critérios para o uso eficiente de inversores de freqüência
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Conversores de frequênciaTRANSCRIPT
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Critrios para o Uso Eficiente de Inversores de Freqncia em Sistemas de Bombeamento de gua
Wlamir Rodrigues
Campinas 2.007
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Critrios para o Uso Eficiente de Inversores de Freqncia em Sistemas de Bombeamento de gua
Autor: Wlamir Rodrigues
Orientador: Prof. Dr. Edevar Luvizotto Junior
Tese de Doutorado apresentada Comisso de
Ps-Graduao da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia Civil, na rea de concentrao de Recursos Hdricos.
Campinas, SP 2.007
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FICHA CATALOGRFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA REA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA BAE UNICAMP
R618c
Rodrigues, Wlamir Critrios para o uso eficiente de inversores de freqncia em sistemas de bombeamento de gua / Wlamir Rodrigues. -- Campinas, SP: [s.n.], 2007. Orientador: Edevar Luvizotto Junior Doutorado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. 1. Estao de bombeamento. 2. Drives com velocidade varivel. 3. Energia eltrica - Conservao. 4. Motores eltricos. I. Luvizotto Junior, Edevar. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Ttulo.
Ttulo em Ingls: Criterion for the efficient use of variable speed drive in water
public systems Palavras-chave em Ingls: Pump systems, Variable speed drive, Optimal
operation, Electric energy, Electric motor rea de concentrao: Recursos Hdricos Titulao: Doutor em Engenharia Civil , Arquitetura e Urbanismo Banca examinadora: Yvone de Farias Lemos de Lucca, Rodrigo de Melo Porto,
Jos Geraldo Pena de Andrade, Paulo Vatavuk Data da defesa: 09/08/2007 Programa de Ps-Graduao: Faculdade de Engenharia Civil
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Este trabalho dedicado ao meu filho, Guilherme, cuja
chegada mudou por completo a viso e o sentido da vida em
minha famlia.
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AGRADECIMENTOS
Deus, pela vida e pelo privilgio de ter tido acesso a educao.
Maz, minha esposa, pelo amor, compreenso e estmulo dedicados ao longo das
muitas etapas deste trabalho. Sua presena preencheu todas as lacunas deixadas nos momentos
em que estive ausente.
Aos meus pais, Osmar e Cleusa, pela base que deu suporte a educao dos filhos.
Ao Prof. Dr. Edevar Luvizotto Junior, meu amigo e orientador, pelos ensinamentos,
cumplicidade, companheirismo e dedicao. Suas irreparveis posturas tica, moral e
profissional, foram para mim parmetros de referncia pessoal que superaram o campo
acadmico.
Sociedade de Abastecimento de gua e Saneamento S/A SANASA, pelo apoio total
e irrestrito disponibilizando pessoal, equipamento e instalaes para o desenvolvimento de nossa
pesquisa.
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Ao Eng Rinaldo da Silva Filho, Diretor Tcnico da SANASA (2.001 2.004), pelo
suporte nossa pesquisa, permitindo minha viagem a industria WEG em Jaragu do Sul SC,
para conhecer e aprender mais sobre inversores de freqncia.
Ao Eng Vladimir Jos Pastore, Gerente de Produo e Operao da SANASA, pelo
apoio e compartilhamento de suas experincias profissionais. Nossas discusses sobre sistemas
de bombeamento contriburam por demais no desenvolvimento e concluses desse trabalho.
Ao Eng Francisco Fernando Correa Viana, Coordenador de Operao de gua, pelo
auxlio na aquisio dos dados operacionais do sistema ao longo do perodo de testes, efetuando
mudanas na rotina operacional das unidades estudadas em funo das nossas necessidades.
Aos Engs Claudio Luiz Tiozzi Rubio, Ricardo Danieli Zanin e ao tcnico Roberto
Galani Marques, amigos e profissionais da SANASA, pela abnegao e desprendimento em
compartilhar os seus conhecimentos e experincias sobre o assunto de variao de velocidade.
A todos os tcnicos da SANASA que direta ou indiretamente participaram do
desenvolvimento desse trabalho de pesquisa, em especial ao amigo Luiz Roberto Sarto, pelo
empenho, disposio e dedicao na aquisio de todos os dados em campo.
Ao Prof. Dr. Kamel Zahed Filho, pelo esforo e apoio no estabelecimento de um elo de
contato dentro da SABESP, viabilizando nossa visita.
Companhia de Saneamento Bsico do Estado de So Paulo SABESP, na pessoa dos
Engs Celso Haguiuda, Maurcio Carnevalli, Carlos Alberto Miranda da Silva e do tcnico
Andr Raul Costa Santos, pelo compartilhamento de suas experincias com inversores de
freqncia e soft starter dentro da SABESP na RMSP.
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A gua a fora motora de toda a natureza.
Leonardo da Vinci
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RESUMO
RODRIGUES, WLAMIR. Critrios para o Uso Eficiente de Inversores de Freqncia em
Sistemas de Bombeamento de gua. Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e
Urbanismo, Universidade Estadual de Campinas, 2.007. 208 p. Tese (Doutorado).
Instalaes de bombeamento so comumente encontradas em qualquer sistema que
envolva o transporte de lquidos, como sistemas pblicos de abastecimento. Num passado no to
distante, os projetos dessas instalaes eram superdimensionados e, na maioria das vezes, nunca
chegavam a operar em sua plenitude. A operao de controle de vazo, atravs de uma vlvula na
sada da estao de bombeamento, sempre foi uma ao nociva estrutura em todos os sentidos,
alm do desperdcio de energia eltrica que esse tipo de operao provocava. Paralelamente, a
energia eltrica se tornou muito dispendiosa, e a sua gerao muito mais complicada com
impactos cada vez maiores no meio ambiente. Em condies to desfavorveis, o inversor de
freqncia se tornou pea importante na misso de racionalizar o uso da energia eltrica sem
afetar a operao do sistema. Neste trabalho so estudadas duas instalaes de bombeamento da
cidade de Campinas SP, dotadas de inversores de freqncia, onde so comparadas operaes
com e sem o uso deste dispositivo, suas vantagens e desvantagens, possibilidades e limitaes.
Com o auxlio de trs modelos matemtico-computacionais, um que reproduziu uma das
instalaes, outro de auditoria energtica e um terceiro de otimizao, especialmente
desenvolvidos para esse estudo, foi possvel a simulao de cenrios operacionais, buscando
extrair a mxima eficincia do inversor e a conseqente otimizao do sistema como um todo. Ao
final do trabalho so propostos critrios, resultantes do estudo desenvolvido, que podem servir
como parmetros quando da adoo de inversores de freqncia em sistema de bombeamento.
Palavras-chave: Sistemas de bombeamento; inversor de freqncia; otimizao operacional; energia eltrica; motor eltrico.
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ii
ABSTRACT
RODRIGUES, WLAMIR. Criterion for the Efficient Use of Variable Speed Drive in Water
Public Systems. Campinas, School of Civil Engineering, Architecture and Urban Design, State
University of Campinas, 2.007. 208 p. Thesis (Doctorate).
The pumping systems are frequently found in any process which involves transport of
liquids, like the public water systems. In a recent past, these pumping systems plans were
oversized and, frequently, did not work in their full potential. The flow regulated by throttling has
always presented, in all senses, a harmful effect to the installation. Moreover, this kind of action
has caused waste of electric energy. Along with that the cost of electric energy has been
increasing and its production has created damages to the environment. Since we have so many
negative conditions, the variable speed drive has become the most important part to rationalize
the use of electric energy causing no affect on the operation of the system. This work studies two
pump stations located in the city of Campinas, which are operated with variable speed drives. At
these pumping stations, comparisons are made with and without the use of this equipment,
considering its advantages and disadvantages, its possibilities and limitations. Three mathematic-
models were especially developed for this study, the first to reproduce one of the systems, the
second to make an energetic audit and the third to optimize the results. Making use of these three
models it was possible to simulate operational scenarios to reach the maximum efficiency from
variable speed drive and the optimization of the system as a whole. As a conclusion of this study,
some criteria are presented to support the use of variable speed drive in the pumping system.
Key words: Pump systems; variable speed drive; optimal operation; electric energy; electric
motor.
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iii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 Classes de temperatura dos materiais de isolamento eltrico..........
Tabela 3.2 Rendimentos nominais mnimos para motores eltricos no Brasil..
Tabela 3.3 Associaes dos transistores IGBTs em inversores de freqncia
trifsicos...........................................................................................
Tabela 3.4 Subdiviso da tenso de fornecimento do Grupo A.........................
Tabela 3.5 Subdiviso da tenso de fornecimento do Grupo B.........................
Tabela 3.6 Taxas e tarifas para o fornecimento de energia eltrica na
categoria convencional.....................................................................
Tabela 3.7 Taxas e tarifas para o fornecimento de energia eltrica na
categoria horo-sazonal.....................................................................
Tabela 4.1 Diviso da S. A. Leste em trechos ao longo do caminhamento...
Tabela 5.1 Quadro comparativo entre as diferentes expresses para correo
do rendimento a partir da mudana de rotao................................
Tabela 5.2 Enquadramento da faixa de vazo de um dia tpico em relao ao
rendimento do conjunto moto-bomba..............................................
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Tabela 5.3 Caractersticas das bombas selecionadas em catlogos...................
