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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

RAFAEL POLONI BRAGA

INVERSOR DE FREQUÊNCIA EM ACIONAMENTO DE MOTOBOMBAS COM FUNÇÃO “BOOSTER”: COMPARATIVO COMPARATIVO COM OUTROS MÉTODOS, ANÁLISE AN ÁLISE DE INVESTIMENTO E PROJETO

VITÓRIA 2007

RAFAEL POLONI BRAGA

INVERSOR DE FREQUÊNCIA EM ACIONAMENTO DE MOTOBOMBAS COM FUNÇÃO “BOOSTER”: COMPARATIVO COMPARATIVO COM OUTROS MÉTODOS, ANÁLISE AN ÁLISE DE INVESTIMENTO E PROJETO

Projeto de graduação do aluno Rafael Poloni Braga apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Dr. Wilson Aragão Filho

VITÓRIA 2007

RAFAEL POLONI BRAGA

INVERSOR DE FREQUÊNCIA EM ACIONAMENTO DE MOTOBOMBAS COM FUNÇÃO “BOOSTER”: COMPARATIVO COMPARATIVO COM OUTROS MÉTODOS, ANÁLISE AN ÁLISE DE INVESTIMENTO E PROJETO

Projeto de graduação do aluno Rafael Poloni Braga apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Dr. Wilson Aragão Filho

VITÓRIA 2007

RAFAEL POLONI BRAGA

INVERSOR DE FREQUÊNCIA EM ACIONAMENTO DE MOTOBOMBAS COM FUNÇÃO “BOOSTER”: COMPARATIVO COMPARATIVO COM OUTROS MÉTODOS, ANÁLISE AN ÁLISE DE INVESTIMENTO E PROJETO

Projeto de graduação do aluno Rafael Poloni Braga apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

COMISSÃO EXAMINADORA

 ____________________________________   ____________________________________  Prof. Dr. Wilson Aragão Filho Universidade Federal do Espírito Santo Orientador  ____________________________________   ____________________________________  Profª Drª Jussara Farias Fardin Universidade Federal do Espírito Santo Examinadora  ____________________________________   ____________________________________  Prof. Dr. Gilberto Costa Drumond Souza Universidade Federal do Espírito Santo Examinador

À minha família, e a Mariana que me ajudaram e me apoiaram durante essa jornada.

AGRADECIMENTOS

A Deus, que sempre esteve ao meu lado. Aos meus grandes amigos e companheiros de estudo, que comigo dividiram momentos de alegria e aflição. Aos companheiros da CESAN Ataíde, Pedro Leite e Ormando pelo apoio. Ao meu orientador Wilson Aragão Filho e a todos os professores e funcionários do Departamento de Engenharia Elétrica da UFES.

RESUMO Este trabalho analisa as características da utilização do inversor de freqüência em acionamentos de moto-bombas com função booster , comparando-as com aquelas de métodos de partida e automatismos utilizados em elevatórias presentes no sistema de distribuição de água da Grande Vitória. Posteriormente é realizado um estudo que estima a economia de energia com a utilização do equipamento, e finalmente é apresentada uma aplicação em uma elevatória com a utilização do inversor de freqüência Danfoss VLT 6000 operando em malha fechada com controle de pressão. Faz-se ainda um estudo do tempo de retorno de investimento estimado e de melhorias operacionais esperadas. A comparação é feita entre partida com chave compensadora, partida com soft-starter , ambos com automatismo que desliga para falta de carga, e o inversor de freqüência com controle de pressão funcionando em malha fechada. Os dois primeiros são apresentados e analisados, já o terceiro é proposto desde o circuito de comando até a configuração do inversor de freqüência para uma elevatória analisada, estimando preço do investimento e tempo de retorno do investimento, que conforme mostrado proporciona retorno de médio a curto prazo e melhoria significativa na operação do sistema.

LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Distribuição de água por gravidade..........................................................14 Figura 2 – Distribuição de água por bombeamento...................................................15 Figura 3 – Perda de carga.........................................................................................16 Figura 4 – Elevação da pressão por bombeamento..................................................17 Figura 5 – Elevatória de água tratada ....................................................................... 17 Figura 6 – Campo magnético gerado por alimentação 1Φ ........................................20 Figura 7 – Campo magnético gerado por alimentação 3Φ ........................................20 Figura 8 – Circuito equivalente do motor...................................................................21 Figura 9 – Curva de Torque x Velocidade e Corrente x Velocidade para motor de indução com tensão e freqüência contínuas ..........................................22 Figura 10 – Variação da Curva de Torque com a velocidade .................................... 23 Figura 11 – Carga do tipo potência constante...........................................................24 Figura 12 – Carga do tipo torque constante .............................................................. 24 Figura 13 – Carga do tipo torque linearmente crescente ..........................................25 Figura 14 – Carga do tipo torque com crescimento quadrático.................................25 Figura 15 – Ponto de operação do motor de indução acionando uma carga do tipo Torque com crescimento quadrático para diferentes velocidades...26 Figura 16 – Bomba Centrífuga ..................................................................................27 Figura 17 – Curvas características da bomba centrífuga..........................................28 Figura 18 – Sucção positiva e negativa.....................................................................30 Figura 19 – Curva característica da bomba para diferentes rotações ....................... 32 Figura 20 – Curva (HxQ) em várias rotações e parábolas de iso-eficiência..............33 Figura 21 – Partida com chave compensadora.........................................................35 Figura 22 – Composição básica de uma chave soft-stater ........................................36 Figura 23 – Tensão na saída da soft-starter na aceleração......................................36 Figura 24 – Rampa de tensão aplicada ao motor na aceleração ..............................37 Figura 25 – Tensão na saída da soft-starter na desaceleração ................................37 Figura 26 – Rampa de tensão aplicada ao motor na desaceleração ........................ 38 Figura 27 – Composição básica do Inversor de freqüência ...................................... 40 Figura 28 – Formas de onda em cada etapa do Inversor de Freqüência..................40 Figura 29 – Módulo inversor (chaves) + Motor..........................................................41 Figura 30 – Módulo Inversor monofásico + carga .....................................................41

Figura 31 – Método PWM Monofásico ......................................................................42 Figura 32 – Variação da amplitude de tensão com técnica de chaveamento PWM.. 42 Figura 33 – Variação da freqüência com técnica de chaveamento PWM .................43 Figura 34 – Método PWM Trifásico...........................................................................43 Figura 35 – Tensão de fase na saída do inversor de freqüência...............................44 Figura 36 – Tensão de linha na saída do inversor de freqüência..............................44 Figura 37 – Circuito de comando do Automatismo com chave compensadora.........48 Figura 38 – Circuito de Comando do Automatismo com Sof-Starter .........................51 Figura 39 – Variação da curva característica da bomba com variação da velocidade ..............................................................................................53 Figura 40 – Circuito de acionamento com Inversor de Freqüência ...........................55 Figura 41 – Curva característica da bomba utilizada na EAT em estudo ..................62 Figura 42 – “Layout” do painel com inversor de Inversor de Freqüência ..................64 Figura 43 – Vazão diária do setor de influência da elevatória...................................66 Figura 44 – Pressão estimada na saída da bomba para operação em velocidade constante................................................................................................66 Figura 45 – Pontos de operação da bomba para diferentes vazões ......................... 67 Figura 46 – Consumo de energia diário para bomba com velocidade constante......68 Figura 47 – Diferentes pontos de operação para bomba com velocidade constante................................................................................................69 Figura 48 – Pontos de operação para bomba com velocidade variável....................69 Figura 49 – Histórico de velocidade diário para velocidade variável da bomba ........ 71 Figura 50 – Consumo de energia estimada com a utilização do inversor de freqüência...............................................................................................72 Figura 51 – EAT com acionamento com Inversor de Freqüência..............................74 Figura 52 – Painel de controle local ..........................................................................74

LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Histórico diário de vazão no setor de influência da elevatória. ..................66 Tabela 2 – Dados aleatórios de vazão diária ............................................................... 68 Tabela 3 – Rotação em função da vazão para bomba com velocidade variável ......................................................................................................70 Tabela 4 – Consumo de energia estimada com a utilização do inversor de freqüência..................................................................................................71

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 – Parametrização de entradas digitais .....................................................56 Quadro 2 – Parametrização de entrada analógica...................................................57 Quadro 3 – Parametrização de relé de saída...........................................................57 Quadro 4 – Lista de material e preço estimado para painel com inversor de freqüência.........................................................................................65 Quadro 5 – Configuração dos parâmetros de 000 a 017 .........................................75 Quadro 6 – Configuração dos parâmetros de 100 a 117 .........................................76 Quadro 7 – Configuração dos parâmetros de 200 a 228 .........................................77 Quadro 8 – Configuração dos parâmetros de 300 a 328 .........................................79 Quadro 9 – Configuração dos parâmetros de 400 a 427 .........................................81

LISTA DE SIGLAS CA – Corrente Alternada CC – Corrente Contínua CESAN – Companhia Espírito Santense de Saneamento EAT – Elevatória de Água tratada ETA – Estação de Tratamento de Água IGBT – Insulated Gate Bibolar Transistor (Transistor Bipolar de Gatilho Isolado) MIT – Motor de Indução Trifásico NA – Normalmente Aberto PID – Proporcional Integral Derivativo PWM – Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso) TP – Transmissor de Pressão

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 13 2 O SISTEMA DE ABASTECIMENTO........................................................... 14 2.1 PERDA DE CARGA.................................................................................. 15 2.2 ELEVATÓRIA COM FUNÇÃO “BOOSTER” ............................................. 16 2.3 ELEVATÓRIA DE ÁGUA TRATADA.......................................................... 17 3 O MOTOR DE INDUÇÃO............................................................................ 19 3.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO......................................................... 19 3.2 VARIAÇÃO DA ROTAÇÃO....................................................................... 22 3.3 TIPOS DE CARGA ................................................................................... 23 4 BOMBA CENTRÍFUGA .............................................................................. 27 4.1 FUNCIONAMENTO .................................................................................. 27 4.2 DIMENSIONAMENTO DE UMA BOMBA ................................................. 28 4.3 VARIAÇÃO DA ROTAÇÃO....................................................................... 32 5 MÉTODOS DE PARTIDA DO MIT .............................................................. 34 5.1 CHAVE COMPENSADORA ..................................................................... 35 5.2 SOFT-STARTER ...................................................................................... 36 6 INVERSOR DE FREQUÊNCIA................................................................... 39 6.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO......................................................... 39 6.2 MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO (PWM) ................................ 41 6.3 MÉTODOS DE CONTROLE DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA............ 44 7 AUTOMATISMO DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO............................. 47 7.1 PROPOSTA DE AUTOMATISMO............................................................. 47 7.1.1 Automatismo com Chave Compensadora.......................................... 47 7.1.2 Automatismo com Partida Suave (Soft Starter)................................. 50 8 ACIONAMENTO COM INVERSOR DE FREQUÊNCIA.............................. 53

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8.1 O CIRCUITO ............................................................................................ 55 9 PROJETO E ESTUDO DE VIABILIDADE ECONÔMICA DE ELEVATÓRIA COM ACIONAMENTO A INVERSOR DE FREQUÊNCIA....... 60 9.1 A ELEVATÓRIA DE ÁGUA TRATADA.................................................... 60 9.2 SUBSTITUIÇÃO DO AUTOMATISMO EXISTENTE POR AUTOMATISMO COM INVERSOR DE FREQÜÊNCIA ................................... 63 9.2.1 Valor estimado do investimento .......................................................... 63 9.2.2 Estudo de retorno de investimento do inversor de freqüência e de melhoria no sistema ................................................................................. 65 9.3 MONTAGEM E PARAMETRIZAÇÃO DO PAINEL COM INVERSOR DE FREQÜÊNCIA........................................................................................... 73 10 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS............................................ 83 11 REFERÊNCIAS......................................................................................... 85 12 ANEXOS ................................................................................................... 87

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1

INTRODUÇÃO

No sistema de distribuição de água, muitas vezes se faz necessária a utilização de equipamentos como bombas centrífugas para fornecer energia à água na forma de pressão para que esta chegue a consumidores que estão localizados em pontos mais distantes ou estão em locais com altura elevada em relação ao ponto inicial de distribuição. Para o acionamento das bombas, normalmente são utilizados motores de indução trifásicos, onde durante muito tempo os métodos de partida mais utilizados eram: partida direta, partida estrela-triângulo e partida com chave compensadora. Porém esses métodos de partida e o automatismo utilizado para a operação do sistema apresentam alguns pontos a serem melhorados, que vão desde o golpe de aríete, até o excesso de pressão na rede de distribuição nos horários de menor consumo, provocando desperdício de energia elétrica e possíveis danos na tubulação, podendo gerar perdas por vazamentos. Porém com o avanço da eletrônica de potência surgiram as chaves Soft-Starters  que permitem ao motor partida e parada suaves, evitando o golpe de aríete. Posteriormente surgiram os conversores de freqüência, popularmente conhecidos como inversores de freqüência, que além de permitirem uma partida suave, permite que os motores de corrente alternada operem em diferentes velocidades proporcionando uma melhor operação do sistema, aumento da vida útil dos equipamentos e economia de energia. Com a finalidade de demonstrar as vantagens advindas do uso do inversor de freqüência em acionamentos de moto-bombas aplicados em estações elevatórias com função booster , presentes nos sistemas de distribuição de água, desenvolveuse um estudo com levantamento das características de diferentes métodos de partida e operação, permitindo assim não só levantar o tempo de retorno de investimento do inversor de freqüência devido à economia de energia, mas destacar também as vantagens operacionais.

