UNIMAR
RÔMULO CESAR PISCINATO
EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA EM MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO
MARÍLIA
2011
EFICIENTIZAÇÃOENERGÉTICAEMMÉTODOSDECONTROLEDEVAZÃO
PISCINATO,RÔMULOC.UNIMAR2011
RÔMULO CESAR PISCINATO
EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA EM MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO
Trabalho de conclusão de curso apresentad...
Autor: RÔMULO CESAR PISCINATO
Título EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA EM MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO
Trabalho de conclusão de cu...
Dedico este trabalho como forma de gratidão, admiração
e reconhecimento aos meus amados pais, o Sr. Luiz Carlos
Piscinato ...
Agradeço a todos os professores da Universidade de
Marília, em específico os professores da Faculdade de
Engenharia, Arqui...
“Daqui a alguns anos você estará mais
arrependido pelas coisas que não fez do que
pelas que fez. Então solte suas amarras....
EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA EM MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO
Resumo: A proposta deste presente trabalho é demonstrar que, o m...
ENERGY EFFICIENCY METHODS IN FLOW CONTROL
Abstract: The purpose of this present work is to demonstrate that the flow contr...
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - VISTA EM CORTE DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA................... 22
Figura 2 - SISTEMA DE BOMBEAM...
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - DIVISÃO EM PORCENTAGEM DO CONSUMO DE ENERGIA
ELÉTRICA PARA OS DIVERSOS SETORES DO PAÍS.........
TABELAS
Tabela 1 - CONSUMO, RECEITA, NÚMERO DE UNIDADES
CONSUMIDORAS E TARIFA MÉDIA DE ENERGIA ELÉTRICA
PARA DIVERSOS SETO...
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO................................................................................................. 14
1 C...
6.1 DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO
DE ÁGUA INDUSTRIAL....................................................
14
INTRODUÇÃO
A necessidade da conservação dos recursos da natureza é uma preocupação
mundial, sabe-se também que a compet...
15
1 CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA
A tabela e gráfico abaixo demonstram o consumo médio de energia elétrica
pelos principais...
16
Gráfico 1 – Divisão em porcentagem do consumo de energia elétrica para os
diversos setores do país.
Fonte: ANEEL (2011)...
17
de Minas e Energia e executado pela Eletrobrás, obtiveram os seguintes resultados
apresentados na tabela 3 abaixo:
Tabe...
18
Gráfico 2 – Potencial de conservação de energia elétrica no setor industrial.
Fonte: (CNI, 2009).
Conforme mostra o grá...
19
A substituição do método de controle de vazão de um sistema de
bombeamento utilizando válvulas de estrangulamento por i...
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2 BOMBAS CENTRÍFUGAS
2. 1 DEFINIÇÃO
Bombas centrífugas são máquinas hidráulicas operatrizes que trabalham
fornecendo ou...
21
Segundo Nogueira, (2010) as bombas centrífugas possuem pás cilíndricas,
chamadas de paletas, com geratrizes paralelas a...
22
Figura 1 – Vista em corte de uma bomba centrífuga.
Fonte: Ladislao Reti. Disponível em: http://www.saylor.org/site/wp-
...
23
em um espaço de tempo. Onde a potência absorvida é a cedida ao eixo da bomba, e
a potência cedida pela bomba é a transf...
24
de mistura em processos industriais, de refrigeração, de fertilizantes, de combate a
incêndio, usinas industriais, de a...
25
Frequentemente é apresentada na forma gráfica pelos fabricantes, mas
algumas vezes a relação é apresentada sob a forma ...
26
pelo fabricante da bomba que, com o aumento da vazão, a altura manométrica H,
geralmente dada em mca (metro coluna de á...
27
3 VÁLVULAS DE ESTRANGULAMENTO
Este dispositivo é um acessório muito importante nos sistemas de condução,
pois, estabele...
28
Figura 2 – Sistema de bombeamento usando válvulas de estrangulamento.
Fonte: Oenning.
A vazão e a pressão necessária de...
29
Gráfico 4 – Variação do ponto de operação através das curvas do sistema
estrangulado.
Fonte: Oliveira et all.
Observa-s...
30
A abertura de uma válvula de controle está inversamente relacionada com a
perda de carga na mesma. Deste modo, válvulas...
31
Figura 3 – Zonas de operação de uma bomba centrífuga e seus efeitos.
Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAR1sAK/...
32
-Se o tipo da válvula for escolhido de modo incorreto para a aplicação
específica, pode causar, em alguns casos, sérios...
33
4 INVERSORES DE FREQUÊNCIA
O Inversor de Frequência tem como principal finalidade controlar a velocidade
de um motor de...
34
A figura abaixo mostra resumidamente o diagrama em blocos de um inversor
de frequência escalar:
Figura 4 – Diagrama em ...
35
Segundo Ghirardello,
Na seção inversora, a tensão retificada DC é novamente convertida em
Trifásica AC. Os transistores...
36
Circuito de Controles Externos (External I/O) – A função deste circuito pode
receber ou enviar sinais elétricos digitai...
37
A variação de velocidade de um motor elétrico é a principal função de um conversor
de frequência, essa variação pode se...
38
4.2.3 Acionamento pelas entradas analógicas
Para que esse tipo de controle funcione, pode-se trabalhar com as entradas
...
39
O controle é realizado através de cálculos que comparam o sinal de
referência que chega com o valor do Setpoint ajustad...
40
de transdutor, faz a medição da pressão do sistema convertendo em uma sinal de
tensão ou de corrente elétrica que repre...
41
4.5 TORQUE E CONJUGADO QUADRÁTICO
Tratando-se de motores elétricos, podemos definir o torque como “a força
necessária p...
42
proporcional a velocidade da mesma, portanto na equação do torque temos as duas
variáveis diretamente proporcionais a v...
43
Gráfico: 6 - Seleção de motor considerando o conjugado resistente da carga.
Fonte: Especificação - Manual WEG
Onde:
Cmá...
44
estamos tratando de sistemas de bombeamento com bombas centrífugas, é
necessário o entendimento do conjugado quadrático...
45
Nessa igualdade, C é o momento ou conjugado em newton-metro; P é a
potência em watts; n é a rotação em rpm.
4.6 VARIAÇÃ...
46
C: Conjugado motor (Kgf.m)
ω: Velocidade angular do eixo (rad/s)
η: Rendimento do motor
4.7 VARIAÇÃO DE VELOCIDADE DO C...
47
Gráfico 9 - Sistema com variação de velocidade e gráfico de pressão por vazão do
sistema com variação de velocidade com...
48
para o ponto ideal de consumo do sistema, conforme a necessidade, não é variada a
curva do sistema como ocorre em outro...
49
- Variação de vazão sem geração de perda de carga.
- Influência positiva na vida útil do motor.
- Melhoria no fator de ...
50
-Uso de variadores de velocidade para acionamento de bombas que
trabalham com variação de carga ao longo do dia.
Fazer ...
51
- Alguns casos para redes sensíveis à interferência eletromagnética é
sugerido a instalação de filtros contra EMI (Elec...
52
4.8 JUSTIFICATIVA PARA O USO DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA EM
APLICAÇÕES COM TORQUE QUADRÁTICO
A razão para investir na a...
53
Q1 = Vazão nominal
Q2 = Vazão reduzida
H1 = Pressão nominal
H2 = Pressão reduzida
P1 = Potência nominal
P2 = Potência r...
54
Usando os dados do gráfico acima, os exemplos matemáticos a seguir
demonstram numericamente os resultados da relação po...
55
Em teoria, isto significa que a redução da vazão para 80% em um sistema de
bombeamento poderia resultar em quase 50% de...
56
5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
5.1 Descrição
O experimento foi realizado em uma indústria de bebidas na cidade de
Maríli...
57
6 RESULTADO E DISCUSSÕES
6.1 DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE
ÁGUA INDUSTRIAL
Descrição de um moni...
58
Performance do PID: Normal
Modo de configuração: Malha Fechada (Closed Loop)
Tipo de controle: Controle Vetorial
Fonte ...
59
consumir apenas uma potência e torque requeridos para executar o trabalho
naquele instante, sem desperdícios, economiza...
60
o sistema carregado, não chegam próximos aos valores nominais, se comparados
com outros tipos de partidas convencionais...
61
Quando o conjunto motor-bomba chega à velocidade nominal, como mostra a
figura 9, o sistema começa a ser reabastecido c...
62
Figura 10 - Conjunto motor-bomba à 50% da velocidade nominal.
Fonte: Próprio autor
Potência consumida medida: 2,11 KW
V...
63
P2 = 2,31 KW → Potência consumida em 50% da velocidade nominal
correspondente a 12,5% da potência nominal.
Comparando o...
64
através do sinal do transdutor de pressão/corrente enviado ao inversor de
frequência, modulará e aumentará a sua frequê...
65
Figura 12 – Conjunto motor-bomba em 25% da velocidade nominal.
Fonte: Próprio autor
Potência consumida medida: 230 W
Ve...
66
Haverá um relação cúbica no consumo de potência elétrica e a variação de
velocidade; nesse momento o motor é submetido ...
67
A tabela 3 mostra os valores de potência consumida, vazão requerida
momentânea pelo sistema, frequência da tensão de al...
68
Com os valores práticos reais obtidos do sistema de bombeamento d’água
industrial, conforme análise da tabela acima con...
69
Figura 13 – Conjunto motor-bomba do sistema de bombeamento para refrigeração
das linhas.
Fonte: Próprio autor
70
Figura 14 – Visão frontal do conjunto motor-bomba.
Fonte: Próprio autor
71
6.3 EXEMPLO COM VARIAÇÃO DE VAZÃO DURANTE UM ANO
O exemplo a seguir, compara o consumo de potência elétrica ativa de um...
72
Gráfico 12 – Curvas consumo de potência pelos métodos de controle de vazão.
Fonte: Guia de design VLT6000 HVAC.
Observa...
73
a curva A1-B1 que corresponde ao consumo de potência utilizando válvulas de
estrangulamento.
O resultado obtido é uma e...
74
Gráfico 13 – Gráficos do consumo de potência elétrica pelos dois métodos de
controle de vazão do sistema de bombeamento...
75
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Conforme análise realizada acerca da Eficientização Energética em Métodos
de Controle de Vazão, ap...
76
consequentemente diminuindo a potência consumida proporcionalmente ao cubo da
redução da velocidade.
Conclui-se, portan...
Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Elétrica - Eng Rômulo C. Piscinato
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Trabalho de conclusão de curso sobre Eficiência Energética utilizando inversores de Frequência com Método de Controle de Vazão em Malha Fechada de Processo.
Experimento prático que comprova a teoria da Lei da Proporcionalidade encontrada em livros e manuais técnicos de motores e inversores de frequência WEG e Danfoss como exemplo.

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Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Elétrica - Eng Rômulo C. Piscinato

  1. 1. UNIMAR RÔMULO CESAR PISCINATO EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA EM MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO MARÍLIA 2011
  2. 2. EFICIENTIZAÇÃOENERGÉTICAEMMÉTODOSDECONTROLEDEVAZÃO PISCINATO,RÔMULOC.UNIMAR2011
  3. 3. RÔMULO CESAR PISCINATO EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA EM MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO Trabalho de conclusão de curso apresentado à Coordenação do Curso de Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Tecnologia da Universidade de Marília como requisito parcial para a conclusão da disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso, sob orientação do Prof. Dr. José Achiles Mozambani. MARÍLIA 2011
  4. 4. Autor: RÔMULO CESAR PISCINATO Título EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA EM MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade de Marília como requisito parcial para a conclusão da disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso sob a orientação do Prof. Dr. José Achiles Mozambani. Aprovado pela Banca Examinadora em ____/____/______ _________________________________________ Prof.(a) Dr.(a) Orientador (a) __________________________________________ Prof. (a) Dr.(a) __________________________________________ Prof. (a) Dr.(a)
  5. 5. Dedico este trabalho como forma de gratidão, admiração e reconhecimento aos meus amados pais, o Sr. Luiz Carlos Piscinato e Rosângela Ap. Sampaio Piscinato, que nunca mediram esforços pela minha vida, educação e bem estar, fortalecendo a cada dia mais meus sonhos, me ensinando o verdadeiro valor da vida; e dedico principalmente a Deus, o ser que me guia por cada passo que dou e que fortalece meu pilar de sustentação cada vez mais por cada dia. Estes são os que fazem e sempre farão parte de minha vida.
