TÍTULO DO TRABALHO: Aplicações de Inversores de Freqüência em Sistemas de Abastecimento de Água

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1 TÍTULO DO TRABALHO: Aplicações de Inversores de Freqüência em Sistemas de Abastecimento de Água TEMA: VIII Eficiência Energética AUTORES: Marcus Paes Barreto (1) Engenheiro Civil e Sanitarista pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro UERJ. Pós-graduado em Engenharia Sanitária e Ambiental pelo DRHIMA/UFRJ. Gerente de Projetos do PROCEL SANEAR/ELETROBRÁS. Osvaldo Luiz Cramer de Otero Engenheiro Eletricista pela Pontifícia Universidade Católica PUC/RJ. Consultor Técnico do Centro de Pesquisas de Energia Elétrica CEPEL. Atua nas atividades técnicas de apoio aos programas PROCEL Indústria e PROCEL SANEAR. Atua também como consultor em Eficiência Energética do Programa de Modernização do Setor de Saneamento PMSS do Ministério das Cidades. Taciana de Vasconcelos Menezes Engenheira Eletricista pela Universidade Federal de Pernambuco UFPE. Mestra e doutora em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas UNICAMP. Gerente de Projetos do PROCEL SANEAR/ELETROBRÁS. Paulo da Silva Capella Engenheiro Mecânico pela Universidade Católica de Petrópolis UCP. Pesquisador e Gerente do Projeto de Eficiência Energética em Saneamento CEPEL/GRUPO ELETROBRÁS. Fernando Pinto Dias Perrone Engenheiro Eletricista pela Pontifícia Universidade Católica PUC/RJ. MBA Executivo pelo Instituto Brasileiro de Mercado de Capitais IBMEC. Chefe da Divisão de Projetos Setoriais de Eficiência Energética DPEE da ELETROBRÁS. Palavras-Chave: Inversor de Freqüência; Variação de Vazão; Controle de Pressão; Redução do Consumo; Redução das Perdas Reais. Endereço (1) : Centrais Elétricas Brasileiras S. A ELETROBRÁS Departamento de Desenvolvimento de Projetos Especiais Av. Rio Branco, 53 / 15º andar Centro Rio de Janeiro RJ CEP: Tel: (21) Fax: (21) marcus.barreto@eletrobras.com

2 APLICAÇÕES DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA INTRODUÇÃO/OBJETIVO O inversor de freqüência, ou variador de velocidade, é um equipamento elétrico capaz de produzir uma variação nos valores da freqüência elétrica que alimenta o motor, causando uma variação de sua rotação (1), (2). Nos sistemas de saneamento, os inversores de freqüência podem ser utilizados como mecanismo de modulação de carga, sem afetar a operação do sistema, já que normalmente a demanda de água varia ao longo das horas do dia. Com a utilização de inversores de freqüência no sistema é possível variar a potência demandada pela instalação de modo a possibilitar a regulação das pressões do sistema, além de permitir a variação de vazão sem perda de carga, diferentemente do que ocorre quando são utilizadas válvulas, pois com o inversor o procedimento ocorre por variação de rotação do eixo do motor, acarretando por conseqüência a redução do consumo de energia elétrica. A eliminação do excesso de pressão no sistema reduz proporcionalmente as perdas reais (vazamentos), obtendo-se assim um duplo ganho com o uso do inversor: redução das perdas reais de água e redução da demanda e consumos elétricos, tanto pela redução do volume bombeado como pela operação do conjunto moto-bomba em um ponto de maior rendimento (3). Como vantagem adicional, os inversores de freqüência atuam como dispositivos de partida suave dos motores, minimizando os inconvenientes de surto de pressão no sistema. O uso de inversores de freqüência nos sistemas de saneamento pode, entretanto, introduzir harmônicos no sistema elétrico interferindo na qualidade da energia elétrica nas unidades consumidoras e nos bairros próximos, provocando perda de rendimento dos conjuntos moto-bombas e interferências eletromagnéticas indesejáveis em outros equipamentos, principalmente em equipamentos de comunicação. A necessidade de utilização dos inversores de freqüência em uma área de estudo deve ser demonstrada tendo como base: medições confiáveis de vazão nas linhas de recalque; medições de todos os parâmetros elétricos individualizados por equipamento para a instalação em estudo; medições da pressão na sucção e no 2

