Eficiência Energética em Sistemas Motrizes: Apresentação do LAMOTRIZ - UFPE

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1 06 a 10 de Outubro de 2008 Olinda - PE Eficiência Energética em Sistemas Motrizes: Apresentação do LAMOTRIZ - UFPE Ronaldo R. B. de Aquino Zanoni D. Lins Pedro A. C. Rosas UFPE UFPE UFPE rrba@ufpe.br zdl@ufpe.br prosas@ufpe.br Luiz F. A. Cordeiro Jorge R. C. Ribeiro Isabela A. Tavares Priscila S. Amorim UFPE UFPE UFPE UFPE PALAVRAS CHAVE: Eficiência Energética, Sistemas Motrizes Industriais, Qualidade de Energia, Conservação de Energia, PROCEL-INDÚSTRIA. DADOS DA EMPRESA: Nome: LEEQE - DEESP - UFPE Endereço: Av. Acadêmico Hélio Ramos, s/n Telefone/fax: (81) rrba@ufpe.br RESUMO Este artigo tem por finalidade descrever o trabalho que vem sendo desenvolvido pela equipe de professores e alunos responsáveis pelo projeto LAMOTRIZ da Universidade Federal de Pernambuco. O laboratório implantado na UFPE chamado de LAMOTRIZ situado no Laboratório de Eficiência Energética e Qualidade de Energia (LEEQE) é composto de três sistemas motrizes completos, autônomos e automatizados, permitindo que sejam variadas as condições operativas de equipamentos como bombas centrífugas, compressores de ar, e ventiladores. São analisados aspectos como a utilização de motores padrão e de alto rendimento, inversores de freqüência e soft-starters (1). Este projeto é resultado das realizações e metas do Projeto de Otimização de Sistemas Motrizes Industriais desenvolvido pelo PROCEL INDÚSTRIA Programa de Eficiência Energética Industrial, que busca um acentuado potencial de perdas e promover o uso eficiente da energia nestes sistemas (2). 1. INTRODUÇÃO 1.1 Apresentação Este trabalho é fruto do projeto de otimização dos sistemas motrizes industriais realizado pelo PROCEL, que atingiu os onze principais estados, das cinco regiões geográficas, que são responsáveis por setenta por cento do PIB industrial do país (3). 1/9

2 O projeto tem como metas principais a identificação de diversas oportunidades de economia de energia em: acoplamento motor-carga, super-dimensionamento de motores, utilização de acionamentos eletrônicos, entre outros. Também é objetivo deste projeto a diminuição dos níveis de perdas dos sistemas sem necessidade de grandes investimentos e ainda a implementação deste projeto em dois mil estabelecimentos, resultando em uma economia de energia para o país de 2TWh. 1.2 Objetivos O objetivo deste trabalho é descrever as bancadas experimentais instaladas no LAMOTRIZ situado no Laboratório de Eficiência Energética e Qualidade de Energia (LEEQE) adquiridas através do programa de otimização dos sistemas motrizes industriais realizado pelo PROCEL. Além disso, alguns experimentos possíveis de serem realizados nas bancadas didáticas são descritos sucintamente. Estes experimentos permitem um estudo mais detalhado na eficiência energética e qualidade de energia. 1.3 Descrição As bancadas de acionamento dos sistemas industriais presentes no LAMOTRIZ têm como finalidade o estudo de eficiência energética. Para tanto, existem três protótipos de sistemas motrizes industriais, são eles: bombeamento de água, compressão de ar e exaustão de ar. Os três sistemas são operados e supervisionados através de estações de operação (OS), que servem de Interfaces Homem-Máquina (IHM) entre os operadores e o sistema de controle (AS) das bancadas. As bancadas são compostas por um conjunto: painel de automação (PA) mais protótipo de carga. O Painel de Automação com grau de proteção IP 55 inclui diversos dispositivos eletrônicos com grau de proteção inferior a IP42. Todos os três sistemas guardam em comum as seguintes características: a) Interface entre o Controlador Lógico Programável (CLP) e os dispositivos de medição e controle da bancada via rede PROFIBUS-DP; b) Conexão entre a estação de operação (OS) da bancada e o sistema de controle (AS) via rede INDUSTRIAL-ETHERNET; c) Operação total via sistema OS, ou parcialmente operadas através dispositivos de acionamento local dispostos na porta do painel; d) Através de diversos dispositivos de manobra, as cargas das bancadas podem ser conectadas aos três tipos de acionamento disponíveis (Inversor de Freqüência, chave de partida suave e chave de partida direta); e) Todas as bancadas são dotadas de dispositivos de proteção e segurança com intertravamento lógico via AS; f) Através do multimedidor (MID) de variáveis elétricas, conectado à rede PROFIBUS de cada bancada, estão disponíveis as seguintes informações: - Tensões de linha; - Correntes de linha; - Potências: ativa, reativa e aparente; - Energia consumida e fornecida; - Ângulo de defasagem entre tensão e corrente; - Fator de potência (cos(φ)); - Fator de potência por linha (cos(φ 1 ); cos(φ 2 ); cos(φ 3 )). 2. AS BANCADAS DIDÁTICAS 2.1 Modos de Operação Operação Local Este modo de operação destina-se basicamente às demonstrações, permitindo assim que a bancada seja parcialmente operada sem a estação de operação. Quando em modo local, a bancada é comandada por chaves e botões instalados na porta do painel de automação. O pré-requisito fundamental para a operação local é que a chave Local/Remoto, existente na porta do painel de automação, esteja voltada para a opção Local. De modo análogo ao que ocorre em plantas industriais, a operação local das bancadas é restrita. Isto significa que operações como setpoints de aberturas de válvulas e ajustes em malhas de controle não serão possíveis através deste modo de operação. 2/9