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2

O SISTEMA DE ABASTECIMENTO.

O sistema de fornecimento de água consiste basicamente em três etapas: captação, tratamento e a distribuição da água. A água bruta é captada nos rios e bombeada até as estações de tratamento de água (ETA) onde é tratada até atingir um alto nível de potabilidade para posteriormente ser distribuída aos consumidores. As estações de tratamento podem estar localizadas em lugares altos, como na figura 1, possibilitando a distribuição da água através da gravidade. Outra possibilidade é que estejam na mesma altura ou ainda mais baixas em relação aos locais a serem abastecidos, como na figura 2, fazendo com que neste caso a distribuição tenha que ser por bombeamento. Porém, tanto por bombeamento quanto por gravidade, muitos são os casos em que não se consegue abastecer lugares muito distantes devido à perda de carga, perda de carga esta que ocorre devido ao atrito da água com as paredes da tubulação.

Figura 1 – Distribuição de água por gravidade

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Figura 2 – Distribuição de água por bombeamento

2.1

PERDA DE CARGA

Para o melhor entendimento do efeito da perda de carga, toma-se como exemplo a figura 3. Considerando uma estação de tratamento que esteja numa diferença de cota de 50 m superior à localidade a ser abastecida, deveria esta, fornecer às casas dessa localidade, água com pressão de 50 mca (metros de coluna d’água). Porém, devido às perdas de carga na tubulação, a água chega às casas com uma pressão menor do que os 50 mca previstos, essa pressão de água fornecida no ramal do consumidor diminui à medida que a distância da casa para a ETA aumenta, pois a perda de carga é diretamente proporcional à distância percorrida pela água através da tubulação, e a pressão fornecida no ramal do consumidor é dada por: pressão fornecida pela ETA menos a perda de carga. Tomando como exemplo as casas 1 e 2 da figura 3, a pressão com que a água chegará à casa 1 será maior do que a pressão com que chegará à casa 2, devido à maior distância desta última à estação de tratamento. Supondo uma perda de carga de 5 mca no trecho que vai da ETA até a casa 1, a pressão com que a água chegará até ela será de 45 mca. Porém a perda de carga da ETA até a casa 2 será a perda até a casa1 mais a perda no trecho que vai da casa1 até a casa 2. Supondo essa perda de 15 mca, a perda de carga total da ETA até a casa 2 será 20 mca, com isso a pressão com que a água chegará até a casa 2 será de 30 mca.

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Figura 3 – Perda de carga

2.2

ELEVATÓRIA COM FUNÇÃO BOOSTER 

As grandes distâncias e as grandes variações no relevo, muitas vezes não permitem o abastecimento de algumas regiões diretamente da ETA, pois nesses casos a pressão fornecida por ela não supre a perda de carga e o desnível a ser vencido pela água para abastecer determinadas regiões. A solução para este problema, é a implantação de uma bomba durante o percurso para elevar a pressão da água para que esta possa chegar às regiões antes não abastecidas. A esse sistema é dado o nome de elevatória com função booster . Tomando-se como exemplo a casa 3 da figura 4, suponha-se uma perda de carga total da estação de tratamento até ela de 30 mca. Como a estação de tratamento está a uma altura de 50 m, a casa 3 está a uma altura de 25 m e seu reservatório está a uma altura de 3 m, a água não terá pressão suficiente para chegar até o reservatório, pois a pressão mínima para que água chegue até ele será a soma da perda de carga total até a casa 3 que é de 30 mca, mais a altura que está localizada a casa 3 que é 25 m, mais a altura do reservatório que está a aproximadamente 3 m do chão, totalizando uma pressão mínima de 58 mca. Como a pressão da água fornecida pela estação de tratamento é de 50 mca, a pressão não é suficiente para que a água chegue até o reservatório da casa 3. Nesses casos, para que a água possa chegar aos reservatórios das casas é necessário que se utilizem moto-bombas para bombear a água.

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Figura 4 – Elevação da pressão por bombeamento.

Em uma metrópole como a Grande Vitória as elevatórias são encontradas em grande quantidade, existindo aproximadamente 105, num total aproximado de 2,1 MW de potência instalada, representando uma boa parcela dos custos da empresa de fornecimento de água.

2.3

ELEVATÓRIA DE ÁGUA TRATADA

As elevatórias de água tratada são compostas basicamente dos seguintes equipamentos: bomba centrífuga, motor de indução trifásico, válvula gaveta (“registro”) na sucção, válvula de retenção, válvula gaveta no recalque.

Figura 5 – Elevatória de água tratada. Fonte: Relatório de inspeção CESAN (2005)

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A água chega à sucção com determinada pressão, e esta é elevada por uma bomba centrífuga que é acionada por um motor de indução trifásico, alcançando no recalque, a pressão necessária para abastecer os locais desejados. A válvula de retenção tem a função de não permitir que a água bombeada retorne quando a bomba sair de operação, as válvulas-gavetas têm a função de facilitar a manutenção quando for preciso. No caso de necessidade de manutenção na bomba, fecham-se os dois “registros” para possibilitar a retirada da bomba ou mesmo para uma manutenção local. Os registros têm muitas vezes também função operacional, pois através do fechamento e abertura deles altera-se o ponto de operação da bomba.

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3

O MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO

Para o acionamento de bombas normalmente são utilizados motores de indução, devido à sua robustez, sua simplicidade e seu baixo custo operacional. O motor de indução é constituído basicamente pelo estator e pelo rotor. O estator é a parte fixa do motor e é formado pela carcaça e por enrolamentos que são responsáveis por criar o campo magnético que proporcionará ao rotor, que é a parte móvel, uma força para que possa entrar em movimento.

3.1

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O princípio de funcionamento do motor de indução trifásico está baseado nos três fenômenos do eletromagnetismo [9] que são: 1º) uma corrente elétrica, passando por um condutor, produz um campo magnético ao redor do condutor, como se fosse um ímã; é o caso do estator que ao ser percorrido por uma corrente alternada gera um campo magnético constante e girante; 2o) suponha-se um condutor fechado, colocado em um campo magnético; a superfície determinada pelo condutor é atravessada por um fluxo magnético; se, por uma causa qualquer esse fluxo variar, aparecerá no condutor uma corrente elétrica; esse fenômeno é chamado indução eletromagnética; é o que acontece com o rotor que pode ser formado por bobinas(rotor bobinado) ou por barras condutoras curtocircuitadas por anéis(rotor gaiola de esquilo); ao ficar imerso no campo magnético girante criado pelo estator aparecerá nele uma corrente elétrica; 3o) um condutor, percorrido por corrente elétrica, colocado em um campo magnético, fica sujeito a uma força; este princípio é o que dá movimento ao rotor: estando ele imerso no campo magnético girante, aparecerá uma corrente no rotor e este condutor percorrido por uma corrente imerso num campo magnético ficará sujeito a uma força que é a força que faz com que ele entre em movimento.

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Considerando a figura abaixo, supondo que o estator seja alimentado somente por uma fase, o campo magnético resultante gerado será um campo alternado onde a direção muda de acordo com o sentido da corrente numa velocidade determinada pela freqüência da tensão de alimentação, que no caso do Brasil é de 60 Hz, variando, portanto a direção 60 vezes por segundo [7].

Figura 6 – Campo magnético gerado por alimentação 1Φ Fonte:Conversores de Freqüência e Soft-starters – EJM Engenharia

Considerando agora o estator alimentado por três fases deslocadas de 120º entre si, o campo magnético resultante gerado será um campo magnético girante conforme a figura abaixo. A velocidade com que esse campo gira é chamada de velocidade síncrona, e depende da freqüência da tensão de alimentação e do número de pólos do motor, e pode ser calculada por: ns = 120 x f p

Figura 7 – Campo magnético gerado por alimentação 3Φ Fonte: Conversores de Freqüência e Soft-starters – EJM Engenharia

(1)

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O rotor por sua vez tende a acompanhar a velocidade síncrona, porém se o rotor girasse na mesma velocidade do campo girante, o campo magnético criado pelo estator em relação aos condutores do rotor não seria variável, o campo não sendo variável não haverá corrente induzida no rotor não havendo a força geradora do torque. Então a velocidade que o rotor gira é sempre menor que a velocidade síncrona e é dada por[12]: n = 120 x f x (1 – s) p (2) onde: n = velocidade em rotações por minutos f = freqüência da rede em Hertz s = escorregamento p = nº. de pólos O motor de indução pode ser representado através de um circuito equivalente que permite descrever o funcionamento do motor.

Figura 8 – Circuito equivalente do motor Fonte:Conversores de Freqüência e Soft-starters – EJM Engenharia

A resistência R1 é o valor da resistência dos condutores das bobinas do estator e X1 é o valor da reatância de dispersão do estator, onde X 1 = 2.π.f.L. A influência mútua entre o estator e o rotor é representado por Rfe e Xh e o rotor é representado pela resistência R2 e pela reatância X2, conforme a figura 8 [7]. No instante em que é dada a partida no motor com rotação ainda nula, o escorregamento ‘s’ é praticamente 1, com isso a resistência “((1-s)/s) x R2“ tende a zero fazendo com que a corrente seja máxima. Por outro lado considerando o motor rodando a vazio, o escorregamento ‘s’ tende a zero, com isso a resistência “((1-s)/s) x R2“ aumenta muito fazendo com que a corrente no rotor tenda a zero. Ou seja, considerando um motor com partida direta, a corrente drenada pelo motor no momento da partida chega a aproximadamente 6 vezes a corrente nominal e diminui

22

à medida em que a velocidade vai diminuindo até atingir um valor estacionário determinado pela carga [6].

Figura 9 – Curva de torque x Velocidade e Corrente x Velocidade para motor de indução com tensão e freqüência contínuas. Fonte: Guia de aplicações de inversor de freqüência WEG

3.2

VARIAÇÃO DA ROTAÇÃO

Todo motor de indução tem como característica construtiva uma velocidade nominal de operação, ditada pela freqüência da rede, que no Brasil é de 60 Hz e tem valor constante. A velocidade nominal pode ser calculada pela equação 2 : n =120 x f x (1 – s) p

(2)

Como o escorregamento e o número de pólos são características do motor, então, de acordo com a equação acima, para variação da velocidade bastaria variar a freqüência da tensão de alimentação do motor de indução. A curva de conjugado pela velocidade pode ser traçada como função da freqüência do rotor para diferentes valores de freqüência de suprimento conforme mostrado na figura 10 [1]:

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Figura 10 – Conjugado por velocidade para diferentes freqüências com acionamento mantendo V/f constante. Fonte: Acionamento de máquinas elétricas – Curso de Pós Graduação em Engenharia elétrica / UFU.

Observa-se na figura 10 uma redução dos conjugados máximo e de partida em baixas freqüências. Para melhorar a característica em baixas freqüências, a tensão terminal deve ser aumentada acima do valor definido pela relação V/f.

3.3

TIPOS DE CARGA [6]

As cargas a serem acionadas pelo motor de indução geralmente se enquadram em uma das seguintes categorias: Potência constante – O torque inicial é alto, diminuindo exponencialmente com o aumento da velocidade. A demanda de potência permanece constante durante toda faixa de velocidade. Ex.: processos onde há variações de diâmetro, como máquinas de bobinamento.

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Figura 11 – Carga do tipo potência constante Fonte: Guia de aplicações de inversor de freqüência WEG

Torque constante – o torque exigido pela carga é constante durante toda faixa de velocidade e a potência demandada cresce linearmente com a carga. Exemplos desse tipo de carga são: esteira transportadora, t ransportadora, guindaste, elevador.

Figura 12 – Carga do tipo torque constante Fonte: Guia de aplicações de inversor de freqüência WEG

Torque linearmente crescente – o torque cresce linearmente com o aumento da velocidade, e a potência cresce de forma f orma quadrática. Ex.: prensas.

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Figura 13 – Carga do tipo torque linearmente crescente Fonte: Guia de aplicações de inversor de freqüência WEG

As bombas centrífugas se enquadram no tipo de carga abaixo: Torque com crescimento quadrático – O torque demandado cresce com o quadrado da velocidade e a potência cresce com o cubo. Outro ex.: Ventiladores

Figura 14 – Carga do tipo torque com crescimento quadrático. Fonte: Guia de aplicações de inversor de freqüência WEG

A curva de torque do motor de indução é alterada para diferentes velocidades conforme representado na figura 10. Em contrapartida o torque necessário para o acionamento da bomba varia com o quadrado da variação da velocidade, com isso os pontos característicos de operação para diferentes velocidades podem ser representados conforme a figura 15.

