A usina solar usada neste projeto de pesquisa possui quatro conjuntos de cargas de corrente alternada em 220 volts alimentados por quatro chaves de transferência. Cada chave é composta basicamente por um relé reversível de potência com bobina de 12Vcc e os circuitos de interface para compatibilização com as saídas digitais da UTR. Cada chave de transferência, sob comando do software da UTR, seleciona a fonte de energia de cada conjunto de cargas entre a rede ou o inversor.
A chave de transferência é um dispositivo obrigatório em usinas híbridas, pois, permite que as cargas de corrente alternada sejam alimentadas normalmente pela rede da concessionária no caso de falta de geração solar, baterias sem carga ou na ocorrência de falha de inversor. Assim, seguindo ao conceito de falha segura, a posição NF das chaves de transferência são conectadas na rede da concessionária.
Em uma usina híbrida, as chaves de transferência podem operar em dois modos: assíncrono ou síncrono. No modo assíncrono, não é feita a sincronia de fase entre a onda de tensão de saída do inversor e a da rede. Por este motivo, é necessário um período de desligamento de pelo menos dois segundos na transferência de uma fonte para a outra. O modo assíncrono é usado na usina tema deste trabalho. No modo síncrono, existe o recurso de sincronismo de fase que faz a transferência da fonte de tensão no ponto correto da onda, o que reduz o tempo de interrupção a alguns milissegundos, tornando-o imperceptível para as cargas. A Figura 4.3 mostra o diagrama esquemático das quatro chaves de transferência com quatro relés reversíveis de um polo:
4.3.1 Modos de Operação – Economia e Normal
O Modo de Operação Economia desabilita os inversores e mantém somente as cargas alimentadas com corrente contínua, mesmo na ocorrência de falta de tensão da rede da concessionária. O Modo de Operação Normal permite que os inversores sejam ligados. O Modo de Operação Economia é selecionado sempre após a inicialização do controlador da UTR. Isto é feito por questões de segurança para manter os inversores desligados. A reinicialização da UTR ocorre após três eventos:
1 A alimentação CC da UTR é desligada e ligada;
2 O botão de reset da placa Arduíno Mega 2560 da UTR é pressionado e solto; 3 É feita uma carga de programa na memória da UTR.
4.3.2 Modos de Comando – Local e Remoto
O Modo de Comando Remoto permite a execução pela Unidade Terminal Remota (UTR) de comandos recebidos pela interface de comunicação. Esses comandos quais são enviados pelo usuário através da tela do supervisório apresentada em um Programa Navegador (Browser). Em operação normal, o Modo de Comando Remoto sempre deve estar selecionado para permitir a supervisão e controle através dos servidores HTTP.
O Modo de Comando Local, quando ativado, impede que o software da UTR execute comandos recebidos através da interface de comunicação. Isto é feito para evitar que comandos enviados remotamente sejam executados durante os procedimentos de manutenção da usina.
4.3.3 Modo de Operação Especial – Interrupção no Fornecimento da Rede
Na ocorrência de interrupção no fornecimento de energia da rede da concessionária, o software da UTR entra em um Modo de Operação Especial. Neste modo, se está selecionado o Modo de Operação Normal, as Cargas 1 e 2 são habilitadas e alimentadas pelo Inversor 2 enquanto a tensão do barramento principal de corrente contínua permanecer maior ou igual a 23,0Vcc a qualquer hora do dia, ou da noite. Isto tem por objetivo proporcionar conforto, funcionalidade e segurança. A Carga 1 corresponde à iluminação interna e dispositivos da casa. A Carga 2 ao motor do portão e parte da iluminação externa. À noite, as Cargas 1 e 2 são alimentadas pelo banco de baterias.