Tabela 5.4 Enquadramento da faixa de vazo de um dia tpico em relao ao
rendimento do conjunto moto-bomba do Grupo 1...........................
Tabela 5.5 Enquadramento da faixa de vazo de um dia tpico em relao ao
rendimento do conjunto moto-bomba do Grupo 2...........................
Tabela 5.6 Caractersticas das bombas selecionadas em catlogos...................
Tabela 5.7 Resultados da simulao no programa de Auditoria Energtica
para operao convencional.............................................................
Tabela 5.8 Resultados da simulao no programa de Auditoria Energtica
para operao com inversor de freqncia .....................................
Tabela 5.9 Resultados da simulao no programa de Auditoria Energtica
para operao otimizada..................................................................
Tabela 7.1 Dados levantados em campo da C. B. Joo Erbolato em
22/05/2.006......................................................................................
Tabela 7.2 Dados levantados em campo da C. B. Joo Erbolato em
26/05/2.006......................................................................................
Tabela 7.3 Dados levantados em campo da C. B. Pulmo em
01/06/2.006......................................................................................
Tabela 7.4 Dados levantados em campo da C. B. Pulmo em
02/06/2.006......................................................................................
Tabela 7.5 Dados levantados em campo da C. B. Pulmo em
08/06/2.006......................................................................................
Tabela 7.6 Dados levantados em campo da C. B. Pulmo em
09/06/2.006......................................................................................
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LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1 Energia final destinada a fora motriz no Setor Industrial.............
Figura 3.2 Motor de induo trifsico..............................................................
Figura 3.3 Enrolamentos monofsicos e trifsicos de um motor de induo...
Figura 3.4 Sistema de corrente alternada trifsica...........................................
Figura 3.5 Soma vetorial e resultante dos campos eletromagnticos H1, H2 e
H3....................................................................................................
Figura 3.6 Grfico da defasagem atrasada entre a onda de corrente (I)
e tenso (V) tempo (Carga Indutiva)..........................................
Figura 3.7 Grfico da defasagem adiantada entre a onda de corrente (I)
e tenso (V) tempo (Carga Capacitiva).......................................
Figura 3.8 Tringulo de potncias....................................................................
Figura 3.9 Curva do sistema convencional com controle de vazo atravs de
vlvulas..........................................................................................
Figura 3.10 Curva do sistema operado com inversor de freqncia..................
Figura 3.11 Grfico da variao do torque com a freqncia............................
Figura 3.12 Esquema de um inversor de freqncia monofsico......................
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Figura 3.13 Esquema de um inversor de freqncia trifsico............................
Figura 3.14 Sentido de circulao da corrente de A para B...............................
Figura 3.15 Sentido de circulao da corrente de B para A...............................
Figura 3.16 Esquema de acionamento dos transistores IGBTs no motor
motor trifsico.................................................................................
Figura 3.17 Forma de ondas da tenso...............................................................
Figura 3.18 Diagrama base de um inversor de freqncia.................................
Figura 3.19 Curva tenso freqncia..............................................................
Figura 3.20 Curva corrente torque de um sistema com soft starter................
Figura 3.21 Relao do custo do inversor de freqncia pela potncia do
motor...............................................................................................
Figura 3.22 Distoro provocada por freqncias harmnicas..........................
Figura 3.23 Topologia do sistema da S. A. Leste...........................................
Figura 3.24 Presses disponvel e utilizada na sada do recalque, na chegada
do CRD Jd. Paranapanema com a S. A. Leste operando com
rotao nominal...............................................................................
Figura 3.25 Vazo Medida na S. A. Leste......................................................
Figura 3.26 Curva da bomba para diferentes rotaes curva do sistema
(S.A. Leste)..................................................................................
Figura 3.27 Rotao mdia requerida pelo sistema de bombeamento num
dia tpico (S. A. Leste).................................................................
Figura 3.28 Participao da SABESP no consumo estadual de energia
eltrica no ano de 2.003..................................................................
Figura 3.29 Consumo anual de energia eltrica da SABESP.............................
Figura 3.30 Gasto anual contabilizado com energia eltrica na SABESP..........
Figura 3.31 Situao inicial do Setor Santana...................................................
Figura 3.32 Situao final do Setor Santana......................................................
Figura 3.33 Estrutura do sistema brasileiro de tarifao de energia eltrica.....
Figura 4.1 Localizao dos dois sistemas em estudo dentro do limite do
municpio........................................................................................
Figura 4.2 Limite da zona alta do Setor Chapado, localizao da C. B.
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vii
Joo Erbolato e caminhamento da Linha de Recalque at o
ponto de distribuio direta (Ponto A).......................................
Figura 4.3 Vista geral da Casa de Bombas Joo Erbolato...........................
Figura 4.4 Instalao dos equipamentos de aquisio de dados......................
Figura 4.5 Posicionamento dos data-loggers de presso no sistema de
bombeamento..................................................................................
Figura 4.6 Aquisio dos dados de nvel da caixa de suco...........................
Figura 4.7 Transmissor de presso SMAR instalado para leitura e
aquisio dos dados de nvel da caixa de suco...........................
Figura 4.8 Limite da rea de influncia da C. B. Pulmo com as divises
em blocos associados s derivaes da S. A. Leste.....................
Figura 4.9 Vista geral da Casa de Bombas Pulmo.....................................
Figura 4.10 Manmetro instalado na sada do bombeamento...........................
Figura 4.11 Aquisio dos dados de vazo........................................................
Figura 4.12 Aquisio dos dados eltricos e rotao.........................................
Figura 4.13 Modelo matemtico-computacional desenvolvido no EPANET....
Figura 4.14 Tela 1 do programa de Auditoria Energtica com os dados
exportados pelo EPANET e utilizando o Toolkit..........................
Figura 4.15 Tela 2 do programa de Auditoria Energtica com o relatrio
da simulao bem sucedida............................................................
Figura 4.16 Tela 3 do programa de Auditoria Energtica com os
resultados obtidos...........................................................................
Figura 5.1 Rotaes mdias necessrias na operao convencional da C. B.
Joo Erbolato...............................................................................
Figura 5.2 Rotaes mdias utilizadas na operao com o uso de inversor
de freqncia na C. B. Joo Erbolato..........................................
Figura 5.3 Comparao do consumo acumulado de energia eltrica com e
sem o uso de inversor de freqncia...............................................
Figura 5.4 Curva da bomba para diferentes rotaes Demanda do sistema,
associado s curvas de rendimento da bomba e seus pontos
homlogos.......................................................................................
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viii
Figura 5.5 Curva Neutra relativa demanda num dia tpico da C. B.
Joo Erbolato...............................................................................
Figura 5.6 Curva do rendimento Modelo 75-330 A Q = 30 m3/h / H =
25,00 m............................................................................................
Figura 5.7 Curva do rendimento Modelo 75-330 A Q = 40 m3/h / H =
40,00 m............................................................................................
Figura 5.8 Curva caracterstica da bomba bipartida Modelo 150-450 D......
Figura 5.9 Curva do rendimento da bomba bipartida Modelo 150-450 D....
Figura 5.10 Curva da vazo potncia da bomba bipartida Modelo 150-
450 D...............................................................................................
Figura 5.11 Curva do NPSHR da bomba bipartida Modelo 150-450 D..........
Figura 5.12 Curva caracterstica da bomba bipartida Modelo 150-450 A......
Figura 5.13 Curva do rendimento da bomba bipartida Modelo 150-450 A....
Figura 5.14 Curva da vazo potncia da bomba bipartida Modelo 150-
450 A...............................................................................................
Figura 5.15 Curva do NPSHR da bomba bipartida Modelo 150-450 A..........
Figura 5.16 Curva da bomba bipartida Modelo ETA 150-40.........................
Figura 5.17 Curva da bomba bipartida Modelo RDL 200-400 B...................
Figura 5.18 Curva da bomba e rendimento do Grupo 1 da C. B. Pulmo em
operao convencional....................................................................
Figura 5.19 Curva da bomba e rendimento do Grupo 2 da C. B. Pulmo em
operao convencional....................................................................
Figura 5.20 Rotaes mdias necessrias na operao de um dia tpico da C.
B. Pulmo com inversor de freqncia........................................
Figura 5.21 Comparao do consumo acumulado de energia eltrica com e
sem o uso de inversor de freqncia...............................................
Figura 5.22 Curva bomba para diferentes rotaes Demanda do sistema,
associado s curvas de rendimento da bomba e seus
pontos homlogos Grupo 1..........................................................
Figura 5.23 Curva bomba para diferentes rotaes Demanda do sistema,
associado s curvas de rendimento da bomba e seus
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pontos homlogos Grupo 2..........................................................
Figura 5.24 Curva Neutra relativa demanda de um dia tpico da C. B.
Pulmo com operao do Grupo 1.............................................
Figura 5.25 Curva Neutra relativa demanda de um dia tpico da C. B.
Pulmo com operao do Grupo 2.............................................
Figura 5.26 Curva caracterstica da bomba bipartida Modelo 250-450 A......
Figura 5.27 Curva do rendimento da bomba bipartida Modelo 250-450 A....
Figura 5.28 Curva da vazo x potncia da bomba bipartida Modelo 250-
450 A .............................................................................................
Figura 5.29 NPSHR da bomba bipartida Modelo 250-450 A..........................
Figura 5.30 Curva da bomba bipartida Modelo ETA 250-40.........................
