Autor: Eng. Joel Pugas Martins -Gerente técnico da JPA Smart Energy
Um dos problemas mais comuns em instalações de sistemas fotovoltaicos com uso de inversores tipo “on-grid”, ou seja, conectado à rede elétrica de distribuição é a elevação da tensão no ponto de conexão do inversor com a rede interna do consumidor. Para alguns fabricantes de inversores é considerado o maior motivo de reclamação, com alegação de mau funcionamento ou defeito do inversor.
Por questão de segurança e para preservar a integridade dos equipamentos o inversor “on-grid” possui um protocolo interno que no caso de sobretensão no lado da C.A., exatamente no ponto de conexão, este automaticamente se desconecta da rede e para de funcionar instantaneamente. O inversor passa então a mostrar mensagem de erro no funcionamento devido à sobretensão no lado da C.A. O instalador então faz a leitura da tensão da rede e observa que está normal, ou seja, está dentro da faixa de operação do inversor e também dentro da tolerância estabelecida pela concessionária local (no nosso exemplo, 209 a 231V). A conclusão que parece óbvia para o instalador, mas precipitada, é que o inversor está falhando. Porém se o instalador tivesse o cuidado de fazer a leitura da tensão do lado da C.A., com o inversor ainda ligado, momentos antes da desconexão por sobretensão iria perceber que a tensão no ponto de conexão do inversor com a rede começa, sem explicação aparente, a subir até ficar fora da faixa normal de operação e atingir o valor que o faz se desconectar e parar de funcionar.
Foi exatamente esse problema que ocorreu em uma recente instalação que fizemos numa chácara alimentada através de um padrão de entrada trifásico de 127/220V e demanda contratada de 30kVA. Uma instalação muito comum e típica em residências de médio padrão. Fizemos então um estudo técnico minucioso e descobrimos que na verdade não era mau funcionamento do inversor e nem falha na tensão contratada da concessionária local, e sim falha no dimensionamento dos cabos utilizados, não do sistema FV, mas no circuito alimentador da chácara, já existente. Um erro muito comum é dimensionar os cabos somente pelas correntes nominais (de carga e de curto-circuito) e esquecer a queda de tensão que se torna crítica em circuitos muito longos, como era o nosso caso da chácara. Entre o padrão de entrada e o quadro de distribuição principal, que deve estar no centro de carga da área a ser servida, e no qual o inversor deve estar conectado, havia um comprimento de +/- 200 metros, e no cálculo da queda de tensão para esse trecho vimos que para mantê-la dentro do máximo aceitável de 5% da NBR-5410 a seção dos condutores dos cabos do circuito alimentador deveria ser maior que a que estava sendo usado. Atendia somente as correntes nominais, mas não o requisito de queda de tensão. Aí então vem a pergunta: Se estamos falando de queda de tensão, então por que encontramos elevação de tensão quando fazemos a medição no local onde o inversor está conectado e funcionando?
Para uma explicação bem ilustrativa vamos fazer uso dos diagramas fasoriais, e começamos mostrando uma instalação típica de uma residência com inversor “on-grid, na condição de ABSORVENDO energia da rede, como mostrado na figura 1. Vamos convencionar nesta explanação que o sentido da corrente mostrada nas figuras abaixo é o mesmo da energia.
Fig. 1 – Instalação com fotovoltaico “on-grid” – ABSORVENDO energia da rede
Onde:
Ic – Corrente de carga Ii – Corrente de saída do inversor
Ir – Corrente da rede Vc – Tensão na carga
Vi – Tensão de saída do inversor Vr – Tensão da rede
Rl – Resistência ôhmica em C.A. Xl – Reatância indutiva do
do condutor da linha condutor da linha
Inver. – Inversor “on-grid”
Neste circuito temos os elementos básicos mais relevantes, como a carga que mais tipicamente é de natureza indutiva e adotada no nosso estudo aqui. A linha composta por todos os condutores, representada pelas parcelas de resistência ôhmica (Rl) e de reatância indutiva (Xl), cujos valores mais significativos são do circuito alimentador que nosso caso aqui é muito longo. A rede, que historicamente é a supridora de energia elétrica, no nosso estudo funciona como barramento infinito, pois temos uma geração própria, tipo fotovoltaica incorporada, representada aqui no nosso estudo pelo inversor “ on-grid’. A figura 1 mostra uma instalação típica em que o inversor fornecer toda a sua energia gerada para a carga (nada é exportada para a rede) e a carga ainda precisa de importar parte de sua necessidade da rede, ou seja, a instalação absorve toda a energia gerada pelo inversor e mais um pouco da rede. Situação essa ilustrada no diagrama fasorial da figura 2. Lembrando que a rede, suprindo a carga, a vê como de natureza indutiva, em que o ângulo de potência φc é negativo e mostra a corrente de rede Ir atrasada em relação a tensão de rede Vr.
