Em um sistema eólico operando à velocidade variável, as vantagens em incorporar o controle otimizado ao projeto está na melhoria da eficiência na conversão energética e na redução dos esforços mecânicos, sendo que a informação sobre a velocidade do vento e/ou posição/rotação do eixo do gerador é essencial ao sistema de controle. Entretanto, a utilização de elementos para a medição direta destas variáveis, tais como anemômetros, tacogeradores, encoders e resolvers, pode representar um grande obstáculo à implementação de sistemas eólicos mais eficientes, robustos e baratos. O objetivo deste trabalho de pesquisa é o estudo de técnicas e métodos para o controle de sistemas de conversão de energia eólica utilizando uma filosofia “sensorless”. A eliminação da medição direta da velocidade do vento e da posição/rotação do eixo do gerador, reduzindo o número de sensores utilizados na implementação do sistema de controle, permitiria, além de uma substancial redução de custos, um aumento na robustez de um sistema de conversão de energia eólica, uma vez que tais sensores são extremamente caros e introduzem muitas incertezas no sistema. A redução do número de sensores em um sistema de controle consiste em uma perspectiva muito atraente do ponto de vista técnico e econômico para o projeto de sistemas eólicos, principalmente de pequeno e médio porte. Desta maneira, esta proposta consiste possivelmente em uma contribuição técnico-científica potencialmente inédita e inovadora.

Técnicas computacionais e experimentais são utilizadas com o propósito de identificar, caracterizar e avaliar as estratégias “sensorless” propostas para o controle para sistemas de conversão de energia eólica onde a própria turbina pode ser utilizada como anemômetro, eliminando-se a necessidade de um sensor específico para a medida da velocidade do vento. Uma estratégia proposta para esta finalidade é a estimativa on-line do sinal ótimo de referência de velocidade utilizando um observador de estados. A estratégia utilizada é a monitoração das componentes harmônicas produzidas pelas ranhuras do rotor, cuja filtragem proporciona um meio eficiente para estimar a velocidade do eixo da máquina. Devido à distribuição discreta da corrente pelo rotor em um número finito de ranhuras e às excentricidades inerentes da máquina, são induzidas tensões e correntes harmônicas no estator, cuja freqüência é proporcional à velocidade do rotor e independente dos parâmetros da máquina. A bancada utilizada consiste basicamente de um grupo motor-gerador e um conversor CA-CC-CA, um motor trifásico de indução, acionado por um inversor, é utilizado como fonte primária de energia mecânica de velocidade variável, simulando o comportamento da turbina eólica. Este motor é acoplado mecanicamente a outra máquina de indução, a qual será operada como gerador assíncrono. A precisão deste método é boa para a faixa de velocidades requerida pela aplicação, sendo robusto, de implementação simples e de baixo custo.

A execução dos algoritmos de controle requer a medição e aquisição em tempo real das variáveis elétricas do sistema. Adotamos o controlador (PID) para realizar o controle da carga do gerador e então avaliar seu rendimento. Utilizando a curva que relaciona o coeficiente  de torque Cq x λ pudemos obter o valor λótimo, sendo o melhor valor possível da relação entre o giro da turbina e a velocidade do vento. Obtido esse valor, asseguramos o valor ideal para a velocidade de giro da turbina e colocamos este valor na entrada do controlador para que este ajuste a carga no gerador de forma que o torque reacional que surge neste em função da carga controlada reduza ou aumente seu valor para que entre o torque ótimo no gerador, ou seja, aquele torque que proporcionará que o mesmo realize a melhor conversão energética possível independentemente da força de entrada da velocidade do vento. As medidas elétricas foram efetuadas por transdutores de efeito Hall e amplificadores diferenciais e processadas por filtros analógicos. Estes sinais analógicos foram convertidos em digitais e então enviados ao microcomputador, o qual executou o monitoramento das variáveis em tempo real e forneceu o valor das variáveis para as placas DSP para o controle. O gerador de indução assíncrono utilizado apresentou um bom desempenho e regime transitório sob condições variáveis de carga e acionamento primário. O uso de conversores estáticos ca/cc/ca garantiram a uniformidade na transmissão de energia para a rede.

Diante da filosofia sensorless adotada pôde-se observar que o torque do gerador, estimados por um observador, e o  torque oferecido pela realimentação do anemômetro no sistema estiveram bem próximos; o que indica que o modelo da turbina com o observador encontra-se correto e que o observador está estimando um valor próximo do real para o torque aerodinâmico. Pôde-se perceber também, que a velocidade do gerador com o observador não se diverge muito da velocidade ótima do gerador obtida sem o mesmo. A velocidade obtida só acusou um valor diferente devido a pequenas alterações feitas em constantes do sistema para o cálculo do observador mediante à exigências do compilador do software, porém este ainda encontra-se bem próximo do real e do desejado.  Em condições ideais, o valor máximo da energia captada por um rotor eólico é limitado pela eficiência em 59,3%. Na prática existe as perdas pelo rendimento aerodinâmico, rotor, transmissão, caixa multiplicadora e gerador. A eficiência atingida pelo sistema estudado atingiu cerca de 47%, o que é favorável se comparado com os 35% da energia térmica e 15% da energia fotovoltaica. Assim, o modelo dessa turbina controlada por um controlador PID continuará realizando a conversão de energia eólica à máxima eficiência, de forma mais barata e otimizada. Portanto, este novo modelo da turbina eólica com observador nos possibilitou eliminar o anemômetro, fazendo-nos cumprir o objetivo proposto inicialmente de minimizar os custos do projeto.