Figura 5.31 Presses na sada da C. B. Pulmo (N 3) para os trs cenrios
de operao simulados....................................................................
Figura 5.32 Presses no Ponto A (N 12) para os trs cenrios de operao
simulados........................................................................................
Figura 5.33 Presses no Ponto B (N 13) para os trs cenrios de operao
simulados........................................................................................
Figura 5.34 Presses no Ponto D (N 8) para os trs cenrios de operao
simulados........................................................................................
Figura 5.35 Presses no Ponto F (N 10) para os trs cenrios de operao
simulados........................................................................................
Figura 5.36 Presses na chegada da caixa de suco do C. R. D. Jd.
Paranapanema (N 9) para os trs cenrios de operao..............
Figura 5.37 Rotaes mdias horrias de operao com Inversor de
Freqncia Otimizada..................................................................
Figura 5.38 Ilustrao da influncia da operao em diferentes rotaes sobre
o rendimento...................................................................................
Figura 5.39 Fluxograma dos critrios de emprego do inversor de freqncia...
Figura 7.1 Curva original da bomba do conjunto principal da C. B. Joo
Erbolato.........................................................................................
Figura 7.2 Curva original da bomba do conjunto reserva da C. B. Joo
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x
Erbolato.........................................................................................
Figura 7.3 Curva de calibrao do medidor de vazo da C. B. Pulmo.......
Figura 7.4 Curva de calibrao do medidor de vazo da C. B. Joo
Erbolato.........................................................................................
Figura 7.5 Curva de calibrao do transmissor de presso utilizado na C. B.
Joo Erbolato..............................................................................
Figura 7.6 Curva de calibrao do Data-Logger de Presso............................
Figura 7.7 Curva de calibrao do Data-Logger de Presso............................
Figura 7.8 Curva de calibrao do Data-Logger de Presso............................
Figura 7.9 Curva de calibrao do Data-Logger de Presso............................
Figura 7.10 Curva de calibrao do Data-Logger de Presso............................
Figura 7.11 Curva original da bomba do grupo 1 da C. B. Pulmo...............
Figura 7.12 Curva original da bomba do grupo 2 da C. B. Pulmo...............
Figura 7.13 Especificaes tcnicas do Cosmo-Data-Logger............................
Figura 7.14 Curva da bomba da C. B. San Conrado para diferentes
rotaes...........................................................................................
Figura 7.15 Potncia fornecida pelo motor eltrico bomba da C. B. San
Conrado para diferentes rotaes..................................................
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xi
LISTA DE SMBOLOS
Smbolos ou Grandeza
A
AN Grupo de Alta Tenso, sendo N associado a cada classe de tenso
AC Corrente Alternada (A).................................................................................
B
BN Grupo de Baixa Tenso, sendo N associado a cada classe de tenso
C
C Conjugado (N.m).............................................................................................
Cn Conjugado Nominal (N.m)............................................................................
C Temperatura expressa em graus Celsius........................................................
Dimenso
A
M L2 T-2
M L2 T-2
t
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xii
D
DC Corrente Contnua (A)..................................................................................
Defasagem Angular.........................................................................................
E
EA Energia Eltrica Ativa (kWh).......................................................................
ER Energia Eltrica Reativa (kVArh).................................................................
F
F Freqncia (Hz)................................................................................................
f Freqncia da Rede (Hz)...................................................................................
FP Fator de Potncia...........................................................................................
H
H Carga Hidrulica (m).......................................................................................
Hi Campo Eletromagntico i...............................................................................
Hman Altura Manomtrica (m).............................................................................
HP Horrio de Ponta (h)......................................................................................
HF Horrio Fora de Ponta (h).............................................................................
HPPU Horrio de Ponta em Perodo mido (h).................................................
HFPU Horrio Fora de Ponta em Perodo mido (h).........................................
HPPS Horrio de Ponta em Perodo Seco (h).....................................................
HFPS Horrio Fora de Ponta em Perodo Seco (h).............................................
I
I Corrente Eltrica (A).........................................................................................
IM Corrente de Magnetizao (A)......................................................................
IR Corrente do Rotor (A)....................................................................................
K
K Temperatura expressa em Kelvin..................................................................
A
(Adimensional)
M L2 T-2
M L2 T-2
T-1
T-1
(Adimensional)
L
(Adimensional)
L
T
T
T
T
T
T
A
A
A
t
-
xiii
M
M Motor Eltrico
M1 Motor Eltrico Monofsico
M3 Motor Eltrico Trifsico
N
N Rotao (rpm)..................................................................................................
P
P Potncia (W)....................................................................................................
P Nmero de Plos..............................................................................................
P Potncia Ativa (W).......................................................................................
PBomba Potncia da Bomba (C.V.)........................................................................
PU Perodo mido..............................................................................................
PS Perodo Seco..................................................................................................
Q
Q Vazo (m3/s)....................................................................................................
Q Potncia Reativa (VAr)................................................................................
R
- Rendimento (%)................................................................................................
S
S Potncia Aparente (VA)...............................................................................
T
T Torque (N.m)...................................................................................................
TN Transistor (IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor)
T-1
M L2 T-3
(Adimensional)
M L2 T-3
M L2 T-3
T
T
L3 T-1
M L2 T-3
(Adimensional)
M L2 T-3
M L2 T-2
-
xiv
V
V Tenso (V).......................................................................................................
Vcc Tenso em Corrente Contnua (V)...............................................................
Vij Tenso Associada aos Plos i e j (V).............................................................
M L2 T-3A-1
M L2 T-3A-1
M L2 T-3A-1
-
xv
SIGLAS
ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas
ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica
BEN Balano Energtico Nacional
BID Banco Interamericano de Desenvolvimento
CB Casa de Bomba
CCO Centro de Controle Operacional
CLP Controlador Lgico Programvel
COFINS Contribuio para o Financiamento da Seguridade Social
CPFL Companhia Paulista de Fora e Luz
CPU Unidade Central de Processamento
CRD Centro de Reservao e Distribuio
DSP Digital Signal Processors (Processador Digital de Sinais)
ECE Encargo de Capacidade Emergencial
ELETROBRS Centrais Eltricas Brasileiras
EsPCEx Escola Preparatria de Cadetes do Exrcito
ETA Estao de Tratamento de gua
-
xvi
GLO Garantia da Lei e da Ordem
GTO Gate Turn-Off Thyristor (Tiristor de Corte Comandado pela Porta)
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor Bipolar de Porta Isolada)
IGP-M ndice Geral de Preos Mdios
IHM Interface Homem Mquina
IP Iluminao Pblica
IRT Reajuste Tarifrio Anual
MCT MOS Controlled Thyristor (Tiristor de Porta Isolada do Tipo MOS)
NBR Norma Brasileira
NEMA National Electrical Manufacturers Association (Associao Nacional dos Fabricantes
Eltricos)
NSGA2 Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm 2 (Algoritmo Gentico Multi-Objetivo)
NPSH Net Positive Suction Head (Carga Positiva de Suco)
PID Proporcional / Integral / Derivativo
PIS Programa de Integrao Social
PROCEL Programa de Combate ao Desperdcio de Energia Eltrica
PWM Pulse Width Modulation (Modulao por Largura de Pulso)
RFI Radio Frequency Interference (Interferncia por Rdio Freqncia)
RMSP Regio Metropolitana de So Paulo
SA Sub-Adutora
SABESP Companhia de Saneamento Bsico do Estado de So Paulo
SANASA Sociedade de Abastecimento de gua e Saneamento S/A
SCOA Sistema de Controle Operacional do Abastecimento
SITH Static Induction Thyristor (Tiristor de Induo Esttica)
SMD Surface Mounting Device (Dispositivo de Montagem de Superfcie)
STF Supremo Tribunal Federal
TEP Toneladas Equivalentes de Petrleo
VCA Vlvula de Controle Automtica
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xvii
SUMRIO
Resumo..................................................................................................................
Abstract..................................................................................................................
Lista de Tabelas....................................................................................................
Lista de Figuras.....................................................................................................
Lista de Smbolos..................................................................................................
Siglas.....................................................................................................................
1. Introduo......................................................................................................
2. Objetivo..........................................................................................................
3. Reviso Bibliogrfica.....................................................................................
3.1 Panorama Energtico............................................................................
3.2 Motor Eltrico.......................................................................................
3.3 Variao de Rotao de Bombas por Inversor de Freqncia..............
3.3.1 O Inversor de Freqncia..........................................................
3.3.2 Tipos de Inversores...................................................................
3.4 Efeito do Inversor de Freqncia no Bombeamento.............................
i
ii
iii
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6
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3.5 Inversores de Freqncia em Empresas de Saneamento O Estado
da Arte.................................................................................................