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Figura 15 – Pontos de operação do motor de indução acionando uma carga do tipo Torque com crescimento quadrático, para diferentes velocidades.

Esse tipo de carga é a aplicação onde se consegue maior economia de energia, pois a redução da potência demandada com a redução da velocidade é superior se comparada com as outras aplicações.

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4

BOMBA CENTRÍFUGA

As bombas centrífugas são máquinas que fornecem energia ao líquido por meio da ação da força centrífuga a fim de promover seu escoamento. Elas transformam o trabalho mecânico proveniente de fontes externas em energia cinética e de pressão, que são cedidas ao líquido [8].

4.1

FUNCIONAMENTO

O líquido é encaminhado para a parte central do rotor, entra em movimento de rotação e é impelido para a periferia do rotor pela ação da força centrífuga, adquirindo grande velocidade; depois percorre o contorno da carcaça onde parte dessa energia de velocidade é transformada em energia de pressão e é lançado para fora da bomba pelo local de descarga [4].

Figura 16 – Bomba Centrífuga Fonte: Mecânica das bombas

A função da bomba em sistemas elevatórios de abastecimento de água é a de elevar a pressão para que o líquido possa alcançar alturas que não alcançaria naturalmente, com uma vazão capaz de suprir a demanda de água exigida de acordo com o consumo.

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4. 2

DIMENSIONAMENTO DE UMA BOMBA [3]

Ao se dimensionar uma bomba, visa-se, basicamente ao fornecimento de uma determinada vazão em uma determinada altura manométrica, objetivando sempre obter o maior rendimento possível para a bomba. Porém, de acordo com a aplicação, poderá haver variação da vazão em relação a de projeto. Para uma mesma bomba, variando-se a vazão varia-se também a pressão desenvolvida (altura manométrica) e o rendimento da bomba. Cada bomba tem um certo campo de aplicação em termos das grandezas que interferem em seu funcionamento. É importante, então, que se escolha a bomba que melhor atenda à sua aplicação. O objetivo é atingido num primeiro estágio, através dos gráficos de seleção e, num segundo estágio, através das curvas características da bomba que são obtidas nas bancadas de ensaios e fornecidas pelos fabricantes: Curvas características de uma bomba centrífuga.

Figura 17 – Curvas características da bomba centrífuga. Fonte: Instalações elevatórias. Bombas – 3ª Edição

(HxQ) – mostra a variação da altura manométrica desenvolvida em função da vazão recalcada. (ηxQ) – mostra a variação do rendimento em função da vazão.

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(PxQ) – mostra o relacionamento existente entre a potência necessária ao acionamento e a vazão recalcada. (NPSHxQ) – o NPSH é a energia (carga) medida em pressão absoluta disponível na entrada de sucção de uma bomba hidráulica. O NPSH requerido (NPSHreq) é a energia em pressão absoluta que a bomba requer na sua entrada de sucção para evitar que o fenômeno da cavitação ocorra e depende das características construtivas da bomba, da sua rotação e da vazão. Ele é informado pelo fabricante da bomba. A curva NPSHxQ mostra a variação do NPSH requerido com a vazão, (muito importante por ser um parâmetro fundamental na escolha da bomba afim de se evitar a cavitação). Do conhecimento e análise destas curvas, podem-se tirar informações fundamentais relativas ao campo de emprego e à forma de operação das bombas, possibilitando a escolha da que melhor atenda à necessidade de projeto, ou seja, uma bomba que forneça a pressão e a vazão desejadas com melhor rendimento possível, e ainda possibilita que se evite que a bomba opere de forma indesejada. Para o dimensionamento de uma bomba, portanto, é necessário que se saiba a vazão a ser recalcada e a altura manométrica que se deseja abastecer. Com essas duas informações, e através das curvas características da bomba, pode-se determinar a bomba que atenda aos dois parâmetros com o melhor rendimento. Determinadas essas variáveis e conhecendo o valor de γ que é característico de cada fluído, pode-se determinar a potência necessária ao acionamento da bomba. A potência necessária ao acionamento de uma bomba é dado por: P = γ . Q . Hman / (75 . η) Onde, P – potência necessária ao acionamento, em CV. Q – vazão a ser recalcada, em m³/seg. Hman – altura manométrica, em m. γ – peso específico do fluido, em kg/m³. η – rendimento da bomba, em %.

(3)

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Porém, a vazão pode variar ao longo do dia. Durante a noite, por exemplo, o consumo de água é mínimo, ao passo que, de manhã e à tarde, o consumo é elevado. Então, a vazão que deve ser levada em consideração no dimensionamento da bomba para que não haja deficiência no abastecimento, será a vazão nos horários de maior consumo. A pressão manométrica, por sua vez, que deverá ser fornecida pela bomba, não será apenas uma questão geográfica, dependendo também, da pressão com que o fluido chega à bomba, das perdas de carga na tubulação, de conexões e peças. A altura manométrica a ser considerada será: Hman = Ho + ∆H

(4)

onde, ∆H são as perdas de carga e H o é o desnível geométrico e pode ser encontrado conforme a figura abaixo:

Figura 18 – a) Sucção positiva; b) Sucção negativa Fonte:Instalações elevatórias. Bombas – 3ª Edição

As perdas de carga, por sua vez, variam de acordo com a vazão. Se há uma redução da vazão, a perda de carga reduz-se com o quadrado desta.

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A perda de carga numa tubulação segundo Darcy-Weissbach é dada por: ∆H = f . L . D . V²/2g (5) onde, ∆H – Perda de carga, em m. f – coeficiente de atrito (depende do regime de escoamento (laminar ou turbulento) e da rugosidade relativa da parede do conduto). L – comprimento do tubo, em m. D – diâmetro do tubo, em m. V² – velocidade média de escoamento, em m/seg. g – aceleração da gravidade, em m/seg². A velocidade média de escoamento ‘V’ depende da vazão e é dada por: V = 4.Q/ π.D² (6) onde, Q – vazão, em m³/seg. D – diâmetro da tubulação, em m. V – velocidade média de escoamento, em m/seg. O coeficiente de atrito ‘f’ para escoamento laminar é dado por: f = 64/Re onde, Re = V.D/v, sendo: V – velocidade média de escoamento, em m/seg. D – diâmetro do tubo, em m. v – viscosidade cinemática do fluído, em m²/seg.

(7)

O coeficiente de atrito para um escoamento turbulento, além de ser função do regime de escoamento, depende também da rugosidade relativa da tubulação, onde os valores desta rugosidade relativa são característicos do tipo de material e podem ser obtidos através de Tabela com valores da rugosidade absoluta de cada material. Conhecidos o número de Reynolds e a rugosidade relativa, o coeficiente de atrito f é dado pelo Ábaco de Moody que está em ANEXO A. Para se conhecer a perda de carga em peças e conexões, pode-se usar dois métodos, o método dos comprimentos equivalentes que consiste em substituir o acessório por um valor de comprimento de tubulação reta de mesmo diâmetro e

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material, no qual ocorra uma perda de carga igual àquela que acontecerá no acessório. A substituição dos acessórios por comprimentos equivalentes em tubos retos é dado por tabelas fornecidas pelos fabricantes. E o método direto, dado por: (8) Hl = K.V²/2g onde, Hl – perda de carga no acessório, em m. V – velocidade média de escoamento, em m/seg, dado em tabela. G – aceleração da gravidade, em m/seg² 4.3

VARIAÇÃO DA ROTAÇÃO.

A variação da rotação de acionamento de uma bomba faz com que as características de suas curvas sejam alteradas. Para cada ponto (HxQ) da curva de uma bomba na rotação nominal, existe um outro ponto (H´xQ´) correspondente sob rotação n´, tal que: Q´/Q = n´/n (9) H´/H = (n´/n)² (10) P´/P = (n´/n)³ (11)

Figura 19 – Curva característica da bomba para diferentes rotações. Fonte: Instalações elevatórias. Bombas – 3ª Edição

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Com a alteração da rotação, observada as leis de semelhança física de máquinas hidráulicas rotativas, equações 9 a 11, as curvas de funcionamento da bomba são alteradas, mudando assim o ponto de operação do sistema. É importante ressaltar que os novos pontos encontrados são pontos homólogos, ou seja, operam com mesmo rendimento dos pontos que lhe deram origem.

Figura 20 – Curva (HxQ) em várias rotações e parábolas de iso-eficiência. Fonte: Instalações elevatórias. Bombas – 3ª Edição.

As parábolas que interligam os pontos de mesmo rendimento para diferentes rotações são chamadas parábolas de iso-eficiência. De posse das curvas características para rotações diferentes da nominal, pode-se agora analisar em termos de eficiência energética a operação da bomba acionada por um motor de indução, que por sua vez, tem sua velocidade controlada por um inversor de freqüência.

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5

MÉTODOS DE PARTIDA DO MIT

Para o acionamento de moto-bombas por motor de indução em elevatórias de água tratada, 5 métodos principais podem ser destacados: partida direta, partida Y-, partida por chave compensadora, partida por chave soft-starter  e inversor de freqüência. O método de partida direta é o mais simples para partir um motor de indução, onde o motor é ligado diretamente à rede, porém é pouco utilizado, principalmente, em motores de grande porte, devido à alta corrente de partida. Na partida Y-, é necessário que o motor possua ligação dupla de tensão; na partida o motor é ligado em estrela, fornecendo-se tensão reduzida à bobina do motor de 1/ √3 vezes a tensão nominal, e posteriormente comuta-se a ligação para triângulo ficando assim em operação com tensão nominal nas bobinas do motor, possibilitando a redução da corrente de partida em até 1/3. A partida com chave compensadora tem como característica aplicar uma tensão reduzida nas bobinas do motor através de um auto-transformador no momento da partida, depois aplica-se tensão nominal para operação normal do motor, conseguindo assim uma redução na corrente de partida. A partida com soft-starter , como próprio nome já diz, permite ao motor uma partida suave através da variação em rampa da tensão de alimentação do motor, proporcionada pelo conjunto de pares de tiristores, onde o ângulo de disparo dos tiristores é controlado eletronicamente. A partida com a soft-starter  permite que a corrente de partida seja aproximadamente o mesmo valor da corrente nominal. O inversor de freqüência tem como principal característica conseguir alimentar o motor com tensão e freqüência variáveis, ou seja, diferentes dos valores nominais da rede, proporcionando ao motor a possibilidade de operar com velocidade diferente da nominal. Consegue-se, portanto, não só partir, mas também operar o motor por tempo indeterminado com corrente, tensão e freqüência reduzidas proporcionando-se um melhor desempenho à máquina elétrica. Como o método da partida direta é pouco utilizado e as chaves estrelatriângulo e chave compensadora têm a mesma finalidade, para efeito de comparação somente as chaves compensadoras, soft-starters  e inversores de freqüência serão analisados, assim como seus princípios de funcionamento, os prós e os contras da utilização destes na aplicação em bombas.

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5.1

CHAVE COMPENSADORA [11]

A partida com chave compensadora tem como principal objetivo a redução da corrente de partida, utilizando um autotransformador que pode fornecer ao motor diferentes níveis de tensão, dependendo de suas características construtivas. No momento da partida é fornecida ao motor através do autotransformador, uma tensão reduzida, menor que a tensão nominal do motor, posteriormente aplicase a tensão nominal, possibilitando uma redução da corrente de partida de até v c² x Ipnom, onde ‘vc’ é o valor da compensação e Ipnom é a corrente de partida nominal. Por exemplo, se a tensão fornecida pelo autotransformador ao motor na hora da partida for de 60% da tensão nominal a redução da corrente de partida poderá chegar a 0,6² = 0.36, ou seja, redução em até 64%.

Figura 21 – Partida com chave compensadora Fonte: Comandos elétricos – CEFET-SP

No instante da partida os contatos NAs dos contatores K2 e K3 (Fig. 21) são fechados, e o motor é alimentado pelo tap do transformador com tensão reduzida, neste caso com 60% da tensão, e depois de aproximadamente 7 segundos, os

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contatos NAs dos contatores K3 e K2 voltam a abrir, e os conatos NAs do contator K1 são fechados, aplicando portanto a tensão nominal.

5.2

SOFT-STARTER  [6]

O funcionamento de uma soft-starter  consiste no controle do ângulo de disparo dos tiristores de uma ponte tiristorizada, a fim de gerar na saída da mesma, uma tensão eficaz gradual e linearmente crescente até atingir a tensão nominal da rede.

Figura 22 – Composição básica de uma chave soft-starter  Fonte: Seminário técnico 2003 – Siemens

O controle do ângulo de disparo dos tiristores é feito por uma unidade de controle (figura 22). Na aceleração o controle é feito através da diminuição do ângulo de disparo de forma a se obter na saída da soft-starter uma forma de onda do tipo:

Figura 23 – Tensão na saída da soft-starter na aceleração. Fonte: Seminário técnico 2003 – Siemens

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Obtendo assim uma tensão eficaz crescente até atingir seu valor nominal. O tempo da rampa de aceleração pode ser ajustado na soft-starter , para melhor adequação ao tipo de carga (figura 24).

