Variação de tensão e o desligamento do inversor

Frequentemente os sistemas fotovoltaicos sofrem um desligamento repentino quando a geração alcança valores elevados, normalmente nos dias mais ensolarados, ocasião em que se entende que o sistema desempenhará suas funções com máximo benefício. Este problema tem ligação direta com a rede elétrica que conecta o inversor, já que a energia gerada precisa ter saída do inversor e ser injetada no ponto de conexão, tanto dentro da propriedade como na rede de distribuição elétrica.

Durante a instalação de um sistema fotovoltaico nós da LGL Solar recomendamos total atenção e cuidado, não somente aos componentes e suas respectivas etapas como também em todas as conexões do inversor, dos módulos e claro das stringbox. Os projetistas precisam ter atenção com as possíveis oscilações da rede elétrica, pois apesar de serem consideradas normais, em muitos casos os profissionais não notam a fragilidade ou mal dimensionamento de uma estrutura de tensão, o que pode afetar no funcionamento da operação programada no inversor.

A queda de tensão

Quando uma corrente elétrica percorre a resistência de um condutor, ocorre uma queda de tensão e por isso o quadro de distribuição recebe uma tensão menor do que realmente é entregue pelo poste da concessionária. Com o aumento do consumo a queda de tensão aumenta e o valor disponível no quadro de distribuição diminui mais ainda, principalmente se avaliarmos a qualidade do dimensionamento da instalação.

Quanto mais corrente circular pela instalação, maior será a frequência da queda de tensão e em casos de redes mal dimensionadas a queda da tensão é mais evidente e intensa pois devido a precariedade dos cabos a tensão disponível para as cargas internas sempre será reduzida com a circulação da corrente pelo circuito, como mostra a imagem acima.

A injeção de energia através do inversor faz a corrente elétrica presente no circuito abaixar a intensidade ou até zerar, por exemplo, em casos que a geração solar é igual o consumo interno. Mostraremos nas imagens abaixo que em situações que a demanda de geração de energia solar é muito grande a quantidade de energia injetada no inversor pode gerar uma corrente com sentido contrário. Em casos assim, a tensão no ponto de injeção será maior do que a tensão de entrada fornecida e pode exceder o limite de operação.

Quando o consumo interno é inferior à geração solar, ocorre exportação de energia. O fluxo de energia invertido causa o aumento (uma queda de tensão ao contrário) da tensão no ponto de conexão do inversor.

A seguir veja que se a queda de tensão diminuir, ocorre a elevação de tensão no ponto de conexão do inversor:

A presença de um sistema fotovoltaico causa a elevação da tensão devido ao fluxo de energia injetado pelo inversor. É uma queda de tensão ao contrário. A corrente consumida pelas cargas internas causa a redução da tensão (situação comum, mesmo quando não existe sistema fotovoltaico). A corrente injetada pelo inversor, por outro lado, causa o aumento da tensão do circuito.

Resistência

A resistência de um condutor é calculada através da fórmula:

ρ = a resistividade do material

L = comprimento do cabo

S = seção transversal (área)

Todos os materiais condutores são constituídos de uma resistência interna que varia conforme o metal, de cobre ou alumínio, a seção transversal, composta pela bitola do cabo e do comprimento deste cabo, que quanto maior for, maior será a resistência. Condutores finos dificultam a passagem da corrente elétrica o que também torna a resistência maior e em casos que a bitola seja pequena, temos o mesmo efeito.

Para os circuitos elétricos curtos a principal causa das quedas de tensão é a resistência, já os longos possuem quedas de tensão, causadas pelas reatâncias, resultados dos efeitos capacitivos e indutivos dos circuitos elétricos.

Cada cabo e seu respectivo material de fabricação possui características próprias chamadas de resistividade. A resistividade tem ligação direta com o cabo e sua resistência. Modelos mais completos das características de um cabo envolvem fatores chamados de capacitância e indutância, que são relacionados com a distância e a tensão entre os cabos e o meio que estão.

