O USO DA ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO NA REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA EM UM SISTE-

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1 O USO DA ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO NA REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA EM UM SISTE- MA DE IRRIGAÇÃO POR PIVÔ CENTRAL PAULO HENRIQUE C. PEREIRA 1, ALBERTO COLOMBO 2, GIOVANNI FRANCISCO RABELO Departameto de Mecatrôica, CEFET/MG Campus Vargiha Av. Imigrates, Bairro da Vargem Vargiha/MG CEP: Departameto de Egeharia, Uiversidade Federal de Lavras Campus Uiversitário Lavras/MG CEP: s: Abstract This work describes the possibility of the use of Programmable Logic Cotroller (PLC) i set with Variable Drive Frequecy (VDF), i systems of irrigatio for cetral pivot, with the objective to icrease the use of the efficiecy of the electric eergy, usig ets Modbus-RTU, Zigbee ad Compobus, for commuicatio betwee the equipmet. The icrease of the cosumptio of the electric eergy i the agricultural way this directly associated with the techological developmet of agriculture is kow that. Therefore the moder job techiques that optimize the ratioal use of the electric eergy is basic i all the fields. The experimet was coducted o the campus of the Federal Uiversity of Lavras - UFLA withi the Ph.D. program i Agricultural Egieerig, resultig i a 19% reductio i power cosumptio of the system. Keywords Cotrolled Irrigatio, Efficiecy Power, Irrigatio System, Itelliget Automatio. Resumo Este trabalho descreve a possibilidade do uso de Cotrolador Lógico Programável (CLP) em cojuto com um iversor de frequêcia, em sistemas de irrigação por pivô cetral, com o objetivo de aumetar o uso da eficiêcia da eergia elétrica, utilizado redes Modbus-RTU, ZigBee e CompoBus, para comuicação etre os equipametos. O aumeto do cosumo de eergia elétrica o meio rural esta diretamete associada com o desevolvimeto tecológico da agricultura. Portato, as técicas moderas de trabalho que otimizam o uso racioal da eergia elétrica é fudametal em todos os campos. O experimeto foi coduzido o campus da Uiversidade Federal de Lavras - UFLA detro do programa de doutorado em Egeharia Agrícola, resultado em uma redução de 19% o cosumo de eergia elétrica do sistema. Palavras-chave Irrigação Cotrolada, Eficiêcia Eergética, Sistema de Irrigação, Automação Iteligete. 1 Itrodução O aumeto do cosumo da eergia elétrica o meio rural esta diretamete associada com o desevolvimeto tecológico da agricultura. Como a oferta de eergia elétrica é limitada, tora-se ecessário icetivar o uso mais eficiete da eergia elétrica o meio rural. No meio rural, os sistemas de irrigação do tipo pivô cetral são resposáveis por grade parte do cosumo de eergia elétrica. A eergia cosumida estes sistemas é em sua quase exclusivamete dirigida para o acioameto do cojuto moto-bomba. Uma utilização mais racioal da eergia cosumida pelos cojutos moto bombas pode ser obtida através da adoção de práticas adequadas de projeto e maejo destes sistemas de irrigação. A viabilidade ecoômica do uso de iversores de frequêcia em sistemas de irrigação do tipo pivô cetral foi demostrada em diversos estudos. No etato, apesar da ecessidade de aumetar a eficiêcia do uso da eergia elétrica dispoível e das vatages comparativas de algumas áreas irrigadas do Brasil, o icremeto esperado a utilização destes equipametos em sistemas de irrigação do tipo pivô cetral ão tem sido observado. Nos sistemas de irrigação, por pivô cetral, o uso de iversores de frequêcia deve ser icetivado porque as uidades de bombeameto destes sistemas são geralmete dimesioas para ateder a máxima demada de potêcia. Desta forma, estes sistemas apresetam codições poteciais para se obter uma redução substacial o cosumo de eergia elétrica através do uso de iversores de frequêcia. No mometo, três fatores cotribuem para a cotiuidade deste quadro de estagação o uso de iversores de frequêcia em sistemas de irrigação: (i) as