Figura 24 – Rampa de tensão aplicada ao motor na aceleração. Fonte: Guia de aplicação de inversor de freqüência – Weg

O mesmo processo também ocorre na desaceleração, o controle de disparo é feito de forma a ir aumentando o ângulo de disparo até cessar totalmente a alimentação.

Figura 25 – Tensão na saída da soft-starter na desaceleração. Fonte: Seminário técnico 2003 – Siemens

Obtendo assim uma tensão eficaz decrescente em rampa durante um tempo ajustado no equipamento, até atingir um valor mínimo onde é totalmente desfeita a alimentação da carga conforme representado na figura 26.

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Figura 26 – Rampa de tensão aplicada ao motor na desaceleração Fonte: Guia de aplicação de inversor de freqüência – Weg

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6

INVERSOR DE FREQUÊNCIA

Os inversores de freqüência são dispositivos eletrônicos que fornecem total controle sobre a velocidade de motores elétricos de corrente alternada através do controle dos valores da freqüência e de tensão aplicados aos motores. Tais grandezas são ajustadas de acordo com a necessidade da máquina elétrica e da aplicação [13]. Durante muitos anos as aplicações industriais que necessitavam de velocidade variável com motores de indução CA, necessitavam de um segundo dispositivo de conversão de energia que utilizava componentes mecânicos, hidráulicos ou elétricos. Posteriormente como alternativa vieram os motores de corrente continua, que proporcionam um ótimo controle da velocidade e torque para uma faixa extensa de operação, predominando por muito tempo nas aplicações onde se exigia alto desempenho, respostas rápidas e alta precisão no controle de velocidade. Porém, a busca por avanços tecnológicos tem diminuído esta hegemonia. A disponibilidade dos semicondutores a partir da década de 60, e seu desenvolvimento principalmente na área de potência na década de 80, aliados com o grande avanço na tecnologia de microprocessadores, possibilitaram a implementação de sistemas com variação de velocidade para motores de CA com excelentes características de desempenho e confiabilidade, os denominados inversores de freqüência, que com passar do tempo têm evoluído e ganho cada vez mais espaço.

6.1

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O princípio de funcionamento do inversor de freqüência se baseia em três etapas: retificação, filtragem e inversão [5].

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Figura 27 – Composição básica do Inversor de freqüência. Fonte: Guia de aplicação de inversor de freqüência – Weg

Na primeira etapa, o retificador, que pode ser controlado ou não, é alimentado através da rede com tensão e freqüência constantes, gerando uma tensão constante pulsante (figura 28). Na segunda etapa esta tensão é filtrada e entregue ao inversor. O inversor é composto de um conjunto de chaves dispostas conforme Figura 29. Estas chaves são implementadas nos inversores de freqüência por transistores de potência, onde os mais utilizados são os IGBTs. Tais chaves são controladas, na sua abertura e no seu fechamento, por uma unidade de controle microprocessada. As variações de abertura e fechamento das chaves possibilitam obter na saída do inversor diferentes formas de ondas. Os inversores de freqüência modernos utilizam para a combinação de abertura e fechamento das chaves, uma técnica chamada PWM (Pulse Width Modulation ) ou Modulação por largura de pulso, permitindo a geração de ondas “senoidais” de freqüência variável com boa resolução.

Figura 28 – Formas de onda em cada etapa do Inversor de Freqüência. Fonte: Inversor de Freqüência – ISA

41

Figura 29 – Módulo inversor (chaves) + Motor. Fonte: Inversor 1

Outros tipos de técnicas de modulação são utilizados, como exemplo a técnica PAM modulação por amplitude de pulso. Porém para demonstrar como é possível através de dispositivos eletrônicos, e a partir da tensão e freqüência constante da rede, obter um sistema trifásico com freqüência variável, será utilizada a técnica PWM.

6.2

MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO (PWM) [2]

A técnica de chaveamento PWM consiste na abertura e fechamento das chaves, controladas a partir da unidade de controle microprocessada, onde o tempo de abertura e fechamento das chaves (figura 30) é definido com a comparação de uma senóide de referência gerada pelo circuito de controle, com uma onda triangular, o ponto de intersecção destas ondas determina a mudança de estado das chaves.

Figura 30 – Módulo Inversor monofásico + carga

Tomando como exemplo a Figura 31, é apresentada a onda triangular e a senóide de referência, que é a senóide que se deseja na saída do inversor de freqüência. No cruzamento delas tem-se o momento de abertura e fechamento das chaves.

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Figura 31 – Método PWM Monofásico Fonte: Inversor 1

A forma de onda gerada no gráfico (b) da Figura 31, não é efetivamente uma senóide, mas sim um sinal de pulsos retangulares onde a tensão média em cada semi-ciclo se equivale a tensão média de uma onda senoidal, sendo assim enxergada pelo motor de indução. Para a variação da amplitude da tensão de saída, basta variar a amplitude da tensão de referência. A partir dessa variação, haverá também uma mudança no tempo em que as chaves ficarão abertas, variando assim o módulo da tensão média da onda pulsante gerada, como no exemplo da figura 32. A amplitude da tensão de referência é reduzida, com isso o tempo em que as chaves ficam fechadas é reduzido, fazendo com que a tensão média equivalente também diminua.

Figura 32 – Variação da amplitude de tensão com técnica de chaveamento PWM. Fonte: Inversor 1

Para a variação da freqüência basta variar o período da senóide de referência, como mostrado na figura seguinte. Com isso, haverá uma variação do número de pulsos, fazendo com que haja a variação da freqüência.

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Figura 33 – Variação da freqüência com técnica de chaveamento PWM. Fonte: Inversor 1

Outra alternativa do controle PWM é fazê-lo de maneira a evitar os zeros dos pulsos, utilizando uma onda triangular sem patamares do zero, como no exemplo trifásico que se segue, cujo módulo inversor mais motor estão representados na figura 29. A interseção da onda triangular com a senóide de referência de cada fase determina a abertura e o fechamento das chaves (figura 34). Com isso o período que as chaves deverão ficar fechadas é determinado pela largura do pulso de corrente no “gate” do IGBT.

Figura 34 – Método PWM Trifásico Fonte: Inversor 1.

Os pulsos que se equivalem à saída senoidal de cada fase Va, Vb, Vc é mostrado abaixo.

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Figura 35 – Tensão de fase na saída do inversor de freqüência. Fonte: Inversor 1

Com isso temos na figura abaixo, a tensão de linha Vab gerada na saída do inversor de freqüência.

Figura 36 – Tensão de linha na saída do inversor de freqüência. Fonte: Inversor 1

6.3

MÉTODOS DE CONTROLE DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA [6].

Para variação da velocidade do motor não basta apenas variar a freqüência, uma variável que tem se tomar um cuidado especial é o torque do motor, com esta preocupação os métodos de controle utilizados são: Controle escalar - O método de controle escalar está baseado numa estratégia de V/f constante. Considerando que o toque é proporcional a V/f, então ele será mantido constante e igual ao nominal para qualquer velocidade. Como para variação da velocidade é necessário que se varie a freqüência, neste caso, a tensão é alterada na mesma proporção, obtendo uma corrente no estator também constante na ordem da corrente nominal. Para velocidades acima da nominal, não é possível

45

manter o torque constante, pois para se manter V/f constante, a tensão deve variar na mesma proporção da freqüência, mas com freqüências acima da nominal, o máximo valor de tensão que se pode chegar é o valor nominal, entrando o motor em operação numa região chamada de região de enfraquecimento de campo, onde o torque diminui à medida que a freqüência aumenta. Para freqüências acima de 30 Hz, mantendo-se a proporcionalidade V/f, a resistência R do circuito equivalente do motor de indução não terá muita influência na corrente, devido aos altos valores das reatâncias séries para freqüências maiores. Porém para freqüências abaixo de 30 Hz, a resistência R passa a influenciar na corrente, fazendo com que em freqüências baixas a corrente tenda a diminuir e com ela o torque. Para que isto seja evitado, é necessário que nessa região a tensão diminua numa proporção menor que a freqüência através de um método chamado de compensação IxR. Devido a essas limitações, os inversores com controle escalar são utilizados em aplicações onde não são necessários um controle de torque preciso e alto desempenho. Controle Vetorial – Em aplicações que exigem alto desempenho e controle preciso do torque são utilizados os inversores de freqüência com controle vetorial. No motor de indução alimentado diretamente da rede ou com inversor de freqüência com controle escalar, a corrente do estator é responsável pela magnetização e geração de torque, não se tendo um controle direto do torque. O que o inversor de freqüência com controle vetorial faz é calcular essa corrente de acordo com o torque requerido, calculando em tempo real através do modelo matemático do motor. Para se calcular essa corrente, é necessário conhecer os parâmetros do circuito equivalente do motor, que podem ser parâmetros préprogramados, em caso de motores conhecidos, ou em inversores mais sofisticados, podem ser calculados através de funções de auto-ajuste. Foi esse grande avanço que possibilitou a diminuição da hegemonia dos motores CC, pois com os inversores de freqüência com controle vetorial foi possível aliar os altos desempenho e precisão do acionamento CC às vantagens de um motor CA. E ainda, em aplicações que requerem maiores precisões, são utilizados “encoders” acoplados ao motor, possibilitando uma maior precisão dinâmica. Em aplicações de inversores de freqüência para acionamento de motobombas geralmente os de controle escalar já conseguem atender muito bem,

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pois como em função booster  as outras aplicações de motobombas normalmente não exigem respostas extremamente rápidas nem controles tão precisos de torque.

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7

AUTOMATISMO DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO.

Como em toda aplicação, o sistema de distribuição de água com a utilização de moto-bombas com função booster , também tem suas particularidades, e alguns cuidados devem ser tomados para que se tenha um bom resultado no processo. Para uma boa operação no sistema de abastecimento devem ser analisados alguns dados importantes como: Golpe de aríete, que consiste em variações de pressão na rede que podem vir a danificar a estrutura da tubulação e/ou rompê-la. Podendo ser evitado com partida e parada suaves no motor. •

Excesso de pressão na rede, que pode acontecer nos horários em que a vazão diminui, fazendo com que possa haver rompimentos nas tubulações, causando vazamentos e conseqüentemente grandes perdas. Podendo ser evitado através de variadores de velocidade, ou até mesmo de desligamento da bomba em horários de menor consumo. •

Bomba rodando sem carga, consiste na falta d’água na sucção da bomba, podendo ser causada, por exemplo, por rompimentos na tubulação antes de chegar na bomba, ou outras anomalias inesperadas. Este tipo de situação deve ser evitado para que não se danifique a bomba por sobre aquecimento. •

7.1

PROPOSTA DE AUTOMATISMO

Com a finalidade de atender aos requisitos acima serão apresentadas 3 propostas de automatismo, uma para cada tipo de acionamento: chave compensadora, soft-starter  e inversor de freqüência, visando à análise de custobenefício do equipamento utilizado e do automatismo implantado. 7.1.1 Automatismo com Chave Compensadora O automatismo com chave compensadora abaixo, não consegue atender a todos os requisitos citados acima, porém atende a alguns com bastante eficiência. O automatismo com a chave compensadora para EAT, cujo diagrama ladder  está representado na figura 37, proporciona uma partida manual e uma

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partida/operação automática. A partida manual é feita através de botoeiras-liga, desliga e a partida automática só é possível nos horários programados e se houver água na sucção da bomba; caso haja falta d’água na rede o motor sairá de operação voltando a operar automaticamente assim que voltar a água na rede.

Figura 37 – Circuito de comando do Automatismo com chave compensadora.

Para esta figura tem-se a seguinte legenda: E1 – Relé de sobrecarga. Man/Aut – Chave seletora de 3 posições. Bd – Botoeira desliga. Bl – Botoeira liga. RA – Contator Auxiliar. 7PU – Relé temporizador. K – Contator de força. RP – Relé programador de horário. SF – Sensor de fluxo. RE – Relé de Eletrodo. Rt – Temporizador. O Relé programador horário tem como finalidade permitir a partida do motor somente nos horários programados. Tem um papel importante em setores de abastecimento onde não se faz necessário o abastecimento durante 24 horas por

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dia, porém é necessário um estudo do consumo de água do setor para um melhor aproveitamento do programador horário. A chave seletora “Manual-Automático” é uma chave de seleção de três posições, onde uma posição habilita a partida e a parada manual através das botoeiras Bl – liga e Bd – desliga. Uma outra posição habilita o automatismo, onde a partida acontece automaticamente de acordo com os parâmetros de controle. E uma terceira posição central, onde não é habilitado nenhum dos dois impossibilitando a partida do motor. Com a chave na posição Manual, a partida deverá ser feita através da botoeira bl. Ao ser pressionada, o contator auxiliar RA1 é energizado e o contato NA paralelo a “botoeira liga” se fechará, e permanecerá neste estado até que RA1 seja desenergizado através da botoeira bd. Habilitada a partida do motor com a energização do contator RA1, é energizado também o 7pu. Este é um dispositivo com dois contatos NAs independentes um do outro. No instante que é energizado, um dos contatos NAs se fecha, ficando o outro aberto. Depois de um tempo préajustado no dispositivo, o contato que se encontrava fechado se abre e o contato que se encontrava aberto se fecha, possibilitando portanto a partida compensada. No instante da energização do 7pu, K2 e K3 serão habilitados e alimentarão o motor através do autotransformador (Fig 21). Após o tempo pré-ajustado, k2 e k3 são desabilitados e K1 é habilitado, passando o motor a ser alimentado com tensão nominal. Por questão de segurança, é necessário que se faça o intertravamento dos contatores K1 e K3 conforme a figura 37, para que os dois não sejam habilitados no mesmo instante evitando um curto. Com a chave na posição Automático, a partida irá acontecer dependendo da situação do sistema. O relé de eletrodo tem a função de vigiar se há água na rede, não permitindo que seja dada a partida no motor sem que haja água na sucção, evitando que o motor opere a vazio. O relé temporizador de minuto Rt1 tem a função de garantir que realmente haja água na rede, pois existe a possibilidade de mesmo não havendo água na rede, por um distúrbio, chegue água até os eletrodos do relé de eletrodo por um pequeno instante de tempo, fazendo com que ele habilite a partida. Ainda, se houver um distúrbio oscilatório, ele permitirá várias partidas num pequeno espaço de tempo, podendo até queimar o motor. Então garantida a presença de água por um bom intervalo de tempo, o contato NA do relé temporizador de minuto Rt1 será fechado, habilitando a partida do motor.