3.5.1 SANASA.....................................................................................
3.5.2 SABESP.....................................................................................
3.6 Estrutura Tarifria de Energia Eltrica................................................
4. Materiais e Mtodo........................................................................................
4.1 Casa de Bombas Joo Erbolato........................................................
4.2 Casa de Bombas Pulmo..................................................................
5. Resultados......................................................................................................
5.1 Casa de Bombas Joo Erbolato........................................................
5.2 Casa de Bombas Pulmo..................................................................
6. Concluses e Recomendaes.......................................................................
7. Anexos...........................................................................................................
7.1 Arquivos de Dados de Entrada do EPANET......................................
7.1.1 Modelo Sem Inversor de Freqncia.......................................
7.1.2 Modelo Com Inversor de Freqncia.......................................
7.1.3 Modelo Com Inversor de Freqncia Otimizado.....................
7.2 Programa Audita..............................................................................
7.2.1 Estrutura e Funes do Programa............................................
7.2.2 Fluxograma Principal do Programa.........................................
7.3 Programa Regras Operacionais para o Inversor de Freqncia.......
7.3.1 Estrutura do Programa.............................................................
8. Bibliografia....................................................................................................
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Nunca se fez uma grande descoberta sem partir de um simples palpite.
Isaac Newton
1. INTRODUO
A operao dos sistemas pblicos de abastecimento de gua sempre mereceu ateno
especial por se tratar de um servio essencial complexo. O crescimento desordenado dos grandes
centros urbanos apontado como o principal responsvel pela complexidade operacional
mencionada, obrigando as companhias de saneamento a incrementarem seus sistemas a fim de
atender a todas as condies e demandas impostas pelas distncias e topografias adversas (Zessler
e Shamir 1.989). Nesse sentido, sistemas de bombeamento so implementados malha
operacional tendo como objetivo o pleno atendimento dos mais longnquos pontos de consumo
com presso e vazo adequadas.
Por outro lado, a ausncia de investimentos no setor energtico, nas ltimas dcadas,
levou este sistema a uma situao bastante crtica, resultando em medidas que foram desde a
criao do Programa de Conservao de Energia Eltrica PROCEL (1.985), depois alterado
para Programa de Combate ao Desperdcio de Energia Eltrica (1.995), at a elevao do custo da
energia eltrica. Este custo era fortemente subsidiado nas dcadas de 60 e 70, chegando em 1.968
a um ndice de 80% de subsdio nas tarifas de energia eltrica para as empresas de saneamento. A
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partir da dcada de 90, houve uma reduo gradativa desse subsdio at o ndice atual de 15%,
Tsutiya (2.001).
Ainda segundo Tsutiya (2.001), o PROCEL estabeleceu a partir de 1.997 uma meta de
reduo do desperdcio de energia eltrica para as empresas de saneamento da ordem de 15%.
Esse mesmo autor mostra que esse segmento representava no ano de 1.998, 2,3% do consumo
global de energia eltrica do Brasil. Oliveira Jr. (1.993) sugere ainda que os sistemas de
bombeamento respondem por mais de 40% do consumo dos motores industriais, ou quase 30%
de todo consumo industrial do pas. Dados de 2.002 da Unio Europia do conta de que sistemas
de motores eram responsveis, at aquele momento, por 69 e 38% do consumo de energia eltrica
dos setores industrial e de servios (Almeida et al. 2.002).
A partir de 1.996, entra em cena no Brasil a Agncia Nacional de Energia Eltrica
ANEEL, que passou a ser responsvel pela legislao e fiscalizao do setor energtico nacional,
impondo entre outros atos a Resoluo n 242 de 24/07/98, a qual estabelecia que as
concessionrias do servio pblico de distribuio de energia eltrica deveriam aplicar no
mnimo 1% da receita operacional anual do ano anterior em programas de conservao de energia
eltrica.
Porm, tudo isso no foi o suficiente e ainda no ano de 2.000, j se podia fazer previses
nada otimistas para o setor energtico cuja possibilidade de um racionamento iminente s seria
afastada caso as chuvas e os nveis operacionais dos reservatrios das centrais energticas
viessem a melhorar, conforme Amigo (2.000). Ainda segundo esse autor, o Ministrio das Minas
e Energia tratava neste mesmo perodo de uma reduo de consumo junto aos grandes
consumidores, numa espcie de gerenciamento de demandas, denotando a situao crtica que o
Brasil j atravessava. Mesmo assim, a crise do setor energtico foi inevitvel e atingiu seu ponto
crtico em 2.001 com o advento do racionamento.
Em 28/06/2.002 a ANEEL, baseada na Lei n 10.438 de 26/04/2.002, cria um novo
encargo s tarifas, denominado Encargo de Capacidade Emergencial ECE, a um custo fixo de
R$ 0,0035/kWh (Base: Julho/2.005) para todos os tipos de consumidores, cujo objetivo era o
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financiamento de obras de expanso do sistema de gerao de energia eltrica, incidindo
diretamente na composio global da conta. Nos meios jurdicos se discutiu a constitucionalidade
de tal encargo, porm, segundo Carvalho (2.003), o Supremo Tribunal Federal (STF) num ato
inexplicvel decidiu pela constitucionalidade do mesmo, cuja cobrana vigorou at ano de 2.006.
Diante desse panorama, a palavra de ordem na atualidade tem sido o uso racional da
energia eltrica, que se soma no combate ao desperdcio e a perda fsica de gua ao cotidiano das
empresas de saneamento. Em condies to desfavorveis, os inversores de freqncia nunca
foram to importantes como agora, com a misso de racionalizar o uso da energia eltrica sem
afetar a operao do sistema de abastecimento.
Frente aos aspectos aqui delineados, surgiu a motivao que levou ao desenvolvimento
desse estudo visando o emprego eficaz dos inversores de freqncia em sistemas de
abastecimento de gua. Numa reviso bibliogrfica ampla, constatou-se uma carncia de
informaes pertinentes que norteassem o uso adequado de tal dispositivo como meio de reduo
do consumo de energia eltrica em empresas do setor de saneamento e, principalmente, de um
controle operacional otimizado, evidenciando assim o interesse pelo tema abordado.
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A necessidade a melhor mestra e guia da natureza. A necessidade terna e inventora, o eterno freio e lei da natureza.
Leonardo da Vinci
2. OBJETIVO
A proposta de investigao foi centrada nos aspectos da implantao de inversores de
freqncia em sistemas de abastecimento de gua, visando extrair o mximo potencial deste
dispositivo, principalmente no que tange a otimizao operacional do sistema e a reduo do
consumo de energia eltrica, motivado pelo forte apelo da realidade atual do setor energtico do
pas.
Tal objetivo foi desenvolvido tendo como rea de interesse principal as empresas de
saneamento, foi estabelecido como referncia para o desenvolvimento do trabalho as Empresas
SANASA Sociedade de Abastecimento de gua e Saneamento S/A e SABESP Companhia de
Saneamento Bsico do Estado de So Paulo, respectivamente da Cidade de Campinas e do
Estado de So Paulo. Esta ltima atuante em grande parte das cidades paulistas e principalmente
na Grande So Paulo.
Considerando apenas a Cidade de Campinas e a Regio Metropolitana de So Paulo
(RMSP), essas duas empresas so responsveis, conjuntamente, pelo abastecimento de 40
municpios com uma populao aproximada de 18.000.000 de pessoas. Pode-se notar com isso a
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importncia significativa de ambas no cenrio nacional e, principalmente, na rea onde se
pretende concentrar a pesquisa.
Neste sentido, o presente estudo prope o estabelecimento de parmetros guia para o
emprego de inversores, tendo como base uma anlise crtica dos aspectos operacionais
relacionados sua implantao, aspectos referentes s mquinas a que esse dispositivo ser
acoplado (motor eltrico e bomba centrfuga) e ao sistema de tarifao de energia eltrica.
Como forma de avaliao e definio das proposies ora estabelecidas pretende-se
desenvolver estudos de caso de instalaes que empregam inversores de freqncia, o que
permitir alcanar o objetivo final delineado para este trabalho. A sntese final de concluso dessa
pesquisa visa a elaborao de um fluxograma que contemple os tpicos principais para aplicao
adequada de inversores de freqncia em sistema de bombeamento.
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Mais abaixo que eu, sempre mais abaixo que eu se encontra a gua. sempre com os olhos baixos que a vejo. (...) branca e brilhante, informe e fresca, passiva e obstinada em seu nico vcio: a gravidade.
Francis Ponge
3. REVISO BIBLIOGRFICA
3.1 PANORAMA ENERGTICO
Um dos grandes desafios do homem ao longo de sua existncia no planeta foi o de
encontrar fontes de energia que pudessem suprir as suas necessidades momentneas e
proporcionar, ao longo do tempo, a base de sustentao para o seu crescimento e
desenvolvimento.
No princpio dos tempos, o fogo serviu para o aquecimento e auxlio no preparo dos
alimentos, entre outras aplicaes. Depois, j num segundo momento com a evoluo da espcie,
essa fonte tornou-se limitada obrigando a uma nova busca. Essa sina foi uma das principais molas
propulsoras do desenvolvimento da humanidade e da continuidade da vida.
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Um grande salto observado no sculo XVIII a partir das experincias do americano
Benjamin Franklin (1.706 1.790) com a energia eltrica. A partir da o desenvolvimento passou
a se consolidar neste sentido e, com o tempo e o domnio desta fonte de energia, houve uma
verdadeira revoluo nos processos industriais com a adaptao e a criao de novas mquinas
que inicialmente eram alimentadas por vapor e mais tarde passaram, de forma definitiva, para a
energia eltrica.
Nos tempos modernos com o advento do desenvolvimento de novas tecnologias,
surgiram outras possibilidades de recursos de energia como: solar, elica, nuclear, trmica,
hidrognio, etc., porm ainda distantes de suprirem toda a demanda mundial, o que fez do homem
ainda mais dependente das fontes oriundas principalmente dos combustveis fsseis (petrleo e
gs natural) e da gerao de eletricidade.