estratégias para cotrole dos iversores os pivôs cetrais aida são um desafio para os profissioais da automação que atuam a área agrícola, (ii) existem discrepâcias etre valores esperados e valores realizados (observados) de redução o cosumo de eergia elétrica; e, (iii) são raras as oportuidades de se observar equipametos de irrigação do tipo pivô cetral operado com iversores de frequêcia. Este trabalho teve como objetivo promover, através da istalação de um iversor de frequêcia e um cotrolador lógico programável (CLP), o pivô cetral existete o Campus da UFLA, ações que cotribuam para elimiação destes três fatores restritivos, através da comuicação etre o iversor de frequêcia, o CLP e os sesores de umidade de solo,

2 com a utilização de uma rede de comuicação idustrial do tipo Modbus, RS485 e Zigbee. Para tal, foram utilizados os cabos já existetes para cotrole de eergização do cojuto motobomba, utilizado pelo pressostato do pivô cetral. Todos os parâmetros do iversor de frequêcia serão forecidos pelo CLP ao logo da topografia do terreo ode o pivô cetral está istalado, etre outros. sesores de pressão, uidades remotas de comuicação e um iversor de frequêcia, todos istalados o pivô cetral existete o Campus da UFLA (Figura. 1), modelo Valley VSN/2-94, visado implatar a estrutura míima ecessária para execução de trabalhos de pesquisa voltados ao desevolvimeto de ovas técicas e equipametos, que cotribuíam para a dissemiação do uso de sistemas automáticos de irrigação, com o objetivo de redução do cosumo de eergia elétrica (Figura. 2 e 3). 2 Metodologia Para execução deste trabalho, primeiramete, foi ecessário realizar um mapeameto da área irrigada quato à umidade e declividade, o que demadou a istalação de sesores e trasdutores de umidade em toda a área. Um dos fatores limitates da relação iversor de frequêcia e sesores é o limite de sesores a serem utilizados, por isso resolveu-se adotar a utilização de um Cotrolador Lógico Programável (CLP), marca Orom, modelo CPIH-X40DT1-D, como sedo a uidade cetral de processameto de dados, ou seja, os siais dos sesores são direcioados e aalisados pelo cotrolador lógico programável e este evia um sial para o iversor de frequêcia, da marca Omro, modelo 3G3RX-A2150, para ajustar a rotação do motor da bomba d água, tudo em fução da declividade e da umidade do solo. No trabalho, os sesores de umidade relativa do solo foram acoplados a microcotroladores com tecologia Zigbee, Digi XBee-PRO ZB (S2B), que eviam as iformações a uma cetral, o cotrolador lógico programável, que aalisava os dados, iiciado ou ão o processo de irrigação por pivô cetral, coforme a aálise dos dados. Para determiação de posicioameto da liha lateral do pivô cetral foi istalado um ecoder absoluto, da marca Omro, modelo E6C3-AG5B, o poto do pivô (torre cetral), ode o sial também era eviado para mesma cetral de processameto de dados dos sesores de umidade (o cotrolador lógico programável). Ao logo da liha lateral móvel, istalou-se 4 sesores de pressão, da marca HBM, modelo P15RVA1/10B, porém utilizado uma comuicação por fios o padrão CompoBus, da Omro, utilizado-se somete 3 fios, tato para alimetação elétrica como siais de comuicação, iterligados a uidades remotas de comuicação, da Omro, modelo SRT2- AD04, para geração de potos de edereços distitos para cada um dos sesores de pressão. Os sesores de pressão, istalados ao logo da liha lateral do pivô cetral, eram os resposáveis pelo moitorameto da pressão de água, que também eviavam os siais para a cetral, a fim de se garatir a pressão míima do sistema, de forma a ão se afetar a lâmia de água aplicada a cultura irrigada. Portato, o sistema de irrigação foi dotado de um cotrolador lógico programável, um ecoder absoluto, um cojuto de sesores de umidade, um outro de Figura 1. Visão aérea do Pivô Cetral existete o Campus da UFLA, Figura 2. Esboço do sistema de cotrole (posição x pressão x frequêcia), com seus compoetes e tipos de redes de comuicação evolvidas.