3 recalque da(s) bomba(s) e na linha de recalque imediatamente a jusante do barrilete, e em outros pontos cabíveis; a perfeita caracterização dos desníveis geométricos; e, finalmente, a utilização de cálculos hidráulicos pertinentes e adequados ao caso. Adicionalmente, os indicadores de qualidade de energia elétrica (distorção harmônica e desequilíbrio de tensão e corrente elétrica) também devem ser monitorados. Este trabalho pretende discutir a aplicabilidade destes equipamentos no acionamento de conjuntos moto-bombas nas diferentes modalidades de unidades de consumo de energia elétrica em um sistema de saneamento, a saber: Elevatórias de Água Bruta (EAB), Elevatórias de Água Tratada (EAT) e Boosters. Pretende ainda apresentar argumentos para que a utilização desses equipamentos seja precedida por uma análise criteriosa e não considerada como uma panacéia universal. DESENVOLVIMENTO Inversor de Freqüência A avaliação do uso de inversores de freqüência em sistemas de abastecimento de água efetuada neste trabalho resultou da análise de diversos projetos apresentados na primeira Chamada Pública de Projetos de Conservação e Uso Racional de Energia Elétrica e Água no Setor de Saneamento Ambiental, realizada pela ELETROBRÁS/PROCEL SANEAR no ano de O objetivo da Chamada Pública foi selecionar projetos de conservação e uso racional de energia elétrica e água em sistemas de abastecimento com apoio financeiro da ELETROBRÁS/PROCEL (4). Esta foi a primeira experiência do PROCEL SANEAR em parceria com companhias de saneamento estaduais e municipais, por meio de convênios, para elaboração de projetos ligados a eficiência energética e hidráulica. Foram encaminhados 57 projetos de todo o país e selecionados 12 projetos para implementação. Na seleção dos projetos foram analisadas as relações custobenefício, o grau de replicação, as metodologias de cálculo dos benefícios e avaliação dos resultados. Diversos destes projetos envolvem a utilização de inversores de freqüência. Inversores de freqüência podem ser utilizados, teoricamente, em qualquer acionamento de motores, incluindo conjuntos moto-bombas. Neste caso, a redução 3

4 na velocidade do motor permite operar à mesma vazão com pressão reduzida, o que significa redução da potência requerida, como pode ser visto na Figura 1. Pressão (H) Curva do Sistema c/ estrangulamento H 2 H 1 H 3 B C Curva do Sistema A Curva da Bomba s/ inversor Curva da Bomba c/ inversor Q 2 Q 1 Vazão (Q) Figura 1: Curva Pressão x Vazão com e sem a utilização de inversor de freqüência Sem o uso do inversor, a redução da vazão Q 1 (ponto A) para a vazão Q 2 (ponto B) pode ser obtida por estrangulamento, implicando no aumento da pressão H 1 para H 2. Com o uso do inversor, a curva da bomba é deslocada, passando pelo ponto C, à mesma vazão Q 2 e com pressão reduzida H 3. A redução da potência requerida corresponde à área hachurada. Em empresas operadoras de sistemas de abastecimento de água, as aplicações dos inversores de freqüência podem ser agrupadas nas seguintes tipologias: A. Elevatória de água bruta - Captação; B. Elevatória de água tratada com bombeamento para outros reservatórios; C. Elevatória de água tratada ou reservatórios secundários com bombeamento para a rede com outros reservatórios a jusante; D. Bombeamento em marcha (boosters) sem reservatórios a jusante. De modo geral, pode-se dizer que a aplicação de inversores de freqüência é justificada quando o registro das curvas de vazão e pressão no ponto de aplicação 4

5 indicar variação destas grandezas com o tempo, com possibilidade de modulação de carga. Tipologia A: Elevatória de Água Bruta O uso de inversores de freqüência na captação/recalque de água bruta para a ETA visou, na maioria dos casos apresentados, ao deslocamento da demanda no horário da ponta, com eventual redução correspondente ao consumo no mesmo horário. Tal aplicação deve ser cuidadosamente avaliada, uma vez que: As elevatórias de água bruta operam, geralmente, em condições estáveis de vazão e pressão; A possibilidade de redução de bombeamento no horário da ponta depende fundamentalmente da capacidade de armazenamento do sistema e, em particular, da ETA; A variação da demanda do sistema com a sazonalidade pode inviabilizar a vantagem de eventual re-enquadramento tarifário efetuado a partir dessa redução de demanda; Historicamente, a energia elétrica subsidiada consumida pelas operadoras levou à desconsideração do custo deste insumo e ao superdimensionamento das unidades de captação para garantir risco zero de interrupção de abastecimento, ainda que com operação anti-econômica das unidades; Outras alternativas para modulação de carga (por exemplo, utilização de conjuntos moto-bombas de menor potência), podem ser mais econômicas, devido ao alto custo dos inversores de freqüência, sobretudo para potências mais elevadas como costuma ser o caso da captação. Tipologia B: Elevatória de Água Tratada com bombeamento para outros reservatórios Esta tipologia também foi apresentada, na maior parte dos casos, visando a deslocar os bombeamentos para fora do horário da ponta por meio da modulação da vazão bombeada fora da ponta. A análise deve levar em conta: Curva de demanda média horária do reservatório, para o dia de maior 5

