Conversores de frequência em sistemas de bombeamento fotovoltaico

Edição 114 – Julho de 2015
Espaço IEEE
Por Frederico Morante, Albemerc de Moraes e Maria Cristina Fedrizzi* 

Um sistema de bombeamento fotovoltaico (SBF) pode assumir diversas configurações. Em todos os casos a finalidade é acionar uma bomba hidráulica centrífuga ou volumétrica para extrair água do subsolo. A energia elétrica provém de um gerador fotovoltaico que transforma a irradiância solar em eletricidade, porém, essa conversão intrinsecamente é realizada em corrente contínua. A bomba pode ser movimentada por meio de um motor de corrente contínua (CC) ou de corrente alternada (CA). No caso do uso de motor CC, de maneira mais simples este pode funcionar diretamente acoplado ao gerador fotovoltaico sem nenhum conversor ou seguidor solar intermediário. Uma configuração mais complexa inclui um conversor CC/CC que trabalha com ou sem seguidor solar. Além disso, existe a possibilidade de o motor ser ligado a uma bateria eletrolítica e, neste caso, é necessário utilizar um controlador eletrônico de carga.

A configuração com motor CA necessariamente utiliza algum equipamento eletrônico que converte a corrente contínua proveniente do gerador fotovoltaico em corrente alternada. Este equipamento pode ser um inversor CC/CA, ligado ou não a um seguidor solar, que fornece uma tensão variável. É também possível que este inversor seja ligado a uma bateria eletrolítica sendo obrigatório o uso de um controlador eletrônico de carga, com ou sem seguidor solar. Além disso, como forma de simplificar a configuração existe a possibilidade de utilizar conversores de frequência (CFs) como interface entre o gerador fotovoltaico e o motor CA.

Como pode ser notado, em algumas configurações se utiliza um seguidor solar cuja importância é constatada ao observar a curva característica V-I de um módulo fotovoltaico. Essa curva mostra que a maior quantidade de energia disponível acontece no denominado ponto de máxima potência (PMP). No entanto, este ponto não permanece fixo e pode mudar com a irradiância solar, a temperatura, a velocidade do vento, o sombreamento das células fotovoltaicas, etc. Portanto, uma das formas de realizar o ajuste dinâmico do PMP de um arranjo fotovoltaico é mediante o uso do equipamento eletrônico denominado seguidor de ponto de máxima potência (SPMP).

Entretanto, como consequência da evolução tecnológica dos SBFs tem surgido a possibilidade de utilizar motores de indução que, como é sabido, funcionam com corrente alternada. Cabe ressaltar que a viabilidade de uso de um motor de indução em SBFs está ligada fundamentalmente com a ampla utilização deste motor no setor industrial o que conduz a que sejam facilmente encontrados no comercio local. No caso do Brasil, embora algumas motobombas que utilizam este tipo de motor sejam importadas, existem aquelas fabricadas localmente. Por causa disso existe uma ampla rede de distribuição já consolidada junto à facilidade de assistência técnica e possibilidade de rápida substituição. De forma adicional, essas motobombas além de sua ampla difusão e baixo custo, têm como atributos positivos sua manutenção mais simples, alta confiabilidade, desenho robusto, pequenas dimensões, disponibilidade e alta eficiência.

Tudo isso não acontece com as denominadas motobombas solares desenhadas especificamente para trabalhar em SBFs. Por não serem fabricadas no país têm que ser importadas com um maior custo e manutenção ou substituição complicada, comparativamente às motobombas convencionais. Nesse contexto, o equipamento eletrônico que pode acionar esse tipo de motor utilizando a energia gerada por um arranjo fotovoltaico pode ser um conversor de frequência.

De acordo com a Figura 1, a tensão de entrada do conversor V_CF corresponde à tensão máxima do gerador fotovoltaico a qual pode ser mantida constante pelo CF através de seu controle PI (Proportional Integral Controller) ou PID (Proportional Integral Derivative Controller). Esta característica técnica permite que o CF mantenha a tensão de entrada V_CF por meio de uma referência externa de tensão acessível pelas entradas e saídas analógicas do equipamento. Os terminais de força do CF proporcionam uma tensão alternada trifásica V_MP que pode acionar um motor de indução e, consequentemente, uma bomba centrífuga. O controle do torque mecânico do conjunto motobomba é realizado aproveitando o fato de que este é diretamente proporcional ao quadrado da velocidade rotacional (T_P ~ n²) que por sua vez é linearmente relacionado com a frequência da tensão alternada (n ~ f => T_P ~ f²).