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Efetuada a partida através da energização do contator RA2, o relé temporizador de segundo Rt2 também é energizado através do contato NA do relé de minuto. O Rt2 tem a função de manter o RA2 energizado pelo contato do relé de minuto até que o contato NA do sensor de fluxo se feche, que será quando o motor atingir uma corrente mínima pré-ajustada no próprio dispositivo, a partir daí o contator RA2 será sustentado pelo contato do sensor fluxo. Porém, se houver falta d’água com o motor operando é necessário que este desligue, e isso é feito através do sensor de fluxo que é um circuito eletrônico desenvolvido por técnicos da CESAN, que monitora a corrente do motor, fazendo com que o contato NA do sensor se feche ou permaneça fechado a partir de um valor de corrente pré-ajustado no aparelho e volte ao estado aberto se a corrente for menor do que a pré-ajustada. O automatismo com chave compensadora permite um controle para casos de falta d’água, evitando que o motor opere a vazio, permite o desligamento do motor nos horários em que o consumo de água se aproxima a zero, possibilitando uma pequena economia de energia. Porém não se consegue evitar o golpe de aríete, reduzir o consumo de energia quando o consumo de água reduzir e evitar o aumento da pressão na rede.

7.1.2 Automatismo com Partida Suave (Soft-starter ) Para melhorar a operação do sistema, atendendo não só aos quesitos atendidos pela chave compensadora mas também evitar o golpe de aríete, será utilizada a partida suave ou soft-starter . O princípio do automatismo com a soft-starter  é o mesmo da chave compensadora, porém com o avanço desses equipamentos devido ao desejo dos fabricantes em aumentar seu espaço no mercado, as soft-starter s estão aparecendo com várias funções de proteção e operação do sistema, então foi utilizada a função de subcorrente da soft-starter na substituição do sensor de fluxo. O circuito a seguir foi desenvolvido para a soft-starter da WEG modelo SSW04 podendo se estender a idéia para outros modelos inclusive de outros fabricantes, observando, no entanto, especificações de relés de trip, entradas digitais, entre outros [14].

51

O tipo de comando utilizado foi o comando por entradas digitais a dois fios, que consiste na utilização das entradas digitais para comandar a partida e a parada do motor conforme representado no circuito de comando a seguir:

Figura 38 – Circuito de Comando do Automatismo com soft-starter .

Para o comando de partida, é necessário que se feche o contato que existe entre as entradas digitais DI 1 e DI 3 através da energização do contator auxiliar RA1, e assim permaneça para que o motor continue em operação. Para desligar o motor basta que se abra o contato através da desenergização do contator auxiliar RA1. A chave seletora manual/automático tem a mesma função da chave do circuito de comando da chave compensadora citado anteriormente, assim como o relé programador de horário (RP). Com a chave na posição manual o acionamento do motor continua através das botoeiras Bl – liga, Bd – desliga. Com a chave na posição automático, só é habilitada a partida no horário programado no RP. Os bornes 10, 11, 12 representados no circuito são bornes do relé 3 da soft-  starter . Este é um relé interno do equipamento que muda de posição com a mudança de estado, ou seja, quando passa do estado de operação normal para o estado de ERRO. O estado de erro utilizado é justamente quando há a subcorrente, ou seja, o motor deverá sair de operação quando a corrente drenada for menor do que a corrente ajustada no equipamento. Se a soft-starter não estiver no estado de erro o contato estará fechado entre os bornes 10 e 11, se for para o estado de erro

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abre-se o contato entre 10 e 11 e fecha-se entre 11 e 12. Desse modo, se o motor estiver em operação e por acaso faltar água na rede, o motor irá funcionar sem carga, e a corrente drenada reduzirá a um valor menor do que o ajustado, fazendo com que a soft-starter entre em estado de ERRO. Ao ser iniciada a soft-starter , o estado dela é de operação normal, ou seja, contato fechado entre 10 e 11, portanto para que seja habilitada a partida é necessário que tenha água na rede. Havendo água na rede, será fechado o contato NA do relé de eletrodo. Se confirmada a presença de água durante o intervalo de tempo ajustado no relé de minuto Rt1, acontecerá a partida do motor através da energização do contator auxiliar RA2 que irá energizar o RA1. Se por acaso houver falta d’água, o contato entre 10 e 11 será aberto, desenergizando o RA2 e conseqüentemente o RA1, assim desligando o motor. Então, a soft-starter  sofrerá um “auto reset” após um tempo programado nela, fazendo com que saia do estado de ERRO e volte para o estado normal de operação. Com isso, o contato entre 10 e 11 se fecha novamente, ficando em modo de espera até que volte o abastecimento normal na rede, possibilitando nova partida no motor. O funcionamento do automatismo com soft-starter  é o mesmo da chave compensadora, porém todas essas partidas e paradas são suaves, fazendo com que a corrente de partida seja ainda menor e evite o golpe de aríete.

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8

ACIONAMENTO COM INVERSOR DE FREQUÊNCIA.

O acionamento com inversor de freqüência é capaz de atender a importantes quesitos que não são preenchidos pelos métodos de partida citados anteriormente. Sua capacidade de operar o sistema com velocidades variadas e sua ótima resposta de controle em malha fechada permitem um grande avanço e melhoria na operação do sistema. O sistema de abastecimento com inversor de freqüência apresentado a seguir tem como característica um sistema de controle com pressão constante. Como a vazão varia ao longo do dia, o ponto de operação da bomba varia, fazendo com que a pressão varie também. Considerando a bomba com velocidade constante, para os horários de menor vazão a pressão fornecida pela bomba tende a ser maior, ao passo que, em horários de maior vazão a pressão fornecida será menor. Porém como a pressão a ser fornecida, por norma é uma pressão constante, no mínimo 10 mca no ramal do consumidor, o inversor de freqüência é utilizado para variar a velocidade da bomba, conseguindo, portanto alterar a curva característica da bomba, obtendo para diferentes vazões, pressões constantes, conforme representado na figura abaixo.

Figura 39 – Variação da curva característica da bomba com variação da velocidade.

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Considerando uma bomba que tenha como curva característica a curva n (Fig. 39), foi dimensionada para abastecer todos os consumidores do setor em pleno horário crítico, ou seja, o de maior vazão Q, com pressão H na saída da bomba. Porém no horário em que a vazão diminui de Q para Q1, a bomba passa a operar no ponto F’, atingindo uma pressão na saída da bomba H’ maior que H. Essa elevação da pressão tem duas conseqüências principais: o excesso de pressão na tubulação e o desperdício de energia. O excesso de pressão na tubulação pode vir a danificar a estrutura ou até mesmo romper a tubulação. Com o passar do tempo o material da tubulação altera suas características originais e sua resistência diminui, com isso a probabilidade de rompimento aumenta. Com o excesso de pressão na rede e com alteração das características resistivas do material, a possibilidade de rompimento aumenta cada vez mais, rompimentos esses, que trazem grandes perdas de água, acarretando grandes prejuízos para empresa e transtorno para os consumidores, podendo ficar sem água até que o vazamento seja reparado. O desperdício de energia se dá devido ao excedente de energia fornecida pela bomba na forma de pressão, considerando que no momento que a vazão diminui de Q para Q1, a bomba que poderia fornecer a mesma pressão H que continuaria atendendo a todo setor, fornece uma pressão H’. A pressão constante na saída da bomba e a economia de energia são possíveis com a utilização do inversor de freqüência no acionamento do motor de indução que aciona a bomba. Com a utilização do inversor de freqüência e conseqüentemente a possibilidade de variação de velocidade, é possível alterar a curva característica da bomba, passando, por exemplo, de uma curva n para uma curva n’, conseguindo para uma vazão Q1, uma pressão H, operando no ponto F1. A potência exigida da rede elétrica para qualquer ponto da curva n, ou seja, tanto para o ponto F quanto para o ponto F’, será sempre próxima da potência nominal do motor que aciona a bomba. Ao passo que, a potência exigida para uma moto-bomba acionada por um inversor de freqüência reduz com o cubo da redução de velocidade. Ou seja: P1/P = (n1/n)³ :. P1 = P (n1/n)³ A redução de potência consumida pode ser dada por: Peco = P – P1 Peco = P – P (n1/n)³

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Peco = P(1- (n1/n)³)

8.1

(12)

O CIRCUITO [4]

O circuito a seguir foi desenvolvido para o inversor de freqüência Danffos VLT 6000. Tem como uma de suas funções permitir a partida somente quando houver carga, ou seja, quando houver água na sucção para que não funcione a vazio. Caso haja falta d’água com o motor em operação, o motor deverá ser desligado e só será permitida a partida novamente quando o abastecimento retornar a normalidade. A velocidade do motor será controlada através do controle em malha fechada a que o inversor de freqüência está submetido, aumentando a rotação para os horários de maior vazão, e diminuindo a rotação para os horários de menor vazão, procurando sempre manter a pressão na saída da bomba constante.

Figura 40 – Circuito de acionamento com Inversor de Freqüência

O terminal 12 é uma fonte de tensão de 24V DC, que é utilizado como sinal de nível lógico para as entradas digitais e como fonte de alimentação para o

56

instrumento para que este forneça o sinal analógico de 4-20 mA para a entrada analógica 60. O instrumento, na aplicação em questão um transmissor de pressão (TP), pode ser de duas configurações diferentes: a 4 fios e a 2 fios. O instrumento a 4 fios deve ser alimentado a dois fios por uma fonte externa, ou seja, uma fonte que não seja a do inversor de freqüência, e outros dois fios levam o sinal analógico ao inversor de freqüência, sendo um conectado ao terminal 60 (entrada analógica 4 – 20 mA) e outro ao terminal 55 (comum da entrada analógica) . O instrumento a 2 fios, que foi o utilizado acima, utiliza a fonte do inversor como alimentação e com isso o terminal 39 (comum da saída analógica) deve ser conectado com um  jumper  ao terminal 55 como representado acima, sendo assim os dois fios do instrumento ficam: um ligado ao terminal 12, que é a fonte, e outro ao terminal 60. As entradas digitais, as entradas analógicas, as saídas analógicas/digitais e os relés de saída podem ser configurados via LCP (Painel de Controle Local) ou via “software” através dos seus respectivos parâmetros. Para se configurar, por exemplo, a entrada digital 27, basta entrar no parâmetro 304 de configuração do inversor de freqüência e especificar a função que se deseja que ela desempenhe, de acordo com a tabela de funções fornecida pelo fabricante. As entradas digitais estão configuradas conforme a descrição abaixo: Quadro 1 – Parametrização de entradas digitais.

Parâmetro Entrada Dig. nº

Função

300

16

11 – Partida Manual

301

17

13 – Partida Automática

302

18

1 – Partir

304

27

0 – “Parada por inércia”

305

29

9 – Funcionamento permissivo

Partida Manual – é utilizada para partida e parada do motor e a velocidade é definida através das teclas de controle +/-. Lógica ‘1’ = Partida, lógica ‘0’ = parada (modo OFF/STOP). Partida Automática – A lógica ‘1’ põe o inversor de freqüência em modo automático, permitindo a existência de um sinal de partida no terminal de controle

57

(Ent. Di 18), ou seja, através da entrada digital que esteja configurada para partir e controle de velocidade através de uma entrada analógica que esteja configurada para tal função. Partida – é utilizada para comando de partida e parada. Lógica’1’ = partida, Lógica ‘0’ = parada. Parada por inércia – é utilizada para forçar o inversor de freqüência a liberar o motor (os transistores de saída são “desligados”) para que este realize uma parada livre somente por ação da carga ou atrito natural. A lógica ‘0’ define a parada por inércia. Funcionamento permissivo – para que um comando de partida possa ser aceito, deve haver um sinal de permissão através do terminal que foi programado, definido através da lógica ‘1’. O funcionamento permissivo tem uma função lógica ‘E’ com a função Partida. A entrada analógica está com a seguinte configuração: Quadro 2 – Parametrização de entrada analógica.

