Afinal, o que Gerenciamento de Energia tem a ver com Automação Industrial?

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1 Afinal, o que Gerenciamento de Energia tem a ver com Automação Industrial? Por Murilo Riet Correa* Da forma como vamos mostrar aqui (com controlador inteligente) tem tudo a ver com automação industrial. E predial também. O que se utiliza é um sistema que faz o controle das cargas (aquilo que consome energia) de forma a otimizar o consumo com o menor prejuízo na produção (desliga máquinas, fornos, motores, etc...) e permitir melhor conforto (temperatura, iluminação). Isto, feito sem a necessidade de intervenção humana, é automatismo. *Murilo Riet Correa é engenheiro eletrônico, especialista em automação de sistemas na BCM Automação, fabricante nacional de equipamentos de automação.

2 Gerenciamento de Energia Aqui veremos o controle de energia para o consumidor como um exemplo de automação industrial. Para tanto, cabe descrever brevemente conceitos de sistema de controle e de controle de energia, a partir da geração de energia e até o consumidor final. Sistema de Controle: Um sistema de controle é aquele que tem a função de controlar um processo a partir de suas variáveis, ajustando-as para valores pré-estabelecidos. São exemplos de sistemas de controles: Regular a temperatura da água do chuveiro para o banho. Controlar a velocidade de uma esteira. Controlar a direção de um míssil Controlar a energia fornecida por uma usina hidrelétrica. Os quatro elementos principais em um sistema de controle são: Processo: Aquilo que se quer controlar (a temperatura da água do chuveiro, a velocidade de uma esteira) Medidor: Elemento capaz de realizar a medição e inseri-la no sistema de controle (a mão na água do chuveiro, o sensor de velocidade na esteira). Atuador: Elemento que interfere no processo com o objetivo de controla-lo (a torneira do chuveiro, o motor da esteira). Controle: Determina o valor da atuação, a partir das medidas obtidas, para atingir o valor de controle determinado ( abrir ou fechar a torneira de água fria e quanto, aumentar ou diminuir a rotação do motor da esteira).

3 Sistema de controle aplicado à energia elétrica: A automação em sistemas de energia elétrica segue os princípios básicos de controle e pode ser aplicado em todos os estágios da cadeia do sistema elétrico: Geração, Transmissão, Distribuição e Consumo. Geração: As usinas geradoras de energia elétrica, sejam hídricas, térmicas ou eólicas, possuem um grau de automação cada vez maior, buscando otimização do uso do combustível (água, carvão, fissão nuclear, vento e outros), a redução do número de interrupções na geração, aumento da qualidade da energia gerada, redução de custos de mão-de-obra na operação, entre outros. Transmissão: A energia gerada chega até as subestações de distribuição das cidades através das linhas de transmissão. A automação neste processo busca o aumento da qualidade de operação das subestações e linhas de transmissão. São monitoradas e controladas chaves, transformadores. Montados Centros de Operação á distância, para acompanhamento e registro de tudo o que acontece nas subestações. Distribuição: Para chegar aos consumidores a energia passa pelas subestações e linhas de distribuição. A automação se aplica na supervisão e controle das subestações. Diversas grandezas, como correntes, temperaturas e tensões são medidas e utilizadas para controle de transformadores e chaves. Consumidor: Aqui se aplica a automação na utilização da energia elétrica. O objetivo é reduzir o consumo com a menor perda na produção ou no conforto do ambiente e também reduzir a introdução de carga reativa na rede de energia. Automação do consumo de energia elétrica demanda: O Sistema de controle atua no controle da demanda de energia, ligando e desligando cargas. Estas cargas são motores, compressores de ar-condicionado, aquecedores, lâmpadas e tudo o mais que consome energia elétrica. Atua também no controle de fator de potência, para reduzir a quantidade de energia reativa presente na rede de energia. A demanda de potência é uma grandeza baseada na potência, podendo ser definida como a integral da potência no tempo. É o somatório da área existente abaixo da curva de potência no tempo, como apresentado na figura a seguir: A demanda de potência (usualmente chamada somente de demanda), é a soma das pequenas áreas apresentadas na figura anterior. A medida em que o tempo vai passando, um novo valor correspondente à área é acrescentado no gráfico da demanda. Ele fica com a forma apresentada a seguir:

