Gerador de velocidade variável para aumento da eficiência energética em grupos eletrogéneos autónomos

Ricardo Jorge Ferreira Luís

Informações chave

Autores:

Ricardo Jorge Ferreira Luís (Ricardo Jorge Ferreira Luís)

Orientadores:

José Fernando Alves da Silva (José Fernando Alves da Silva); José Carlos Lourenço Quadrado (José Carlos Lourenço Quadrado)

Publicado em

14/07/2015

Resumo

Esta tese analisa e dimensiona o sistema de conversão comutada de energia a aplicar num grupo eletrogéneo (grupo gerador-Diesel) autónomo, que utiliza um gerador eletromecânico de velocidade variável. O sistema deve alimentar uma rede eléctrica isolada, com tensões equilibradas de valor eficaz constante a frequência fixa. Esta abordagem permitirá aumentar a eficiência energética do grupo eletrogéneo de velocidade variável, em relação aos de velocidade constante, ajustando o ponto de funcionamento do motor Diesel, para diminuir o consumo de combustível, de acordo com as variações de carga elétrica. O sistema de conversão comutada inclui um retificador trifásico comutado, um sistema de armazenamento de energia e um inversor trifásico de tensão de quatro braços. Desenvolvemse modelos dinâmicos destes subsistemas, acoplados ao gerador síncrono trifásico de magnetos permanentes e fluxo axial, considerando-se a alimentação de cargas lineares e não lineares, equilibradas e desequilibradas na rede isolada. Os resultados de simulação numérica ilustram as potencialidades do sistema e são confirmados pelos obtidos experimentalmente usando o sistema de conversão comutada construído e um grupo eletrogéneo de velocidade variável. Os resultados atestam a qualidade da forma de onda das tensões de saída para os tipos de carga considerados. Os resultados da análise de eficiência energética do grupo eletrogéneo de velocidade variável, mostram uma diminuição entre 40 a 10% do consumo de combustível para cargas inferiores a 15% da potência máxima do grupo. This thesis analyses and designs a switching power conversion system to be applied to a variable speed stand-alone Diesel generator set (gen-set). This gen-set uses a variable speed electromechanical generator and must supply an isolated electrical grid with three-phase balanced constant root-mean-square value voltages at fixed frequency. This proposed approach will increase the energy efficiency of the variable speed gen-set, comparing with the constant speed gen-set, by adjusting the Diesel engine operating point to reduce fuel consumption accordingly to the electrical loads. The developed switching power conversion system includes a near unity power factor threephase rectifier, an energy storage system and a four leg three-phase inverter. Dynamic models of these subsystems, coupled to the three-phase permanent magnet synchronous generator with axial flux, were developed and used to the isolated grid with linear and nonlinear, balanced and unbalanced loads. The numerical simulation results illustrating the variable speed gen-set capabilities are confirmed by experimental results obtained using the switching power conversion system built, coupled with a variable speed Diesel generator. Experiments confirm the voltage waveform quality characteristics using the above mentioned load types. The results of the variable speed gen-set efficiency analysis show that the fuel consumption decreases in the range from 40% to 10% when using electrical loads up to 15% of its maximum power.