Parâmetro 314

Entrada Analógica nº

Função 2 – feedback 

60

feedback – Funciona como sinal de feedback para o controle em malha

fechada da pressão. A saída de relé dos bornes 01, 02, 03 está com a seguinte configuração: Quadro 3 – Parametrização de relé de saída.

Parâmetro

Relé nº

323

1

Função 22 – Corrente de saída inferior a Ilow (parâmetro 221)

Corrente de saída inferior a Ilow (parâmetro 221) – o relé estando configurado para esta função, permanece na posição 01-03 se a corrente no motor for superior ao valor definido no parâmetro 221, e comuta para 01-02 se a corrente no motor for inferior ao valor definido no parâmetro 221.

58

Através da chave seletora de 3 posições “man – desl –aut”, determina-se o modo de operação do sistema. Ao se selecionar modo manual, será ativado em nível lógico ‘1’ o terminal 16, assim será realizada a partida do motor. A velocidade de operação do motor é definida pela tecla de controle (+/-), se for definido por exemplo, 50 Hz através da tecla de controle, a freqüência permanecerá assim até que alguém a altere novamente via tecla de controle. A parada do motor será realizada caso o terminal 16 (Partida Manual) saia do nível lógico ‘1’ e passe para o nível lógico ‘0’, ou seja, o inversor de freqüência saia de modo manual para modo OFF/STOP, ou se alguma proteção do inversor de freqüência for ativada no modo trip, como por exemplo, um trip de sobre carga. Caso seja selecionada a posição “aut.” (partida automática), será aplicado ao terminal 17 (Partida automática) nível lógico ‘1’, com isso é habilitada a partida através dos terminais de controle. Caso haja um comando de partida através do terminal 18 (Partida), ou seja, nível lógico ‘1’ aplicado no terminal 18, essa só será permitida se o terminal 29 (Funcionamento permissivo) estiver em nível lógico ‘1’. Para que o terminal 29 vá para nível lógico ‘1’, é necessário que haja água na sucção e seja detectada pelo relé de eletrodo, e que esta condição se confirme durante um tempo pré-ajustado no Rt1 (relé temporizador de minuto). Assim o contato NA do Relé de eletrodo (RE) ficando fechado durante esse tempo, permite que o contato NA de Rt1 se feche, energizando o relé auxiliar Ax3 e habilitando a partida. Caso haja falta d’água, a motobomba funcionará a vazio, fazendo com que a corrente do motor diminua bastante abaixo de níveis alcançados pela redução de rotação. Com isso, o relé 1 de saída estando programado para comutar caso a corrente do motor seja menor do que o parâmetro 221, passa para o estado 01-02 (ligação) após o tempo definido no parâmetro 324 (Relé 1, atraso de ON). Assim, o contator auxiliar Ax3 será desenergizado, levando o terminal 29 (funcionamento permissivo) para nível lógico ‘0’, fazendo com que desligue o motor. Ao ser desligado, o relé volta para o estado 01-03 (cortado), e somente haverá outra partida caso volte a água. O controle de pressão do sistema é feito pela entrada analógica 60 através de um sinal de 4 a 20 mA vindo de um transmissor de pressão. O valor do set point (pressão desejada) é ajustado no inversor de freqüência através do parâmetro 418, e através da variação da velocidade o inversor tenta reduzir a diferença entre o valor

59

lido pelo instrumento e o set point, tendendo a anulação. Ex.: O sistema funciona com controle de velocidade com pressão constante, à medida em que for diminuindo o consumo (vazão) a pressão tende a se elevar para um mesmo valor de velocidade, o instrumento manda esta informação para o inversor de freqüência através de um sinal analógico e o inversor para manter essa pressão constante diminui a velocidade. Apesar da grande vantagem da utilização do inversor de freqüência em Elevatórias de água tratada com função booster , o alto custo do investimento, muitas vezes deixa dúvida em relação ao retorno econômico. Porém, seu alto custo tem retorno na forma de economia de energia, e para dimensionar esse retorno é necessário que se conheça o projeto, o valor do projeto e a característica do sistema a ser implementado o projeto.

60

9 PROJETO E ESTUDO DE VIABILIDADE ECONÔMICA DE ELEVATÓRIA COM ACIONAMENTO A INVERSOR DE FREQUÊNCIA. Neste capítulo será apresentado um exemplo de projeto de uma elevatória para abastecimento de um setor, e posteriormente será apresentado um projeto de automatismo com inversor de freqüência, chegando assim a um valor estimado de investimento e o tempo de retorno desse investimento.

9.1

A ELEVATÓRIA DE ÁGUA TRATADA [10]

O projeto da elevatória a seguir, é um exemplo de projeto para ampliação de elevatória de água tratada, para abastecimento de setor com deficiência de abastecimento devido à sua ampliação. Com os dados do setor, determina-se a bomba ideal para o abastecimento e do motor ideal para acionamento da bomba. O automatismo utilizado nesta elevatória é o apresentado na secção 7.1.2 – Automatismo com partida suave. A região a ser abastecida é uma região elevada, onde o ponto crítico do setor de abastecimento está a uma altura 50 m tomando como referência a rede principal. A água chega ao ponto de instalação da elevatória com pressão de 10 mca, não sendo possível abastecer essa região sem que se eleve a pressão. A demanda de vazão para este setor nos horários de pico é estimada em 70 m³/h. A distância do local escolhido para implantação da elevatória até o ponto crítico é de 1 Km. Dados para projeto da elevatória. Vazão = 70 m³/h Pressão com que a água chega na sucção = 10mca Altura = 50 m Comprimento linear da tubulação de recalque até o ponto crítico = 1000 m Diâmetro = a definir Cálculo das perdas de carga No ANEXO B, verifica-se que o tubo de diâmetro mais adequado para 70 m³/h é o de 5”, por apresentar menor perda de carga com velocidade de escoamento compatível.

61

As conexões e acessórios podem ser representados por comprimentos equivalentes de tubulação. Por segurança utilizando conexões de metal, através do ANEXO B tem-se: 1 registro gaveta, metal 5” ____________ 0,9 m 1 válvula de retenção horizontal, metal 5” 10,4 m 1 válvula de retenção vertical, metal 5” __ 16,1 m 4 curvas de 90º, metal 5” _____________ 8,4 m 1 redução, metal ___________________ 1,07 m Comp. linear da tub. de recalque, PVC __ 1000 m Comprimento total _________________ 1036,87 m Pela tabela do ANEXO B para 70 m³/h, tubo de 5” tem-se um coeficiente de 1,35% sendo: Hper = 1036,87x1,35% = 14 m Cálculo da altura manométrica total Hm = Ho + Hmin + Hper – Hsuc Ho = Altura geográfica. Hmin = Altura mínima a ser entregue ao fornecedor. Hper = Perda de carga em tubulação, conexões e acessórios. Hsuc = Altura crítica com que a água chega à sucção. Então, Ho = 50 m, que é a diferença de altitude do ponto crítico até o ponto de instalação da elevatória. Hmin = 15 m, por norma a empresa de saneamento é obrigado a fornecer até o ramal de ligação do cliente, água com pressão de 10 mca no mínimo, porém por segurança adota-se um valor ligeiramente superior. Hper = 14 m, conforme calculado acima. Hsuc = 10 mca, o menor valor de pressão que a água chega até a sucção da bomba. A altura manométrica total será então: Hm = 50 + 15 + 14 - 10 = 69 mca.

62

O cálculo da potência necessária no eixo para acionamento da bomba é dado por: P = H x Q x 0,37 / η Onde, P = potência em CV; H = Hm, altura manométrica total; Q = vazão máxima requerida; 0,37 = fator de conversão de unidades; η = rendimento da bomba em %.

(13)

A curva característica da bomba utilizada segue abaixo:

Figura 41 – Curva característica da bomba utilizada na EAT em estudo

Com isso temos: P = 70 x 70 x 0,37 / 64 = 28,33 cv , ou seja, um motor de 30 cv. Especificação de equipamentos utilizados Bomba centrífuga para águas limpas ou turvas, para uso industrial, predial e agricultura, utilizada em irrigação e transporte de água à distância. Vedação por selo mecânico ou gaxeta, recalque 2”, sucção 3”, potência 30 cv, rotação 3540 rpm, altura manométrica 70 mca, vazão 70 m³/h, rendimento 0,70.

63

Motor de Indução trifásico, rotor tipo gaiola, potência 30 cv / 22 kW, Tensão nominal 220 v, Corrente nominal 71 A, Velocidade Nominal 3540 rpm, 2 pólos, fator de potência 0,88, rendimento 0,91, fator de serviço 1,15. Chave soft-starter , para motor de indução trifásico. 30 cv / 220-440 v, grau de proteção IP 20. Contendo entradas digitais para comando de partida e parada, e saída a relé que acuse corrente baixa.

9.2 SUBSTITUIÇÃO DO AUTOMATISMO EXISTENTE POR AUTOMATISMO COM INVERSOR DE FREQÜÊNCIA. Considerando a elevatória apresentada na seção anterior já em operação, é sugerida a substituição do automatismo implantado por um inversor de freqüência funcionando em malha fechada com controle de pressão visando à melhoria de operação do sistema e economia de energia. Porém, para implantação do inversor de freqüência é necessário um alto investimento inicial, investimento esse que tem retorno financeiro esperado devido à economia de energia proporcionada pelo inversor de freqüência. Para aderir ao projeto de implantação do inversor de freqüência, é importante conhecer o tempo estimado de retorno do investimento para saber se atende às perspectivas do investidor. Para isso, é necessário conhecer o valor a ser investido e as características do sistema para quantificar a economia de energia. Uma vez satisfeita as condições de tempo de retorno de investimento e melhoria de operação do sistema, o próximo passo é a implantação do projeto com a instalação e parametrização dos equipamentos.

9.2.1 Valor estimado do investimento O automatismo utilizado será o apresentado no capitulo anterior. O layout  do painel segue abaixo (Fig. 42).

64

Figura 42 – layout do painel com inversor de Inversor de Freqüência

A especificação do inversor de freqüência e do transmissor de pressão são: Inversor de Freqüência para acionamento de motor de indução acoplado a bomba centrífuga. Potência 30 cv / 22 kW, In 88A, grau de proteção IP54. Recursos de programação que possibilitem monitorar o sinal de referência de velocidade. Dotado de entradas digitais programáveis para comando de partida e parada via bornes, e de entrada analógica 4-20 mA para controle em malha fechada, saída a relé de 220V programável para função de subcorrente, fonte externa para alimentação do transmissor de pressão, função de controle e ajuste PID. Proteção contra curto-circuito, sobre-carga, subcorrente, falta de fase. Transmissor de Pressão, grau de proteção IP65/67, 0-10 bar, com saída a dois fios de 4 a 20 mA, alimentação de 10 a 30 V DC a dois fios, conexão ao processo ½ NPT (National Pipe Taper – conexões que atendem às norma americanas ANSI e são utilizadas para condução de líquidos, gases e vapores com uma certa responsabilidade, até um certo nível de pressão e temperatura). Para uso de controle em malha fechada do inversor de freqüência. A lista de material para montagem do painel com inversor de freqüência e demais acessórios segue abaixo:

65

Quadro 4 – Lista de material e preço estimado para painel com inversor de freqüência.

Material

Quantidade

Preço (un)

Inversor de Freqüência p/ motor de 30 CV/220 V

1

R$ 5000,00

R$ 5000,00

Transmissor de pressão, 0 a 10 bar, 4-20 mA

1

R$ 1000,00

R$ 1000,00

Painel modular dimensões 1300x800x600, proteção IP 54

1

R$ 1500,00

R$ 1500,00

Barra de cobre 1/4x1”

3

R$ 40,00

R$ 120,00

Chave seccionadora, tripolar, 160 A

1

R$ 300,00

R$ 300,00

Fusível NH – Ultra-rápido – 125 A

3

R$ 32,00

R$ 96,00

Chave seletora 3 posições

1

R$ 70,00

R$ 70,00

Chave seletora 2 posições

1

R$ 60,00

R$ 60,00

Contator auxiliar

3

R$ 80,00

R$ 240,00

Relé de Eletrodo

1

R$ 80,00

R$ 80,00

Relé temporizador, 30 minutos (Ton)

1

R$ 65,00

R$ 65,00

Fusível diazed – 6A

3

R$ 10,00

R$ 30,00

Preço total estimado

Preço (total)

R$ 8561,00

Fonte: Representante Danfoss Espírito Santo e Vega materiais elétricos.

Para a instalação do painel com inversor de freqüência será necessário investir aproximadamente R$ 8.560,00.

9.2.2 Estudo de retorno de investimento do inversor de freqüência e de melhoria no sistema. Para um estudo aproximado do retorno de investimento e melhoria da operação do sistema com a implantação do inversor de freqüência, é necessário que se conheçam as características do setor de influência da elevatória. Um estudo do consumo de água ao longo do dia é essencial, com ele e com as curvas características da bomba pode-se estimar a elevação da pressão em cada horário e a energia economizada.