Impedância

São chamamos de impedância, a somatória dos efeitos de resistência, capacitância e indutância. Os cabos que conduzem corrente contínua não sofrem com capacitância e indutância, graças a natureza dos efeitos eletromagnéticos. Em casos de corrente alternada longas tanto a capacitância como a indutância não podem ser ignoradas, pois os efeitos alteram as quedas de tensão e as perdas de condução do cabo.

A impedância também pode ser significativa nas conexões elétricas. As conexões mal feitas ou indevidas possuem impedância significativa, que podem até mesmo causar uma perda elétrica em forma de aquecimento, originado pela perda da energia sobre a resistência do contato.

Termografia de uma conexão inapropriada e o consequente sobreaquecimento do cabo e do contato elétrico.

Queda de tensão

O cabo também causa uma queda de tensão entre os seus terminais.

Circuito equivalente de uma fonte alimentando uma carga com cabos de impedância diferente de zero.

Sempre que analisamos um circuito com dois condutores, é necessário levar em conta a perda de tensão na resistência do cabo 2

Acima temos:
a= 2 para circuitos monofásicos ou bifásicos
a=1,73 para circuitos trifásicos.

Em instalações comerciais não há muitas opções de materiais condutores, cabe ao projetista a escolha entre cobre e alumínio. O tamanho do circuito não pode ser ajustado livremente sempre, pois existem demandas físicas e de alocação dos dispositivos, portanto para controlar a queda de tensão em um circuito podemos escolher a seção transversal do condutor.

A norma de instalações elétricas de baixa tensão – NBR 5410 – prevê um limite máximo da queda de tensão em um circuito:

“6.2.7.1 Em qualquer ponto de utilização da instalação a queda de tensão verificada não deve ser superior aos seguintes valores, dados em relação ao valor de tensão nominal da instalação:

A – 7% calculados a partir dos terminais secundários do transformador MT/BT, no caso de transformador de propriedade da(s) unidade(s) consumidora(s)

B – 7% calculados a partir dos terminais secundários do transformador MT/BT da empresa distribuidora de eletricidade, quando o ponto de entrega for aí localizado,

C – 5% calculados a partir do ponto de entrega, nos demais casos de ponto de entrega com fornecimento de tensão secundária de distribuição.

D- 7% calculados a partir dos terminais de saída do gerador, no caso de grupo gerador próprio.”

Inversor e conexão à rede

Se conectado à rede elétrica o inversor recebe nos terminais a tensão disponível no ponto de conexão, já em casos de conexão direta ao padrão de entrada do consumidor, a tensão será mais estável no ponto de conexão, pois depende apenas das quedas existentes no circuito de distribuição da rede de energia elétrica da concessionaria. Quando o inversor é conectado a um ponto mais interno da instalação, a tensão do ponto de conexão do inversor pode variar conforme as quedas de tensão causadas pelas correntes elétricas. Lembramos que a tensão no ponto de conexão também varia dependendo da intensidade da corrente injetada pelo próprio inversor.

Se o inversor injetar uma corrente muito grande, a ponto de inverter o fluxo de energia, a tensão do ponto de conexão excederá além do valor encontrado no padrão de entrada do consumidor.

O limite para a tensão de operação de um inversor é definido pela norma NBR 16149, como mostramos na tabela abaixo.

A tensão na qual o inversor está autorizado a operar encontra-se na faixa entre 80% e 110% da tensão nominal da rede de distribuição, não deve ser menor do que 80% nem maior do que 110% da tensão nominal de fornecimento da concessionária. Cada concessionária possui uma tensão nominal de fornecimento e o inversor deve ser parametrizado de acordo com esta.

Caso o inversor injete muita energia e existam resistências ou impedâncias significativas na instalação, a tensão do ponto de conexão poderá elevar e exceder 110% da tensão nominal da rede, ocasionando o desligamento automático do inversor. Muito comum em dias de alta geração, o desligamento ocorre sempre nos dias e horários de maior intensidade da irradiação solar, gerando a desconexão do sistema fotovoltaico, justamente quando deveria gerar mais energia.