  6. 6. Agradeço a todos os professores da Universidade de Marília, em específico os professores da Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Tecnologia pelo apoio e dedicação nos conhecimentos a mim transmitidos. Agradeço a minha família, ao meu irmão e sua esposa, o engenheiro Luiz Carlos e Cibele Freitas, e a minha amada mãe por terem sempre acreditado em mim, dando força, estímulo e muito amor. Agradeço a toda família de minha namorada, a Anayra Pucci, sua tia Neiva Pucci, Isabel Pucci e Ana Maria Pucci, pela compreensão, estímulo, carinho e muita paciência. Agradeço a todos meus amigos que desde a infância fazem parte da minha vida, de que alguma forma, diretamente ou indiretamente, me ajudou. Agradeço principalmente a Deus, que sempre foi e sempre será minha rocha e minha coragem para acordar todas as manhãs e lutar na minha vida. Muito obrigado!!!
  7. 7. “Daqui a alguns anos você estará mais arrependido pelas coisas que não fez do que pelas que fez. Então solte suas amarras. Afaste-se do porto seguro. Agarre o vento em suas velas. Explore. Sonhe. Descubra.” Mark Twain “Nem tudo que se enfrenta pode ser modificado, mas nada pode ser modificado até que seja enfrentado.” Albert Einstein “Grandes obras não são feitas com força, mas a perseverança.” Samuel Johnson
  8. 8. EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA EM MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO Resumo: A proposta deste presente trabalho é demonstrar que, o método de controle de vazão por variação de velocidade de sistemas de bombeamento possui grande eficiência na economia de energia elétrica. Isso acontece em sistemas de bombeamento com bombas centrífugas, pois a demanda de torque reduz com o quadrado da redução da velocidade do sistema e o consumo de potência elétrica pelo conjunto motor-bomba reduz com o cubo da redução da velocidade do sistema. Através da metodologia evidenciada no manual “Guia de design”, procurou-se através de experiência a comprovação dos dados apontados no gráfico Curvas consumo de potência pelos métodos de controle de vazão. A coleta dos dados do experimento deu-se pelo monitoramento constante das variações de velocidade, vazão e pressão do sistema e potência elétrica consumida durante um dia utilizando inversor de frequência. O monitoramento dos dados foi possível através do software dedicado do inversor empregado. O experimento foi realizado em um sistema de bombeamento d’água para refrigeração das linhas de produção de uma indústria de bebidas localizada na cidade de Marília-SP. Conclui-se que pode ser obtido um resultado superior a 50% de economia no consumo de energia elétrica de acordo com a distribuição das variações de vazão durante um ano, correspondendo a 8.760 horas; sendo normalmente o tempo de retorno do investimento da implantação do inversor de frequência ocorre menos de um ano dependendo somente de alguns fatores como tarifação, preço do inversor de frequência e demandas de vazão do sistema que influenciam diretamente no consumo de energia elétrica. Palavras Chave: Bombeamento de água. Controle de vazão. Energia elétrica.
  9. 9. ENERGY EFFICIENCY METHODS IN FLOW CONTROL Abstract: The purpose of this present work is to demonstrate that the flow control method for variable speed pumping system has high efficiency in power savings. It happens in pumping systems with centrifugal pumps because the torque demand decreases with the square of the speed reduction system and the electrical power consumption by all motor-pump reduces with the cube of the speed reduction system. Through the methodology shown in the manual "Design Guide", it was proof of experience through the data indicated in the graph of power consumption curves by the methods of flow control. The colletion of experiment’s data due to the constant monitoring of the speed’s changing, system’s flow and pressure ,and electrical power consumed during one day using a frequency inverter. Monitoring data was possible of the dedicated software used by the inverter. The experiment had been conducted in a pumping system for cooling production water lines in a beverage industry in the city of Marilia-SP. Concluding that could be obtained a result above 50% of savings in electricity consumption according to the distribution of variations in flow for a year, corresponding 8,760 hours; and usually the time of return on investment of frequency inverter’s implantation is less than one year depending only on few factors as taxes, the price of the frequency inverter and flow demands of the system that directly influence the energy consumption. Keywords: Water pumping. Flow control. Eletrical energy.
  10. 10. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - VISTA EM CORTE DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA................... 22 Figura 2 - SISTEMA DE BOMBEAMENTO USANDO VÁLVULAS DE ESTRANGULAMENTO................................................................. 28 Figura 3 - ZONAS DE OPERAÇÃO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA E SEUS EFEITOS............................................................................ 31 Figura 4 - DIAGRAMA EM BLOCOS REPRESENTATIVO BÁSICO INTERNO DE UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA....................... 34 Figura 5 - MODELO ESQUEMÁTICO DO SISTEMA APLICADO................. 39 Figura 6 - CURVAS LEI DA PROPORCIONALIDADE.................................. 53 Figura 7 - PLAQUETA COM OS DADOS DO MOTOR................................ 57 Figura 8 - VALORES MEDIDOS DAS VARIÁVEIS NO MOMENTO DA PARTIDA DO CONJUNTO MOTOR-BOMBA............................... 59 Figura 9 - CONJUNTO MOTOR-BOMBA EM VELOCIDADE NOMINAL EM PLENA CARGA............................................................................. 60 Figura 10 - CONJUNTO MOTOR-BOMBA À 50% DA VELOCIDADE NOMINAL...................................................................................... 62 Figura 11 - COMPORTAMENTO CONJUNTO MOTOR-BOMBA A 83% DA VELOCIDADE NOMINAL.............................................................. 63 Figura 12 - CONJUNTO MOTOR-BOMBA EM 25% DA VELOCIDADE NOMINAL...................................................................................... 65 Figura 13 - CONJUNTO MOTOR-BOMBA DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO PARA REFRIGERAÇÃO DAS LINHAS........... 69 Figura 14 - VISÃO FRONTAL DO CONJUNTO MOTOR-BOMBA.................. 70
  11. 11. LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 - DIVISÃO EM PORCENTAGEM DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA PARA OS DIVERSOS SETORES DO PAÍS................ 16 Gráfico 2 - POTENCIAL DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO SETOR INDUSTRIAL..................................................................... 18 Gráfico 3 - CURVAS CARACTERÍSTICA SUPERPOSTAS COM O PONTO DE OPERAÇÃO.............................................................................. 25 Gráfico 4 - VARIAÇÃO DO PONTO DE OPERAÇÃO ATRAVÉS DAS CURVAS DO SISTEMA ESTRANGULADO................................... 29 Gráfico 5 - CONSUMO DE POTÊNCIA ELÉTRICA PELO CONTROLE DE VAZÃO POR VÁLVULAS DE ESTRANGULAMENTO................... 30 Gráfico 6 - SELEÇÃO DE MOTOR CONSIDERANDO O CONJUGADO RESISTENTE DA CARGA.............................................................. 43 Gráfico 7 - CURVA DO CONJUGADO QUADRÁTICO.................................... 44 Gráfico 8 - DIFERENTES PONTOS DE OPERAÇÃO PARA DIFERENTES VELOCIDADES DE ROTAÇÃO DA BOMBA.................................. 46 Gráfico 9 - SISTEMA COM VARIAÇÃO DE VELOCIDADE E GRÁFICO DE PRESSÃO POR VAZÃO DO SISTEMA COM VARIAÇÃO DE VELOCIDADE COM OS RESPECTIVOS RENDIMENTOS........... 47 Gráfico 10 - CURVA TORQUE QUADRÁTICO OBTIDA DOS VALORES MEDIDOS........................................................................................ 67 Gráfico 11 - CURVA CONSUMO DE POTÊNCIA PARA AS DIVERSAS VELOCIDADES DE ROTAÇÃO OBTIDAS NO PERÍODO MONITORADO................................................................................ 68 Gráfico 12 - CURVAS CONSUMO DE POTÊNCIA PELOS MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO................................................................. 72 Gráfico 13 - GRÁFICOS DO CONSUMO DE POTÊNCIA ELÉTRICA PELOS DOIS MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO PROPOSTO....................................................... 74
  12. 12. TABELAS Tabela 1 - CONSUMO, RECEITA, NÚMERO DE UNIDADES CONSUMIDORAS E TARIFA MÉDIA DE ENERGIA ELÉTRICA PARA DIVERSOS SETORES DO PAÍS......................................... 15 Tabela 2 - POTENCIAL DE CONSERVAÇÃO EM ELETRICIDADE EM SETORES INDUSTRIAIS SELECIONADOS.................................. 17 Tabela 3 - POTÊNCIA CONSUMIDA E ECONOMIA DE ENERGIA DE ACORDO COM OS VALORES MONITORADOS DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO PROPOSTO................................................ 66 Tabela 4 - CONSUMO TOTAL DE ENERGIA ELÉTRICA DOS MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO DE ACORDO COM A DISTRIBUIÇÃO DE VAZÃO DURANTE UM ANO.......................... 73
  13. 13. SUMÁRIO INTRODUÇÃO................................................................................................. 14 1 CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA....................................................... 15 1.1 POTENCIAL DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA................ 16 2 BOMBAS CENTRÍFUGAS......................................................................... 20 2. 1 DEFINIÇÃO............................................................................................. 20 2.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO........................................................ 20 2.3 APLICAÇÕES.......................................................................................... 23 2.4 CURVAS CARACTERÍSTICAS DA BOMBA E DO SISTEMA HIDRÁULICO................................................................................................... 24 3 VÁLVULAS DE ESTRANGULAMENTO.................................................... 27 3.1 ZONAS DE OPERAÇÃO........................................................................... 30 4 INVERSORES DE FREQUÊNCIA.............................................................. 33 4.1 O QUE É INVERSOR DE FREQUÊNCIA E SEU FUNCIONAMENTO... 33 4.1.1 Componentes do Inversor de Frequência............................................. 34 4.2 FORMAS DE VARIAÇÃO DE VELOCIDADE EM UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA.................................................................................................. 36 4.2.1 Acionamento pela IHM.......................................................................... 37 4.2.2 Acionamento pelas entradas digitais.................................................... 37 4.2.3 Acionamento pelas entradas analógicas.............................................. 38 4.3 MELHORIA NO CONTROLE DO PROCESSO POR MALHA FECHADA........................................................................................................ 38 4.4 MODO DE CONTROLE ESCALAR E VETORIAL................................... 40 4.5 TORQUE E CONJUGADO QUADRÁTICO.............................................. 41 4.6 VARIAÇÃO DE VELOCIDADE................................................................. 45 4.7 VARIAÇÃO DE VELOCIDADE DO CONJUNTO MOTOR-BOMBA......... 46 4.7.1 Vantagens do uso de inversores........................................................... 48 4.8 JUSTIFICATIVA PARA O USO DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA EM APLICAÇÕES COM TORQUE QUADRÁTICO......................................... 52 5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS................................................... 56 5.1 DESCRIÇÃO............................................................................................ 56 5.2 LOCAL DA REALIZAÇÃO........................................................................ 56 5.3 MATERIAL............................................................................................... 56 5.4 PROCEDIMENTO DA COLETA DE DADOS............................................. 56 6 RESULTADO E DISCUSSÕES.................................................................. 57
  14. 14. 6.1 DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA INDUSTRIAL................................................................................... 57 6.2 DISCUSSÃO E RESULTADOS DAS OBSERVAÇÕES DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA INDUSTRIAL............................................... 59 6.2.1 Monitoramento e medidas de variáveis do sistema............................. 59 6.3 EXEMPLO COM VARIAÇÃO DE VAZÃO DURANTE UM ANO.............. 71 CONSIDERAÇÕES FINAIS............................................................................. 75 REFERÊNCIAS................................................................................................ 77 APÊNDICE....................................................................................................... 80
  15. 15. 14 INTRODUÇÃO A necessidade da conservação dos recursos da natureza é uma preocupação mundial, sabe-se também que a competitividade empresarial e industrial em tempos passados ajudou no agravamento do problema. Baseado no conhecimento desta situação o setor industrial está repensando suas práticas, preocupando-se em encontrar alternativas de que possa minimizar os efeitos nocivos ao meio ambiente. A diminuição dos custos da produção industrial pode ser uma aliada no combate ao desperdício, como por exemplo: As perdas de energia no processo produtivo, que se for poupada, além de poupar alguns dos recursos naturais, podem diminuir os custos na produção, podendo gerar lucros para a empresa. Uma das formas de otimização do uso da energia em uma indústria é especificando os equipamentos com máxima eficiência, implantando novas tecnologias, realizando diagnósticos energéticos, aperfeiçoando as rotinas de manutenção e verificando o funcionamento dos equipamentos e instalações. Assim, as fábricas economizam tempo e matéria-prima, podendo gerar empregos qualificados, aumentar a produtividade e aperfeiçoar o produto final. Ressaltando ainda, que além da diminuição dos custos e a contribuição para a preservação do meio ambiente, reflete na qualidade de vida, exercita a cidadania, amplia no tempo os recursos naturais não renováveis ainda disponíveis, contribui para minimizar os impactos ambientais, reduz custos para a nação e para o consumidor, maximiza o aproveitamento dos investimentos já efetuados no sistema elétrico; induz a modernização industrial e melhora a competitividade internacional dos produtos de consumo e dos bens duráveis fabricados no Brasil.