Segundo Almeida et al. (2.003) e (2.005), a maior parte da eletricidade utilizada em
pases industrializados tem seu consumo associado a motores eltricos. Ainda segundo esse autor,
sistemas de motores so responsveis por 69% e 38% da eletricidade consumida nos setores da
industria e de servios na Unio Europia, respectivamente. Com estimativa mdia de uma taxa
de crescimento anual do consumo de energia eltrica at o ano de 2.015 de 1,2% e 1% para
ambos os setores. Pelli e Hitz (2.000) dizem que somente as empresas de saneamento consomem
de 2% 10% do total da eletricidade utilizada em um pas.
No Brasil esses ndices no so muito diferentes. De acordo com Oliveira Jr. (1.983),
40% do consumo dos motores eltricos industriais se destinavam queles referentes ao manuseio
de fludos e isso representava, poca, quase 30% de todo consumo industrial de energia eltrica.
Amigo (2.000) mostra, atravs de dados do PROCEL de 1.999, que o setor industrial do pas era
o responsvel sozinho por 45% do consumo de energia do pas e, desse total, 51% se destinavam
ao consumo de motores eltricos. Dados mais atuais do PROCEL (2.005), disponveis no
Balano Energtico Nacional (BEN) 2.005 (Ano Base: 2.004), mostram a participao
industrial j num valor de 48% do total da eletricidade consumida no pas e se mantendo
praticamente o mesmo percentual destinado ao consumo de energia eltrica para sistemas
motrizes. De acordo ainda com dados do PROCEL (2.005), disponveis no BEN 2.005, somente
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o uso de eletricidade representou 12,9 milhes de tep1, ou quase 18% de toda a energia final
destinada a fora motriz no setor industrial do Brasil no ano de 2.004 (Figura 3.1). Segundo
Garcia (2.003), deve-se lembrar ainda que os motores tambm so utilizados em outros setores o
que eleva ainda mais a sua participao final.
Outras Fontes18,9%
Eletricidade17,8%
Gasolina18,8%
leo Diesel44,5%
Figura 3.1 Energia final destinada fora motriz no Setor Industrial. Fonte: PROCEL BEN (2.005)
A abundncia e a disponibilidade desses recursos no princpio, conjuntamente com uma
viso imediata e inconseqente, conduziram a padres comportamentais e culturais que foram se
consolidando no seio das sociedades. Por muito tempo o que se viu foi um uso desmedido das
principais fontes de energia sem a preocupao do preo futuro a ser pago. O economista e
professor, Eduardo Gianetti da Fonseca, define muito bem esse tipo de comportamento,
chamando de Miopia Temporal Coletiva, onde os indivduos no se preocupam com as
conseqncias e os efeitos colaterais de determinadas atitudes ou comportamentos do presente
em relao ao futuro. Nesse sentido Fonseca (2.005) diz: ...Na miopia temporal, a pessoa v com
muita intensidade aquilo que est prximo, mas no consegue ter a clareza em relao aos seus
interesses futuros....
______________________________ 1 tep Toneladas Equivalentes de Petrleo
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Esse conceito, arraigado na cultura da sociedade, fez com que cada vez mais se
produzisse energia para atender s necessidades, sem levar em conta os efeitos disso. Os
impactos ambientais danosos podem ser medidos e avaliados em profundidade. Na produo de
energia eltrica, atravs de usinas hidreltricas, por exemplo, o prprio fato da criao do volume
armazenado em decorrncia do enchimento do reservatrio da barragem, produz um impacto
ambiental incalculvel que atinge todo o ecossistema local. Esse dano muitas vezes se estende
por quilmetros jusante do reservatrio, uma vez que afeta a vazo dos rios a ele conectados
provocando uma mudana substancial na velocidade e alterando suas sees em virtude da
deposio de sedimentos em trecho de baixa declividade, entre muitos outros fatores.
O petrleo e o gs natural, tambm produzem danos, quer na sua extrao, quer na sua
produo ou mesmo no final do processo industrial, atravs da poluio gerada e das mudanas
climticas globais em virtude disso, o aquecimento global apontado como uma delas.
Concomitantemente, no outro extremo se v, numa imensa maioria de projetos de
sistemas de bombeamento, estruturas superdimensionadas em relao demanda real do
processo, conforme Europump and Hydraulic Institute (2.004), ABB (2.005) e Gambica (2.007).
Ainda de acordo com o Europump and Hydraulic Institute (2.004), estima-se que 75% dos
sistemas de bombeamento se encontrem nessa condio e, seguramente mais de 20%. A
justificativa apresentada, em alguns casos, era a de que se primava por uma margem de
segurana. Obviamente, h um gasto desnecessrio com equipamentos que muitas vezes jamais
sero utilizados em sua plenitude, sem falar do desperdcio de energia com o pleno
funcionamento dos mesmos.
Com rarssimas excees, como so as chamadas energias limpas (por ex.: a solar e a
elica) cujo potencial tambm tm suas limitaes todas agridem severamente o meio
ambiente, principalmente aquelas mais utilizadas pelo homem. Muitos ambientalistas discordam
inclusive dessa considerao, intuindo que todas, sem exceo, so danosas ao meio ambiente.
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De acordo com Gambica (2.007), estima-se ainda que no Reino Unido, sistemas de
bombeamento sejam responsveis pela emisso de 2,7 milhes de toneladas de Carbono na
atmosfera.
Segundo Lora e Teixeira (2.001), a produo de energia tem grande impacto sobre a
natureza por dois fatores:
Desmatamento;
Emisso de Poluentes.
Como conseqncia disso se tem hoje efeitos de mudanas climticas (aquecimento
global), a perda de reas cultivveis (desertificao), poluio dos solos e guas subterrneas,
entre muitos outros fatores.
Diante de fatos to preocupantes, de efeitos colaterais cada vez mais latentes na
natureza e de uma viso futurista, mesmo que ainda primitiva, tem-se verificado atitudes e
mudanas no comportamento de governos e povos. Segundo o Europump and Hydraulic Institute
(2.004), tanto o governo norte-americano como o de pases europeus, tm oferecido incentivos na
forma de reduo de impostos e subsdios, s industrias que aderirem aos programas de uso
eficiente de energia com a conseqente substituio e adequao de seus sistemas. Carter (2.006)
apresenta a mesma observao.
Nesse sentido, o inversor de freqncia tornou-se a principal pea hoje disponvel para,
de forma ordenada e eficiente, otimizar o uso de energia eltrica sem afetar os processos de
produo, reduzir a demanda mundial de energia administrando as fontes j existentes e,
principalmente, diminuir o severo impacto ao meio ambiente que tem afetado, indistintamente,
povos ricos e pobres em escala global.
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3.2 MOTOR ELTRICO
Toda linha de produo industrial dotada de sistemas diversos interligados ou no,
compondo cada qual uma das diversas engrenagens que formam o processo como um todo. As
bombas, ventiladores, pontes rolantes, esteiras, elevadores, entre outros, so alguns dos exemplos
de sistemas bastante utilizados pelas industrias. Na grande maioria deles est presente o motor
eltrico cuja funo fornecer energia mecnica necessria aos equipamentos e,
conseqentemente, ao processo.
Especificamente, nas empresas de saneamento o emprego de motores eltricos muito
diversificado, passando por quase todas as etapas do processo. Porm, o seu uso mais
significativo est ligado aos sistemas de bombeamento. Acoplado diretamente a uma bomba
centrfuga, o motor eltrico passa a fazer parte do chamado conjunto moto-bomba, responsvel
pelo fornecimento de toda energia cintica necessria para que o fluido, no caso a gua, alcance
os mais distantes pontos do sistema em quantidade suficiente ao atendimento das demandas.
Sendo o motor eltrico o propulsor de todo sistema de bombeamento e tendo como fonte
de alimentao a energia eltrica, faz-se necessrio o seu conhecimento, mesmo que de forma
primria, para compreenso de toda a proposta investigativa deste trabalho.
Em linhas gerais, os motores eltricos tm como definio bsica a transformao de
energia eltrica em energia mecnica. Fundamentalmente o motor eltrico pode ser dividido em
duas partes: estator e rotor. Na Figura 3.2 se v em detalhe um motor eltrico de induo. No
Brasil so produzidos para uma freqncia de 60 Hz com tenses que podem ser:
Trifsicas 220, 380, 440, 460 e 480 V
Monofsicas 110, 115, 127, 220, 240, 254 e 508 V
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Os motores podem ser construdos para operar em corrente contnua ou corrente
alternada. O motor de corrente contnua varia sua velocidade de zero at a nominal mantendo
constante o seu conjugado (torque). Apresenta tima regulao e preciso no estabelecimento da
velocidade operacional. possvel obter rotaes acima da nominal utilizando-se do chamado
enfraquecimento de campo, que conseguido com a reduo do fluxo magnetizante com
conseqente aumento de rotao (Wilk, 2.000). Esse tipo de motor necessita de uma fonte de
corrente contnua de energia ou de um dispositivo para converso de corrente alternada em
contnua.