4 É importante observar algumas características desta curva: Quanto maior for a potência, maior a inclinação da curva de demanda no tempo (mais rápido ela cresce). A curva de demanda no tempo nunca pode ter inclinação negativa, ou seja, nunca pode diminuir. Se o valor de potência cair a zero, a área abaixo da curva de potência no tempo será zero, e o valor da demanda permanecerá o mesmo. A tarifação de energia elétrica é baseada na demanda. Os consumidores de maior porte (especialmente as indústrias), assinam contratos com as concessionárias de energia nos quais estão adquirindo um determinado valor de demanda por mês. Se este valor for ultrapassado, o consumidor terá que pagar uma multa. A demanda é medida pelas concessionárias a cada período de 15 minutos. Ou seja, o gráfico apresentado na figura anterior é montado pelo período de 15 minutos. O valor obtido da demanda ao final dos 15 minutos é registrado e inicia-se um novo gráfico. Assim, são registrados 4 valores de demanda por hora, 96 por dia e 2880 por mês. Basta um destes registros ultrapassar o valor contratado para ocorrer a multa. Nota-se claramente que o controle de demanda, que é realizado através do desligamento e religamento das cargas que consomem energia na instalação, é difícil de ser realizado de forma manual. Precisa ser automatizado. Uma forma de realizar o controle de demanda é através de retas de controle, onde o sistema de automação procura manter a curva da demanda com uma inclinação mais ou menos constante, como mostrado na figura a seguir:

5 Nesta forma de controle são estabelecidas 2 retas de controle. A superior é chamada de reta de desligamento e a inferior de reta de religamento Divide-se o gráfico em 3 áreas distintas: Área "A1": A demanda medida está acima da reta de desligamento --> O controlador deverá atuar desligando cargas Área "A2": A demanda medida está abaixo da reta de religamento --> O controlador deverá atuar religando cargas Área "A3": A demanda medida está entre as retas de religamento e desligamento--> O controlador deverá manter as cargas no estado em que se encontram. É importante observar que, como citado anteriormente, o valor de demanda nunca poderá diminuir dentro do período de 15 minutos. Então, as atuações nas cargas devem ser feitas de forma preditiva, ou seja, com antecedência, para que o valor da demanda ao final do período de 15 minutos não ultrapasse o valor contratado. Isto responde a uma questão muito comum apresentada pelos usuários de controle de demanda: O controlador de demanda desligou uma carga com o valor de demanda abaixo do contratado! Pois era o que ele tinha que fazer. Se aguardasse a demanda atingir o valor de contrato, teria que desligar todas as cargas de uma só vez para que a potência fosse a zero (supondo que todas as cargas da instalação estivessem sob seu controle) e então a demanda não subir mais. Automação do consumo de energia elétrica fator de potência: Outro item importante no controle de energia é o fator de potência. O fator de potência é uma forma de representar a energia reativa existente no sistema elétrico. Ele é calculado conforme a figura a seguir: A energia resultante (KVA na figura) é resultante da energia ativa (kw na figura) e reativa (kvar). Elas formam o triângulo das potências onde é calculado o fator de potência. O valor do fator de potência é o cosseno do ângulo entre a hipotenusa (kva) e o cateto adjacente (kw). É um valor entre 0 e 1, onde 1 ocorre quando a não há energia reativa. Assim, quanto mais próximo de 1, menor a energia reativa. A energia reativa é indesejável. Ela é inserida no sistema elétrico pelos elementos existentes na instalação,

6 como motores e iluminação. Pode-se fazer uma analogia da potência reativa com um copo de cerveja, como mostra a figura a seguir: A parte do copo ocupada pela espuma impede que exista mais cerveja no copo. O contrato de energia que o consumidor assume com a concessionária determina que o fator de potência será mantido em um determinado valor, de forma a impedir que a energia reativa seja alta. A forma de controlar o fator de potência é inserindo bancos de capacitores. Insere-se energia reativa capacitiva para contrapor a energia reativa indutiva existente. Isto porque que a maior parte das cargas inseridas no sistema possui fator de potência indutivo. A figura a seguir apresenta um gráfico do fator de potência. Nele determina-se 3 retas: Valor desejado: É a reta pontilhada que está entre as outras duas Valor máximo: É a reta pontilhada inferior Valor mínimo: É a reta pontilhada superior Conforme abordado anteriormente, quanto menor for a energia reativa, mais próximo de 1 será o fator de potência. Quando o fator de potência está distante de 1, deve-se compensar a energia reativa excedente com a inserção de bancos de capacitores no sistema elétrico. O custo de energia elétrica no Brasil é um dos maiores do mundo, e as empresas precisam buscar redução em seus custos de operação para se manterem competitivas. Então, a utilização de sistema automatizado para controle do uso da energia elétrica como foi mostrado nesse post, se faz cada vez mais necessário.

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