  16. 16. 15 1 CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA A tabela e gráfico abaixo demonstram o consumo médio de energia elétrica pelos principais setores no Brasil e suas respectivas receitas, número de unidades consumidoras e tarifa média de fornecimento de energia. Tabela 1 – Consumo, receita, número de unidades consumidoras e tarifa média de energia elétrica para diversos setores do país. Fonte: ANEEL (2011). O consumo de energia elétrica no Brasil alcançou aproximadamente 158,25 TWh até a data da última atualização em 2011 segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL).
  17. 17. 16 Gráfico 1 – Divisão em porcentagem do consumo de energia elétrica para os diversos setores do país. Fonte: ANEEL (2011). Observa-se na Tabela 1 e no Gráfico 1, o consumo de energia elétrica pelo setor industrial é o segundo mais significativo. Até a última data de atualização, o consumo de energia elétrica pelo setor industrial foi de 37.540.654 MWh, fornecendo uma receita de R$ 8.560.686.012,37. A tabela e gráfico a seguir demonstram o potencial de conservação de energia em setores industriais segundo o levantamento realizado no ano de 2009 pela Confederação Nacional da Industria (CNI). 1.1 POTENCIAL DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Avaliações realizadas em treze setores industriais com alto consumo de energia elétrica (CNI, 2009), pela Confederação Nacional da indústria (CNI) juntamente com um convênio estabelecido com o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL), programa coordenado pelo ministério Residencial; 35,72% industrial; 23,72% Comercial, Serviços e outras; 22,74% Rural; 4,44% Poder Público; 4,18% Iluminação Pública; 3,99% Serviço Público; 3,70% Consumo Próprio; 0,21% Rural Agricultor; 0,30% Rural Irrigante; 0,99%
  18. 18. 17 de Minas e Energia e executado pela Eletrobrás, obtiveram os seguintes resultados apresentados na tabela 3 abaixo: Tabela 2 - Potencial de conservação em eletricidade em setores industriais selecionados. Fonte: CNI (2009). Segundo avaliação CNI visualizada na tabela 2, o potencial de conservação de energia elétrica no setor industrial é equivalente à 6,5 GW de potência, que é o consumo de energia elétrica prevista para 2009 de grandes indústrias alimentadas pela rede interligada do subsistema Sudeste/Centro-Oeste. (EPE – EMPRESA DE PESQUISAS ENERGÉTICAS, on line, 2011).
  19. 19. 18 Gráfico 2 – Potencial de conservação de energia elétrica no setor industrial. Fonte: (CNI, 2009). Conforme mostra o gráfico 2, obtido a partir dos valores da tabela de potencial de conservação de energia elétrica nos setores industriais (CNI, 2009), constatou-se que a força motriz é a grande responsável pelo gasto de energia dentro da indústria. Observa-se, após verificar esses resultados, a necessidade de aumentar a eficiência no uso dos motores elétricos, otimizando o consumo de energia elétrica. Na indústria nacional a potência instalada em sistemas de ventilação, compressão e bombeamento hidráulico alcança aproximadamente 75% da potência total (SANTOS et al, 2005). Motores elétricos em aplicações de bombeamento hidráulico, ventilação, exaustão, compressores centrífugos e outros mais, possuem a característica de conjugado quadrático, por isso a variação de velocidade nesses tipos de aplicações disponibiliza um enorme potencial de economia de energia elétrica. As bombas centrífugas possuem um ponto melhor de funcionamento para uma determinada vazão, altura manométrica e rotação, as quais as perdas de carga no escoamento pelas tubulações são mínimas. Entretanto, a maioria das instalações exige da bomba uma operação fora deste ponto de melhor funcionamento em função da necessidade de variação de vazão. Força motriz 75,2% Refrigeração 1,7% Fornos elétricos 13,7% Eletrólise 7,1% Iluminação 2,2% Outros usos 0,10%
  20. 20. 19 A substituição do método de controle de vazão de um sistema de bombeamento utilizando válvulas de estrangulamento por inversores de frequência ainda é uma polêmica no mercado. Diante do avanço da tecnologia dos inversores de frequência e da preocupação constante de se economizar energia, ainda é vantajoso o uso de válvulas de controle para “estrangular“ o fluxo sendo alimentado por uma bomba de velocidade constante ou se deve partir para as bombas com velocidade variável para o controle de vazão? O presente trabalho apresenta a aplicação de uma técnica com objetivo de aumentar a eficiência energética através da aplicação de inversores de frequência para controlar a vazão de fluidos, sendo apontado há algum tempo, como uma boa solução na eficiência energética em sistemas industriais. São apresentadas o consumo de energia por motores elétricos acionando bombas centrífugas em sistemas de bombeamento industrial com o intuito de controlar a vazão de fluidos, seja utilizando o método convencional de estrangulamento de válvulas ou utilizando técnicas de controle com inversores de frequência, onde o motor elétrico tem sua frequência ajustada para atender a vazão especifica. Sem tomar partido por uma das soluções em detrimento da outra, vamos abordar as vantagens de cada tecnologia e sua melhor aplicação, esperando colaborar com a comunidade da instrumentação e também despertar outros colaboradores que queiram se juntar à discussão.
  21. 21. 20 2 BOMBAS CENTRÍFUGAS 2. 1 DEFINIÇÃO Bombas centrífugas são máquinas hidráulicas operatrizes que trabalham fornecendo ou modificando a energia de um fluído em escoamento, ou seja, transforma um tipo de energia em outra, através de forças centrífugas. Bombas Centrífugas - são aquelas em que a energia fornecida ao líquido é primordialmente do tipo cinética, sendo posteriormente convertida em grande parte em energia de pressão. Nas bombas centrífugas a movimentação do líquido é produzida por forças desenvolvidas na massa líquida de um rotor. Estas bombas caracterizam-se por operarem com altas vazões, pressões moderadas e fluxo contínuo (GANGHIS, p. 5). Estas máquinas recebem energia mecânica através da força motriz de motores ou turbinas, transformando-a em energia de pressão (força) e energia de movimento (cinética). A energia transformada pela bomba centrífuga é cedida ao fluido através de um ou mais rotores que giram em seu interior, fará com que o fluido seja “bombeado”, fazendo-o deslocar-se de um ponto para outro ou recircular voltando para o mesmo, vencendo desníveis, se necessário, dependendo da necessidade da aplicação ou tipo do sistema. Geralmente utiliza-se uma bomba centrífuga quando há a necessidade de aumentar a pressão de trabalho de um fluido contido num sistema, aumentar a velocidade de escoamento do fluido, ou em ambas as necessidades. 2.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Quando a bomba centrífuga está em funcionamento e abastecida do fluido a ser transportado, ela cria uma zona de baixa e outra de alta pressão.
  22. 22. 21 Segundo Nogueira, (2010) as bombas centrífugas possuem pás cilíndricas, chamadas de paletas, com geratrizes paralelas ao eixo rotacional, que são unidas a um disco e uma coroa circular que em conjunto compõem o rotor da bomba. O fluido é impulsionado pelas paletas do rotor do centro para a periferia da bomba através da força centrífuga, produzindo uma depressão interna ao rotor e em consequência disso cria-se um fluxo vindo do bocal de sucção, ou seja cria-se duas zonas com diferentes pressões, a primeira chamada de zona de baixa pressão a qual realiza a sucção do fluido e outra chamada de zona de alta pressão a qual realiza o recalque do fluido. O fluido passa pelo corpo interno da carcaça grande da bomba em alta velocidade já com a energia cinética transferida, essa energia fará o deslocamento do fluido em direção à boca de recalque, a qual será transformada em energia de pressão, ou seja, fornecendo carga ao fluido para que ele vença as alturas de recalque, e posteriormente, em maior escala, em energia de pressão, a qual irá adicionar “carga” ao fluído para que ele vença as alturas de deslocamento. Existe necessidade de transformar essa energia de entrada, pois, alta velocidade da energia de saída da bomba, seria danosa às tubulações ou às conexões de recalque. O diâmetro e projeto do rotor e a rotação de acionamento da bomba centrífuga determina a quantidade de energia transferida para o fluido, ou seja, se utilizar uma bomba inadequada ao projeto do sistema de bombeamento hidráulico, onde o recalque requer uma energia maior do que a fornecida ao fluido, não haverá deslocamento ou a vazão desejada do fluido, havendo somente a pressurização deste. Os principais componentes de uma bomba centrífuga são: bocal de sucção, rotor, voluta, flange de sucção, carcaça, impulsor, bocal de descarga, flange de descarga, conforme podemos observar na figura abaixo:
  23. 23. 22 Figura 1 – Vista em corte de uma bomba centrífuga. Fonte: Ladislao Reti. Disponível em: http://www.saylor.org/site/wp- content/uploads/2011/04/Centrifugal_pump.pdf Para selecionar ou dimensionar a bomba centrífuga adequada ao sistema de bombeamento projeto é necessário: -Definir ou calcular a vazão necessária (Q), ou seja, a quantidade ou volume necessário de fluido que circulará de um ponto a outro em um determinado tempo, por isso sua unidade de medida é, por exemplo, m³/min. -Determinar a altura manométrica da bomba (H), pois é de extrema importância para selecionar adequadamente a bomba para o sistema projetado. Uma definição para melhor entendimento pode ser a quantidade de energia ou trabalho realizado pela bomba para movimentar o fluido em questão vencendo todas as perdas por atrito nas tubulações. A altura manométrica total, na prática é a somatória das diferenças de cotas entre os níveis geométricos sucção e recalque (H geométrico total) juntamente com as perdas de cargas distribuídas e localizadas nos tubos e conexões do sistema. -Calcular a potência do conjunto motor-bomba, pois o trabalho realizado é função do peso específico do fluido (Ɣ) bombeado e a altura manométrica total (H)
  24. 24. 23 em um espaço de tempo. Onde a potência absorvida é a cedida ao eixo da bomba, e a potência cedida pela bomba é a transferida ao fluido. -Considerar o rendimento do conjunto motor bomba ao efetuar os cálculos da potência necessária para a aplicação proposta, onde a potência mecânica fornecida à bomba não é totalmente aproveitada ao transformá-la em hidráulica e o mesmo para a potência elétrica consumida pelo motor, que obviamente não é totalmente transformada em mecânica. Assim o rendimento do conjunto se dá pelo produto do rendimento da bomba com o do motor elétrico. Tanto a potência quanto o rendimento de cada bomba é fornecido pelo fabricante através de diversos ensaios em laboratório caracterizando assim as curvas de desempenho da bomba. -As curvas obtidas pelos ensaios dos fabricantes podem ser obtidas por diversos diâmetros de rotor em diversas velocidades de acionamento da bomba, sendo esta apta ou não à aplicação desejada. -NPSH requerido é um fator fundamental para o correto funcionamento da bomba num sistema desejado, as curvas de desempenho apresentadas pelo fabricante só são válidas quando as condições de NPSH são atendidas. O valor do NPSH Disponível deve exceder o valor NPSH requerido especificado pelo fabricante em pelo menos 0,6m. O valor do NPSH Requerido para o bom funcionamento de um dado modelo de bomba, operando com dada vazão, é fornecido pelo fabricante, na curva de vazão versus NPSH Requerido. 2.3 APLICAÇÕES As bombas centrífugas são utilizadas em diversas aplicações e com variadas funcionalidades específicas, são largamente usadas nos mercados de saneamento básico, irrigação, e indústrias de: bebidas, alimentos, químicas, petroquímicas, papel e celulose, siderurgia, mineração, álcool e açúcar. Essas indústrias empregam essas bombas nos sistemas de tratamento de água industrial, de tratamento e abastecimento de águas públicas, de bombeamento de óleo, de irrigação, bombas
  25. 25. 24 de mistura em processos industriais, de refrigeração, de fertilizantes, de combate a incêndio, usinas industriais, de alimentação de caldeiras, etc. Alguns exemplos de suas aplicações, conforme catálogo das Bombas de Processo Omel: -Indústrias químicas: na transferência de produtos variados, corrosivos ou não, na carga e descarga de ácidos, transferência de produtos orgânicos, no bombeamento de produtos como enxofre, ureia, amônia, gases liquefeitos, solventes, monômeros, polímeros e outros produtos orgânicos ou inorgânicos. Petroquímicas: no bombeamento de aromáticos, hidrocarbonetos leves, líquidos de transferência térmica, refluxo e fundo de torres, gasóleo, condensado. Papel e polpa: nos digestores, no bombeamento de licores verde, branco e negro, polpas leves, produtos de adição como caulim, dióxido de titânio, etc. Siderurgia e mineração: recuperação de ácidos, lavadores de gases, recirculação de ácidos. Alimentícias: no bombeamento de sucos, suspensões, emulsões, caldos, fluídos de troca térmica, condensado, amônia, açúcar e álcool. Indústrias em geral: na indústria têxtil, farmacêutica, controle da poluição, saneamento, tingimento. Na de resfriamento d’água, condensado, recuperação de ácidos, circulação de banhos galvânicos e de tingimento, lavagem de gases, alimentação de filtros e inúmeros outros processos industriais. 2.4 CURVAS CARACTERÍSTICAS DA BOMBA E DO SISTEMA HIDRÁULICO A curva característica da bomba é obtida através de ensaios realizados pelos fabricantes para diferentes tipos ou modelos de bombas, verificando para cada uma delas que há diversos valores de funcionamento que atendem diversificados valores de vazões que consequentemente relacionam outros valores de altura manométrica H, gerando uma faixa aceitável de funcionamento, além do ponto o qual a bomba foi projetada, ou seja, a curva característica da bomba indica a energia que a bomba fornece ao fluido para cada vazão de operação.
