Os Inversores são os equipamentos mais complexos e sujeitos a falhas de um sistema de geração fotovoltaica, pois, estão diretamente conectados à rede elétrica de baixa tensão. Assim, estão sujeitos a sobrecargas, curto-circuitos e transientes de tensão em sua saída. Além destas condições anômalas, o próprio funcionamento do inversor gera calor que deve ser dissipado com o auxílio de ventiladores, que são dispositivos mecânicos, portanto, mais sujeitos a falhas.
Desta forma, os procedimentos de monitoramento de condição desenvolvidos para os inversores foram baseados nos seguintes princípios: 1) A proteção primária com atuação direta para desligar o inversor em caso de falhas graves; 2) A proteção secundária que usa lógica fuzzy para detectar condições anômalas de operação, as quais causam estresse e podem levar o equipamento a sofrer danos mais graves.
4.18.1 Sinais para Detecção de Falhas e Monitoramento de Condição
Nos inversores SPWM de um estágio, as informações de supervisão analógicas obtidas através dos sensores e condicionadores são: 1) Tensão CC de Entrada; 2) Corrente CC de Entrada; 3) Tensão CA de Saída; 4) Corrente CA de Saída; 5) Temperatura dos Dissipadores dos MOSFETs; 6) Temperatura do Transformador.
A partir das tensões e correntes, são calculadas as demais informações analógicas que são: potência de entrada, potência de saída e eficiência. Juntamente com as informações analógicas existem as informações digitais que somente informam estado 1 ou 0.
As informações de supervisão são usadas em três funções principais: 1) Detectar e realizar as ações necessárias no caso de falhas muito graves; 2) Efetuar o diagnóstico e tomar as ações necessárias no caso de Monitoramento de Condição; 3) Disponibilizar as informações de operação do equipamento para supervisão e controle. Estas informações são mostradas a seguir:
1. Tensão de Entrada: o valor da tensão de entrada do inversor deve estar dentro da faixa especificada: Limite Mínimo = 21Vcc e Limite Máximo = 30Vcc. Se estiver abaixo do limite mínimo, o circuito de regulação de tensão de saída perde a capacidade de manter a tensão de saída em seu valor nominal Vs = 220Vca RMS; 2. Corrente de Entrada: é usada para detecção de sobrecorrente instantânea e para
calcular a potência e a energia consumida;
3. Potência de Entrada: é calculada a partir da tensão e da corrente de entrada, sendo usada nos procedimentos de detecção de perdas excessivas e sobrecarga;
4. Tensão de Saída: possui valor regulado através de realimentação, mantendo-se no valor de 220Vca RMS com variação máxima de ±2% em operação normal;
5. Corrente de Saída. É usada para calcular a potência e a energia fornecida às cargas, as quais fazem parte dos procedimentos de detecção de perdas e sobrecarga;
6. Potência de Saída: é calculada a partir da tensão e corrente de saída, sendo usada nos procedimentos de detecção de perdas e sobrecarga;
7. Eficiência do Inversor: é calculada a partir da potência consumida e da potência fornecida. Permite detectar diversos tipos de anomalias que causam dissipação extra; 8. Temperatura do Módulo de Potência. Esta medida é feita no dissipador de calor dos
MOSFETs de potência da ponte completa, sendo útil nos procedimentos de detecção de sobrecarga ou defeito. Existem dois ventiladores para os dissipadores que são acionados automaticamente por um circuito termostato. Este circuito liga os
ventiladores quando a temperatura ultrapassa os 45°C e desliga quando a temperatura cai abaixo de 41°C;
9. Temperatura do Transformador. Esta medida é feita no ferro do transformador em um ponto mais próximo dos enrolamentos, sendo útil nos procedimentos de detecção de sobrecarga ou defeito. Existe um ventilador do transformador que é acionado automaticamente por um circuito termostato. Este circuito liga o ventilador quando a temperatura ultrapassa os 45°C e desliga quando a temperatura cai abaixo de 41°C.
4.18.2 Tratamento das Falhas Graves
Os procedimentos de tomada de decisão e ações relativas às falhas muito graves são feitos por hardware ou pelo software da UTR usando lógica binária. Trata-se de condições extremas, onde é necessário efetuar o imediato desligamento do inversor para evitar o agravamento e a propagação dos danos. Estes procedimentos são os seguintes:
Falha Grave 1: Sobrecorrente
Descrição: o valor da corrente na entrada de alimentação do inversor ultrapassou o limite
máximo permitido. Este limite máximo da UTR para detecção de sobrecorrente deve ser menor que três vezes o valor nominal do disjuntor de entrada. Isto ocorre porque este disjuntor possui curva de atuação B e corrente nominal de 32 Amperes. Na curva B, a proteção térmica atua até três vezes a corrente nominal e acima deste valor atua a proteção instantânea. Portanto, a sobrecarga detectada pela UTR está na faixa 32 a 96 Amperes, porque acima deste valor, a proteção instantânea do disjuntor atua antes da UTR.