Figura 1 – Diagrama em blocos do funcionamento de um CF como interface entre o gerador fotovoltaico e o motor de indução.

O conversor de frequência é um equipamento também facilmente encontrado no mercado brasileiro devido a que é fabricado para aplicações com a rede elétrica convencional, principalmente no setor industrial, quando há necessidade de controle de uma variável de processo (pressão, nível, peso, vazão, etc.). A principal função deste equipamento é que a partir da tensão e frequência constante da rede é possível obter um sistema trifásico de frequência variável (Figura 2).

Figura 2 – Diagrama esquemático de um conversor de frequência.

Fundamentalmente, um CF permite controlar a velocidade de um motor de indução através da variação da frequência de alimentação. Devido a que utiliza a corrente alternada da rede elétrica possui uma etapa previa de retificação, portanto, a corrente continua proveniente de um gerador fotovoltaico pode ser ligada diretamente ao CF. Este fato possibilita variar a frequência de funcionamento da motobomba de acordo com a energia fornecida pelo gerador fotovoltaico. Assim, se a energia fornecida pelo gerador fotovoltaico em um determinado momento não permite manter a motobomba em funcionamento em sua frequência nominal (60 Hz), o CF diminui a frequência para que a motobomba continue funcionando, embora o volume de água bombeada d

iminua.

Em Marrocos, foram utilizados em 10 SBFs implantados na região semidesértica desse país. Esse projeto foi amplamente avaliado mostrando que o desempenho técnico destes equipamentos, em termos de eficiência e confiabilidade, é similar ao dos inversores convencionais. A comparação em termos dos custos de instalação e manutenção mostrou que existe equivalência em ambas as opções. Embora se tenha registrado a falha de um CF, estatisticamente isso foi considerado inexpressivo considerando a totalidade dos CFs utilizados e o tempo de funcionamento.

Contudo, o desempenho em campo dos conversores de frequência em projetos como o implantado em Marrocos tem mostrado alguns problemas relacionados com a incorreta adaptação desse equipamento aos SBFs. São basicamente três problemas, sendo o primeiro a instabilidade devida à súbita falta de irradiância solar. Nesse caso, o sistema pode deixar de funcionar quando a irradiância recebida pelos módulos fotovoltaicos diminui bruscamente devido, por exemplo, ao sombreamento pela passagem de uma nuvem. Um segundo problema verificado se relaciona com a deficiência do sistema que mantém o seguimento do ponto de máxima potência do gerador fotovoltaico. Isso se deve a que por razões de simplicidade um CF opera com uma tensão constante que, por causa da variação da temperatura, pode mudar a níveis que superam a margem de tolerância dessa tensão. Quando a temperatura aumenta o ponto me máxima potência se altera e o CF não consegue acompanhar de forma eficaz essa mudança.

O terceiro problema se relaciona ao sistema de controle do reservatório de armazenamento de água, quando está cheio, e do poço, quando não existe suficiente água para ser bombeada. O CF opera corretamente em condições normais de contar com um reservatório suficientemente grande para conter a água bombeada e de que nunca falte água no poço. Assim, esse equipamento deve ser capaz de detectar a alteração dessas condições com a finalidade de deter o funcionamento da motobomba. Como forma de contornar esses três problemas pesquisadores espanholes verificaram a possibilidade de utilizar um PLC (Programmable Logic Controler) também utilizado amplamente no setor industrial. Com a introdução deste equipamento programado com um algoritmo adequado verificaram a possibilidade do CF operar eficazmente diante a presença desses três problemas.

No Brasil existem alguns SBFs que funcionam utilizando conversores de frequência. Em todos os casos oferecem robustez e confiabilidade, no entanto, a utilização deste equipamento traz uma serie de novas questões a serem levadas em conta pelas pessoas envolvidas na implantação de SBFs nas áreas rurais do país. Embora CFs e PLCs ofereçam muitas vantagens, obviamente isso acabará tornando os sistemas de bombeamento fotovoltaico cada vez mais complexos obrigando de forma peremptória à formação de recursos humanos capacitados para enfrentar estes novos desafios. Assim com a finalidade de garantir a sustentabilidade dos empreendimentos que visam proporcionar água potável à população rural, deverão ser estabelecidas as ações necessárias para viabilizar a configuração baseada nestes equipamentos antes de sua ampla difusão.

*Frederico Morante e Albemerc Moura de Moraes são Universidade Federal do ABC (UFABC), do Programa de Pós-Graduação em Energia e membros do IEEE. Maria Cristina Fedrizzi é engenheira do Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos, do Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de São Paulo (IEE/USP).