  26. 26. 25 Frequentemente é apresentada na forma gráfica pelos fabricantes, mas algumas vezes a relação é apresentada sob a forma de uma tabela, que nada mais é que uma seleção de pontos sobre a curva característica da bomba. A curva característica de um sistema hidráulico projetado relaciona diversos pontos de vazão e altura manométrica os quais exigem diferentes valores de energia por unidade de peso que deve ser fornecida ao fluido para ocorrer o escoamento nessa instalação em regime permanente, ou seja, indica a energia que deve ser fornecida ao fluido para cada vazão de operação para que ocorra o escoamento adequado à aplicação desejada. A energia do fluido requerida pelo sistema hidráulico é composto por desníveis, diferenças de pressão, canais, tubos, válvulas ou registros em função da vazão que atravessa o sistema. O ponto de operação PO é obtido pela intersecção das duas curvas características representando as condições de operação de uma bomba aplicada em um determinado sistema hidráulico, obtendo os valores de vazão e altura manométrica através dos eixos dos gráficos das curvas superpostas. Neste ponto a bomba cede energia ao fluido para vencer a altura H em metros(m) com a vazão Q em m³/h. Conforme demonstra o gráfico abaixo. Gráfico 3 – Curvas característica superpostas com o ponto de operação. Fonte: WEB CURSO, (on line, 2011). Para Dutra (2005), podemos observar na curva característica vermelha, ou seja, curva característica de uma bomba centrífuga, obtida por ensaios laboratoriais
  27. 27. 26 pelo fabricante da bomba que, com o aumento da vazão, a altura manométrica H, geralmente dada em mca (metro coluna de água) que a bomba pode vencer diminui, pois há um decréscimo de pressão da bomba. Quer dizer que a energia cedida pela bomba ao fluido, pode vencer uma resistência menor quando aumentamos a vazão, mas para se obter o escoamento do fluido, tem-se que levar em consideração o valor de H (head), pois representa a carga total que a bomba precisa vencer.
  28. 28. 27 3 VÁLVULAS DE ESTRANGULAMENTO Este dispositivo é um acessório muito importante nos sistemas de condução, pois, estabelece, controla ou interrompe o fluxo em uma tubulação por onde passam fluidos e por isso as válvulas de estrangulamento devem merecer o maior cuidado na sua especificação, escolha e instalação. As válvulas classificam-se em: - Válvulas de Bloqueio: Destinam-se à abertura ou interrupção completa do fluxo de um fluido, portanto funcionam completamente fechadas ou abertas. - Válvulas de Regulagem: O seu fechamento é controlado em qualquer posição para o controle do fluxo. Muitas indústrias e empresas de saneamento ainda operam suas máquinas na rotação constante quando se utiliza o método de estrangulamento para controle da vazão do fluido, mas, isto acarreta um aumento da pressão da bomba, juntamente com o aumento de perdas de cargas localizadas e maior desgaste dos equipamentos envolvidos. “Quando a válvula de controle está inserida diretamente na linha, conforme a figura abaixo, o controle de vazão é realizado com base na perda de carga acrescentada ao sistema pela inserção da válvula,”. (OENNING, 2001, p.23) Como demonstra a figura a seguir, o método de controle de vazão com válvula de estrangulamento inserida diretamente em série com a bomba centrífuga, geralmente não possui um método de partida suave do conjunto motor-bomba, sendo simbolizada por uma chave aberta, que representa tipos de partida similares ao do tipo direta.
  29. 29. 28 Figura 2 – Sistema de bombeamento usando válvulas de estrangulamento. Fonte: Oenning. A vazão e a pressão necessária de qualquer sistema podem ser definidas com a ajuda de um gráfico chamado Curva do Sistema. Os fabricantes de bombas tentam adequar à curva do sistema, fornecida pelo usuário, com o desempenho de uma bomba que satisfaça estas necessidades tão proximamente quanto possível. Um sistema de bombeamento opera no ponto de interseção da curva da bomba com a curva de resistência do sistema. A interseção das duas curvas define o ponto operacional de ambos, bomba e processo (vide figura a seguir). Porém, é impossível que um ponto operacional atenda todas as condições operacionais desejadas. Por exemplo, quando a válvula de descarga é estrangulada, a curva de resistência do sistema desloca-se para a esquerda, sendo acompanhada pelo deslocamento do ponto operacional. A técnica de se usar válvulas de estrangulamento consiste em controlar a vazão do sistema através da abertura ou fechamento parcial de uma válvula instalada em serie com a bomba...A figura abaixo mostra uma sucessão de pontos de operação gerados pelo fechamento progressivo de uma válvula de estrangulamento. Pode-se notar que a medida que se faz o fechamento da válvula, a vazão do sistema vai sendo reduzida, enquanto a pressão vai gradualmente aumentando e se transformando em perda de carga adicional. (OLIVEIRA et al. p. 30, 2009)
  30. 30. 29 Gráfico 4 – Variação do ponto de operação através das curvas do sistema estrangulado. Fonte: Oliveira et all. Observa-se que nas curvas da bomba e do sistema, que ocorrem mudanças apenas no sistema, pelo aumento da perda de carga que pode ser vencida, através do aumento da pressão do sistema, representada pela altura manométrica Hf (Head final). A figura mostra o fechamento progressivo da válvula de estrangulamento de um valor de vazão inicial (Qi), que varia até o novo ponto de trabalho Qf representando um menor fluxo ou vazão do fluido. A altura Hi varia até Hf, que representa o aumento da altura manométrica que pode ser vencida, consequência do aumento de pressão do sistema e diminuição das perdas durante o escoamento do fluido. Levando em conta todos os parâmetros há uma leve redução de potência consumida pela bomba. O processo resulta numa pequena variação de energia consumida pela bomba durante o controle da vazão. O fechamento de uma válvula de controle está relacionado ao aumento da pressão no sistema de bombeamento. Deste modo, válvulas de controle restringidas resultam no aumento da perda de carga ou energia cinética, caso contrário, o aumento da vazão resulta no aumento da potência consumida. De acordo estudo de Oenning (2011, p.48)
  31. 31. 30 A abertura de uma válvula de controle está inversamente relacionada com a perda de carga na mesma. Deste modo, válvulas de controle muito restringidas resultam em uma alta perda de carga. Consequentemente, a potência necessária para operação do sistema é tão maior quanto mais restringida estiver a válvula. Gráfico 5 – Consumo de potência elétrica pelo controle de vazão por válvulas de estrangulamento. Fonte: Revista InTech. Observa-se que existe aumento da energia requerida pela carga à medida que a vazão aumenta, pois há acréscimo de perdas de carga por atrito entre o fluido e as paredes da tubulação, causando mudanças de velocidades ocorridas dentro do sistema durante o transporte do fluido, por exemplo, próximo ao recalque da bomba, o fluido possui uma velocidade maior do que num ponto próximo ao final do sistema projetado. 3.1 ZONAS DE OPERAÇÃO Quando a máquina centrífuga trabalha fora do seu regime ideal, o fluxo do fluido, devido a um desbalanceamento entre as forças de sucção e de pressão nas hélices, passa de um regime laminar para um regime turbulento. Os regimes turbulentos junto com o aumento das perdas por impacto e atrito causam os seguintes efeitos prejudiciais nas máquinas, como mostra a figura abaixo:
  32. 32. 31 Figura 3 – Zonas de operação de uma bomba centrífuga e seus efeitos. Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAR1sAK/bombas-centrifugas- manutencao-operacao O uso de válvulas tem como principais vantagens: -Os custos de investimentos na aquisição de válvulas e nas suas instalações são menores em comparação aos custos dos inversores e suas instalações. -São mecanismos de fácil instalação e operação, se comparados aos inversores de frequência. -Garantem a segurança da instalação e dos operadores quando utilizadas para realizar manutenção e substituição de elementos das instalações. - Tem a característica principal de dissipar energia de maneira controlada dentro de um sistema. Desvantagens: Algumas delas só existem em casos particulares, como mau dimensionamento dos componentes do sistema e má operação das válvulas:
  33. 33. 32 -Se o tipo da válvula for escolhido de modo incorreto para a aplicação específica, pode causar, em alguns casos, sérios problemas provocando alterações consideráveis no desenho original e danos graves na instalação. -Maior índice de vazamentos por causa do aumento de pressão causado pelo estrangulamento (fechamento das válvulas). -O estrangulamento excessivo das válvulas pode causar cavitação e turbulência nas bombas, aumentando a frequência de manutenção. -Possíveis ocorrências de golpes de Aríete (fenômeno da física que ocorre quando o fluxo do fluído é abruptamente interrompido pelo fechamento de uma válvula em situações de partida ou parada no bombeamento). Neste caso a velocidade com que o fluído se move na tubulação tende à zero num intervalo de tempo muito curto. Devido à inércia do fluído ocorrem surtos de pressão na linha, havendo tremulações nas tubulações que podem danificar as conexões, engrenagens, paletas entre outros componentes do sistema. -Diminuição da vida útil do conjunto motor-bomba. Como constata Mesquita et all. (2006, p. 11). A constante partida e parada das bombas conduz a problemas como: altos picos de corrente devido à partida direta dos motores elétricos; alto custo de energia devido a não adaptação da velocidade da bomba à operação; alta tensão mecânica nos componentes mecânicos, devido à partida brusca dos motores; e diminuição da vida útil dos componentes mecânicos devido à fadiga, ocasionada pelo grande número de partida durante a operação. - O aumento da resistência para a vazão e o aumento da perda de carga da bomba, acrescenta perdas de potência necessária para se realizar o trabalho e consequente desperdício de energia elétrica. O controle de vazão/pressão através de válvulas de manobras é feita por meio do acréscimo de perda de carga onde se destaca a perda de energia. Além das perdas, destaca-se que a vida útil dos equipamentos é diminuída e a energia excedente pode gerar vibrações no CMB. Wood e Reddy (1994) definem muito bem o controle de vazão/pressão através de válvulas, afirmando ser o mesmo que “[..] conduzir um carro com o freio de mão acionado: o resultado é o desperdício desnecessário de energia”. (GOMES, 2010, 38).
  34. 34. 33 4 INVERSORES DE FREQUÊNCIA O Inversor de Frequência tem como principal finalidade controlar a velocidade de um motor de indução, portanto destaca-se a importância de sua utilidade nas variadas possibilidades de aplicação, principalmente nos processos industriais que exigem automatização. Franchi (2008, 127) relata que Há alguns anos, para se ter um controle preciso de velocidade eram utilizados motores de corrente continua. Entretanto, isso acarretava diversos problemas como custo do motor e necessidade de retificação de tensão de fornecimento para alimentar o motor. Com o advento da eletrônica de potência aliada à necessidade de aumento de produção e diminuição de custos, dentro deste cenário surgiu a automação, ainda em fase inicial no Brasil. Uma grande infinidade de equipamentos foi desenvolvida para as mais diversas variedades de aplicações e setores industriais. Um dos equipamentos mais utilizados nesses processos juntamente com o CLP é o inversor de frequência. Um equipamento versátil e dinâmico que permitiu o uso de motores de indução para controle de velocidade em substituição aos motores de corrente continua. 4.1 O QUE É INVERSOR DE FREQUÊNCIA E SEU FUNCIONAMENTO O inversor de frequência é um dispositivo eletrônico capaz de converter a tensão e frequência da rede elétrica de alimentação em valores variáveis de tensão e frequência, com a finalidade de controlar a velocidade de um motor de indução trifásico. Antes do aparecimento dos inversores de frequência não se controlavam a velocidade de motores de corrente alternada (motores AC). Observou-se a necessidade da variação de velocidade dos motores nas aplicações industriais, utilizava-se em grande escala os motores de corrente contínua, mas com surgimento dos inversores de frequência foram gradativamente substituídos na maioria das aplicações, pelos motores de indução de corrente alternada, visando menores custos e maiores recursos tecnológicos.