Figura 3.2 Motor de induo trifsico. Fonte: Catlogo do fabricante WEG (2.005)
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Wilk (2.000) divide os motores eltricos de corrente alternada em duas categorias:
sncronos e assncronos (induo). Os sncronos so motores de velocidade constante e
proporcional freqncia da rede. A velocidade do rotor a mesma do campo girante, pois os
plos do motor seguem o campo girante imposto pelo estator. Seu limite est ligado mxima
potncia cedida antes da perda de sincronismo ocasionando a parada do motor (tombamento).
Seu uso com conversor de freqncia indicado quando se necessita de uma preciso de
velocidade aliada variao de carga.
O motor assncrono ou de induo com rotor tipo gaiola (Squirrel Cage) o mais
utilizado na industria por ser o mais barato. De acordo com Garcia (2.003), esse motor
responsvel por mais de 90% da energia motriz produzida atravs da eletricidade no pas. Tem
como caracterstica a robustez, alta confiabilidade, simplicidade, baixo custo, relativa alta
eficincia e de fcil manuteno, sendo tambm o preferido em associaes com inversores de
freqncia (Europump and Hydraulic Institute, 2.004).
Em teoria, nesse tipo de motor, o rotor tambm teria a velocidade sncrona desde que
operando em vazio e sem perdas. Porm, seu rotor diminuir a velocidade proporcionalmente e
de forma oposta ao conjugado externo. Isso pode ser entendido pela perda por escorregamento.
O escorregamento, nada mais do que a diferena entre a velocidade sncrona no
estator (por ex.: 1.800 rpm) e a velocidade do rotor que medida na ponta do eixo com auxlio de
um tacgrafo. Todos os motores apresentam escorregamento que, segundo o fabricante WEG,
fixo e nunca mudar, a no ser em caso de substituio das bobinas ou enrolamentos.
Em todo motor de induo, o princpio bsico de funcionamento se processa atravs do
suprimento de tenso aos enrolamentos do estator. Sendo esse motor trifsico, por exemplo, ele
ser composto por 3 enrolamentos monofsicos espaados de 120 entre si. Ao ser alimentado
por uma tenso trifsica (V1, V2 e V3), cada enrolamento ser percorrido por uma corrente
eltrica (I1, I2 e I3), tambm defasadas de 120 entre si, formando trs campos eletromagnticos
(H1, H2 e H3) dirigidos de acordo com o seu prprio eixo, de valor proporcional corrente, cujo
fluxo se d entre os plos (norte e sul) do enrolamento atravessando o rotor. Da mesma forma,
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esses campos so espaados entre si de 120. As Figuras 3.3 e 3.4 ilustram o princpio de
funcionamento descrito.
O campo total H resultante a cada instante de tempo, ser a soma vetorial dos trs
campos (H1, H2 e H3). Na Figura 3.3 se observa que as correntes I1, I2 e I3 ao percorrerem os
enrolamentos criaro os campos magnticos. No instante de tempo (1) o campo magntico H1
mximo, pois a tenso V1 atinge tambm seu mximo valor. Os demais campos (H2 e H3) so
negativos e de mesma intensidade, acompanhando seus nveis de tenso nesse mesmo instante de
tempo (Figura 3.4). Entretanto, por serem negativos sua orientao ser oposta na soma vetorial.
A Figura 3.5 ilustra essa soma vetorial e a resultante em cada instante de tempo. Observa-se que
o campo resultante H tem intensidade constante, porm h uma alterao no sentido que ao final
do ciclo retorna posio inicial. Este comportamento denominado Campo Girante.
O movimento do campo eletromagntico induz correntes nos condutores do rotor, que
por sua vez acaba criando um campo eletromagntico no rotor. As foras magnticas no rotor
seguem o campo eletromagntico do estator produzindo o torque do motor.
Figura 3.3 Enrolamentos monofsico e trifsico de um motor de induo. Fonte: Catlogo do fabricante WEG (2.005)
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Figura 3.4 Sistema de corrente alternada trifsica. Fonte: Catlogo do fabricante WEG (2.005)
Figura 3.5 Soma vetorial e resultante dos campos eletromagnticos H1, H2 e H3. Fonte: Catlogo do fabricante WEG (2.005)
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As ondas de tenso e corrente, tambm podem apresentar uma defasagem entre si. Em
circuitos de corrente alternada com cargas resistivas, as ondas de tenso e de corrente se
encontram em fase, isto , mudam sua polaridade no mesmo instante de tempo a cada ciclo. J
em circuitos com cargas reativas, como o caso de capacitores e indutores (por ex: enrolamentos
de motores), ocorre um armazenamento de energia nessas cargas resultando numa diferena de
fase entre as ondas de tenso e corrente. Essa defasagem () entre tenso e corrente pode ser de
duas formas: adiantada e atrasada em relao tenso (Figuras 3.6 e 3.7).
Figura 3.6 Grfico da defasagem atrasada entre a onda de corrente (I) e tenso (V) tempo (Carga Indutiva).
Figura 3.7 Grfico da defasagem adiantada entre a onda de corrente (I) e tenso (V) tempo (Carga Capacitiva).
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A ocorrncia dessa defasagem, gerada por cargas reativas, provoca inmeros problemas
s concessionrias de energia eltrica, pois se trata de uma energia que, embora circule
continuamente pelos campos eltricos e magnticos do sistema, no produz trabalho algum. O co-
seno desse ngulo , tambm conhecido por Fator de Potncia, mede a relao entre a
Potncia Aparente S (aquela que existiria se no houvesse a defasagem), a Potncia Ativa
P (parcela da potncia aparente que realiza trabalho) e a Potncia Reativa Q (parcela da
potncia aparente que no realiza trabalho). A relao entre elas exprime diretamente o Fator de
Potncia que, segundo a Resoluo n 456 da ANEEL, no poder ser inferior ao valor de 0,92.
Os medidores instalados pelas concessionrias fazem, alm do registro de consumo e da
demanda, a medio dos valores dos reativos excedentes que so cobrados dos usurios. Na
figura 3.8, observa-se o Tringulo de Potncias ilustrando o acima apresentado.
Figura 3.8 Tringulo de potncias. Fonte: Catlogo do fabricante WEG (2.005)
A velocidade de rotao determinada pela freqncia do suprimento de energia, pelo
nmero de plos nos enrolamentos do estator e numa extenso menor pela carga. O rotor gaiola
desenhado para o uso com suprimento de energia de 3 fases defasadas de 120, a qual fornece a
rotao inerente ao campo magntico interno.
J o motor assncrono tem essencialmente uma sada com velocidade constante, a qual
decresce somente um pouco em porcentagem (de 1 a 3%), conhecida como deslizamento,
quando o motor vai da condio sem carga at carga mxima. Entretanto, o controle de
velocidade demanda do uso de dispositivos mecnicos externos ou de controle do suprimento de
tenso e freqncia.
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Segundo o Europump and Hydraulic Institute (2.004), nenhum motor 100% eficiente,
portanto seu projeto deve buscar a reduo das perdas, que so predominantemente na forma de
calor. A temperatura do estator pode ser dissipada atravs do fluxo de calor pela carcaa do
motor, entretanto a temperatura do rotor transmitida diretamente ao eixo, o que pode causar
aquecimento dos rolamentos. Os motores so convencionalmente desenhados para que haja esse
fluxo de calor mencionado durante a operao em velocidade fixa e carga total.
A questo de resfriamento do motor muito importante. Geralmente, os motores
possuem uma ventilao acoplada ao seu eixo. Em casos especiais, de motores de grande
potncia, pode ser necessrio um sistema independente de ventilao e/ou resfriamento mais
laborioso, tal como um sistema combinado de ar e gua.
Especificamente, no caso da perda nos enrolamentos estatricos, isso geralmente ocorre
devido ao material de isolamento utilizado, que tambm pode cooperar para um aumento da
temperatura. A especificao do material isolante baseada na capacidade de aumento de
temperatura dos materiais. Segundo a norma americana, National Electrical Manufacturers
Association NEMA, essa especificao baseada num ambiente de 40 C, com a classe de
isolao B suportando um aumento de 80 C, a classe F um aumento de 105 C e classe H
um aumento de 125 C. Essa ltima por ser a mais custosa a menos utilizada. A norma
brasileira (NBR 7.094:1.996), considera tambm uma temperatura ambiente de 40 C para locais
cuja altitude no supere 1.000 m em relao ao nvel do mar. Contudo, os limites de elevao de
temperatura so diferentes daqueles considerados pela norma americana.
De acordo com a NBR 7.094:1.996, esses valores de elevao de temperatura, baseados
no mtodo termomtrico, so de 65 K para os enrolamentos de classificao trmica A, 80 K
para os enrolamentos de classificao trmica E, 90 K para os enrolamentos de classificao
trmica B, 115 K para os enrolamentos de classificao trmica F e 140 K para os
enrolamentos de classificao trmica H. A composio destes dois fatores, temperatura
ambiente mxima e limite de elevao por classe, forma a Tabela 3.1 de classes de temperatura
dos materiais isolantes (NBR 7.034:1.981).
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Tabela 3.1 Classes de temperatura dos materiais de isolamento eltrico. Fonte: NBR 7.034/81 ABNT (1.981)
Classes Temperaturas (C) Y 90 A 105 E 120 B 130 F 155 H 180 C Acima de 180
Das classes de agrupamento da Tabela 3.1 as mais utilizadas, de acordo com
Mascheroni et al. (2.003), so as classes B e F.
