CONVERSORES DE FREQUÊNCIA, UMA SOLUÇÃO PARA DIMINUIR A DEPENDÊNCIA AOS EQUIPAMENTOS IMPORTADOS EM APLICAÇÕES DE BOMBEAMENTO FOTOVOLTAICO

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1 CONVERSORES DE FREQUÊNCIA, UMA SOLUÇÃO PARA DIMINUIR A DEPENDÊNCIA AOS EQUIPAMENTOS IMPORTADOS EM APLICAÇÕES DE BOMBEAMENTO FOTOVOLTAICO ALAAN UBAIARA BRITO E ROBERTO ZILLES PROGRAMA INTERUNIDADES DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENERGIA LABORATÓRIO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INSTITUTO DE ELETROTÉCNICA E ENERGIA- UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO. AV. PROFESSOR LUCIANO GUALBERTO, 1289 CIDADE UNIVERSITÁRIA - CEP SÃO PAULO SP TELEFONE: FAX: ALAAN@IEE.USP.BR E ZILLES@IEE.USP.BR 1. RESUMO Ao longo do tempo, os sistemas de bombeamento fotovoltaicos foram adquirindo um certo descrédito, pois apesar desta aplicação ser eficiente, confiável e economicamente competitiva, constata-se que muitos dos SBF ficam inoperantes em um período de tempo bastante inferior ao esperado, sendo que umas das causas é o fato destes serem adquiridos na forma de kits no mercado internacional, o que implica em sistemas constituídos por elementos importados, e de difícil aquisição no mercado nacional, tornando assim, a reposição das partes defeituosas um processo árduo e oneroso. Em meio a esta adversidade, este trabalho tem por objetivo analisar, para o Brasil, a viabilidade de utilização de uma nova configuração de SBF na qual é composta por equipamentos desenvolvidos para aplicações com a rede elétrica convencional e de fácil aquisição no mercado. Esta configuração consiste de um subsistema de geração fotovoltaico conectado diretamente a um conversor de freqüência (CF) alimentando um conjunto motobomba trifásico (motor de indução + bomba centrifuga). A análise sobre a viabilidade desta nova configuração foi realizada com base nas informações contidas nos manuais de cada produto comercializado no Brasil. Com o resultado da pesquisa, pode-se verificar que, existe no Brasil um mercado bem consolidado sobre a comercialização de conversores de freqüência e motobombas, dado que as empresas fornecedoras desses produtos, possuem ampla rede de distribuição em território nacional, possibilitando que a proposta apresentada seja uma solução viável a eliminar dependência aos equipamentos importados. 2. ABSTRACT Along time, the photovoltaic pumping systems (PPS) were acquiring a certain discredit, because in spite of this application be efficient, reliable and economically competitive, it verifies that many of PPS are inoperative in a time's period very lower than the expected, and some of the causes is the fact of these are acquired like kits in the international market, what it implies in systems constituted by imported elements, and of difficult acquisition in the national market, turning this way, the replacement of the defective parts an arduous and onerous process. Amid this adversity, this work has for goal analyze, for Brazil, the utilization viability of a New Configuration of PPS in which is composed by

2 equipment developed for applications with the conventional electric grid and of easy acquisition in the market. This configuration consists of a generation photovoltaic subsystem connected directly to a frequency converter (FC) feeding a joint motopump three phase (induction motor + centrifugal pump). The analysis on the viability of this new configuration was accomplished with base in the information contained in the manuals of each product commercialized in Brazil. With the result of research, it can verify that, there is in Brazil a market well consolidated about commercialization of the frequency converters and motopumps, given the vendors companies of these products, own distribution wide chain in national territory, enabling that the introduced proposal be a viable solution to eliminate dependence to the imported equipment. 3. INTRODUÇÃO As aplicações da tecnologia fotovoltaica presenciam um momento oportuno na medida em que começa a ser definida pela ANEEL a regulamentação e as metas para a universalização dos serviços públicos de energia elétrica, pois vem sendo apontada como candidata natural ao atendimento de localidades isoladas, em particular onde é muito caro estender uma rede elétrica convencional. Dentre as aplicações de grande relevância, o abastecimento de água toma um lugar de destaque, pois se trata de uma aplicação que possibilita à população rural inúmeros benefícios tais como; a redução da incidência de doenças causadas pela má qualidade da água, o desenvolvimento agrícola e a diminuição do êxodo rural, entre outros. Atualmente encontram-se instalados no Brasil inúmeros sistemas de bombeamento fotovoltaico (SBF), em sua maioria, frutos de iniciativas isoladas, tendo o PRODEEM 1 como o programa de maior expressão, em âmbito nacional, responsável pela instalação de sistemas no período de 1981 a 2002, o qual corresponde a um total de 1.590,7 kwp de potência instalada para este uso final (Fedrizzi, 2003). No entanto, este tipo de aplicação tem adquirido um certo descrédito, pois apesar de ser eficiente, confiável e economicamente competitiva, constata-se que muitos dos SBF ficam inoperantes em um período de tempo bastante inferior ao esperado. Um bom exemplo deste fato é um relatório de avaliação dos sistemas de bombeamento fotovoltaico do Pontal do Paranapanema (Zilles et all., 1999), onde se constatou que, dos 13 sistemas instalados somente 5 estavam funcionando adequadamente, sendo que os demais ou encontram-se inoperantes ou funcionando de forma insatisfatória. 1 Programa de Desenvolvimento Energético dos Estados e Municípios