  35. 35. 34 A figura abaixo mostra resumidamente o diagrama em blocos de um inversor de frequência escalar: Figura 4 – Diagrama em blocos representativo básico interno de um inversor de frequência. Fonte: Guirardello, on line, 2011. 4.1.1 Componentes do Inversor de Frequência Seção Retificadora (Converter Section) - A seção retificadora é a responsável pela retificação da tensão de alimentação da rede trifásica. Isto é, a tensão senoidal de entrada é convertida em sinal DC pulsante, devido a organização dos seis diodos em forma de ponte trifásica completa. Seção Inversora (Inverter) - Essa seção é interligada com o barramento DC do inversor, no qual está presente a tensão retificada de entrada e é formada por transistores de potência controlados pelo circuito de comando, responsável pela defasagem em 120º entre as fases do sinal alternado de saída.
  36. 36. 35 Segundo Ghirardello, Na seção inversora, a tensão retificada DC é novamente convertida em Trifásica AC. Os transistores chaveiam várias vezes por ciclo, gerando um trem de pulsos com largura variável senoidal (PWM). Esta saída de tensão pulsada, sendo aplicada em um motor (carga indutiva), irá gerar uma forma de onda de corrente bem próxima da senoidal através do enrolamento do motor. (2011 on line, p.1) Proteção contra Surto (Surge Protection) – Esse bloco é responsável por impedir que surtos transitórios de tensão da rede de alimentação danifiquem os componentes do inversor. Proteções do Inversor (Inverter Protection) – Tem como objetivo proteger o inversor, monitorando os níveis de tensão no circuito intermediário com limites definidos que não serão ultrapassados devido ao desarme do inversor sinalizando a condição de falha. Base Driver – Tem a função de amplificar e isolar os sinais que são gerados pelo Circuito de Controle, fazendo com que os transistores operem conforme o apropriado esquema de chaveamento. Circuito de Auto Boost (Auto Boost Circuit) – As condições de cargas do motor são detectadas através deste circuito e define o nível de tensão de saída para o motor, de acordo com a necessidade do torque pela carga, otimizando o consumo de energia. Controle Local/Painel de ou IHM (Interface Homem-Máquina) - Esse dispositivo disponibiliza para o operador a possibilidade de acessar e ajustar os valores dos parâmetros, bem como visualizar dados de saída. Este painel fornece um meio prático e rápido para se programar a operação do inversor. Nele também podem ser visualizadas as condições de operação do inversor, como tensão, corrente, velocidade, frequência, além de sinalizar códigos de falha como sobre tensão, sobtensão, sobrecarga, motor travado, sobre temperatura no dissipador, etc. (GHIRARDELLO, 2011 on line, p.3)
  37. 37. 36 Circuito de Controles Externos (External I/O) – A função deste circuito pode receber ou enviar sinais elétricos digitais ou analógicos de comandos ou informativos. Entradas e saídas analógicas - Através de referências enviadas para as entradas analógicas é possível controlar a velocidade e os sinais analógicos de saída possibilitam o monitoramento das variáveis. Entradas e saídas digitais - São meios de controlar e ou monitorar o conversor através de sinais digitais discretos, como chave liga/desliga, que podem ser configurados como sinais pulsantes ou não tanto positivos quanto negativos. Interface de comunicação serial - Esse meio de comunicação permite que o conversor seja controlado/monitorado a distância, através de fios, por um computador central ou controladores lógicos programáveis, geralmente interligados em redes de comunicação serial. Circuito de Controle (Control Circuit) – É o circuito eletrônico que comanda todas as funções e operações realizadas pelo inversor. Interpreta todos os sinais externos de entrada, determinando ações a serem executadas pelo inversor, como partida/parada do motor, sentido de giro, gerar alarmes ou até comandos para desarme do inversor para condições anormais de funcionamento, aumenta ou reduz a velocidade do motor através da variação da tensão e corrente, responsável pelo controle da velocidade de chaveamento dos IGBT’s (Transistores Bipolares de Porta Isolada) da etapa de potência, fornece as condições durante o funcionamento do inversor. Ghirardello entende que: “O circuito de controle é na realidade o cérebro do inversor, pois ele é o responsável por receber todas as informações relativas ao funcionamento interno do inversor, além de coletar as informações externas, gerar todos os sinais necessários para gerar os pulsos de disparo dos IGBT’s da etapa de potência” (2011, on line, p. 3). 4.2 FORMAS DE VARIAÇÃO DE VELOCIDADE EM UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA
  38. 38. 37 A variação de velocidade de um motor elétrico é a principal função de um conversor de frequência, essa variação pode ser comandada de forma manual ou automática de acordo com a necessidade de aplicação desejada. 4.2.1 Acionamento pela IHM (Interface Homem Máquina) Pela IHM a variação de velocidade é realizada de forma manual, onde o operador determina a velocidade desejada, bem como inverter o sentido do giro do motor. 4.2.2 Acionamento pelas entradas digitais Pelas entradas digitais é possível realizar a variação de velocidade através de comandos remotos, provenientes de sinais digitais gerados por um simples dispositivo de comando que pode ser desde uma botoeira, até um complexo controlador lógico programável. Para Franchi (2008, p. 209) Em uma aplicação industrial, torna-se inviável, o acionamento de um inversor localmente direto nas teclas de sua IHM. Assim, a grande maioria das aplicações com inversores de frequência é realizada por meio de comandos remotos. Para isso, deve-se colocar o inversor em modo acionamento remoto e, por meio de botões externos, acionar ou desativar o motor e ainda inverter o seu sentido de giro. Pelas entradas digitais é possível ainda utilizar a função de múltiplas velocidades pré-programadas. Essa função tem como principal vantagem a estabilidade das referências fixas pré-programadas e também garante a imunidade contra ruídos elétricos.
  39. 39. 38 4.2.3 Acionamento pelas entradas analógicas Para que esse tipo de controle funcione, pode-se trabalhar com as entradas analógicas do inversor através de sinais de tensão (0 a 10 Vcc) ou sinais de corrente (4 a 20 mA). Pode-se utilizar um potenciômetro ligado entre os bornes configurados como divisor de tensão, podendo aplicar uma tensão de referência na faixa de 0 à 10 Vcc, ou pelo método completamente automatizado, sendo então controlado por um transdutor, ou um controlador lógico programável, ou um controlador industrial ou ainda, da saída analógica de outro inversor de frequência (ligação mestre-escravo), onde esse sinal de referência pode ser de tensão ou de corrente em mili-ampères. Pela fonte de tensão ou corrente externas- essa configuração é uma das mais utilizadas quando se quer controlar a velocidade do inversor remotamente. O fornecimento de tensão de corrente é feito por um controlador externo, como um controlador lógico ou diretamente de um industrial. 4.3 MELHORIA NO CONTROLE DO PROCESSO POR MALHA FECHADA O controle do processo por malha fechada é utilizado em variadas aplicações industriais, pois oferece diversas melhorias no controle de processos. A função de malha fechada com regulador a PID (proporcional, integral e derivativo) é encontrado na grande maioria dos inversores de frequência. Esse tipo de controle trabalha, geralmente, através de um sinal elétrica chamado feedback, proveniente de um sensor (pressão, vazão, nível, temperatura, dosagem ou outras variáveis) também chamado de transdutor pois transforma proporcionalmente a variável em questão medida em um sinal de tensão na faixa 0 à 10Vcc ou de corrente de 0 à 20mA. Determina-se pelo sistema projetado (sistema de bombeamento, ventilação, exaustão, térmico) um valor desejado como referência chamado de Setpoint (mesma unidade de medida da variável do feedback) o qual o inversor irá controlar o sistema tentando sempre mantê-lo em torno desse valor ajustado, através da regulação da velocidade do motor aplicado.
  40. 40. 39 O controle é realizado através de cálculos que comparam o sinal de referência que chega com o valor do Setpoint ajustado, criando-se um erro E(s) entre os dois valores. O sinal de erro é processado pelo inversor fazendo variações de controle do motor, para tentar reduzir o erro. O processamento do sinal de erro pode ser muito complexo por causa de demoras dentro do sistema. O sinal de erro é processado por um controlador Proporcional e Integral (PI) cujos parâmetros do inversor de frequência podem ser ajustados para otimizar o desempenho e estabilidade do sistema. Uma vez que o sistema e ajustado consegue-se um controle muito eficiente e preciso. Na “regulação” de velocidade, um sinal de realimentação é fornecido do processo. Se a velocidade não corresponder à velocidade desejada, a frequência da tensão de saída do inversor para o motor é corrigida automática e instantaneamente junta com a velocidade do motor, até que o erro entre o feedback e o setpoint seja nulo. Figura 5 – Modelo esquemático do sistema aplicado. Fonte: Mesquita et all (2006). O controle do sistema nesta aplicação é feito através de um sinal de realimentação proveniente de um sensor de pressão na linha de recalque, que também poderia ser um sensor de vazão. Nessa figura o sensor, também chamado
  41. 41. 40 de transdutor, faz a medição da pressão do sistema convertendo em uma sinal de tensão ou de corrente elétrica que representa o feedback para o controlador do tipo PID pré-programado no inversor de frequência, para regular a velocidade de rotação do motor a fim de variar a vazão e consequentemente, a pressão do sistema de acordo com a necessidade do momento num sistema de bombeamento de água. Para Mesquita et all (2006, p. 4): É importante observar, durante a seleção de um inversor de frequência, para acionamento específico de bombas centrífugas, se o mesmo permite a operação com cargas chamadas de quadráticas (torque variando com o quadrado da rotação) e se esta operação é automática e otimizada, possibilitando uma redução ainda maior de energia. 4.4 MODO DE CONTROLE ESCALAR E VETORIAL Basicamente existem dois tipos de controle dos inversores eletrônicos: o escalar e o vetorial que têm como diferença básica a curva torque x rotação. O inversor escalar, por ter uma função de V/F (tensão/frequência), não oferece altos torques em baixas rotações, pois o torque é função direta da corrente de alimentação, portanto, na maioria das vezes são utilizados em sistemas sem realimentação de velocidade (malha aberta) com motores de indução convencionais. O Inversor Vetorial é empregado em aplicações que necessitam respostas rápidas e alta precisão de regulação (alto desempenho dinâmico), trabalham com uma forma de regulação que avalia os componentes internos do motor durante seu funcionamento, calculando a corrente necessária e fornecendo o conjugado requerido pela máquina. Conforme especificações do CENATEC as vantagens do inversor com controle vetorial são: -Elevada precisão de regulação de velocidade (0,01%), -Alta performance dinâmica, -Controle de conjugado linear para aplicações de posição ou de tração, -Operação suave em baixa velocidade e sem oscilações de conjugado, mesmo com variação de carga. (CENATEC, on line, 2011, p. 16).
  42. 42. 41 4.5 TORQUE E CONJUGADO QUADRÁTICO Tratando-se de motores elétricos, podemos definir o torque como “a força necessária para girar um eixo”. É dado pelo produto da força tangencial pela distância do centro do eixo até o ponto de aplicação desta força. De acordo com o PIRES (2006), o correto dimensionamento do sistema de velocidade variável depende do conhecimento do comportamento da carga, ou seja, da demanda de torque na ponta de eixo do motor. As cargas podem ser classificadas em três tipos: torque variável, torque constante e potência constante. A variação da velocidade por meio de acionamento eletrônico permite grandes economias de energia com o tipo de carga de torque variável, uma vez que a potência mecânica disponibilizada na saída do motor não será constante, mas irá variar convenientemente de acordo com a exigência da carga. Segundo Lacerda et all, (2006, p. 56) Todas as máquinas rotativas cuja função é aumentar a energia de um fluido (líquidos ou gases) por processos dinâmicos, a partir de uma fonte externa, geralmente um motor elétrico, essa família de máquinas tem como característica que o torque de carga apresenta crescimento quadrático com a rotação, por exemplo, caso seja duplicada a rotação da máquina com vistas a aumentar a vazão e/ou a pressão, será demandado um torque quatro vezes maior para tal. São aplicações industriais com torque quadrático ou variável como: bombas centrífugas, ventiladores, exaustores, agitadores centrífugos, centrífugas de açúcar. Podemos dizer que a carga de um sistema centrífugo possui características quadráticas, pois, a massa do fluido movimentada por esses sistemas têm relação direta com a velocidade da máquina (quanto maior a velocidade da máquina, maior o volume do fluido movimentado). O torque angular é dado por T J , J é o momento de inércia da carga que é diretamente proporcional a massa da carga que por sua vez é proporcional a velocidade da máquina e é a aceleração angular da máquina que é diretamente
  43. 43. 42 proporcional a velocidade da mesma, portanto na equação do torque temos as duas variáveis diretamente proporcionais a velocidade. De acordo com as especificações de Pires (2006), na seleção correta dos motores de indução, é necessário comparar as características mecânicas de um motor com outros de acordo com a aplicação desejada. Os motores de indução são divididos em categorias de acordo com seu conjugado desenvolvido durante a partida até atingir a velocidade nominal, que é expresso em curvas de conjugado x velocidade. A curva do conjugado motor deve situar-se sempre acima da curva do conjugado resistente, de modo geral, quanto mais alta a curva do conjugado do motor em relação ao conjugado resistente, melhor será o desempenho do motor. Para comparação utiliza-se um motor de categoria N, os quais constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-se ao acionamento de cargas normais, como bombas, máquinas operatrizes, ventiladores, que possuem característica de conjugado de partida normal, corrente de partida normal e baixo escorregamento. No gráfico do conjugado do motor de categoria N, demonstra que à medida que a carga vai aumentando, a rotação do motor vai caindo gradativamente, até um ponto em que o conjugado atinge o valor máximo que o motor é capaz de desenvolver em rotação normal. Se o conjugado da carga aumentar mais, a rotação do motor cai bruscamente, podendo chegar a travar o rotor, por isso é importante observar que o conjugado do motor tem que sempre ser maior do que o exigido pela carga a ser aplicada, chamado de conjugado resistente (Cr). O motor de indução tem conjugado igual a zero na velocidade síncrona, mas com carga, cria-se o escorregamento, que é a diferença entre a velocidade síncrona com a velocidade nominal, criando desta forma, um conjugado nominal. Neste exemplo para facilitar a visualização e comparação gráfica do conjugado do motor com o da carga, utiliza-se uma carga de conjugado constante, nas máquinas deste tipo, o conjugado permanece constante durante a variação da velocidade.