3 Os comandos disponíveis localmente são: Ligar motor; Desligar motor; Reconhecer falha; Ajustar a velocidade do inversor de freqüência. Para executar qualquer dos comandos listados acima, basta pressionar o botão correspondente à função desejada. Todos os botões de comando são sinalizados. Os leds de sinalização dos botões são utilizados para mostrar informações localmente. As informações disponíveis estão listadas abaixo. Motor ligado; Motor desligado; Falha presente; Parâmetros do inversor de freqüência Operação Remota Este modo de operação destina-se à operação, supervisão e aquisição de dados via estação de operação, neste caso um computador. Uma vez em modo remoto, a bancada é exclusivamente operada via computador. O pré-requisito fundamental para a operação local é que a chave local/remoto, existente na porta do painel de automação, esteja voltada para opção remoto. Com a opção remoto ativada é possível ajustar setpoints de aberturas de válvulas, configurar malhas de controle, selecionar modo de partida, controlar velocidade do motor, quando da utilização do inversor de frequência, etc.. Além de poder visualizar toda operação da bancada através da estação de operação. 2.2 Descrição das Bancadas Didáticas As três bancadas didáticas visam ensaiar as diferentes opções de operação da bancada, desenvolver experimentos e, através dos resultados, realizar comparações e análises da teoria e da prática, assim como, comparações de redução de consumo de energia demonstrando assim a possível eficiência energética no uso de diferentes técnicas. Nos ensaios e experimentos é analisado o comportamento do sistema, sob o ponto de vista elétrico, frente aos três tipos partida: partida direta, partida suave com soft-starter e partida controlada com inversor de freqüência. Analisando o sistema do ponto de vista de cargas, são realizadas operações de fechamento de válvulas mecânicas e através da variação das cargas com o uso de válvulas controladas, entre outros experimentos desenvolvidos A Bancada de Bombas A Figura 1 apresenta uma foto da parte hidráulica da bancada de bombas com o medidor de vazão, medidores de pressão, válvulas manuais, válvulas solenóides e válvulas controladas, assim como, o conjunto moto bomba e o sensor de torque e velocidade. Finalmente, o reservatório de piso e os dois reservatórios a alturas diferentes são apresentados ao fundo da figura. 3/9

4 Figura 1 Circuito hidráulico da Bancada de Bombas. Na Figura 1, são apresentados os principais equipamentos com a legenda a seguir: 01. Válvula de controle, de 0 a 100%, na tomada da água; 02. Válvula manual na tomada da água; 03. Bomba centrífuga; 04. Acoplamento motor-bomba; 05. Motor de Alto Rendimento; 06. Válvula manual para a drenagem; 07. Válvula de controle, de 0 a 100 %, para by-pass; 08. Válvula de controle, de 0 a 100 %, para subida de água aos reservatórios superiores; 09. Transmissor de pressão (Vacuômetro); 10. Válvula manual para descida da água dos reservatórios superiores ao do piso; 11. Válvula solenóide para descida da água do reservatório a 3m do piso; 12. Válvula solenóide para descida da água do reservatório a 5m do piso; 13. Transmissor de nível do reservatório do piso; 14. Válvula manual para descida da água do reservatório a 3 m do piso; 15. Válvula manual para descida da água do reservatório a 5 m do piso; 16. Reservatório Inferior a 3 m do piso; 17. Reservatório Superior a 5 m do piso; A bancada é representada no computador através do programa computacional WinCC onde são modelados todos os componentes do sistema incluindo válvulas, tanques, bombas, sensores etc. Para a configuração estudada, a representação no programa WinCC tem a tela principal conforme se verifica na Figura 2. 4/9