3 4. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA Uma das causas que levam a esse problema refere-se ao processo de aquisição desses sistemas, os quais são adquiridos na forma de kits no mercado internacional, o que implica em sistemas constituídos por elementos importados e de difícil aquisição no mercado nacional, tornando assim, a reposição das partes defeituosas um processo árduo e oneroso. Isto sem contar que, após a implementação, a responsabilidade de manutenção do sistema costuma ser repassada à comunidade local, tornando o problema mais crítico, pois essas, dificilmente possuem uma estrutura bem organizada capaz de levar adiante tais procedimentos, principalmente quando se trata da aquisição de materiais importados. 5. OBJETIVO Em meio a esta adversidade, o trabalho tem por objetivo analisar, para o Brasil, a viabilidade de utilização de uma nova configuração de SBF que use apenas equipamentos desenvolvidos para aplicações com a rede elétrica convencional. Configuração esta que vem sendo apontada como uma solução a eliminar a dependência aos equipamentos importados e com isso, diminuir a descredibilidade em relação à tecnologia de bombeamento fotovoltaico, haja visto que, o processo de autogestão da comunidade sobres estes sistemas será simplificado. 6. DESCRIÇÃO DA NOVA CONFIGURAÇÃO Pesquisas realizadas apresentam a viabilidade técnica de um tipo de configuração composta por equipamentos desenvolvidos para aplicação com a rede elétrica convencional. Esta configuração consiste de um subsistema de geração fotovoltaico conectado diretamente a um conversor de freqüência (CF) alimentando um conjunto motobomba trifásico (motor de indução + bomba centrifuga), tal como ilustrado na figura 1. Painel fotovoltaico Fusível ~ Conversor de freqência L N U V W Conjunto motobomba Figura 1 - Bombeamento fotovoltaico utilizando o conversor de freqüência. Esta configuração é possível, pois as características técnicas do conversor de freqüência permitem que seja alimentado por uma fonte de corrente contínua. Por outro lado, por ser um equipamento destinado a aplicações onde se deseja controlar a velocidade de um motor de indução pela variação da freqüência de alimentação, é possível com isto, variar a freqüência de

4 alimentação da motobomba de acordo com a energia fornecida pelos módulos fotovoltaicos. Em outras palavras, se a energia disponível pelos módulos fotovoltaicos, em um determinado instante, não é suficiente para manter a motobomba em funcionamento em sua freqüência nominal (60 Hz), o CF reduz a freqüência de alimentação a fim de manter a motobomba em funcionamento, porém com um menor volume de água bombeada. Esta funcionalidade permite que o SBF formado opere com a mesma característica de funcionamento de um SBF tradicional. Com vantagem ser constituído por equipamentos disponíveis no mercado local. 7. METODOLOGIA A análise sobre a viabilidade de utilização desta nova configuração, consiste em identificar se no Brasil, os equipamentos comercializados possuem especificações técnicas que permitem sua utilização na aplicação proposta. No entanto, não se levou em consideração o módulo fotovoltaico, por ser este o elemento que dificilmente apresenta problemas, tendo sua vida útil acima dos 25 anos. Esta identificação foi feita com base nas informações contidas nos manuais de cada produto comercializado no Brasil. 8. O CONVERSOR DE FREQÜÊNCIA O CF é um equipamento que através de um dispositivo eletrônico, e a partir da tensão e freqüência constante da rede se obtém um sistema trifásico de freqüência variável, como ilustrado no diagrama de blocos da figura 2. Rede de alimentação Tensão e frequência fixas Alimentação do motor Tensão e frequência variáveis Barramento DC Retificador Filtro Inversor Unidade de controle microprocessada Figura 2 Diagrama de blocos de um CF. Como se observa na figura 2, a tensão de entrada é retificada para posteriormente ser invertida em uma tensão com amplitude e freqüência variável que pode ser obtida de duas formas: controle escalar ou vetorial. Esta funcionalidade de retificar a tensão de alimentação é que permite o acoplamento deste dispositivo diretamente a uma fonte de corrente contínua (CC).