3 Q = vazão bombeada (m3/s); = diâmetro do rotor (m); = velocidade agular do rotor (rad/s); H = altura maométrica adimesioal; HMT= altura maométrica total (m). Azevedo (2003) utilizou poliômios de terceiro grau e a adimesioalização recomeda por Alcâtara (1998) para represetar as curvas de altura maométrica total e redimeto através das seguites expressões: HMT 2 Q Q a b c 2 2 H H 3 H 3 Nr 3 g Q d H 3 (3) Figura 3. Visão geral do sistema de cotrole automatizado adotado que permitiu o cotrole da frequêcia do cojuto moto-bomba 2.1 Fudametação Teórica para o Cálculo Em sistema de irrigação do tipo pivô cetral, a movimetação da lateral provoca variação a elevação topográfica da mesma, resultado em diferetes requisitos de altura maométrica. A ausêcia de variação a demada do valor de vazão requerida é obtida através do uso de válvulas reguladoras de pressão em cada emissor. Estas válvulas evitam que as variações a elevação topográfica da liha lateral afetem a uiformidade de aplicação de água. Segudo Campaa (2000), a demada de potêcia para acioameto da uidade de bombeameto será meor quado o pivô estiver irrigado a faixa de meor requisito de altura maométrica e a demada de potêcia será máxima quado o pivô estiver irrigado a posição correspodete à maior altura maométrica. Alcâtara (1998), acoselha que as modificações as curvas características das bombas cetrifugas (vazão versus altura maométrica e vazão versus redimeto) resultates de alterações os valores de diâmetro e/ou de velocidade de rotação do rotor sejam modeladas através da adimesioalização dos valores de vazão e altura maométrica: Nr = úmero de rotores da bomba cosiderada; a H, b H, c H, d H = coeficietes de ajuste da curva característica da bomba. Q Q b a b c Q d 3 2 (4) η b = redimeto hidráulico da bomba (0 ηb 1); a η, b η, c η, d η = coeficietes de ajuste da equação de redimeto da bomba. Segudo Carvalho & Oliveira (2008), a potêcia requerida o eixo de acioameto de uma bomba é calculada com base a seguite expressão: Pot eixo Q HMT Pot eixo = potêcia o eixo da bomba (Watt); γ = peso específico da água (N/m 3 ). b (5) O torque, ou cojugado, requerido o eixo de acioameto da bomba é calculado com base a potêcia e a velocidade agular do eixo: Q Q 3 (1) Pot eixo (6) g HMT H 2 2 Q = vazão bombeada adimesioal; (2) = torque, ou cojugado, requerido o eixo de acioameto da bomba (N.m).

4 A relação etre a velocidade de rotação do eixo de um motor e a sua velocidade agular é dada por: O comportameto da curva cojugado versus rotação de um motor elétrico assícroo que possui sua alimetação através de um iversor de frequêcia apreseta algumas difereças em relação ao comportameto de um motor com alimetação direta da rede. Nas diferetes frequêcias forecidas pelo iversor, a difereça, em RPM, etre a rotação com torque omial e a rotação com torque ulo (rotação sícroa) é sempre igual, a Figura 4 ilustra este pricípio. 2 (7) 60 = velocidade agular do rotor (rad/s); = velocidade de rotação do motor (rpm). Quado os valores omiais de frequêcia e tesão da rede elétrica de alimetação de um motor assícroo são atedidos, a liearização da curva cojugado versos rotação do motor permite estimar com precisão o cojugado em fução do valor da velocidade de rotação do motor [15]. Esta liearização pode ser represetada pela seguite expressão: s s (8) = cojugado o eixo do motor operado com rotação (N.m); = cojugado omial do motor (N.m); s = velocidade sícroa de rotação do motor (rpm); = velocidade omial de rotação do motor (rpm). Figura 4. Curvas do cojugado versus rotação de um motor elétrico operado com diferetes frequêcias da rede elétrica (30,60, e 90 Hz), mostrado uma difereça costate de 50 rpm etre a rotação com torque ulo e a rotação com toque omial (adaptado de WEG, 2009). Em decorrêcia da difereça costate etre a rotação sícroa e a rotação sob torque omial, que ocorre os motores assícroos cotrolados por iversores de frequêcia, pode-se estabelecer, para as diferetes frequêcias de alimetação, a seguite relação etre torque omial e torque de trabalho: A velocidade sícroa de um motor elétrico é