66

O histórico de vazão no setor estudado segue abaixo: Tabela 1 - Histórico diário de vazão no setor de influência da elevatória.

Hora

Vazão (m³/h)

5:00

25,37

12:00

67,73

19:00

57,36

6:00

29,33

13:00

66,62

20:00

50,92

0:00

26,29

7:00

38,22

14:00

64,62

21:00

42,77

1:00

25,92

8:00

47,62

15:00

64,29

22:00

36,92

2:00

25,15

9:00

57,92

16:00

59,36

23:00

30,77

3:00

25,29

10:00

67,66

17:00

59,88

4:00

24,37

11:00

66,88

18:00

61,51

Figura 43 – Vazão diária do setor de influência da elevatória

Considerando o sistema operando com velocidade constante, nos horários em que a vazão é reduzida tem-se uma elevação na pressão.

Figura 44 – Pressão estimada na saída da bomba para operação em velocidade constante.

67

Comparando as figuras 43 e 44, pode-se notar que nos horários de menor consumo, que são os horários da noite e durante a madrugada, a bomba opera com pressão de saída elevada. Como mostrado no estudo da seção 9.1, uma pressão de 70 mca é suficiente para abastecer todo setor dentro da norma, porém sem o controle de pressão, nos horários mencionados, a bomba opera com pressões acima dos 70 mca. Pela curva característica da bomba, tomando como exemplo o horário de maior vazão, onde esta chega a 67,73 m³/h, a bomba opera no ponto P1 com pressão de 71,3 mca, e durante a madrugada, tomando o ponto de menor consumo, com vazão igual a 25,15 m³/h, a bomba opera no ponto P2, fornecendo 90,2 mca de pressão na sua saída.

Figura 45 – Pontos de operação da bomba para diferentes vazões.

Para operação com velocidade constante, mesmo com a redução no consumo de água, o consumo de energia é praticamente constante durante todo o dia, e tem como característica a figura a seguir.

68

Figura 46 – Consumo de energia diário para bomba com velocidade constante.

O consumo de energia diário dessa elevatória é de aproximadamente 514,4 kWh totalizando um consumo mensal de 15,43 MWh. Utilizando o inversor de freqüência com controle de pressão, a velocidade é variada de acordo com a variação da vazão, de maneira a manter a pressão constante. Neste caso, com a variação da vazão altera-se a curva da bomba e o ponto de operação, mas a pressão é mantida sempre constante, que é condição desejada. Tomando como exemplo alguns horários da tabela 1 de histórico diário de vazão mostrada acima: Tabela 2 – Dados aleatórios de vazão diária

Hora Vazão P1

0:00

26,3

P2

8:00

47,6

P3 12:00

67,7

P4 22:00

36,9

Os pontos de operação para velocidade constante seriam:

69

Figura 47 – Diferentes pontos de operação para bomba com velocidade constante.

Ao se variar a velocidade de rotação da bomba varia-se também sua curva característica, possibilitando diferentes curvas características para uma mesma bomba. Então, utilizando o inversor de freqüência com controle em malha fechada com pressão constante, à medida que a vazão diminui, o inversor de freqüência diminui a rotação do motor, mantendo assim para diferentes vazões a mesma pressão. Assim os pontos de operação utilizando o inversor de freqüência, considerando os mesmos horários citados acima seriam:

Figura 48 – Pontos de operação para bomba com velocidade variável

70

Para o ponto de operação P1 onde se tem a menor vazão, tem-se também a velocidade n1 menor do que as demais, ao passo que, para o ponto de operação P3 onde se tem a maior vazão, tem-se também a velocidade n3 maior do que as demais. Essa possibilidade de poder diminuir a velocidade à medida que a vazão diminui, faz com que seja possível economizar energia, pois para cargas do tipo torque quadrático que é o caso da bomba centrífuga, a potência consumida diminui com o cubo da redução da velocidade. Através da curva característica da bomba utilizada, obteve-se uma aproximação polinomial da curva através do Excel. Para a curva já apresentada na figura 41, a aproximação foi: H = -0,0048Q² + 0,0012Q + 93,164 Com essa aproximação e com as equações da lei das semelhanças: n’/n = Q’/Q e n’/n = (H’/H)²; é possível estimar a rotação para cada horário. Considerando a pressão desejada H’ a pressão constante de 70 mca, a vazão em cada horário Q’ a vazão conhecida por estudo e mostrada na tabela 1 e a rotação n a rotação nominal, tem-se assim 3 equações e 3 incógnitas. 1) H = -0,0048Q² + 0,0012Q + 93,164 2) n’/n = Q’/ Q 3) n’/n = (H’/ H)² Para o caso analisado, com as características de consumo apresentadas e mantendo a pressão na saída da bomba constante e igual a 70 mca, o histórico de rotação foi o seguinte (Figura 49): Tabela 3 – Rotação em função da vazão para bomba com velocidade variável

Vazão Rot. (m³/h) (rpm)

5:00 25,37 3135

12:00 67,73 3517

6:00 29,33 3157

13:00 66,62 3503

0:00 26,29 3140

7:00 38,22 3218

14:00 64,62 3479

1:00 25,92 3138

8:00 47,62 3297

15:00 64,29 3475

2:00 25,15 3134

9:00 57,92 3402

16:00 59,36 3418

3:00 25,29 3135

10:00 67,66 3516

17:00 59,88 3424

4:00 24,37 3130

11:00 66,88 3506

18:00 61,51 3442

Hora

71

19:00 57,36 3396

21:00 42,77 3254

20:00 50,92 3329

22:00 36,92 3208

23:00 30,77 3166

Figura 49 – Histórico de velocidade diário para velocidade variável da bomba

Ao contrário do sistema com velocidade constante, o sistema que tem a possibilidade de variar a velocidade pode reduzi-la quando se tem uma redução na vazão, e com essa redução, reduzir também o consumo de energia elétrica. Com a variação de rotação (n’/n) em cada horário (Tabela 3), com o consumo de energia (P x h) medida para a rotação constante (Tabela 4) e com a equação da lei das semelhanças: n’/n = (P’/P) ³ é estimado um consumo de energia (P’ x h) considerando uma queda de rendimento de 2% para redução de velocidade do motor com a utilização do inversor de freqüência, cujas características são apresentadas abaixo: Tabela 4 – Consumo de energia estimada com a utilização do inversor de freqüência.

Hora

n'/n

(n'/n)³

P ( W ) P' ( W ) = P x (n'/n)³/0,98

0:00

0,887 0,886 0,885 0,885 0,884 0,886 0,892

0,698 0,696 0,694 0,694 0,691 0,694 0,709

21000 21100 21100 21100 21000 21000 21100

1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00

14951 14994 14937 14947 14810 14882 15272

72

0,909 0,751 21300 8:00 0,931 0,808 21500 9:00 0,961 0,887 21500 10:00 0,993 0,980 21800 11:00 0,990 0,972 21900 12:00 0,993 0,980 21900 13:00 0,990 0,969 21800 14:00 0,983 0,949 21900 15:00 0,982 0,946 21800 16:00 0,965 0,900 21800 17:00 0,967 0,905 21700 18:00 0,972 0,919 21500 19:00 0,959 0,883 21600 20:00 0,940 0,832 21300 21:00 0,919 0,777 21300 22:00 0,906 0,744 21200 23:00 0,894 0,715 21200 Consumo diário para rotação constante em kWh Consumo diário para rotação variável em kWh 7:00

16322 17730 19470 21791 21712 21907 21554 21207 21038 20020 20031 20171 19455 18075 16886 16097 15473

514,40 433,73

Figura 50 – Consumo de energia estimada com a utilização do inversor de freqüência

O consumo de energia estimado após a instalação do inversor de freqüência passa de 514,4 kWh a aproximadamente 433,7 kWh diário, totalizando 13,01 MWh mensais, representando uma redução no consumo de energia de aproximadamente

73

80,7 kWh por dia, alcançando uma economia de: E eco(%) = 80,7 kWh/514,4 kWh = 16%. A energia total economizada por mês se aproxima a 2420,1 kWh. Considerando o preço do ‘kWh’ igual a R$ 0,34, há uma economia no gasto de aproximadamente 2420,1 x 0,34 = R$ 822,82 por mês. Considerando uma taxa mínima de atratividade i = 0,6% ao mês, o valor de investimento VP = R$ 8.560,00 e uma economia mensal de PGTO = R$ 822,82 por mês, o tempo estimado de retorno de investimento ‘n’ pode ser encontrado com: VP = PGTO . (1 + i)n - 1 i (1 + i)n

(14)

Com os valores apresentados acima, o tempo estimado de retorno do investimento é de 10,78 meses.

9.3 MONTAGEM E PARAMETRIZAÇÃO DO PAINEL COM INVERSOR DE FREQÜÊNCIA. Uma vez aderido ao projeto de implantação do inversor de freqüência, passase à montagem e parametrização dos equipamentos. A alimentação sai do padrão de energia que fica localizado na parte externa da EAT para o barramento do painel, que fica no interior da EAT. O painel é instalado próximo ao conjunto motobomba, com isso o transmissor de pressão pode ser instalado próximo à saída da bomba a poucos metros do painel, para obter uma regulagem em malha fechada. Os eletrodos do relé de eletrodo podem ficar também próximos à bomba, na sucção, com fios indo diretamente até o relé de eletrodo instalado no painel.

74

Figura 51 – EAT com acionamento com Inversor de Freqüência. Fonte: Manual do Inversor de freqüência VLT 6000 – Danffos.

Com o painel já instalado no local, com o transmissor de pressão e os eletrodos já em suas respectivas posições o próximo passo é parametrizar o inversor de freqüência. A configuração do inversor de freqüência pode ser feita pelo painel de controle local (LCP).

Figura 52 – Painel de controle local. Fonte: Manual de operação VLT 6000 – Danfoss

75

As funções do painel de controle podem ser divididas em cinco grupos: 1 – Visor 2 – Teclas para alterar o modo do visor 3 – Teclas para alterar os parâmetros do programa 4 – Leds indicadores 5 – Teclas para comando local Utilizando a tecla [EXTEND MENU] da LCP, é possível acessar todos os parâmetros do inversor de freqüência. Parâmetros 000-017 – este grupo de parâmetros permite configurar a unidade de controle, como por exemplo, o idioma, as grandezas que serão mostradas no visor, ativação e desativação de teclas de controle. Esses parâmetros não interferem no funcionamento do circuito e variam de acordo com a preferência do usuário. Quadro 5 – Configuração dos parâmetros de 000 a 017

Nº par. Descrição

Parametrização

001

Idioma

08 – Português

002

Configuração ativa

05 – Configuração múltipla.

007

Indicações no visor grande

03 – Freqüência.

008

Indicações no visor pequeno 1.1

05 – Corrente do motor.

009

Indicações no visor pequeno 1.2

15 – feedback 

010

Indicações no visor pequeno 1.3

06 – Potência.

011

Unidade de referência local

00 – Hz.

012

Botão de partida manual

00 – Desabilitado.

013

Botão desligar/parar

00 – Desabilitado.

014

Botão de partida automática 00 – Desabilitado

015

Botão de reset

01 – Habilitado.

016

Bloqueio da alteração de dados

00 – Não bloqueado.

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017

Estado operativo na ligação 00 – Re-arranque automático.

Os parâmetros de indicação no visor definem quais grandezas o usuário deseja que sejam mostradas. Algumas teclas de comando foram desabilitadas, pois suas funções já estão sendo executadas via entrada digital no circuito projetado. No parâmetro 017 é definido o procedimento no caso da alimentação no inversor de freqüência ser religada. Para a opção escolhida o inversor de freqüência deve iniciar nas mesmas condições que existiam no momento imediatamente anterior ao desligamento. Parâmetros 100-117 – este grupo de parâmetros permite configurações das características do motor. Quadro 6 – Configuração dos parâmetros de 100 a 117 .

Nº par. Descrição

Parametrização

100

Configuração

00 – Loop fechado.

101

Características de torque

00 – Otimização automática de energia

102

Potência do motor

2200 – 22 kW

103

Tensão do motor

220 V

104

Freqüência do motor

60 Hz

105

Corrente do motor

71,00 A

106

Velocidade motor

107

Adaptação automática do motor

00 – Otimização não autorizada

110

Torque de partida elevado

OFF

111

Atraso da partida

0.0 seg.

112

Pré-aquecimento do motor

00 – Não autorizado

113

Corrente de aquecimento

114

Corrente de freio DC

50 %

115

Tempo de frenagem

10 seg

116

Freqüência de corte da frenagem.