5 Figura 2 Tela de visualização da bancada de bombas em WinCC A Bancada do Exaustor A Figura 3 apresenta uma foto da bancada com o medidor de vazão, medidores de pressão, medidor de temperatura, dampers, motor, etc. Figura 3 Bancada do Ventilador. Na Figura 3, são apresentados os principais equipamentos com a legenda a seguir: 01. Ventilador 02. Regulador de vazão (Damper); 03. Transmissor de vazão (Damper); 04. Transmissor de pressão; 05. Admissão de ar; 5/9

6 06. Saída de ar; 07. Transmissor de temperatura de admissão, tipo PT Transmissor de temperatura de saída, tipo PT Acoplamento ventilador-motor 10. Motor de alto rendimento Utilizou-se o software supervisório WinCC, da Siemens, para a controlar a operação remota desta bancada. Todos os componentes do sistema são modelados, tais como: válvulas, sensores, gráficos, etc. A tela principal desenvolvida no WinCC para a bancada do exaustor encontra-se na Figura 4. Figura 4 Tela de visualização da bancada do ventilador em WinCC A Bancada do Compressor A Figura 5 apresenta uma foto da bancada com o medidor de vazão, medidores de pressão, motor, compressor, cilindro, válvulas, etc. Figura 5 Bancada de Compressor. Na Figura 5, são apresentados os principais equipamentos com a legenda a seguir: 6/9

7 01. Compressor duplo pistão; 02. Reservatório de ar comprimido, com dreno de condensado, pressostato e válvula de alívio de pressão; 03. Transmissor de pressão; 04. Transmissor de vazão; 05. Válvula de controle; 06. Válvulas manuais; 07. Válvulas solenóides; 08. Motor de Alto Rendimento; Assim, como nas bancadas anteriores a representação da bancada do compressor foi feita no computador através do software WinCC. Da mesma forma, os componentes do sistema como válvulas, sensores, gráficos, etc. são representados. A tela principal pode ser observada na Figura 6. Figura 6 Tela de visualização da bancada do compressor em WinCC. 3. EXPERIMENTOS PROPOSTOS Para todos os experimentos são medidas as seguintes grandezas elétricas do sistema: corrente, tensão, potência ativa e reativa e fator de potência, com partida direta, ou chave de partida suave com a soft-starter, ou ainda a partida controlada utilizando o inversor de freqüência. Os valores obtidos são armazenados pelo sistema supervisório em arquivos do tipo planilha para que seja feita uma melhor análise dos dados coletados. 3.1 Bancada de Bombas Esta bancada é bastante completa, permitindo o estudo e análise de diversos problemas de eficiência energética em sistemas industriais, dentre estes destacam-se: a) Controle de vazão, pressão ou nível feito pela válvula de controle; Através do acionamento da válvula de controle, podem-se obter as curvas: Vazão x Altura Manométrica; Pressão x Altura Manométrica; Pressão x Vazão; Nível x Potência; b) Controle de vazão, pressão ou nível feito pelo inversor de frequência; Com a utilização do inversor de freqüência é possível controlar vazão, pressão ou nível. Assim sendo, é possível estabelecer paralelos entre as curvas obtidas pelos controles via válvula com as obtidas pelo controle com inversor de freqüência; c) Determinação da vazão na tubulação de alimentação; 7/9

8 Com a utilização do sensor de nível, instalado no tanque ao nível do piso, e a simulação de entrada ou saída de consumidores da rede através do acionamento válvula globo na saída do sistema, realiza-se a medição do consumo do sistema. Esta é uma medição indireta. d) Simulação de consumo; Utilizando a válvula presente na tubulação de subida para os tanques elevados em relação ao nível do piso, é possível simular as oscilações de carga e vazão, bem como avaliar o comportamento dos parâmetros da rede de distribuição de água, tais como: nível do reservatório, vazão, pressão na tubulação e dados elétricos. O CLP ajusta esta válvula para o valor desejado de acordo com a necessidade de mais ou menos consumidores, podendo assim avaliar a queda da pressão na tubulação com o aumento de carga da rede. Limitações do sistema As limitações principais encontram-se nas propriedades dos fluidos que são utilizados, possibilidade de contaminação entre os fluidos, dificuldade de limpeza, ph e outros. Limitações pré-estabelecidas: Temperatura Ambiente: 5 ºC a 55 ºC; Pressão do fluido na rede: 10 kpa a 500 kpa; ph do fluido: 5 a 9. Deve-se evitar utilizar por longos períodos produtos com ph muito baixo devido a corrosão do rotor da bomba d água; Massa específica: 750 a kg/m³; Viscosidade: 2,5 a 0,25 µm²/s. Deve-se observar a reatividade de solventes orgânicos com a resina da fibra de vidro. Não é possível utilizar produtos com concentração acima de 5% em volume de solução com ácido fluorídrico. 3.2 Bancada do Compressor Experimentos propostos: a) Avaliação de curvas; Podem ser levantadas as seguintes curvas para cada tipo de acionamento: Pressão x Tempo Vazão x Tempo Pressão x Vazão b) Controle de vazão ou pressão na tubulação através da válvula de controle ou inversor de freqüência. As válvulas solenóides são acionadas simulando variação de consumo de ar. O sistema deve atuar sobre a válvula de controle ou sobre o inversor de freqüência de modo a compensar o aumento ou diminuição de pressão ou vazão na tubulação. Deste modo, é possível avaliar as relações entre energia consumida, pressão e vazão na tubulação. Limitações do sistema Temperatura Ambiente: 10 a 50ºC; Pressão máxima de operação: 800 kpa; Fluido: ar; Umidade relativa ambiente: 5 a 95% sem condensação. 3.3 Bancada do Exaustor Experimentos propostos: a) Ajuste de vazão com o damper; Nesse experimento realiza-se o levantamento das seguintes curvas: Pressão x Potência Consumida; Vazão x Potência Consumida. b) Controle da vazão ou pressão via damper; Para realizar o ajuste de vazão ou pressão através do duto, o CLP atua abrindo e fechando o damper. As grandezas são disponibilizadas no sistema supervisório para posterior análise; c) Controle de vazão ou pressão através do inversor de freqüência. 8/9