dada por: s s f f f f (11) S 120 f (9) p f = frequêcia de alimetação do motor (Hz); p = úmero de pólos do motor. Nos motores assícroos, a difereça etre a velocidade de trabalho e a velocidade sícroa é chamada de escorregameto, sedo ormalmete expressa em porcetagem: S S % 100 (10) S S (%) = escorregameto (%). τ= torque, ou cojugado omial do motor (N.m); ( s ) f = Rotação sícroa com a frequêcia omial de alimetação (rpm); ( ) f = Rotação omial com a frequêcia omial de alimetação (rpm); ( s ) f = Rotação sícroa com a frequêcia f de alimetação (rpm); () f = Rotação sob o cojugado τ coma a frequêcia f de alimetação (rpm) 2.2 Procedimeto para o Calculo da Frequêcia Para a determiação teórica das frequêcias de alimetação do cojuto moto-bomba para cada posição da lateral móvel do pivô, sedo a vazão costate (Q o =21 m 3.h -1 ), calcula-se o comprimeto equivalete da lateral (L eq ). Determia-se a taxa da perda de carga a distâcia r do poto do pivô. Determia-se a distâcia do poto do pivô até o poto de meor carga de pressão (r ). A partir de r, determia-se a altura maométrica total para cada posição da lateral, assim é possível

5 determiar a altura maométrica o poto do pivô (Hpp ) e em seguida determiar a altura maométrica total (HMT ). Com os valores de vazão e altura maométrica já admesioalizados, determia-se através da equação 3, a rotação agular () da bomba para cada posição da lateral. Com a equação 4, determia-se o redimeto da bomba ( b ) para cada posição da lateral, para a determiação da potêcia o eixo da bomba (Pot eixo ), utiliza-se a equação 5 e cosequetemete com a equação 6, determia se o cojugado o eixo do motor (). A trasformação da rotação agular () em rotações por miuto (rpm), é obtida pela equação 7, após a trasformação, a rotação passa por uma liearização que é realizada pela equação 11 e fialmete calcula-se a frequêcia de alimetação do cojuto moto-bomba através da equação 9. Tabela 1. Frequêcias calculadas em fução da posição da liha lateral do pivô cetral. HMT Red Pot eixo s f graus m rpm % Watt N.m rpm Hz 0 82, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,09 3 Resultados A programação Ladder do CLP mostrou-se extremamete fácil com este tipo de cotrolador, uma vez que já existem áreas de memória destiadas para trasferêcia de dados para os protocolos de rede Modbus-RTU. Os protocolos de comuicação (Modbus-RTU e Compobus ) utilizados e seus meios de trasmissão ão sofreram ehuma degradação do sial ou iterferêcias devido a utilização de cabos comus, mesmo os locais mais próximos ao iversor de frequêcia. O cotrole dos parâmetros do iversor de frequêcia através do cotrolador lógico programável (CLP), mostrou-se eficaz e matedo a frequêcia de rotação do cojuto moto-bomba estável e coforme a ecessidade de pressão ao logo da liha lateral em fução da declividade do terreo, o qual o pivô cetral estava istalado. A frequêcia míima ecessária para se mater a pressão da liha lateral do pivô cetral, para este tipo de topografia do terreo, programada, foi de 54,45Hz, já a frequêcia máxima utilizada o sistema, CLP vs. Iversor, foi de 57,05Hz. Ressalta-se que com estes valores de frequêcia ão houve problema de variação da vazão (lâmia de água aplicada costate), uma vez que a pressão da liha lateral móvel ficou sempre acima da pressão das válvulas reguladoras (cofiguradas em 20mca). Sem o sistema de cotrole realizado pelo CLP, a frequêcia era costate e igual a 60Hz, utilizado-se a potêcia máxima que poderia ser forecida pelo cojuto moto-bomba. Figura 5. Gráfico da potêcia cosumida (kw) pelo cojuto moto-bomba em fução da frequêcia do iversor (Hz). Na figura 6, são apresetados valores de potêcia ativa medidos ao logo de um giro completo da liha lateral móvel do pivô. Nesta figura, são também apresetados valores de potêcia mecâica o eixo de acioameto do motor. Estas séries de dados foram tomadas sob duas codições operacioais distitas: (i) com a uidade de bombeameto sedo cotrolada pelo iverso de frequêcia (P.Ativa COM e P.Eixo COM) e (ii) com a uidade de bombeameto sem o cotrole do iversor (P.Ativa SEM e P.Eixo SEM).