Prováveis Causas: sobrecarga por excesso de corrente na entrada do inversor. Modo de Detecção: circuito detector de sobrecorrente na entrada do inversor.
Ações imediatas: desligamento do inversor através do acionamento da entrada de
sobrecorrente Ifb (Current Feedback) do Módulo de Comando EGS002 por circuito detector.
Indicação: após a ocorrência e detecção da falha, o indicador na memória do controlador
permanece ativado até ser zerado por comando.
Recuperação: após ao primeiro desligamento, o módulo de comando tenta partir por mais
duas vezes, pois, o curto pode ter sido momentâneo. Caso a falha persista, o módulo de comando mantém o inversor desligado até que o módulo de comando seja desligado e ligado novamente.
Ações de Manutenção: se a sobretensão persiste mesmo com a saída desconectada, a causa
mais provável é um ou mais MOSFETs estarem em curto. Portanto, deve ser providenciada a substituição destes componentes. A falha do módulo de comando é muito rara, entretanto, todos os sinais de controle devem ser verificados.
Falha Grave 2: Sobretensão Máxima na Saída
Descrição: a tensão CA de saída do inversor ultrapassou o limite máximo permitido. Prováveis Causas: defeito no inversor.
Ações imediatas desligamento do inversor pelo controlador.
Indicação: após a ocorrência e detecção da falha, o indicador na memória do controlador
permanece ativado até ser zerado por comando.
Recuperação: o inversor permanece desligado até que o indicador de falha no software do
controlador seja zerado.
Ações de Manutenção: provável defeito no circuito de realimentação da tensão de saída para
a entrada Vfb (Voltage Feedback) do Módulo de Comando EGS002. Somente ligar o inversor após o defeito estar corrigido, porque a ocorrência de sobretensão na saída do inversor pode danificar todos os equipamentos alimentados.
Falha Grave 3: Subtensão Mínima na Saída
Descrição: a tensão CA de saída do inversor caiu abaixo do limite mínimo permitido. Prováveis Causas: subtensão na entrada, sobrecarga na saída ou defeito no inversor. Ações imediatas desligamento do inversor pelo controlador.
Indicação: após a ocorrência e detecção da falha, o indicador na memória do controlador
permanece ativado até ser zerado por comando.
Recuperação: o inversor permanece desligado até que o indicador de falha no software do
controlador seja zerado.
Ações de Manutenção: se as causas não forem externas como subtensão na entrada ou
sobrecarga, é defeito no inversor. A subtensão pode ter basicamente três causas: 1) Defeito no circuito de realimentação da tensão de saída para a entrada Vfb (Voltage Feedback) do Módulo de Comando EGS002; 2) Defeito nos MOSFETs; 3) Problema com os sinais de controle dos MOSFETs. Somente ligar o inversor após o defeito estar corrigido, pois a ocorrência de subtensão na saída do inversor pode causar mau funcionamento dos equipamentos alimentados.
Falha Grave 4: Sobretemperatura Máxima dos Dissipadores dos MOSFETs
Descrição: a temperatura nos dissipadores dos MOSFETs ultrapassou o limite máximo
permitido.
Prováveis Causas: falha na ventilação forçada.
Modo de Detecção: comparação da medida de temperatura com o valor máximo. Ações imediatas desligamento do inversor pelo controlador.
Indicação: após a ocorrência e detecção da falha, o indicador na memória do controlador
permanece ativado até ser zerado por comando.
Recuperação: o inversor permanece desligado até que o indicador de falha no software do
controlador seja zerado.
Ações de Manutenção: verificar funcionamento do circuito termostato e dos ventiladores dos
dissipadores dos MOSFETs. Somente ligar o inversor após o defeito estar corrigido, porque a ocorrência de sobretemperatura nos dissipadores pode danificar os MOSFETs.
Falha Grave 5: Sobretemperatura Máxima do Transformador
Descrição: a temperatura no transformador ultrapassou o limite máximo permitido. Prováveis Causas: falha na ventilação forçada ou defeito no transformador.
Modo de Detecção: comparação da medida de temperatura com o valor máximo. Ações imediatas desligamento do inversor pelo controlador.