  44. 44. 43 Gráfico: 6 - Seleção de motor considerando o conjugado resistente da carga. Fonte: Especificação - Manual WEG Onde: Cmáx = conjugado máximo Cp = conjugado de partida Cr = conjugado resistente ns = rotação síncrono n = rotação nominal ns – n = escorregamento Durante o desenvolvimento do motor desde a partida até a chegada à velocidade nominal o motor passa por estágios de diferentes conjugados, como o conjugado de rotor bloqueado ou de partida, conjugado de aceleração o qual compreende os pontos de conjugado mínimo e máximo; e conjugado nominal que é necessário para mover a carga em condições de funcionamento à velocidade específica. O conjugado requerido para funcionamento normal de uma máquina pode ser constante ou varia entre amplos limites. Para conjugados variáveis, o conjugado máximo deve ser suficiente para suportar picos momentâneos de carga. Para diversos tipos de carga, temos a curva do conjugado resistente, os quais podem ser classificados como conjugado constante, variável ou quadrático. Como
  45. 45. 44 estamos tratando de sistemas de bombeamento com bombas centrífugas, é necessário o entendimento do conjugado quadrático. No caso de aplicações em que a carga possui um conjugado resistente quadrático, este é proporcional ao quadrado da velocidade e a potência consumida é proporcional ao cubo da velocidade de rotação do motor, isto acontece nos sistemas de bombeamento com bombas centrífugas, ventilação, exaustão, compressores, entre outros. Segundo Guia Técnico – Motores de indução alimentados por inversores de frequência PWM (www.weg.net): “O correto dimensionamento do sistema de velocidade variável depende do conhecimento do comportamento da carga, ou seja, da demanda de torque na ponta do eixo do motor”. Gráfico 7 – Curva do conjugado quadrático. Fonte: Especificação - Manual WEG C = Conjugado resistente: proporcional ao numero de rotações ao quadrado (n²) P = Potencia: proporcional ao numero de rotações ao cubo (n³) O conjugado pode ser calculado pela fórmula: C = 9,55 x Equação 1. – Fórmula para cálculo do conjugado. Fonte: WEG, especificação.
  46. 46. 45 Nessa igualdade, C é o momento ou conjugado em newton-metro; P é a potência em watts; n é a rotação em rpm. 4.6 VARIAÇÃO DE VELOCIDADE A variação de velocidade de motores de indução para controle da vazão em sistemas de bombeamento segue o princípio da modificação da frequência da tensão elétrica fornecida ao motor. Como mostra a equação abaixo, a frequência da tensão é diretamente proporcional à velocidade de rotação do motor. Como estamos tratando de motores assíncronos, é necessário levar em consideração o escorregamento, e o número de polos conforme construção interna do motor. n = . (1 – s) Equação 2 – Oenning (2011) Velocidade de rotação do motor Onde: n: Velocidade de rotação do motor p: Número de polos do motor f: Frequência da corrente elétrica s: Escorregamento do motor Como a velocidade de rotação do eixo do motor (velocidade angular do rotor em rad/s) é proporcional ao consumo de potência elétrica pelo motor, a frequência da tensão elétrica implica na variação da potência fornecida pelo motor à bomba. P = Equação 3 – Oenning (2011) Potência elétrica do motor. Onde: P: Potência elétrica do motor (watts)
  47. 47. 46 C: Conjugado motor (Kgf.m) ω: Velocidade angular do eixo (rad/s) η: Rendimento do motor 4.7 VARIAÇÃO DE VELOCIDADE DO CONJUNTO MOTOR-BOMBA Gráfico 8 – Diferentes pontos de operação para diferentes velocidades de rotação da bomba. Fonte: Rodrigues e Luvizotto. Observa-se no gráfico 8, que reduz-se a pressão (H) juntamente com a vazão (Q) em função da diminuição da velocidade de rotação, variando-se a curva característica da bomba. Para o caso do conjunto motor-bomba estar em velocidade nominal, teremos o ponto de operação P1, que é correspondente ao valor de altura manométrica H1 e vazão Q1, os quais são os valores máximos de trabalho compatíveis a esse sistema projetado e a bomba selecionada.
  48. 48. 47 Gráfico 9 - Sistema com variação de velocidade e gráfico de pressão por vazão do sistema com variação de velocidade com os respectivos rendimentos. Fonte: ROSA, Eficiência Energética WEG. Disponível em: http://www.weg.net Observa-se na Figura 5 que ao variar a velocidade progressivamente de acordo com a necessidade do sistema de bombeamento, desde uma velocidade n equivalente a 100% até outra velocidade n qualquer, teremos o deslocamento da curva da bomba criando outros pontos de intersecção com a curva do sistema, que neste caso é fixa, criando novos pontos de operação, que terão valores reduzidos de vazão e aumento da altura manométrica ou pressão, variação do rendimento do motor e redução no consumo de potência elétrica. No método de “variação de velocidade” é incorporado ao sistema um sensor de pressão ou de vazão que envia um sinal analógico ao inversor de frequência que aciona o conjunto motor-bomba. Ao utilizar este método, o usuário envia ao sistema somente a demanda requerida pelos consumidores, porém não é realizado nenhum trabalho adicional, nem inserido ao sistema uma perda de carga, o que realmente ocorre é uma variação de velocidade na bomba. Movimentando a curva da bomba
  49. 49. 48 para o ponto ideal de consumo do sistema, conforme a necessidade, não é variada a curva do sistema como ocorre em outros métodos de controle de vazão. Desta maneira, o sistema consome da rede elétrica exatamente a potência requisitada, evitando desperdícios no consumo de energia e reduzindo a potência elétrica consumida em torno de 20% a 50%. 4.7.1 Vantagens do uso de inversores Vantagens da utilização do Inversor de Frequência segundo Klas e Farina (2010): - Redução da demanda de corrente de pico. - Melhoria do fator de potência. - Otimização do desempenho do motor com baixas cargas. - Controle de eficiência de um inversor de frequência. Oenning (2011), relaciona mais algumas vantagens no uso do Inversor de Frequência: - Aumento na confiabilidade do sistema. - Redução no consumo de mão de obra. - Aumento do fator de potência da rede. - Redução dos níveis de vibração das bombas. - Diminuição do risco de vazamentos no selo das bombas. - Maior monitoramento das condições do motor. Para Barreto et all (2007), as vantagens na utilização do Inversor de Frequência são as seguintes: - Dispositivo de partida suave do motor => minimiza inconvenientes surtos de pressão. - Eliminação de picos de pressão na rede => redução nas perdas reais de água.
  50. 50. 49 - Variação de vazão sem geração de perda de carga. - Influência positiva na vida útil do motor. - Melhoria no fator de potência do equipamento. - Diminuição de ruído. Procedimentos recomendados para a implantação dos inversores: -Medições confiáveis de vazão nas linhas de recalque. -Medições dos parâmetros elétricos individualizados. -Medições da pressão na sucção e no recalque da(s) bomba(s) e na linha de recalque imediatamente a jusante do barrilete. -A perfeita caracterização dos desníveis geométricos. -Utilização de cálculos hidráulicos pertinentes e adequados ao caso. -Monitoramento dos indicadores de qualidade de energia. -Realização de análise econômico-financeira, incluindo avaliação de substituição de motor. (BARRETO, p. 7. 2007) Dicas para economia de energia em sistemas de bombeamento d’água segundo Regis (2010): Melhorar o rendimento da bomba: -Seleção adequada da bomba. -Verificação do ponto de funcionamento e ajuste para a faixa de maior rendimento. Melhorar o rendimento do motor: -Adequação do motor à carga da bomba. -Uso de motores de alto rendimento. Reduzir consumo pela variação da velocidade:
  51. 51. 50 -Uso de variadores de velocidade para acionamento de bombas que trabalham com variação de carga ao longo do dia. Fazer a associação adequada de bombas: - Associação em série, paralela ou individual, procurando otimizar o ponto de funcionamento do sistema. Eliminar os problemas de cavitação: -O NPSH disponível calculado deve ser suficientemente superior ao NPSH requerido pela bomba em todos os pontos de operação. Evitar a recirculação: -Uso de anéis de desgaste ou outros dispositivos de vedação com as folgas corretas. Promover a automação: -Uso de controladores programáveis, pressostatos, timers, chaves-boia, programas de gerenciamento da rede. Fazer a adequação do contrato de energia: -Contratação de energia com base no sistema tarifário mais adequado ao regime de funcionamento e porte da empresa. Reduzir o consumo próprio de água: -Uso racional da água. Além dos altos custos de investimentos iniciais na aquisição e instalação dos equipamentos, Oenning (2011) descreve algumas desvantagens no uso de Inversores de Frequência: - Introduz harmônicos no sistema, afetando a qualidade de energia da rede de alimentação, perda de rendimento do conjunto motor-bomba e interferências eletromagnéticas indesejáveis em outros equipamentos, assim, inversores de frequência que geram menores componentes harmônicas na rede (inversores com maior número de pulsos), são mais recomendados para minimizar a perda de potência no motor. Algumas soluções existentes têm obtido êxito no tratamento das harmônicas, como o uso de transformadores de isolação e filtros de tratamento de harmônicas.
  52. 52. 51 - Alguns casos para redes sensíveis à interferência eletromagnética é sugerido a instalação de filtros contra EMI (Electromagnetic Interference). - Se o motor é autoventilado, terá a sua capacidade de dispersão de calor reduzida a baixas velocidades, deste modo é importante prever um sistema de ventilação independente para o motor para sistemas que operem constantemente a baixas rotações. - Ressonância Mecânica- a frequência de chaveamento dos semicondutores dos inversores determina a periodicidade na qual o valor de corrente fornecido ao motor é alterado e, por conseguinte, o torque no motor. Alguns inversores permitem abruptas diferenças de corrente neste curto período, ocasionando uma considerável diferença de torque e, portanto, vibrações no motor. - Danos na isolação dos motores devido a picos de tensão - Devido à natureza pulsante da excitação elétrica fornecida pelo inversor, ocorre no motor um fenômeno indesejado: a reflexão das ondas de tensão. - Essa reflexão provoca sobreposição de ondas, ocasionando picos de tensão /corrente nas bobinas do motor. O excesso de tensão provocado pode danificar a isolação das bobinas devido ao aquecimento, principalmente em motores antigos, os quais não foram construtivamente preparados para serem operados por variador de velocidade, estando mais sensíveis a este tipo de dano. Em motores com alimentação maior que 500 V deve ser previsto um filtro dV/dt na saída do inversor para minimizar a sobreposição dessas ondas nos terminais do motor. - Desgaste do mancal de rolamento do motor - Motores comandados por variadores de velocidade precisam escoar correntes parasitas induzidas no rotor. Entretanto, o único caminho de escoamento para essas correntes é pelo mancal do rolamento, o qual não foi projetado para operar suportando continuamente este fluxo de corrente. Este fato implica em desgaste no mancal, ocasionando perda de torque no motor e um maior desgaste do mesmo, reduzindo a sua vida útil. Assim, motores operados com inversor de frequência devem possuir um mancal especial, revestido com proteção adequada para impedir o escoamento das correntes parasitas pelo rolamento.