Obviamente sendo o motor de induo uma mquina robusta, conforme meno
anterior, a sua vida til muito dependente da isolao do bobinado, a qual est relacionada ao
envelhecimento gradual do material isolante e do desgaste mecnico dos rolamentos (Mascheroni
et al., 2.003). Todavia, esse processo pode ser acelerado devido ao aumento da temperatura em
virtude da operao com o uso de inversor de freqncia a baixas velocidades.
A classe de isolamento dos motores um dos principais problemas encontrados quando
se pretende instalar inversores de freqncia. Segundo Casada et al. (2.000) e Pemberton (2.005),
a freqncia de chaveamento ou pulsos de disparos dos transistores que compem o circuito
eletrnico do inversor, acaba por produzir picos de voltagem que podem causar danos nas
bobinas dos motores. Almeida et al. (2.005) vai mais alm, dizendo que esse fator geralmente
agravado em motores velhos, que no so uma raridade no mercado, conforme observado por
Tarquin e Dowdy (1.989) e Brown (2.001). O aumento da temperatura no motor outro grave
problema apontado quando se deseja associar um inversor de freqncia a motores velhos, cujo
dimensionamento original no considerou a operao acima de um certo limite de temperatura,
conforme observado por Casada et al. (2.000), Irvine e Gibson (2.002) e Almeida et al. (2.005).
A geometria do motor eltrico tem relao direta com o torque produzido pelo mesmo.
O torque de sada designa geralmente a sada do motor em termos de potncia, mas deve ser
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lembrado que o motor na verdade fonte de torque. Portanto, quanto maior a sua dimenso,
maior o torque que ele pode entregar.
Evidentemente, sendo o motor eltrico um equipamento eletro-mecnico nem toda
energia eltrica por ele consumida se transforma em trabalho (torque). Isso se deve as perdas que
se do prioritariamente na forma de calor. O ndice que define essa relao conhecido como
rendimento (). O parmetro rendimento do motor, mede a proporo de potncia eltrica que
transformada pelo mesmo em potncia mecnica, enquanto que a diferena existente entre a
potncia efetivamente transmitida ao eixo do motor e a potncia eltrica absorvida pela rede
denominada por perdas e podem ser:
Perdas no enrolamento estatrico (Perdas no Cobre);
Perdas no Rotor;
Perdas por Atrito e Ventilao;
Perdas magnticas no ncleo (Perdas no Ferro).
Avaliando o item rendimento possvel encontrar dois grupos de motores, o modelo
bsico ou padro com rendimento mdio em torno de 85%, e os de alto rendimento, cujo
rendimento mdio superior a 90%, segundo os fabricantes. intuitivo que o preo final do
produto diferenciado. Contudo, o uso e o desgaste vo, ao longo do tempo, alterando essa curva
de rendimento.
Em 11/12/2.002, foi criado pelo Governo Federal, o Decreto n 4.508, que estabelece em
seu captulo segundo, a regulamentao especfica que define os nveis mnimos de eficincia
energtica de motores eltricos trifsicos de induo rotor gaiola de esquilo, de fabricao
nacional ou importados, para comercializao e uso no Brasil. Para tanto, o Art. 5 do mesmo
decreto, apresenta uma tabela onde se encontra os nveis mnimos de rendimento nominal a serem
atendidos por ambos os modelos (padro e alto rendimento). A Tabela 3.2 a seguir reproduz esses
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valores atravs dos quais se nota claramente que quanto menor o motor, menor ser o seu
rendimento mnimo exigido.
Tabela 3.2 Rendimentos nominais mnimos para motores eltricos no Brasil. Fonte: ANEEL Decreto n 4.508/02 (2.002)
Padro Alto Rendimento
Potncia Nominal Nmero de Plos Nmero de Plos
cv KW 2 4 6 8 2 4 6 8
1,0 0,75 77,0 78,0 73,0 66,0 80,0 80,5 80,0 70,0 1,5 1,1 78,5 79,0 75,0 73,5 82,5 81,5 77,0 77,0 2,0 1,5 81,0 81,5 77,0 77,0 83,5 84,0 83,0 82,5 3,0 2,2 81,5 83,0 78,5 78,0 85,0 85,0 83,0 84,0 4,0 3 82,5 83,0 81,0 79,0 85,0 86,0 85,0 84,5 5,0 3,7 84,5 85,0 83,5 80,0 87,5 87,5 87,5 85,5 6,0 4,5 85,0 85,5 84,0 82,0 88,0 88,5 87,5 85,5 7,5 5,5 86,0 87,0 85,0 84,0 88,5 89,5 88,0 85,5 10 7,5 87,5 87,5 86,0 85,0 89,5 89,5 88,5 88,5 12,5 9,2 87,5 87,5 87,5 86,0 89,5 90,0 88,5 88,5 15 11 87,5 88,5 89,0 87,5 90,2 91,0 90,2 88,5 20 15 88,5 89,5 89,5 88,5 90,2 91,0 90,2 89,5 25 18,5 89,5 90,5 90,2 88,5 91,0 92,4 91,7 89,5 30 22 89,5 91,0 91,0 90,2 91,0 92,4 91,7 91,0 40 30 90,2 91,7 91,7 90,2 91,7 93,0 93,0 91,0 50 37 91,5 92,4 91,7 91,0 92,4 93,0 93,0 91,7 60 45 91,7 93,0 91,7 91,0 93,0 93,6 93,6 91,7 75 55 92,4 93,0 92,1 91,5 93,0 94,1 93,6 93,0 100 75 93,0 93,2 93,0 92,0 93,6 94,5 94,1 93,0 125 90 93,0 93,2 93,0 92,5 94,5 94,5 94,1 93,6 150 110 93,0 93,5 94,1 92,5 94,5 95,0 95,0 93,6 175 132 93,5 94,1 94,1 94,7 95,0 95,0 200 150 94,1 94,5 94,1 95,0 95,0 95,0 250 185 94,1 94,5 95,4 95,0
Os motores eltricos so ainda classificados pela sua categoria de partida. Para motores
trifsicos com rotor de gaiola, o mais comum na industria segundo Mascheroni et al. (2.003),
essas categorias, de acordo com a NBR 7.094, so:
Categoria N Constitui a maioria dos motores do mercado, sendo indicado para
cargas normais. Ex.: bombas, mquinas operatrizes e ventiladores;
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Categoria NY Semelhante a motores da Categoria N, porm previstos para partida
estrela-tringulo;
Categoria H Trata-se de um motor usado para cargas que exigem maior torque na
partida. Ex.: cargas de alta inrcia, peneiras, correias transportadoras, britadores, etc;
Categoria HY Semelhante a motores da Categoria H, porm previstos para partida
estrela-tringulo;
Categoria D Trata-se de um motor usado para cargas que apresentam picos
peridicos e torques muito altos de partida. Ex.: elevadores, prensas excntricas, pontes
rolantes, etc.
Esta classificao avalia o torque e corrente de partida, alm do escorregamento. Por
conta disso os motores da Categoria D no so muito empregados na industria devido ao alto
fator de escorregamento (maior que 5%). A Categoria H, por sua vez, apresenta baixo
escorregamento. Contudo, a Categoria N a mais empregada na industria atualmente (Martinez
2.006 e Siemens 2.007).
3.3 VARIAO DE ROTAO DE BOMBAS POR INVERSOR DE
FREQNCIA
Os sistemas de bombeamento convencionais so operados usualmente atravs do
controle da vazo obtido por vlvulas tipo globo, gaveta ou borboleta, sendo manobradas de
acordo com as necessidades operacionais de demanda.
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Nessa operao o que se faz o deslocamento do ponto de operao (interseco da
curva da bomba com a curva do sistema) atravs do aumento da perda de carga,
progressivamente sobre a curva da bomba at se encontrar o ponto desejado para uma
determinada vazo (Figura 3.9), com a bomba operando com rotao constante n.
Figura 3.9 Curva do sistema convencional com controle da vazo atravs de vlvulas
Outro mtodo bastante comum em instalaes de bombeamento o uso de um by-pass
na sada do recalque, cuja funo o retorno de uma parcela da vazo recalcada caixa ou
reservatrio de suco fazendo com isso a dosagem da vazo aos nveis desejados.
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Os usos desses expedientes operacionais penalizam, principalmente o primeiro deles, de
forma drstica o sistema acarretando diversas desvantagens, uma delas que a vazo mxima
possvel a ser controlada aquela que passa pela tubulao quando o sistema no atua, ou seja,
com a vlvula de regulagem totalmente aberta, no possibilitando assim nenhum incremento de
vazo. Outra desvantagem e talvez a principal delas, que a ao de regulagem da vlvula vai
aumentando a perda de carga local e elevando, por conseguinte, a carga a montante da vlvula de
controle. Como a potncia consumida pela bomba proporcional vazo e a carga, o que se tem
uma reduo gradativa da vazo bombeada com um aumento de consumo (Armintor e Connors,
1.987; Brignol, 2.000; Viana, 2.001). Naturalmente, a vida til dos equipamentos ser
comprometida, alm do que toda essa energia excedente pode ser transmutada em vibrao,
provocando danos ao sistema de bombeamento, tubulaes e vlvulas, conforme observa
Pemberton (2.005).
Wood e Reddy (1.994) definem muito bem esse tipo de operao dizendo ser o mesmo
que [...] conduzir um carro com o freio de mo acionado: o resultado o desperdcio
desnecessrio de energia.