9 O CLP altera os parâmetros de vazão usando o damper para simular entrada e saída de consumidores, controlar a velocidade do ventilador através do inversor de freqüência, mantendo, assim, a vazão ou a pressão constante e permitindo avaliar as relações entre energia consumida, vazão e pressão na tubulação. d) Análise dos índices de economia do inversor de frequência ao invés da válvula estrangulada; Há a possibilidade de se verificar qual é a real economia de se utilizar o inversor de frequência ao invés da válvula estrangulada, comprovando experimentalmente o que já foi citado em artigos nacionais e internacionais (4). Limitações do sistema. Temperatura: -10 a 55ºC; Pressão relativa de trabalho: -1,25 x 103 Pa a 1,25 x 103 Pa; Umidade relativa: 10 a 98% sem condensação; Fluido: Ar; Concentração máxima de produtos em mistura ou solução de 10% em massa. Deve-se observar a reatividade dos produtos misturados ou dissolvidos com o aço-galvanizado. 4. CONCLUSÕES Como se pode perceber ao longo deste trabalho, a descrição e os ensaios das bancadas didáticas do LEEQE é bastante minuciosa no intuito de mostrar o quão poderosa são estas ferramentas no combate ao desperdício de energia elétrica e precisa ser analisada cuidadosamente para não se tomar decisões precipitadas. Tentou-se ser o mais fiel possível a um ambiente industrial, já que este é o principal alvo dos estudos sobre eficiência energética no LEEQE. Desta forma, todo o material utilizado no projeto das bancadas é largamente usado na maioria das indústrias do país, inclusive os softwares de projeto e supervisão. Existem vários experimentos propostos para três bancadas. Estes experimentos visam simular processos ocorridos comumente nas indústrias. Algumas simulações já foram realizadas por alunos que fazem parte do LEEQE e os resultados foram assaz satisfatórios. Sabe-se que ainda há muito para ser analisado. Por isso, os trabalhos em busca de melhores resultados continuarão e buscarão sempre a minimização de perdas elétricas em sistemas motrizes industriais, promovendo assim o uso eficiente de energia nesses sistemas. AGRADECIMENTOS Os autores deste trabalho agradecem à ELETROBRÁS pelo apoio financeiro na montagem do LAMOTRIZ - Laboratório de Sistemas Motrizes Industriais que faz parte do Laboratório de Eficiência Energética e Qualidade de Energia - LEEQE da Universidade Federal de Pernambuco - UFPE, onde foram realizados todos os experimentos aqui apresentados. Os autores também agradecem à CELPE/ANEEL por recursos para reformas e manutenção no LEEQE. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 PROCEL, Conservação de Energia, Eficiência Energética de Equipamentos e Instalações, ed. FUPAI, 2006, Brasil. 2 V. A. SOARES, G. A. SOARES, F. P. D. PERRONE, BRÁULIO, C. H. MOYA, R. PIFFER, E. SZYSKA, Otimização de Sistemas Motrizes Industriais, XVIII SNPTEE, Outubro 2005, Brasil. 3 G. E. F. F. FILHO, Conservação de Energia em Sistemas Fluidomecânicos, XVIII SNPTEE, Outubro 2005, Brasil. 4 Moreira, A. B., Análise da Operação de Sistema de Ventilação Industrial Visando a Eficiência Energética, Dissertação de Mestrado, UFCE, Fortaleza, Dezembro /9