  53. 53. 52 4.8 JUSTIFICATIVA PARA O USO DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA EM APLICAÇÕES COM TORQUE QUADRÁTICO A razão para investir na aquisição de inversores de frequência está relacionada à economia de energia quando utilizados principalmente em bombas centrífugas, ventiladores, exaustores centrífugos e compressores centrífugos. O controle de vazão, através da variação de velocidade de bombas centrífugas, possibilita uma grande economia de energia,[...] pois em sistemas de controle vazio/pressão utilizando inversores de frequência, a potência absorvida da rede é apenas a necessária à condição de operação do sistema. (CENATEC, 2011, p. 37). Motores de indução acoplados em bombas centrífugas seguem uma curva de torque x velocidade, onde reduções lineares de velocidade resultam em redução linear de fluxo (vazão), porém com redução quadrática de torque, temos como resultante uma redução de potência consumida, proporcional à redução da velocidade ao cubo, fundamentada nas equações matemáticas da Lei da afinidade ou proporcionalidade. Segundo Bachus (2003)
  54. 54. 53 Q1 = Vazão nominal Q2 = Vazão reduzida H1 = Pressão nominal H2 = Pressão reduzida P1 = Potência nominal P2 = Potência reduzida N1 = velocidade nominal N2 = velocidade reduzida Figura 6 - Curvas Lei da Proporcionalidade. Fonte: VLT 6000 HVAC Guia de Design Através das equações da lei da Afinidade é possível fazer relações comparativas de valores. Para obter um novo valor da variável a ser calculada, basta relacionar valores nominais, com os valores reais previamente medidos.
  55. 55. 54 Usando os dados do gráfico acima, os exemplos matemáticos a seguir demonstram numericamente os resultados da relação potencia x velocidade. Cálculo do consumo de potência ativa para velocidade de rotação em 80% de um conjunto motor-bomba (resultado em percentual): = ( ) P2 = P1 . ( ) P2 = 100 . ( ) P2 = 100 . 0,512 P2 = 51,2% → Novo consumo de potência em 80% da velocidade nominal. Exemplificando: Em um motor de 18,5KW; o novo consumo seria de 9,47 KW correspondente a 51,2% de sua potência nominal. Supondo um motor de 18,5KW de potência nominal e 3600 rpm de velocidade nominal; também é possível obter o novo consumo de potência elétrica reduzindo a velocidade do motor para 2880 rpm, equivalente ao mesmo caso anterior que corresponde à 80% da velocidade nominal. Em valores nas unidades do SI: P2 = P1 . ( ) P2 = 18,5 . ( ) P2 = 18,5 . 0,512 P2 = 9,47 KW → Novo consumo de potência em 80% da velocidade nominal, correspondente ao 51,2% de 18,5 KW.
  56. 56. 55 Em teoria, isto significa que a redução da vazão para 80% em um sistema de bombeamento poderia resultar em quase 50% de redução do consumo energético. Seguindo este raciocínio e conforme gráfico anterior, reduzindo-se a velocidade e fluxo em 50% podemos alcançar um consumo de somente 12.5% da potência nominal antes utilizada, isto é, uma economia de 87,5% de energia. Conclui-se que, diminuindo apenas 20% da velocidade de rotação do motor, podemos alcançar em média até 48,8 % de economia no consumo de energia, lembrando que como explicado anteriormente, essa relação matemática aplica-se apenas máquinas rotativas cuja função é aumentar a energia de um fluido (líquidos ou gases) por processos dinâmicos, a partir de uma fonte externa, geralmente um motor elétrico, essa família de máquinas tem como característica que o torque de carga apresenta crescimento quadrático com a rotação, por isso o consumo de potência elétrica reduz proporcionalmente com o cubo da redução da velocidade da rotação da máquina, como acontece em sistemas de bombeamento com bombas centrífugas.
  57. 57. 56 5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS 5.1 Descrição O experimento foi realizado em uma indústria de bebidas na cidade de Marília-SP, com autorização e acompanhamento do analista de sistemas responsável da empresa. Utilizou-se inicialmente um conjunto motor-bomba empregado no sistema de bombeamento de água para refrigeração das máquinas, pertencentes às linhas de produção de bebidas, controlado por um inversor de frequência e monitorado por um software dedicado chamado Motion Control Tool. 5.2 Local da realização O experimento foi realizado em uma indústria de bebidas localizada na cidade de Marília-SP. 5.3 Material Conjunto motor-bomba, sistema completo de bombeamento de água, inversor de frequência, software de monitoração “Motion Control Tool”. 5.4 Procedimento da coleta de dados A coleta dos dados deu-se pelo monitoramento constante da variação do consumo de potência elétrica pelo conjunto motor-bomba controlado por um inversor de frequência instalado e parametrizado em malha fechada de processo. A medição da pressão nas tubulações do sistema de bombeamento de água é realizada por um transdutor de pressão, o qual fornece um sinal de referência para o inversor para controle da velocidade do motor de acordo com as variações de pressão do sistema. Os dados coletados foram analisados, discutidos e relatados com demonstrativos em tabelas e gráficos.
  58. 58. 57 6 RESULTADO E DISCUSSÕES 6.1 DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA INDUSTRIAL Descrição de um monitoramento computacional prático, com medições de variáveis num sistema de bombeamento de água para refrigeração industrial. Dados técnicos do motor e configuração do inversor utilizado no sistema: Potência do motor: 18,5 KW (25 CV) Corrente Nominal do motor: 35,3 A (380 V) Velocidade de rotação nominal: 3600 rpm (60 Hz) Figura 7 – Plaqueta com os dados do motor. Fonte: Próprio autor. Referência Mínima e Máxima da Pressão do sistema: 0 à 10 bar Setpoint: 5 bar
  59. 59. 58 Performance do PID: Normal Modo de configuração: Malha Fechada (Closed Loop) Tipo de controle: Controle Vetorial Fonte do Feedback ou Referência: Entrada Analógica 53 (4 – 20 mA) O funcionamento correto desse sistema dar-se á pelo monitoramento da constante medição de pressão nas tubulações onde passará o fluído a ser transportado, nesse caso a água refrigerada, através de um sinal analógico em mili- ampères (mA). Com a performance “normal” de processo, ou seja, quando as linhas de produção estão trabalhando a todo vapor, aumenta-se o fornecimento de água, aumentando-se desta forma a vazão, a fim de suprir a queda de pressão do sistema, onde, por um certo tempo teremos um valor mais baixo de pressão medido pelo transdutor fixado nas tubulações de água. Para esse caso a pressão estará próxima à de referência mínima (0 bar), abaixo do Setpoint ajustado, o transdutor fará a leitura da pressão convertendo em corrente elétrica (Feedback/Referência) e fornecendo um valor próximo (sempre maior) de 4mA à entrada analógica do Inversor de Frequência, o qual irá interpretando o sinal (cálculos matemáticos) e fornecendo um aumento gradativo (rampa de subida) da tensão e frequência de saída para o aumento da velocidade do motor responsável pelo bombeamento de água (conjunto motor-bomba), este por sua vez consumindo uma corrente elétrica maior (aumento gradativo, obedecendo o tempo ajustado da rampa de subida) juntamente com o seu torque (torque quadrático) e aumento da potência elétrica consumida que tem relação cúbica com o aumento da velocidade do conjunto motor-bomba. Utilizando o PID teremos uma resposta mais rápida para chegarmos ao Setpoint ajustado nos parâmetros de controle do inversor de frequência, que corresponde ao valor de referência desejado, nesse caso, o valor da pressão ideal a se manter no sistema de fornecimento da água. No caso em que algumas linhas de produção param o processo, diminuindo a demanda d’água, o que ocasiona uma elevação da pressão do sistema. O transdutor de pressão é responsável pelo fornecimento de um sinal analógico ao inversor de frequência, o qual diminuirá instantaneamente a velocidade do motor, a fim de controlar a pressão do sistema. O Inversor de Frequência irá diminuir gradativamente o valor de tensão e frequência de saída, o motor por sua vez irá
  60. 60. 59 consumir apenas uma potência e torque requeridos para executar o trabalho naquele instante, sem desperdícios, economizando drasticamente no consumo de energia elétrica, proporcional ao cubo da relação de redução da velocidade. 6.2 DISCUSSÃO E RESULTADOS DAS OBSERVAÇÕES DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA INDUSTRIAL 6.2.1 Monitoramento e medidas de variáveis do sistema Figura 8 – Valores medidos das variáveis no momento da partida do conjunto motor- bomba. Fonte: Próprio autor Medidas instantâneas durante a partida do conjunto motor-bomba: Potência consumida: 0,42 KW Corrente: 20,9 A Torque de partida:27,27 N.m Observa-se na figura 6 pelo analisador de espectro virtual, chamado como “Scope Folder” integrado no software dedicado Motion Control Tool, que na partida do conjunto motor-bomba há um pico de corrente elétrica e torque, que mesmo com
  61. 61. 60 o sistema carregado, não chegam próximos aos valores nominais, se comparados com outros tipos de partidas convencionais teremos diversas vantagens, tais como: - Evitar sobre corrente (que chegam até a oito vezes o valor da corrente nominal do motor no caso de partida direta) e sobrecarga durante as partidas, podendo causar enormes danos à rede de alimentação, interferindo em outros equipamentos interligados à rede elétrica com necessidade de sobre dimensionamento dos condutores e dispositivos de proteção; Relacionado à esse assunto Makarovsky diz que partida suave com inversor de frequência causa “alívio da rede elétrica, pois os acionamentos com velocidades variáveis partem com corrente e conjugado nominais, enquanto que os acionamentos com motores CA ligados diretamente à rede, partem com correntes da ordem de 5 a 6 vezes a nominal (p. 12. 2010) - Menos repetições de partidas e paradas do conjunto motor-bomba, diminuindo os desgastes mecânicos desse conjunto e ainda, economizando energia; -Torque e conjugado de partida reduzidos, além da função soft-starter que suaviza a velocidade de aceleração do motor e de desaceleração evitando os famosos “Golpes de Aríete” que danificam todo o sistema de tubulação e aumentam a frequência de manutenções periódicas num sistema de bombeamento d’água. Figura 9 – Conjunto motor-bomba em velocidade nominal em plena carga. Fonte: Próprio autor
  62. 62. 61 Quando o conjunto motor-bomba chega à velocidade nominal, como mostra a figura 9, o sistema começa a ser reabastecido com a vazão máxima requerida no momento, consumindo potência e corrente elétrica próximas à nominal do motor em plena carga. Valores medidos em velocidade nominal do conjunto motor-bomba: Potência consumida: 16,35 KW Velocidade do motor: 3600rpm Frequência disponibilizada pelo inversor: 60Hz Corrente: 28,47 A Torque: 39,46 N.m Obs: A diferença entre o valor medido com a potência nominal do motor é causada por uma função especial do inversor utilizado que, otimiza automaticamente a energia e maximiza a eficiência do motor independente da frequência de trabalho. A otimização automática de energia é benéfica à indústria, pois diminui o consumo de energia pelo motor. Essa função é um algoritmo avançado para controle do motor que otimiza automaticamente a relação tensão x frequência, de acordo com as variações de carga, nesse caso gerando uma economia inicial de 11% no consumo de energia em plena carga. Segundo Mori (2006) “O resultado é um efeito de partida otimizada sobre o motor, com rampas suaves, precisas e controladas, o que aumentará sua vida útil. Depois que o motor atinge a velocidade de referência, o inversor detecta a situação da carga e, dinamicamente reduz a tensão sobre o motor para maximizar sua eficiência.” O mesmo autor fala que um grande benefício da função é “certamente, obtido em sistemas com cargas de torque variável (bombas e ventiladores). Nestes sistemas, com a diminuição da velocidade do motor, ocorre uma diminuição drástica da carga sobre a mesma”. (p. 15. 2006).