Em Brown (2.001), Irvine e Gibson (2.002), se observa exatamente a mesma citao.
Ainda segundo Brown (2.001), estima-se que de toda energia eltrica utilizada pela industria,
65% seja destinada a motores eltricos e que, do montante relativo a esse percentual, 20% seja
desperdiado por mecanismos de controle (ex.: vlvula).
Deve-se considerar ainda quanto a conservao de energia, que os sistemas de
bombeamento so projetados em funo de uma vazo e altura manomtrica, tendo como pano de
fundo as curvas de eficincia das bombas. Nesses casos, a mudana do ponto de operao,
acarretar num rendimento inferior das bombas aumentando o consumo de energia eltrica.
Ambas as alternativas aqui discutidas so visivelmente prejudiciais operao da
bomba, pois a mesma opera com rotao constante n e vazo Q1, enquanto que a instalao opera
ao longo de sua rotina com outras vazes Q2, Q3,..., etc. , e que no mximo sero iguais a Q1. Em
geral ou na maioria do tempo Q1 > Q2 e Q1 > Q3 (Viana, 2.001).
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Em contraposio a operao anteriormente descrita, o inversor de freqncia, atravs
do controle da rotao do motor, promove a alterao da curva da bomba mantendo-se constante
a curva do sistema ou instalao (Figura 3.10). Isso faz com que o consumo de energia seja
proporcional rotao do motor, ou seja, nem mais nem menos, apenas o necessrio. Ainda com
relao ao consumo de energia, nos projetos com inversores de freqncia geralmente tem-se a
preocupao de se analisar cuidadosamente as curvas de rendimento das bombas. Souza et al.
(1.978), Vallilo et al. (1.981), Europump and Hydraulic Institute (2.004) e Gambica (2.007)
sugerem, para o melhor aproveitamento do rendimento da bomba, que o ponto referente
demanda mxima esteja situado direita da curva de melhor rendimento, com isso na maior parte
do tempo de operao o sistema de bombeamento se encontrar nas mximas possibilidades de
eficincia do equipamento. Crespo (2.001), em seu estudo sobre Elevatrias nos Sistemas de
Esgoto, tambm apresenta a mesma sugesto.
Figura 3.10 Curva do sistema operado com inversor de freqncia
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Viana (2.001) sugere, como linha de conduta, em primeiro lugar a seleo adequada das
bombas para as condies de trabalho desejadas, escolhendo aquelas de melhor rendimento. No
quesito conservao de energia, esse mesmo autor enfatiza que um grande erro a seleo da
mquina superdimensionada, ou seja, muito alm do que seria necessrio para o sistema
projetado, gerando um consumo excessivo de energia. Entretanto, essa sempre foi uma prtica
comum dos projetistas, cuja justificativa se baseava na garantia de uma margem de segurana ao
sistema, conforme j citado anteriormente (Europump and Hydraulic Institute 2.004, ABB
2.005 e Gambica 2.007).
Conforme Armintor e Connors (1.987), Oliveira Jr. (1.993), Wood e Reddy (1.994),
Allen-Bradley (1.995), Casada et al. (2.000), Ilinski (2.000), Silva e Cortez (2.001), Brown
(2.001), Irvine e Gibson (2.002), Mascheroni et al. (2.003), Rooks e Wallace (2.004), Europump
and Hydraulic Institute (2.004), Almeida et al. (2.005), Pemberton (2.005) e Carter (2.006), as
principais vantagens de sistemas dotados de inversores so:
Economia significativa de energia eltrica Pelas Leis de Semelhana, sendo a vazo
diretamente proporcional rotao, e a potncia diretamente proporcional rotao
elevada ao cubo, verifica-se que para um menor valor de vazo recalcada haver
tambm uma potncia consumida correspondente muito menor;
Controle de velocidade submetendo assim o conjunto a uma carga muito menor
Conforme evidenciado na Figura 3.10, cada valor de vazo corresponder a um valor de
carga que ser menor em funo da reduo de rotao, se comparado com o sistema
convencional de controle de vazo (Figura 3.9);
Boa eficincia Estudos mostram que o uso associado de Inversores de Freqncia
sugere a avaliao do ponto ou faixa de operao em que o sistema mais opera e sua
relao com as curvas de rendimento do conjunto moto-bomba, buscando assim
explorar a maior possibilidade de ganho. Testes de rendimento do motor, do drive de
inversor de freqncia e do conjunto associado apresentaram excelentes ndices.
Somente os Inversores de Freqncia apresentaram rendimento acima de 95%;
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As presses no sistema so mantidas bem prximas aos nveis mnimos requeridos;
As perdas fsicas, diretamente ligadas presso, se minimizam;
Controle operacional das bombas simplificado A ao de controle da vazo se d
diretamente com a mudana da rotao, o que acontece de forma suave, segura e
confivel. Essa ao pode ser feita diretamente no painel eltrico da Casa de Bombas
ou mesmo distncia pelo Centro de Controle Operacional (CCO) fazendo o ajuste
requerido;
Melhor resposta em situaes emergenciais Aumento de vazo para atendimento a
incndio, fechamentos em casos de rompimentos com minimizao dos efeitos do
regime transitrio, etc.;
Eliminao do transitrio causado com o acionamento e a parada de bombas Como
a ao do inversor de freqncia se faz de forma lenta e gradativa, tanto no
acionamento como na parada, existe um tempo entre a interveno propriamente dita e
o resultado final esperado, ou seja, o conjunto moto-bomba vai acelerando ou
desacelerando, de acordo com a parametrizao da rampa, de forma lenta e contnua.
Com isso desaparecem as perturbaes geradas pelos transitrios. As aes de
acionamento e parada com o inversor reduzem o stress no motor, bomba e
acoplamento;
Controle do fator de potncia, uma vez que o lado da rede tem contato com o
retificador no controlado, resultando assim um excelente fator de potncia (prximo
de 1);
By-pass de operao em caso de falha do inversor. Se o inversor falhar, o motor pode
ser operado diretamente na linha de entrada em operao contnua convencional;
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Eliminao da alta corrente de partida e reduo do pico de demanda (kVA) O
inversor de freqncia se adapta para evitar sobrecargas causadas pela acelerao de
alta carga de inrcia;
Manuteno sem necessitar estar conectado ao sistema, bem como a reduo desses
custos;
Alimenta tanto motores assncronos como sncronos;
O Sistema de pulsos (PWM Pulse Width Modulation) permite uma faixa de variao
de freqncia de 0 100%;
A tenso constante no circuito intermedirio alimenta um barramento DC onde
possvel conectar vrios inversores de freqncia em paralelo, um banco de baterias ou
um banco de capacitores para suprimento de energia em caso de queda da rede;
Aumento da vida til da bomba, mancais e vedaes pela diminuio do desgaste
mecnico Como o sistema dotado de inversor atua na medida exata das necessidades
operacionais, haver uma preservao maior dos equipamentos e acessrios
aumentando a vida til;
Reduo do nvel de rudo e vibrao Em sistemas convencionais as condies de
baixa vazo so sempre acompanhadas por rudos e vibraes, geralmente causadas
pela vlvula de controle que se encontram nesse caso parcialmente abertas, alm de
efeitos de cavitao;
Operao simultnea com vrios motores;
Emprego em reas e ambientes sensveis, como aquelas em que se requerem motores a
prova de exploso, resistncia a ambientes e atmosferas qumicas agressivas, entre
outras;
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Mtodo de interfaceamento simplificado para sinais de controles externos (0 10 V ou
4 20 mA) proveniente de transmissores;
Reduo de problemas de cavitao no sistema de bombeamento associados a operao
de vlvulas de controle a baixo fluxo;
Simplificao na rede de dutos atravs da eliminao de vlvulas para o controle da
vazo;
Reduo da emisso de CO2 e gases na atmosfera, quando se avalia o processo
industrial como um todo A queda no consumo de energia eltrica conduzir a menor
necessidade de gerao, principalmente quando isso se d por termeltricas ou
geradores a leo diesel. Com isso os impactos ao meio ambiente tendem a se reduzirem.
J as desvantagens, segundo Allen-Bradley (1.995), Casada et al. (2.000), Irvine e
Gibson (2.002), Mascheroni et al. (2.003), Everhart (2.004), Europump and Hydraulic Institute
(2.004), Almeida et al. (2.005), Pemberton (2.005) e Gambica (2.007), so:
Custo inicial relativamente alto;
O inversor de freqncia requer conversores de potncia alm de tcnicos
especializados, devido aos circuitos sofisticados;
Introduo de distores harmnicas da tenso, provocada pelo processo de converso
de potncia e emisso de interferncias eletromagnticas Alterao da onda senoidal
perfeita da rede eltrica concessionria. Nos Estados Unidos existe legislao especfica
a respeito desse assunto que limita a emisso de correntes harmnicas;
Elevao da temperatura na superfcie dos motores localizados em reas de risco,
ultrapassando o limite mximo de temperatura permitida para o local Estando a
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ventilao acoplada ao eixo do motor, a reduo da rotao promover um aumento na
temperatura do mesmo o que poder causar exploses se instalado em locais ou
atmosferas de risco (produtos inflamveis). Esse um problema muito comum em
industrias petroqumicas;
Ateno especial deve ser dedicada aos cabos que devem ser de baixa impedncia para
alta freqncia Como a freqncia de chaveamento ou acionamento dos Insulated