OFF

nominal

do 3540 rpm

pré- 0 %

77

117

Proteção térmica do motor

04 – ETR Trip 1

No parâmetro 100 foi definido o modo de operação do inversor de freqüência, no caso “loop fechado”, para um controle em malha fechada da pressão. O parâmetro 101 está configurado conforme visto, pois será ligado apenas um motor ao inversor de freqüência. Caso fosse operar com motores em paralelo a configuração deveria se alterada. A adaptação automática é um algoritmo de ensaio onde são medidos todos os parâmetros elétricos do motor para otimização do ajuste do inversor de freqüência, motor e sistema. Deve ser feito antes da entrada em operação do sistema e depois deve permanecer desativado. A função “torque de partida elevado” está desativada, pois a aplicação em questão não exige torques elevados na partida. No parâmetro 117 foi definido que quando houver sobrecarga no motor, ele será retirado de operação. Nessa configuração o inversor de freqüência reconhece a sobrecarga através do cálculo da carga térmica baseado na corrente e no tempo, existe a opção também de reconhecimento através de um termistor colocado no motor. Parâmetros 200-228 – neste grupo de parâmetros, são configurados tempos de aceleração, referências, limites de corrente, freqüência, referência e feedback . Quadro 7 – Configuração dos parâmetros de 200 a 228

Nº par. Descrição

Parametrização

200

Faixa de freqüência de saída

0 – 120 Hz

201

Limite inferior de freqüência de saída

0.0 Hz

202

Limite superior de freqüência de saída

60.0 Hz

203

Localização das referências

00 – Referências relacionadas com manual/automático

204

Referência mínima

0,0

205

Referência máxima

10,000

206

Tempo de aceleração

20 seg

207

Tempo de desaceleração

20 seg

78

208

Desaceleração automática

01 – Habilitada

209

Freqüência de jog

10 Hz

210

Referência tipo

00 – Soma

211

Referência predefinida

0,0

215

Corrente limite

1.0 x Invlt

216

Freqüência de bypass

OFF

217

Bypass de freqüência 1

120 Hz

221

Advertência de corrente baixa

40 A

222

Advertência de corrente elevada

81,5 A

223

Advertência de freqüência baixa

0 Hz

224

Advertência de freqüência elevada 120 Hz

225

Advertência de referência baixa

-999.999,999

226

Advertência de referência alta

999.999,999

227

Advertência de sinal de feedback  baixo

6,0

228

Advertência valor máximo de feedback 

8,0

No parâmetro 200 existem duas faixas de freqüência de saída possíveis de serem configuradas, de 0 - 120 Hz e de 0 – 1000 Hz. Foi configurada de 0 – 120 Hz pois a freqüência máxima desejada na saída é 60 Hz. O parâmetro 203 - Localização das referências - parametrizado conforme visto, faz com que a velocidade dependa da referência local para modo manual, e para modo automático dependa da referência remota e dos pontos de configuração selecionados. O parâmetro 204 diz que a referência mínima é 0 bar. Para “loop fechado” a referência mínima será limitada pelo Valor mínimo de feedback  (par. 413), e a unidade “bar” é determinada no par. 415. O parâmetro 205 depende do valor máximo de feedback  determinado no par 414, e não pode ultrapassar o limite do instrumento, que é um TP com valor máximo de 10 bar. As referências máxima e mínima são ignoradas quando a referência local estiver ativada, isso acontecerá quando o inversor de freqüência estivar em modo manual.

79

O parâmetro 208 foi habilitado como forma de segurança caso o tempo de desaceleração seja configurado demasiadamente curto. Se o inversor de freqüência detectar uma tensão excessivamente elevada no circuito intermediário, ele automaticamente aumentará o tempo de desaceleração. No parâmetro 210 foi configurado o tipo “soma”, onde a referência de controle será a soma da “referência mínima” (Par. 204), mais a contribuição da referência externa do sinal de 4-20 mA da entrada analógica 60, mais a referência préestabelecida. Para a aplicação em questão, a referência de controle será exatamente a contribuição da referência externa do sinal analógico. Como a função “freqüência de bypass” (Par.216) não está sendo utilizada, os parâmetros 217-218 (bypass de freqüência 1-4) foram mantidos com valores de fábrica. No parâmetro 221 foi definido um valor de corrente ligeiramente superior àquele em que o motor opera sem carga, ou seja, sem água na sucção da bomba. Se o motor operar com correntes abaixo desse valor o Relé 01 é ativado (Par. 323) para desligar o motor. O “limite máximo de corrente” está configurado para I nom do motor x fator de serviço. 71 x 1,15 = 81,65 A. Como o Par 314 (entrada analógica 60) está configurado em feedback  e o valor esperado é 6,87 bar que corresponde a 70 mca, caso este valor ultrapasse 8 bar (Par. 228) ou desça abaixo de 6 bar (Par. 227) será dado um sinal de advertência. Parâmetros 300-328 – Neste grupo de parâmetros são definidas as funções relacionadas com os terminais de entrada e saída do conversor de freqüência. Quadro 8 – Configuração dos parâmetros de 300 a 328

Nº par. Descrição

Parametrização

300

Entrada digital borne 16

11 – Partida Manual

301

Entrada digital borne 17

13 – Partida Automática

302

Entrada digital borne 18

01 – Partir

303

Entrada digital borne 19

00 – Nenhuma função

304

Entrada digital borne 27

00 – Parada por inércia

305

Entrada digital borne 29

09 – Funcionamento permissivo

80

306

Entrada digital borne 32

00 – Nenhuma função

307

Entrada digital borne 33

00 – Nenhuma função

308

Entrada analógica 53

00 – Fora de Operação

311

Entrada analógica 54

00 – Fora de Operação

314

Entrada analógica 60

02 – feedback 

315

Terminal 60, valor de escala mínimo

4 mA

316

Terminal 60, valor de escala máximo

20 mA

317

Limite de tempo excedido

5 seg

318

Função após limite de tempo excedido

04 – Freqüência de saída máxima

319

Saída analógica /digital – borne 42 00 – Nenhuma função

321

Saída analógica /digital – borne 45 00 – Nenhuma função

323

Relé 1, função de saída (Vmáx 240 V AC) – bornes 01,02,03

22 – Corrente de saída inferior a Ilow par. 221

324

Relé 1, atraso de ON

10 seg

325

Relé 1, atraso de OFF

0 seg.

326

Relé 1, função de saída (Vmáx 50 V 00 – Nenhuma função AC ou 75 V DC) – bornes 01,02,03

Os parâmetros 309 e 310 são referentes à entrada analógica 53 que não está sendo utilizada, mantendo-se portanto a configuração de fábrica. Os parâmetros 312 e 313 são referentes à entrada analógica 54 que não está sendo utilizada, mantendo-se portanto a configuração de fábrica. No Par. 314 a entrada analógica 60 pode ser configurada como feedback  ou como referência. Se for como feedback  o inversor de freqüência compara o valor da entrada analógica (realimentação) com o setpoint para fazer o controle PID da velocidade. Se for como referência o valor da entrada analógica tem relação direta com a velocidade. Caso o sinal de feedback  desça abaixo de 50 % do valor de escala mínimo (Par. 413), por um período predefinido no Par. 317 (Limite de tempo excedido), o inversor de freqüência deverá operar com freqüência máxima (Par. 318) que é de 60 Hz (Par. 202)

81

Os parâmetro 320 (referente a saída analógica/digital 42), 322 (referente a saída analógica/digital 45), 327 e 328 (referentes ao Relé 2) são mantidos na configuração de fábrica, pois suas saídas não estão sendo utilizadas. Parâmetros 400-427 – neste grupo de parâmetros são definidas as funções especiais do inversor de freqüência, tais como regulagem do PID, limites de feedback entre outras. Quadro 9 – Configuração dos parâmetros de 400 a 427

Nº par. Descrição

Parametrização

400

Função de reset

00 – Reset manual

401

Tempo de reset automático

10 seg.

402

Partida rápida

01 – Habilitado

403

Timer de modo “sleep”

OFF

409

Função em caso de falta de 01 – Sinal de advertência carga

410

Função de falha na rede elétrica

00 – Trip

411

Função em excesso de temperatura no inversor de freqüência

00 – Trip

413

Feedback mínimo

0,00

414

Feedback máximo

10,00

415

Unidades relacionadas com loop fechado

16 – bar

416

Conversão de feedback 

00 – Linear

417

Função de feedback 

01 – Maximo

418

Referência 1

6,87 bar

419

Referência 2

0,00

420

Controle normal/inverso do PID

Normal

422

Freqüência de partida do PID

60 Hz

423

Ganho proporcional do PID

0,6

424

Tempo de integração do PID

7 seg.

425

Tempo de diferenciação do PID

OFF

427

PID tempo de filtro passa baixa

0,01 seg

82

Parâmetro 401 – Como não está sendo utilizado reset automático, e sim reset manual, foi mantido o valor de fábrica “10 segundos”. Parâmetro 402 – Possibilita que o inversor de freqüência ‘apanhe’ o motor em rotação. Alguns parâmetros de proteção podem ser configurados como advertência, onde só aparecerá um alerta no visor do LPC, ou como Trip, onde o inversor de freqüência trava e pára de alimentar o motor, só voltando ao estado normal de operação caso haja um sinal de reset. Parâmetro 409 – Em caso de falta de carga (I m
83

10

CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS

Como exposto no capítulo 8, o inversor de freqüência através da sua capacidade de variar a velocidade e capacidade de controle em malha fechada, acrescenta uma melhoria muito grande na operação do sistema. Com a variação da velocidade é possível não elevar a pressão na rede nos horários de menor consumo, evitando danos à tubulação e à estrutura geral em si, possibilidade esta não alcançada com os outros métodos de partida apresentados. Apesar de seu alto valor inicial de investimento, pode-se observar na aplicação do capítulo 9 que a utilização do inversor de freqüência em elevatórias com função booster  tem um tempo de retorno de investimento de médio a curto prazo variando de acordo com as características do setor, tornando-se atrativo, pois além do retorno do investimento num curto espaço de tempo, os gastos operacionais serão reduzidos, não só com a economia de energia, mas também com a redução de danos a estruturas e perdas por vazamentos. Ainda há o aumento da vida útil de equipamentos com partes mecânicas devido à redução do estresse mecânico proporcionado pela redução da velocidade e dos golpes hidráulicos. Com as características de carga das bombas centrífugas, que são cargas do tipo torque com crescimento quadrático, cuja potência decresce com o cubo da redução da velocidade, os inversores de freqüência são hoje os equipamentos que melhor atendem em aplicações de motobombas com função booster , não só pela possibilidade de grande economia de energia, mas também melhor operação do sistema. Os inversores de freqüência estão sendo utilizados em larga escala em vários campos de aplicação, e é notória uma ênfase extra dos fabricantes para aplicações em bombas, haja vista algumas funções específicas para aplicações em bombas presentes nas configurações dos inversores. Dentre os vários fabricantes de inversores de freqüência, o utilizado no capítulo 9 é um Danfoss VLT 6000, cuja literatura técnica é bem completa, explicando desde a instalação mecânica do equipamento, passando pela parte elétrica, ressaltando detalhes sobre compatibilidades eletromagnéticas e normas, e chegando à configuração de todos os parâmetros. Sendo um equipamento que atende muito bem à resolução dos problemas propostos.

84

Como possíveis trabalhos futuros sugere-se estudos que quantifiquem a redução de danos às estruturas, a redução de perdas por vazamentos e o aumento da vida útil de equipamentos com partes mecânicas.

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REFERÊNCIAS

[1]

ANDRADE, Darizon A..Técnicas de controle para MI com acionamento a freqüências variáveis. Curso de Pós Graduação em Engenharia Elétrica/UFU. Disponível em: . Acessado em: 02 jun. 2007

[2]

ARTHUR, Rangel. Inversor 1. Disponível em: . Acessado em: 02 abr. 2007.

[3]

CARVALHO, Djalma Francisco.Instalações Elevatórias. Bombas. 3 ed.353 p.

[4]

DANFOSS. Manual de Operação: Conversores de freqüência VLT 6000.

[5]

FERREIRA, Dirceu G. Inversores de Freqüência. ISA. Vitória 2006.

[6]

MASCHERONI, José M. (Coord.). Guia de Aplicações de Inversores de Freqüência – WEG. Jaraguá do Sul. WEG. 238 p.

[7]

MATHEUS, Henrique. Conversores de Freqüência e Soft-starter s. Disponível em: . Acessado em 25 mar. 2007.

[8]

LIMA, Epaminondas Pio Correia. Mecânica das bombas. 2 ed. Rio de Janeiro: Interciência. 2003.

[9]

SALMERON, Roberto A. Eletricidade e Magnetismo (básico). Disponível em: . Acesso em: 30 mar. 2007.

[10] SCHNEIDER. Catálogo Geral de Bombas e Motobombas. Joinvile. 1997.

86

[11] SIEMENS. Coordenação de partidas de motores elétricos. 2003. Disponível em: . Acesso em: 4 mai. 2007. [12] TORO, V. Del.Fundamentos de Máquinas Elétricas. LTC. 1999. [13] VACON. O que são os Drives CA – Inversores de freqüência ?. Disponível em: . Acesso em: 10 mai. 2007. [14] WEG. Manual do usuário: Soft-Starter SSW-04. Jaraguá do Sul.

87

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ANEXOS ANEXO A Ábaco de Moody

Fonte: Instalações Elevatórias. Bombas. 3 ed