  63. 63. 62 Figura 10 - Conjunto motor-bomba à 50% da velocidade nominal. Fonte: Próprio autor Potência consumida medida: 2,11 KW Velocidade de rotação do motor: 1800rpm Frequência da tensão disponibilizada pelo inversor: 30Hz Corrente elétrica consumida: 7,68 A Torque: 5,61 N.m O inversor realiza cálculos com base ao valor do sinal de feedback recebido, verificando que o sistema já foi adequadamente abastecido com água. Como mostra os valores medidos da figura 8, nesse momento o inversor reduz a velocidade do motor controlando a vazão para 50% da nominal, diminuindo a potência consumida drasticamente para 12,5% da nominal. Além dos valores práticos medidos também é comprovada a economia de energia pelas equações da Lei da Proporcionalidade, como descrita abaixo: P2 = P1 . ( ) P2 = 18,5 . ( ) P2 = 18,5 . 0,125
  64. 64. 63 P2 = 2,31 KW → Potência consumida em 50% da velocidade nominal correspondente a 12,5% da potência nominal. Comparando os resultados práticos medidos com os teóricos calculados, comprova-se a veracidade das relações matemáticas descritas pela Lei da Proporcionalidade. Após a análise dos resultados constatou-se uma economia de 87,5% no consumo de potência elétrica, nesse caso específico 16,19 KW economizados, os quais renderão uma imensa economia nos gastos de energia elétrica proporcional ao tempo de operação da máquina nessa velocidade e vazão. Figura 11 – Comportamento conjunto motor-bomba a 83% da velocidade nominal. Fonte: Próprio autor Potência consumida medida: 9,37 KW Velocidade de rotação do motor: 3000rpm Frequência da tensão disponibilizada pelo inversor: 50Hz Corrente elétrica consumida: 13,39 A Torque: 14,49 N.m Durante um certo período, houve um aumento de consumo de água pelo sistema e uma consequente queda instantânea de pressão nas tubulações, que
  65. 65. 64 através do sinal do transdutor de pressão/corrente enviado ao inversor de frequência, modulará e aumentará a sua frequência de saída, aumentando a velocidade de rotação do motor e de vazão da água, recompensando a queda de pressão no sistema de bombeamento. Novamente poderemos comparar os valores práticos medidos com os teóricos calculados através da Lei da Proporcionalidade descrita abaixo: =( ) P2 = P1 . ( ) P2 = 100 . ( ) P2 = 100 . 0,5786 P2 = 57,86% de P1 → Redução do consumo de potência, economia de mais de 42%, aproximadamente 10,70 KW. Observa-se que com o conjunto motor-bomba funcionando com apenas 17% da velocidade abaixo da nominal, é possível alcançar uma economia de aproximadamente 42% do consumo de energia elétrica, mas na prática houve uma pequena diferença, tendo uma maior economia de energia devido à função especial Otimização Automática de Energia do inversor de frequência aplicado.
  66. 66. 65 Figura 12 – Conjunto motor-bomba em 25% da velocidade nominal. Fonte: Próprio autor Potência consumida medida: 230 W Velocidade de rotação do motor: 900 rpm Frequência da tensão disponibilizada pelo inversor: 15Hz Corrente elétrica consumida: 4,30 A Torque: 2,10 N.m Observa-se na figura 10 que, houve uma diminuição no consumo de água pelo sistema de refrigeração e consequente aumento instantânea da pressão nas tubulações, pois houve um decréscimo na frequência e velocidade de rotação do motor. Através do sinal de feedback, o inversor determina a melhor velocidade de rotação do motor, visando aumentar a vazão de água recompensando o aumento da pressão do sistema afim de regulá-lo próximo ao setpoint. Como nos casos anteriores, a redução da potência consumida é proporcional ao cubo da redução da velocidade, conforme a equação da Lei da Proporcionalidade desenvolvida abaixo de acordo para este caso:
  67. 67. 66 Haverá um relação cúbica no consumo de potência elétrica e a variação de velocidade; nesse momento o motor é submetido a uma frequência de 15 Hz correspondendo a uma velocidade de 900 rpm, diminuindo a vazão d’água para 25% da máxima, utilizada para desenvolvimento da equação a seguir com base a 100%. = ( ) P2 = P1 . ( ) P2 = 100 . ( ) P2 = 100 . 0,0156 P2 = 1,56% de P1 → Potência consumida em 25% da velocidade nominal correspondente à 0,28 KW. Observou-se assim, uma economia de energia de aproximadamente 98%, tendo um consumo pouco significativo de energia elétrica nesse momento, que somente é possível com o uso de inversor de frequência interligado no modo de malha fechada, ou seja, estar a todo o momento corrigindo a velocidade de bombeamento, vazão d’água e pressão do sistema, através de um sinal externo, neste caso, proveniente de um transdutor de pressão. Vazão requerida (%) Frequência de saída do inversor (Hz) Potência consumida (%) Potência consumida (KW) Economia de Energia (%) 100 60 89 16,35 11 83 50 58 9,37 42 50 30 12,5 2,11 87,5 25 15 1,52 0,23 98 Tabela 3 – Potência consumida e economia de energia de acordo com os valores monitorados do sistema de bombeamento proposto. Fonte: Próprio autor
  68. 68. 67 A tabela 3 mostra os valores de potência consumida, vazão requerida momentânea pelo sistema, frequência da tensão de alimentação do motor e economia no consumo de potência elétrica. Todas as variáveis medidas têm como base valores nominais 100% na relação de potência e velocidade reduzidas. Interpretando os valores descritos na tabela acima, observa-se que a redução do consumo de potência elétrica pelo conjunto motor-bomba é proporcional à redução da velocidade ao cubo, onde reduzindo a vazão para 83% da nominal é possível economizar aproximadamente 49% no consumo de energia elétrica, mostrando o eficiente potencial de economia em sistemas de bombeamento com bombas centrífugas. Gráfico 10 - Curva torque quadrático obtida dos valores medidos. Fonte: Próprio autor Observa-se a construção de uma curva de torque, onde reduções lineares de velocidade resultam em reduções quadráticas de torque, assim a curva descreve um formato parabólico.
  69. 69. 68 Com os valores práticos reais obtidos do sistema de bombeamento d’água industrial, conforme análise da tabela acima construiu-se o gráfico “Potência (KW) x Frequência (Hz)”, onde é possível comprovar a veracidade das equações matemáticas da lei da Proporcionalidade. Gráfico 11 - Curva consumo de potência para as diversas velocidades de rotação obtidas no período monitorado. Fonte: Próprio autor O gráfico 11 foi construído através dos valores medidos da variação de potência elétrica consumida durante o período de monitoração da variação da vazão no sistema analisado; demonstrando a curva potência x velocidade, a qual descreve a relação cúbica existente entre a potência elétrica e a velocidade de rotação de um motor designado a um sistema de bombeamento com bombas centrífugas.
  70. 70. 69 Figura 13 – Conjunto motor-bomba do sistema de bombeamento para refrigeração das linhas. Fonte: Próprio autor
  71. 71. 70 Figura 14 – Visão frontal do conjunto motor-bomba. Fonte: Próprio autor
  72. 72. 71 6.3 EXEMPLO COM VARIAÇÃO DE VAZÃO DURANTE UM ANO O exemplo a seguir, compara o consumo de potência elétrica ativa de um suposto sistema de bombeamento utilizando dois métodos de controle de vazão, um com velocidade fixa usando válvulas de estrangulamento e o outro método com velocidade variável utilizando inversor de frequência, visando comparar o melhor método para se obter uma maior economia no consumo de energia elétrica. O exemplo é calculado com base nas características obtidas a partir das especificações de uma bomba de 45kW, comprovando que o resultado final em porcentagem no consumo e economia de potência elétrica ativa utilizando-se o método de variação da velocidade com inversores de frequência, é sempre análogo a outros sistemas de bombeamento com bombas centrífugas, indiferentemente do valor da potência nominal do motor e da bomba centrífuga, como observa-se comparando este exemplo com a experiência realizada citada anteriormente nesta pesquisa. Através dos valores obtidos do exemplo, o autor compara graficamente as variáveis hidráulicas demonstrando variações de pressão em relação às reduções de vazão. Na segunda parte do gráfico está o principal assunto, ou seja, a comparação entre o consumo de potência elétrica entre o método de controle de vazão com velocidade fixa utilizando válvula de estrangulamento com o método de variação de velocidade com inversor de frequência, mostrando assim qual o método que possui maior eficiência energética na aplicação analisada.
  73. 73. 72 Gráfico 12 – Curvas consumo de potência pelos métodos de controle de vazão. Fonte: Guia de design VLT6000 HVAC. Observa-se no gráfico 12, que a curva A1-C1 corresponde a potência consumida obtida através da variação da velocidade, a qual modifica a curva característica da bomba, é nítido o menor consumo de potência em relação ao método de estrangulamento, que modifica a curva característica do sistema obtendo
  74. 74. 73 a curva A1-B1 que corresponde ao consumo de potência utilizando válvulas de estrangulamento. O resultado obtido é uma economia superior a 50% do consumo de energia elétrica, referente à demanda e variação da vazão de água pelo sistema de bombeamento específico aplicado. O exemplo foi calculado para a vazão durante um ano, correspondendo a 8.760 horas de operação. O tempo de retorno do investimento para um projeto utilizando a variação de velocidade é normalmente de um ano que depende do preço médio da tarifa de fornecimento de energia elétrica e do preço do inversor de frequência e outros fatores relacionados. Tabela 4 - Consumo total de energia elétrica dos métodos de controle de vazão de acordo com a distribuição de vazão durante um ano. Fonte: Guia de design VLT6000 HVAC Observa-se na tabela 4 uma economia de aproximadamente 55% no consumo de energia elétrica anual na utilização do controle de vazão do sistema de bombeamento analisado por inversor de frequência em comparação ao método de estrangulamento por válvula. Conforme citado anteriormente, a diferença no consumo de energia por regulação de válvulas e por controle do inversor de frequência gera a quantidade de energia elétrica economizada durante um ano de operação de um conjunto motor- bomba num sistema de bombeamento, para efeito de exemplo utilizando-se um motor de 45KW ou 60 CV, pode ser verificada no gráfico a seguir:
  75. 75. 74 Gráfico 13 – Gráficos do consumo de potência elétrica pelos dois métodos de controle de vazão do sistema de bombeamento proposto. Fonte: Próprio autor As curvas azul e vermelha foram obtidas a partir dos dados levantados da tabela do exemplo calculado com os métodos de controle de vazão por válvula de estrangulamento e por inversor de frequência, onde a área entre elas representa a economia no consumo de potência elétrica no sistema de bombeamento analisado, podendo assim comparar a eficiência energética de cada método de controle de vazão. Concluindo-se que a veracidade da Lei da Proporcionalidade, que envolve cálculos matemáticos utilizando as variáveis necessárias para comparação, pode ser verificada por exemplos calculados ou experimentos em sistemas de bombeamento industriais com bombas centrífugas, monitorando ou medindo a variação da potência consumida pelo conjunto motor-bomba e demonstrando-os em gráficos correspondentes a estes, os quais são análogos ao da Lei da Proporcionalidade indicado anteriormente neste trabalho.
  76. 76. 75 CONSIDERAÇÕES FINAIS Conforme análise realizada acerca da Eficientização Energética em Métodos de Controle de Vazão, após constatar-se que o crescimento do setor industrial ocasionou nos últimos anos um aumento significativo no consumo de energia elétrica, ocasionado principalmente pela força motriz dentro da indústria, propôs-se este experimento com proposta de demonstrar o potencial de economia de energia elétrica existente principalmente em aplicações que possuem o torque com crescimento quadrático, como ocorre em sistemas de bombeamento com bombas centrífugas quando se utiliza variadores de velocidade como método de controle vazão. Através do mesmo constatou-se que na partida do conjunto motor-bomba controlado por um inversor de frequência não há picos de corrente e de torque na partida do conjunto motor-bomba em consequência da função soft starter (rampa de partida e parda suave), que mesmo com o sistema em plena carga, os valores medidos apresentados são inferiores aos nominais. Observou-se ainda, que quando o conjunto motor-bomba chega à velocidade nominal, iniciando o reabastecimento de água com a vazão máxima, espreita-se uma economia no consumo de energia devido a função de otimização automática de energia do inversor de frequência, maximizando a eficiência do motor independente da frequência de operação. Constatou-se também que o inversor, adequadamente configurado no modo automático em malha fechada de processo, realiza cálculos com base do sinal analógico chamado de “feedback”, referente ao valor da pressão medido pelo transdutor, verificando as condições de abastecimento de água do sistema. Durante certo período, houve um aumento no consumo de água pelo sistema e uma consequente queda instantânea de pressão nas tubulações, fazendo com que o inversor de frequência aumente a frequência da tensão de saída, aumentando a velocidade de rotação do motor e vazão d’água, recompensando a queda de pressão do sistema. Em outro momento, foi monitorada uma redução da velocidade de rotação do motor, indicando um decréscimo da vazão d’água requerida pelo sistema,
  77. 77. 76 consequentemente diminuindo a potência consumida proporcionalmente ao cubo da redução da velocidade. Conclui-se, portanto, conforme apresentado neste estudo, a implantação de variadores de velocidade no acionamento e controle de bombas centrífugas apresenta significativo aumento da eficiência energética, gerando valores superiores a 50% de economia no consumo de energia elétrica de acordo com a demanda média do consumo de água pelo sistema durante o período de operação analisado, pois o consumo de potência reduz a ordem do cubo da razão entre as velocidades, quando trabalha com vazões menores que a nominal do sistema de bombeamento, justificando o investimento na implantação desses equipamentos, que além de favorecerem a economia de energia, disponibilizam diversas vantagens e melhorias quando comparados a outros métodos de controle de vazão que operam o conjunto motor-bomba em velocidade nominal, desperdiçando energia elétrica consumida.

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