Indicação: após a ocorrência e detecção da falha, o indicador na memória do controlador
permanece ativado até ser zerado por comando.
Recuperação: o inversor permanece desligado até que o indicador de falha no software do
controlador seja zerado.
Ações de Manutenção: verificar funcionamento do circuito termostato e dos ventiladores do
transformador. Verificar o funcionamento do transformador. Somente ligar o inversor após o defeito estar corrigido, porque a ocorrência de sobretemperatura nos dissipadores pode danificar os MOSFETs.
4.18.3 Falhas que causam Degradação no Funcionamento do Inversor
As falhas menos graves, que causam a degradação progressiva no funcionamento do inversor são mais difíceis de detectar e diagnosticar. Portanto, faz-se necessário efetuar o monitoramento de condição usando o recurso de lógica fuzzy com o objetivo de realizar ações de detecção, que podem ser corretivas ou preventivas, visando os seguintes objetivos principais: 1) Evitar que condições anormais de operação causem danos; 2) Identificar defeitos para auxiliar os procedimentos de manutenção.
O método para fazer o monitoramento de condição do inversor baseia-se no uso do conhecimento especialista para montar um conjunto de variáveis de entrada fuzzy, regras fuzzy e variáveis de saída fuzzy para compor um sistema de inferência Fuzzy baseado em regras. Este sistema de inferência tem por objetivo principal a implementação dos
procedimentos automáticos de identificação das condições de falha em um inversor de um estágio. A seguir são apresentados os tipos de falha já identificados que causam degradação no funcionamento:
Falha 1: Sobreaquecimento dos Dissipadores dos MOSFETs Descrição: aquecimento anormal dos dissipadores dos MOSFETs
Prováveis Causas: 1) Mal funcionamento dos ventiladores dos dissipadores, pois os
ventiladores possuem parte móvel e estão sujeitos a poeira, resíduos e desgaste; 2) Falha de um dos MOSFETs de um conjunto de dois em paralelo.
Modo de Detecção: detecção de aquecimento anormal para as condições de operação.
Indicação: LED indicador, mensagem no supervisório e evento com data/hora da
ocorrência.
Ações de Manutenção: verificar o funcionamento dos ventiladores, do sensor e do circuito
termostato.
Falha 2: Sobreaquecimento do Transformador Descrição: aquecimento anormal do transformador
Prováveis Causas: Mal funcionamento dos ventiladores dos dissipadores, pois os
ventiladores possuem parte móvel e estão sujeitos a poeira, resíduos e desgaste.
Modo de Detecção: detecção de aquecimento anormal para as condições de operação.
Indicação: LED indicador, mensagem no supervisório e evento com data/hora da
ocorrência.
Ações de Manutenção: verificar o funcionamento dos ventiladores, do sensor e do circuito
termostato.
Falha 3: Sobreaquecimento Geral
Descrição: aquecimento anormal dos dissipadores dos MOSFETs e do transformador Prováveis Causas: Muita potência sendo fornecida por muito tempo, sobrecarga. Modo de Detecção: detecção de aquecimento normal para as condições de operação.
Indicação: LED indicador, mensagem no supervisório e evento com data/hora da
ocorrência.
Ações de Manutenção: verificar a causa do excesso de potência sendo fornecida.
Falha 4: Baixo Rendimento
Descrição: relação baixa entre a potência fornecida e a potência consumida.
Prováveis Causas: 1) Defeito no transformador; 2) Defeito no módulo de potência. Modo de Detecção: comparação entre as medidas de potência de entrada e saída.
Indicação: LED indicador, mensagem no supervisório e evento com data/hora da
ocorrência.
Falha 5: Tensão de Saída Alta
Descrição: a tensão de saída tende a permanecer acima do valor nominal.
Prováveis Causas: 1) Calibração fora no circuito de realimentação; 2) Interferência no sinal
de realimentação.
Modo de Detecção: verificação da tensão de saída
Indicação: LED indicador, mensagem no supervisório e evento com data/hora da
ocorrência.
Ações de Manutenção: verificar a calibração da realimentação de tensão.
Falha 6: Tensão de Saída Baixa
Descrição: a tensão de saída tende a permanecer abaixo do valor nominal.
Prováveis Causas: 1) Calibração fora no circuito de realimentação; 2) Tensão de entrada
baixa.
Modo de Detecção: verificação da tensão de saída
Indicação: LED indicador, mensagem no supervisório e evento com data/hora da
ocorrência.
Ações de Manutenção: 1) Verificar a calibração da realimentação de tensão; 2) Verificar as
condições da tensão de entrada.