Em relação às Cargas 3 e 4: durante o dia, no caso de interrupção no fornecimento da rede, a geração solar seja suficiente para alimentá-las e estejam habilitadas, estas cargas recebem
energia dos inversores 2 e 1 respectivamente. A decisão de acionar o inversor e alimentar a carga é feita pelo software da UTR através da comparação da medida da tensão do barramento principal de corrente contínua com limites pré estabelecidos. Neste caso, se esta tensão se mantiver acima de um valor limite, significa que há geração solar suficiente. Em resumo, no caso de interrupção no fornecimento de energia da rede são realizados os seguintes procedimentos:
1. A Carga 1 e a Carga 2 são alimentadas pelo Inversor 2, em qualquer hora do dia, em Modo de Operação Normal, enquanto a tensão do barramento principal permanecer maior ou igual a 23,0Vcc;
2. Se a geração solar for suficiente durante o dia, a Carga 3 é alimentada pelo Inversor 2 e a Carga 4 é alimentada pelo Inversor 1.
4.3.4 Modo de Controle Manual
No Modo de Controle Manual, as cargas CA são alimentadas pelo inversor se a tensão do barramento principal de corrente contínua permanecer maior ou igual a 23,0Vcc. Caso caia abaixo de 23,0Vcc, os inversores são desligados e todas as cargas são desconectadas do banco de baterias para proteção contra descarga excessiva.
O valor de tensão mínima de 23,0Vcc foi escolhido através da análise das curvas de descarga e do tempo estimado de vida visando a máxima durabilidade do banco de baterias. No caso específico desse trabalho, o banco de baterias foi superdimensionado para maximizar a sua vida útil. Assim, a tensão de 23,0 Volts não é normalmente atingida durante a descarga.
No Modo de Controle Manual, na falta de geração solar, as cargas em CA são alimentadas pelos inversores, os quais recebem energia da rede da concessionária através das fontes de alimentação CA/CC. Nesse caso, ocorrem perdas em torno de 20%, já que são feitas duas conversões de energia para alimentar as cargas 220VCA (220VCA para 24Vcc e 24Vcc para 220VCA).
O Modo de Operação Manual tem por objetivo evitar o chaveamento entre a rede e o inversor no caso de falta da concessionária, evento que causa interrupção de dois segundos no fornecimento de energia. Este modo é usado normalmente para a Carga 1 durante atividades que necessitem do fornecimento de energia 100% ininterrupta.
4.3.5 Modo de Controle Automático
O Modo de Controle Automático permite colocar as cargas 220VCA em alimentação pela rede quando a geração solar não for suficiente, principalmente à noite, visando a economia no consumo da energia da rede da concessionária. Para implementar este procedimento, o software da UTR verifica a hora do dia e a tensão do barramento principal, efetuando a energização do inversor e conectando cada carga à sua saída caso a carga esteja habilitada. A Carga 1 possui Modo de Controle exclusivo. A Carga 2, a Carga 3 e a Carga 4 possuem um Modo de Controle comum às três cargas. Isto foi feito para permitir o modo de energia ininterrupta somente para a Carga 1, a qual alimenta a iluminação interna e os equipamentos eletrônicos da casa. No modo automático, o chaveamento da alimentação entre o inversor e a rede provoca uma interrupção de dois segundos no fornecimento de energia para a carga na hora da operação. Desta forma, pode ser indesejável esta interrupção para determinadas atividades de trabalho ou lazer, daí a disponibilidade desse recurso.
4.3.6 Recurso de Habilitação / Desabilitação das Cargas
Para cada carga mostrada na figura 4.3, existe um sinalizador de Habilitação ou Desabilitação no software da UTR. A carga estar habilitada significa que esta carga pode ser alimentada por um equipamento inversor. A carga estar desabilitada significa que esta carga é alimentada pela rede da concessionária. Cada sinalizador pode ser colocado nas posições: habilitado ou desabilitado de forma independente através de comando enviado pelo usuário através do Servidor HTTP usando Navegador. É possível também habilitar e desabilitar as cargas usando as chaves instaladas na caixa dos circuitos condicionadores da usina. A restrição é que usando as chaves, as cargas são habilitadas por grupos e não de modo independente.