5 8.1. CARACTERÍSTICA TÉCNICAS DESEJADAS Dentre as marcas de CFs comercializadas no Brasil, constatou-se que todas partem do principio de funcionamento do diagrama de bloco apresentado na figura 2, diferindo em alguns aspectos técnicos, como por exemplo, no número de entradas e saídas (analógicas ou digitais), na forma de controle (vetorial ou escalar) e outros. No entanto, para que o CF possa ser utilizado na aplicação de bombeamento fotovoltaico, é necessário que este possua como característica técnica o controlador proporcional integral (PI) ou proporcional integral derivativo (PID) incorporado ao seu circuito, pois este, é o dispositivo responsável pela operação nas mesmas características dos SBF tradicionais. Isto é possível, pois o controlador é destinado às aplicações onde há necessidade de controle de uma variável de processo (ex.: vazão, pressão, nível, peso, etc.), indiretamente pela variação de velocidade do motor. Para isto, o inversor deverá ter um set-point, programado pelo usuário, e receber um sinal de realimentação do sensor de medição da variável do processo, formando desta forma uma malha fechada, tal como ilustrado na figura 3. SP(S) E(S) + - Kp*(1+1/(ti*S)+1/(td*S)) G(S) H(S) Figura 3 - Diagrama de blocos em malha fechada. Onde SP(S) é o valor de set-point, H(S) é o sinal de realimentação, E(S) é o erro do sistema no qual o controlador PID atua, Kp é o ganho proporcional, ti é o tempo integral, td é o tempo derivativo e G(S) a função de transferência do sistema. Tendo como premissa os requisitos técnicos acima, foram identificados os CFs que possuem tais características. Na tabela 1 encontra-se um resumo dos modelos selecionados. Tabela 1 - Características técnicas dos CFs selecionados. Fabricante Modelo Controlador Fabricante A Micromaster x PI PID Fabricante B VS-606V7 x Fabricante C MOVITRAC 07 x Fabricante D CFW-08Plus/CFW-09 x Fabricante E Ativar 11/28/58/68 x Fabricante F Série VLT 2800 x Fabricante G PV CF 1/2/3 x Com o resultado da pesquisa, verificou-se que somente um dos modelos é nacional (Fabricante D), contudo, os demais modelos ou são mantidos em

6 estoque no Brasil ou já são fabricados. O que não acontece com os equipamentos dedicados exclusivamente ao uso da energia solar fotovoltaica ESTRATÉGIAS DE OPERAÇÃO As estratégias de operação consistem na forma como será determinado o set-point do sistema, que pode ser fixo ou variável. Para o caso em questão, o valor do set-point refere-se à tensão de alimentação do conversor de freqüência. Trabalhar com o set-point fixo, ou seja, forçar uma tensão constante na entrada do CF é a estratégia mais simples, no entanto este método não é o ideal, pois o sistema opera freqüentemente fora do ponto de máxima potência do arranjo fotovoltaico, tal como é ilustrado na figura 4. Tcel = 25 ºC 1000 W/m 2 SP(S) = fixo 700 W/m 2 Corrente (A) 500 W/m 2 Pontos de máxima potência Tensão (V) Figura 4 - Problema de casamento de impedância. Em Alonso-Abella et all.(1998), descreve-se o desenvolvimento de um circuito eletrônico que corrige o valor de set-point com a temperatura da superfície do módulo, de modo a tentar seguir os pontos de máxima potência da geração fotovoltaica. Contudo, a inclusão de um circuito externo além de onerar o sistema é mais um item que está susceptível a falha e que ainda não está disponível no mercado. 8.3 POSSIBILIDADE DE NOVAS CONFIGURAÇÕES Uma das características desejadas para cada CF é que este possibilite, seguir o ponto de máxima potência do gerador fotovoltaico sem a inclusão de um circuito externo. Levando em conta este pressuposto, procurou-se com a pesquisa identificar em quais CF isto seria possível. Como resultado verificou-se que o CF do Fabricante B é o mais promissor, pois permite que o usuário escreva um algoritmo em linguagem C que é descarregado em sua memória interna (Yaskawa, 2000) permitindo assim, utilizar esta funcionalidade para seguir o ponto de máxima potência do gerador fotovoltaico. Esta metodologia já está sendo testada no Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos do Instituto de Eletrotécnica e Energia da USP a qual vem apresentando bons resultados.