6 consumo; As configurações possíveis para o bombeamento, com ou sem o uso do inversor de freqüência com as respectivas vazões bombeadas, hora a hora; Consumos e demandas de energia (na ponta e fora da ponta) na situação atual e na situação proposta; Curvas características dos bombeamentos e dos sistemas atual e proposto. Em caso de haver vários conjuntos em paralelo, a escolha dos conjuntos a serem despachados inicialmente e do conjunto a ser equipado com inversor de freqüência depende da determinação prévia do rendimento (determinado por teste no local) do equipamento. Os equipamentos de melhor rendimento deverão trabalhar na base. Tipologia C: Elevatória de Água Tratada ou reservatórios secundários com bombeamento para rede com outros reservatórios a jusante Neste caso, a maior parte das aplicações apresentadas visou ao duplo benefício de controlar a pressão na rede de distribuição, e reduzir o consumo e demanda no bombeamento no horário da ponta, quando o reservatório a jusante poderia suprir o sistema por gravidade. Esta aplicação depende: Dos registros das vazões nas derivações para a rede, para o reservatório e no recalque dos conjuntos, do que decorre a necessidade da escolha correta dos locais de instalação dos medidores; Da capacidade do reservatório. Se a capacidade do reservatório for elevada, o funcionamento do conjunto para enchimento do mesmo terá maior continuidade, podendo prevalecer sobre o abastecimento da rede. Se, ao contrário, a capacidade do reservatório for pequena, o benefício do controle de pressão na rede prevalecerá. Entretanto, deve-se observar que o número de partidas dos conjuntos poderá ser expressivo, mesmo com a utilização de inversores de freqüência, face à possível variação rápida do nível do reservatório. 6

7 Tipologia D: Bombeamento em marcha (boosters) sem reservatórios a jusante Esta tipologia constitui a indicação típica para aplicação de inversores de freqüência em sistemas de bombeamento, permitindo o controle da pressão na rede, com conseqüente redução das perdas por vazamento, particularmente em locais com variações de relevo acentuadas. Qualidade de Energia Os inversores de freqüência, por serem equipamentos eletrônicos, provocam distorções nas formas de onda das tensões e correntes, que passam a apresentar características diferentes de uma onda senoidal perfeita de 60 Hz. Os inversores, pelo exposto, introduzem ondas harmônicas de tensão e corrente na rede, com freqüências múltiplas de freqüência nominal de 60 Hz. Tais harmônicos podem acarretar interferências eletromagnéticas em circuitos de comunicação, e sua presença caracteriza perda da qualidade de energia. As normas vigentes limitam a chamada distorção harmônica total (DHT) a valores compatíveis com as exigências de qualidade da energia, devendo-se distinguir as distorções inerentes à rede de distribuição de energia das distorções introduzidas pelas cargas dos consumidores. A recomendação brasileira (5) sugere limites harmônicos por consumidor (Tabela I) e globais (Tabela II) para sistemas de tensões inferiores e superiores a 69 kv. Tabela I Limites de tensão por consumidor expressos em % da tensão fundamental V < 69 kv V 69 kv Ímpares Pares Ímpares Pares Ordem Valor Ordem Valor Ordem Valor Ordem Valor 3 a 25 1,5% 3 a 25 0,6% Todos 0,6% Todos 0,3% 27 0,7% 27 0,4% DHT V = 3% DHT V = 1,5% Tabela II Limites globais de tensão em % da tensão fundamental V < 69 kv V 69 kv Ímpares Pares Ímpares Pares Ordem Valor Ordem Valor Ordem Valor Ordem Valor 3, 5, 7 5% 3, 5, 7 2% 2, 4, 6 2% 9, 11, 13 3% 9, 11, 13 1,5% 15 a 25 2% 15 a 25 1% 8 1% 27 1% 27 0,5% 2, 4, 6 8 1% 0,5% DHT V = 6% DHT V = 3% 7