6 sempre superior a 20mca (pressão de trabalho das válvulas reguladoras). Coforme já destacado ateriormete, em termos de valores médios, houve uma redução da ordem de 19%, a potêcia ativa, cosumida pelo cojuto moto-bomba, após a utilização do iversor de frequêcia, bem como um melhora o fator de potêcia. Agradecimetos Ao Cetro Federal de Educação Tecológica de Mias Gerais CEFET/MG, ao Coselho Nacioal de Desevolvimeto Cietífico e Tecológico CNPq, e à Fudação de Amparo a Pesquisa de Mias Gerais FAPEMIG, pelo apoio a realização das pesquisas e publicação de mais este trabalho. Referêcias Bibliográficas Figura 6. Gráfico da potêcia cosumida (kw) pelo cojuto moto-bomba em fução da frequêcia do iversor (Hz). Os valores médios de potêcia ativa por giro completo (13,23kW sem o iversor e 10,75kW com o iversor) idicam uma redução de cosumo de eergia da ordem de 19% ((13,23-10,75)/13,23) quado o iversor é utilizado. A razão potêcia o eixo/potêcia ativa (8,53/10,75=0,79) determiada equato o a uidade de bombeameto operava sob cotrole do iversor foi pouco superior ao valor determiado sem o cotrole do iversor (10,20/13,23=0,77), idicado que o iversor promoveu uma pequea melhora o redimeto do motor. Além da redução do cosumo de eergia e da uma pequea melhora o redimeto do motor, foi também observada uma melhora o fator de potêcia, que passou de 0,84 para 0,88. 5 Coclusão O sistema de cotrole e os protocolos de redes de comuicação utilizados etre o iversor de frequêcia e o cotrolador lógico programável (CLP), bem como etre os sesores de pressão, ao logo da liha lateral móvel do pivô cetral e o CLP mostrou-se efetivo e estável, para o tipo de aplicação de irrigação por pivô cetral (tempo de resposta ão ecessariamete curto). Foi perfeitamete viável a implatação das frequêcias calculadas para o correto fucioameto do sistema de irrigação por pivô cetral já que ão houve falta de pressão ao logo da liha lateral durate todo o ciclo de 3 giros. A vazão de água e cosequetemete a lâmia de água aplicada a cultura irrigada, o caso específico, o café, ão sofreu ehum tipo de alteração, já que a pressão ao logo da liha lateral móvel foi Alcâtara, W. (1998). Estações de bombeameto. I: CONGRESSO NACIONAL DE IRRIGAÇÃO E DRENAGEM, 8a., Floriaópolis. Aais Floriaópolis: Associação Brasileira de Irrigação e Dreagem, p Azevedo, E. B. (2003). Viabilidade do uso de iversores de frequêcia em sistemas de irrigação do tipo pivô cetral. 77p. Dissertação (mestrado em Egeharia Agrícola)-Uiversidade Federal de Lavras, Lavras. Carvalho, J. A. de; Oliveira, L. F. C. de. (2008). Istalações de bombeameto para irrigação. Lavras: UFLA. 354p. Campaa, S., Oliveira Filho, D., Soares, A. A. et. al. (2000). Adequação de forca motriz em sistemas de irrigação por aspersão covecioal e pivô cetral. I: Ecotro de Eergia o Meio Rural, 3., Campias. Masiero L.A.M., Oliveira Filho, D., Oliveira, R.A. (1999). Utilização de iversores de freqüêcia para racioalização do uso da eergia elétrica em sistemas de irrigação por pivô cetral. Egeharia a Agricultura, Viçosa; v.7.; p Pereira, Paulo Herique Cruz. Sistema automatizado de irrigação por pivô cetral : uma proposta para melhoria da eficiêcia eergética através do uso de cotroladores lógicos programáveis em cojuto com iversor de frequêcia e rede sem fio ZigBee. Tese de Doutorado em Egeharia Agrícola, Uiversidade Federal de Lavras p. WEG. Catálogo eletrôico de produtos. Jaraguá do Sul, Dispoível em: Acesso em: 22 out