7 9. MOTOBOMBAS Para o caso do conjunto motobomba, o único requisito técnico é que esta seja trifásica, sendo assim, foram encontradas no mercado inúmeras marcas deste produto. No entanto, como a aplicação se refere a fornecimento de água através de poços artesianos só foram catalogadas as motobombas submersas. No Brasil, foram identificadas quatro empresas que fabricam motobombas submersas centrifugas, as quais são projetadas para atender às mais exigentes condições operacionais nas mais diversas aplicações. É possível encontrar no mercado brasileiro motobombas com motor de 0,75 HP, a qual tem capacidade de bombeamento de 2 m 3 /h de água a 7m de altura elevatória, assim como motobombas com motor de 350 HP, a qual pode fornecer 270 m 3 /h de água a 210 m de altura elevatória. 10. CONCLUSÕES Com os resultados obtidos na pesquisa pode-se verificar que existe no Brasil um mercado bem consolidado no que concerne a comercialização de conversores de freqüência e motobombas. As empresas fornecedoras desses produtos possuem ampla rede de distribuição em território nacional, possibilitando que a proposta apresentada seja uma opção viável a eliminar dependência aos equipamentos importados. É de se ressaltar que, para este novo tipo de configuração de SBF o usuário não ficará dependente da empresa a qual os produtos foram adquiridos, pois nada o impede de que, havendo a necessidade de troca de um dos equipamentos, este seja de um fabricante diferente. Outro ponto importante é que, ao chegar a rede elétrica convencional no local de funcionamento do sistema não haverá a necessidade de retirada da motobomba.verifica-se também que está configuração possibilitará cobrir uma extensa faixa de potência, sobretudo tendo em conta que é possível encontrar no mercado conversores de freqüência de 0,12 a 45 kw, enquanto que para uma aplicação exclusivamente fotovoltaica a faixa de potência disponível nos catálogos é muito limitada. Contudo, as configurações propostas para este tipo de sistema, apesar de, para algumas localidades, apresentarem bons resultados precisam ser mais analisadas, principalmente quando o CF é forçado operar com uma tensão de alimentação constante, pois as divergências entre as características técnicas dos módulos fotovoltaicos modificam a curva característica do arranjo formado e, conseqüentemente, seu comportamento com a temperatura ambiente e irradiância, quando estes são associados em série ou paralelo para obtenção da potência solicitada pela carga, fazendo com que o valor ótimo simulado se distancie do valor ótimo real. Para o caso onde a tensão de alimentação é corrigida, tendo como premissa, à temperatura da superfície do módulo (Alonso-Abella et all.,1998), isto é menos crítico, no entanto, a inclusão de um circuito externo além de incrementar o custo do sistema é mais um item que está susceptível a falha e que ainda não está disponível no mercado. Pode-se verificar também que dentre os vários modelos de CFs encontrados no mercado com os requisitos técnicos necessários, existe um que permite ter suas funcionalidades modificadas com o objetivo de seguir os pontos

8 de máxima potência da geração fotovoltaica sem incrementar o custo do equipamento. A configuração sugerida nesse trabalho está sendo analisada e testada no Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos do Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo. O primeiro protótipo será instalado em um assentamento rural e poderá representar uma redução significativa nos custos dos SBF. Espera-se com isso, além de contribuir para a difusão massiva de sistemas fotovoltaicos de bombeamento para suprimento de água, incrementar o índice de nacionalização desses equipamentos. 11. BIBLIOGRAFIA Fedrizzi, Maria Cristina. Sistemas Fotovoltaicos de Abastecimento de Água para Uso Comunitário: Lições Apreendidas e Procedimentos para Potencializar sua Difusão, São Paulo, Tese (Doutorado) - Programa Interunidades de Pós-graduação em Energia, PIPGE, USP, Zilles, Roberto et all. Avaliação dos Sistemas de Bombeamento Fotovoltaico - Pontal do Paranapanema - PRODEEM Fase I, USP, São Paulo: Instituto de Eletrotécnica e Energia - Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos, Alonso-Abella, Miguel et all. Use of Standard Frequency Convertes in PV Pumping Systems, 2nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Viena, Austria, p ,1998. YASKAWA, Custom Application Software Environment (CASE): Development of Custom Software for the V7 inverter. Brasil, 1ª edição: Yaskawa Electric America, 2000.