceito são Multibrid M5000 de 5 MW; WinWinD WWD-3 D90 de 3 MW; e General Electric GE 2.5-103 com 2,5 MW.
2.5.4 Gerador de indução duplamente alimentado sem escovas
Uma desvantagem da topologia do gerador de indução duplamente alimentado é a utilização de escovas e anéis deslizantes. Esses materiais aumentam muito os custos com a manutenção devido ao desgaste das escovas e ao acúmulo de carbono nos componentes internos. Dessa forma, uma topologia foi desenvolvida para usar uma estrutura semelhante ao GIDA sem o uso de escovas: gerador de indução duplamente alimentado sem escovas. Gowaid
et al. (2013), Neves et al. (2012) e Löhdefink, Dietz e Möckel (2015) apresentam essa topologia
com duas máquinas de indução enquanto que Strous, Polinder e Ferreira (2017) e Mcmahon et
al. (2006) utilizam apenas uma. Na Figura 9 é apresentada a topologia com duas máquinas para
Figura 9 – Topologia com gerador de indução duplamente alimentado sem escovas
Fonte: autoria própria.
Nessa topologia, o gerador principal está diretamente conectado à rede elétrica e é o responsável pela geração de energia. O estator da máquina de controle é ligado à rede através de um conversor que tem a função de controlar a potência reativa e a velocidade para extração da máxima potência ativa. O rotor de uma máquina é acoplado ao outro rotor tanto mecânica como eletricamente. Caso apenas uma máquina fosse utilizada, que é a tecnologia mais aceita atualmente, ela seria constituída de apenas um rotor e dois enrolamentos de estator, cada um com uma quantidade distinta de números de polos.
Similarmente à topologia do GIDA, o conversor de eletrônica de potência é dimensionado para apenas 30% da potência nominal do gerador. Além disso, a operação e o controle das duas topologias são muito semelhantes. A vantagem da estrutura apresentada nesta subseção em comparação com a turbina do tipo 3 é a ausência de anéis e escovas, diminuindo, dessa forma, a periodicidade da manutenção e seus custos. Contudo, o princípio de operação da máquina e sua montagem são relativamente mais complexos e há uma necessidade de espaço maior devido ao enrolamento adicional de estator. Alguns recentes estudos relatam que o GIDA sem escovas é propenso a vibrações adicionais e uma qualidade de energia reduzida. Não obstante, vários estudos estão sendo realizados atualmente para superar essas desvantagens.
Algumas máquinas foram recentemente produzidas utilizando o conceito de gerador de indução duplamente alimentado sem escovas, incluindo uma de 70 kW no Brasil, uma chinesa
de 200 kW e uma de 250 kW fabricada no Reino Unido. Até o presente momento, nenhum fabricante de turbina eólica utilizou esta topologia para geração maior que 1 MW.