No nosso caso aqui em estudo, trata-se de uma carga com demanda de 30kVA que pelas normas da concessionária exigiria um cabo com seção mínima de 25mm2 para o ramal de entrada. Se esse mesmo cabo fosse utilizado para o circuito alimentador, num trecho muito longo, isso poderia gerar uma queda de tensão muito acima do determinado pela norma NBR-5410. Nessa faixa de demanda, muito comum em projetos residenciais, os cabos dos ramais de entrada ficam mais ou menos nessa faixa de 16 e 25mm2, e a parcela ôhmica da resistência pode chegar até a 10 vezes a parcela da reatância indutiva, tornando esses projetos muito sensíveis na hora de dimensionar os cabos, levando-se em consideração a queda te tensão. Veja no diagrama fasorial da figura 2, como é grande a influência da parcela Rl na redução do valor da tensão na carga Vc, em relação à tensão da rede Vr.
Fig. 2 – Diagrama fasorial – ABSORVENDO energia ativa e reativa – Queda de tensão no ponto de conexão do inversor
Vamos ver agora uma situação em que há geração, mas com exportação do excedente de energia para a rede, ou seja, a carga não consegue absorver toda a energia gerada pelo inversor. O sentindo da corrente Ir se inverte e a instalação passa para a condição de FORNECENDO energia para a rede, como mostrado na figura 3.
Fig. 3 – Instalação com fotovoltaico “on-grid” – FORNECENDO energia para rede
É uma situação em que a carga dentro da residência não consegue consumir toda a energia gerada, então o excedente é exportado para a rede da concessionária, gerando os créditos para uso posterior. E numa situação extrema, que é até muito comum de acontecer, por exemplo, na hora de pico de insolação quando as pessoas normalmente estão fora de casa, praticamente toda a energia gerada é exportada, com o inversor a plena potência e com o valor da corrente de rede (agora invertida) Ir muito elevada. E curioso observar que é nesse momento que ocorre as tais falhas devido à sobretensão no lado da C.A. do inversor, ou seja, quando a instalação está na condição de FORNECENDO energia para a rede. Temos todos os mesmos elementos de antes, mesma rede, mesmo inversor, mesma linha, etc. só que agora com carga baixa e produção em alta, exportando energia para rede: a corrente Ir fica invertida. Então vamos ver agora como fica o diagrama fasorial que está mostrado na figura 4.
Fig. 4 – Diagrama fasorial – FORNECENDO energia ativa e absorvendo energia reativa – Elevação de tensão no ponto de conexão do inversor
Note que agora vemos a tensão Vc aumentada em relação à tensão Vr e uma similaridade na variação dessa tensão quando a instalação estava absorvendo energia da rede. Só que agora com a corrente Ir invertida ao invés de queda na tensão temos uma elevação da tensão Vc.
As concessionárias de uma maneira geral recomendam ou exigem que seus clientes limitem o seu fator de potência para não menos que 0,92, então estamos admitindo que o fator de potência da rede é a mesma da carga, o que faz o ângulo de potência φr = φc. Desta forma, e considerando as corrente Ir com o mesmo módulo, podemos dizer que o valor da queda de tensão observada na condição ABSORVENDO será igualmente observado na condição de FORNECENDO, só que aumentando a tensão Vc. Ou seja, queda de tensão quando a instalação exporta energia para a rede vira elevação de tensão no mesmo ponto de conexão do inversor. Vale lembrar que abordamos o problema de elevação de tensão, pois é o mais relatado, porém o inversor também pode ser desconectar da rede no caso de subtensâo que ocorre, por exemplo, devido à queda de tensão no ponto de conexão, quando a carga está consumindo muito acima do normal: toda a energia do inversor e mais uma quantidade enorme da rede, o que é muito raro de acontecer.
Podemos concluir então que ao se fazer um projeto de um sistema FV é muito importante garantir que toda a instalação existente atenda rigorosamente a todos os requisitos estabelecidos pela NBR-5410, e agora tomar mais cuidado com a queda de tensão nos circuitos existentes.