8 RESULTADOS/CONCLUSÕES Os projetos que serviram de base ao presente trabalho encontram-se, em sua maior parte, na fase correspondente às campanhas de medições elétricas e hidráulicas posteriores às intervenções. Muito embora os resultados disponíveis até o momento sejam parciais, algumas conclusões já podem ser apresentadas: O bombeamento em marcha (Tipologia D) apresenta os melhores desempenhos; A Figura 2 mostra a demanda, em um dia típico, na mesma época do ano, para uma instalação deste tipo antes e depois da instalação dos inversores. Observa-se redução significativa nesta grandeza com o uso dos inversores. Figura 2: Demanda em um dia típico (Tipologia D), antes e depois da operação dos inversores de freqüência. A Figura 3 mostra, nas mesmas condições, a vazão bombeada, verificando-se a redução na mesma. Figura 3: Vazão em um dia típico (Tipologia D), antes e depois da operação dos inversores de freqüência. 8

9 Na Tipologia C, o resultado indica também uma redução da demanda (Figura 4) e da vazão (Figura 5). Note-se também o efeito da capacidade do reservatório a jusante. Por ser de pequena capacidade, mesmo com os inversores de freqüência, continuam ocorrendo freqüentes partidas do conjunto, entretanto tais partidas foram reduzidas em cerca de 50%, bem como se tornaram mais suaves com a utilização do inversor, o que contribui para a redução do desgaste do motor. Figura 4: Demanda em um dia típico (Tipologia C), antes e depois da operação dos inversores de freqüência. Figura 5: Vazão em um dia típico (Tipologia C), antes e depois da operação dos inversores de freqüência. Na Tipologia B (Figura 6), verifica-se que foi possível obter deslocamento da demanda na ponta, sem exceder a demanda fora da ponta e a contratada, além da melhoria do fator de carga da instalação. 9

10 Figura 6: Demanda em um dia típico (Tipologia B), antes e depois da operação dos inversores de freqüência. Quanto à Tipologia A, o período de avaliação ainda é insuficiente para permitir uma verificação dos aspectos teóricos anteriormente relatados. Trata-se da instalação mais afetada pela sazonalidade, motivo pelo qual o período de observação estabelecido na Chamada Pública de 6 meses consecutivos após as intervenções deve ser considerado como o mínimo compatível para uma primeira avaliação, devendo, entretanto, ser continuado mesmo após a conclusão dos respectivos convênios, para a plena consolidação dos resultados. De qualquer forma, considerando-se o alto custo dos inversores de freqüência, principalmente para motores de maior potencia, a experiência recomenda que se preceda a adoção desta solução (inversores nos conjuntos de captação EAB) por uma análise criteriosa, levando em conta: a) Registro dos parâmetros elétricos e hidráulicos dos últimos 12 meses; b) Estudo estatístico do ciclo hidrológico de períodos de cheias e secas; c) Alternativas de intercâmbios de volumes de água com outros municípios; d) Alternativas de mudança de contratação da modalidade tarifaria de fornecimento de energia, levando em conta os itens acima; e) Comparação econômico-financeira com utilização de conjunto motobomba de menor potencia para modulação da vazão. 10

11 Para evitar-se ao máximo as interferências na qualidade de energia do sistema em função do uso de inversores de freqüência, recomenda-se o emprego de filtros de harmônicos nos equipamentos. REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS (1) VÁRIOS AUTORES. Conservação de Energia Eficiência Energética de Instalações e Equipamentos. Itajubá MG: FUPAI, (2) TSUTIYA, M. T. Redução do custo de energia elétrica em sistemas de abastecimento de água. São Paulo: Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental, (3) BAHIA, S. R. Eficiência Energética nos Sistemas de Saneamento. Rio de Janeiro: IBAM - ELETROBRÁS/PROCEL, (4) ELETROBRAS/PROCEL. Plano de Ação do PROCEL SANEAR, Biênio Rio de Janeiro, 2003, (5) Critérios e procedimentos para o atendimento a consumidores com cargas especiais. ELETROBRÁS, Relatório CECE/ SCEL/ GCOI e GTCP/ CTST/ GCPS,