Conheça a LGL Solar e capacite-se! O conhecimento adequado para o projeto correto das instalações elétricas evitará quedas de tensão, e claro não podemos esquecer de citar a importância da parametrização do inversor, alterando os limites mínimo e máximo de operação, sem violar a norma NBR 16149.

Impedância nos transformadores X Queda de tensão

Os Sistemas solares fotovoltaicos com maior porte são tradicionalmente conectados à rede por meio de um transformador de acoplamento que aumenta a tensão nominal do sistema para o mesmo nível do fornecido pela concessionária. Transformadores também possuem uma impedância interna, que pode causar queda de tensão do ponto de vista do inversor.

Na imagem abaixo vemos o circuito equivalente de um transformador real com a indicação das impedâncias internas desse dispositivo:

Para a injeção de energia de um sistema fotovoltaico, a tensão do lado do transformador voltado para a rede interna, classificado como secundário e representado por Us, deve estar dentro da faixa operacional do inversor, ou seja, entre 80% e 110% da tensão nominal de fornecimento da concessionária.

Desligamento pela queda de tensão

Quando se instala um inversor num circuito de alta impedância, com cabos com seção transversal inadequada, conexões malfeitas ou transformadores de alta impedância, a tensão do ponto de conexão poderá ser fortemente elevada devido à impedância do cabo, aos maus contatos e à presença do transformador.

Se o aumento de tensão for considerável, ultrapassando 110% da tensão nominal da rede, caso a parametrização do inversor esteja correta, o inversor desligará automaticamente, função de proteção presente nos inversores que em algumas situações causa desligamentos indesejáveis. Este desligamento do inversor pelo mecanismo descrito acima, normalmente ocorre em horários de máxima geração – próximos ao meio-dia.

É possível identificá-los nas curvas de geração diária do aparelho afetado, conforme o exemplo abaixo:

Caso extremo de desligamento por elevação de tensão. O inversor conectado com um cabo de seção 1,5 mm² ao quadro geral, sem conformidade com a norma de instalação elétrica NBR 5410. A alta impedância do cabo causou a rápida elevação de tensão no início do dia, desligando o inversor até que a tensão voltasse a níveis aceitáveis ao final do dia.

Desligamento por elevação de tensão do inversor. Nesta instalação a impedância do cabo foi menos intensa do que na figura anterior.

Comportamento de geração de um inversor configurado erroneamente. A tensão média de fornecimento da concessionária é de 235 V e o inversor retratado acima estava configurado para operar em 220 V.

Como reverter este problema?

Primeiramente, o ideal é evitar tal erro certificando-se de estar qualificadamente apto para realizar uma instalação de sistema fotovoltaico. Caso você já seja um profissional da área ou deseja ingressar, conheça nosso curso e tenha o melhor conhecimento prático e didático do mercado.

Caso você já esteja enfrentando problemas especificados nesse artigo orientamos que para solucionar é necessário verificar se a tensão configurada no inversor é a mesma tensão de fornecimento da concessionária, pois o inversor somente deve operar dentro dos limites estabelecidos e citados neste artigo.

Intimamente relacionado com a impedância que o inversor enxerga do lado CA e, como mostrado anteriormente, as fontes de impedância vistas pelo inversor são: cabos, conexões e transformador, portanto, mantenha total atenção para que os cabos estejam dimensionados levando em conta o critério de queda de tensão descrito na norma NBR 5410 e assim minimize o risco de desligamento do inversor por elevação de tensão. Não esqueça que às conexões devem ser bem feitas, conforme as normas vigentes e periodicamente verificadas para que não haja nenhuma folga no aperto.

Enfatizamos que, caso a impedância interna do transformador ou dos cabos que ligam o transformador da planta fotovoltaica até o transformador da concessionária sejam muito altos, aplica-se o mesmo raciocínio da queda de tensão nos cabos.

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