Utilização de Inversores de Freqüência para Diminuição de Consumo de Energia Elétrica em Sistemas de Bombeamento

Transcrição

1 VI SEREA Seminário Iberoamericano sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de Água EFICIÊNCIA HIDRÁULICA E ENERGÉTICA EM SANEAMENTO Utilização de Inversores de Freqüência para Diminuição de Consumo de Energia Elétrica em Sistemas de Bombeamento Prof. Dr. Milton Tomoyuki Tsutiya Escola Politécnica da USP Sabesp

2 SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA Curso de água Estação elevatória de água bruta Estação de Tratamento de Água Reservatório elevado Estação elevatória de água tratada Cidade Adutora de água bruta Reservatório enterrado Adutora de água tratada

3 UTILIZAÇÃO DE VARIADORES DE ROTAÇÃO NOS CONJUNTOS MOTOR-BOMBA PARA ABASTECIMENTO DE ÁGUA Bombeamento de água diretamente para a rede de distribuição com eliminação do reservatório elevado ETA Área a ser abastecida Reservatório Estação Elevatória com variador de rotação Bombeamento de água diretamente para a rede de distribuição localizada em área elevada Área a ser abastecida Reservatório Estação Elevatória com variador de rotação

4 Bombeamento de água - tipo Booster Reservatório Área a ser abastecida Estação Elevatória com variador de rotação Bombeamento de água diretamente para a rede de distribuição com reservatório elevado a jusante Reservatório elevado ETA Área a ser abastecida Estação Elevatória com variador de rotação

5 Bombeamento de água diretamente para a rede de distribuição com reservatório a jusante Reservatório de jusante NA Área a ser abastecida Estação Elevatória com variador de rotação

6 PRINCIPAIS MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO Manobras de válvulas Número de bombas em operação Variação da rotação da bomba

7 CONTROLE DE VAZÃO POR MEIO DE MANOBRAS DE VÁLVULA Válvula instalada à jusante da bomba Válvula Válvula Bomba Bomba Curva da bomba com rotação N 0 η i Altura nanométrica H1 H 0 Perda devido a válvula A 1 Curva normal do sistema Curva artificial com fechamento da válvula Ponto de operacional com estrangulamento η 0 A 0 Ponto de operação projetado Q 1 Q 0 Vazão

8 Válvula instalada no by-pass da bomba R 1 N.A. Reservatório Bomba Válvula de by pass Altura manométrica (H) A D Válvula de controle por by passs G E B R 2 C F R + R 1 2 Vazão (Q) Curva da bomba com rotação N 0 Altura nanométrica Curva do sistema Vazão através do sistema Perda devido a válvula η i η 0 Curva do sistema + by-pass Vazão total da bomba Vazão Vazão no by-pass

9 CONTROLE DE VAZÃO ATRAVÉS DO NÚMERO DE BOMBAS EM OPERAÇÃO Associação em paralelo de três bombas iguais Altura manom étrica (H) Q 1 Q 2 Q 3 Q H Característica G C E F B 1 bomba D Vazão (Q) A 2 bomba em paralelo R 3 R 2 R 1 3 bomba em paralelo

10 CONTROLE DE VAZÃO POR VARIAÇÃO DA ROTAÇÃO DA BOMBA Variação na rotação da bomba Equações de semelhança Variação de N 1 para N 2 Q Q H H P P N = N N = ŁN N = ŁN ł ł 3 2 Q N = Q N N 2 H2 = H1 N 1 Ł N 2 P2 = P1 N 1 Ł ł ł 3 2 onde: Q = vazão da bomba N = rotação da bomba H = altura manométrica da bomba P = potência da bomba Variação de N 1 para N 3 Q N = Q N H3 = H1 N 1 N 3 P3 = P1 N 1 Ł Ł 3 1 N ł ł 3 2

11 CONTROLE DA VAZÃO Variação nas características da bomba pela variação da rotação

12 MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO Núcleo de chapas Núcleo de chapas Entrolamento Trifásico Ventilador N M = 120 f (1-s) = Ns (1-s) p Rolamentos Barras de anéis de curtocircuito N s = 120 f p Nº de Pólos (p) Rotação síncrona (Ns) 60Hz (rpm) Eixo Proteção do ventilador Tampas Carcaça Terminais Caixa de ligação

13 TIPOS DE EQUIPAMENTOS DE ROTAÇÃO VARIÁVEL Variador mecânico Mecânico Motor de velocidade fixa Acoplamento fluido Acoplamento magnético Acoplamento de corrente induzida Equipamentos de velocidade variável Motor de corrente contínua Comutação eletrônica Comutação mecânica Fonte de tensão (PWM) Conversor thyristor Eletromecânico Elétrico Motor de corrente alternada Motor de indução assíncrono Rotor bobinado Rotor de gaiola Rotor magnético Eletromecânico Energia de deslizamento (Kramer) Matriz Fonte de corrente (CSI) Fonte de tensão (PAM) Fonte de tensão (PWM) Fonte de tensão (PWM) Motor síncrono Relutância comutada Excitação convencional Inversor de carga comutada (LC) Conversor de ciclo

14 REGIÃO DE OPERAÇÃO RECOMENDADA BOMBA H INVERSORES DE FREQÜÊNCIA 98 Potência Rendimento da bomba Altura manométrica n P Faixa recomendada NPSHr Taxa de Vazão 70% 100% 120% NPSHr Rendimento (%) Faixa recomendada Freqüência (Hz) 100% Torque 75% Torque 50% Torque 25% Torque

15 REGIÃO DE OPERAÇÃO RECOMENDADA MOTOR 1,00 0, RPM COS Rendimento (%) RPM , ,70 70 Corrente (A) 175 0, ,50 0, Corrente (A) 0, ,20 COS 20 Rendimento (%) Faixa recomendada Potência fornecida em (%) da nominal Potência: 100CV Pólos: 4 Tensão: 380 Volts Freqüência: 60 Hz 50

16 ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS DE ÁGUA Componentes de um booster com variador de rotação hidrocinético Componentes de um booster com inversor de freqüência (1) Bomba centrífuga (2) Motor elétrico (3) Variador hidrocinético (4) Base metálico para o conjunto (5) Painel de comando (6) Pressostatos para operação automática (7) Registros (8) Proteção metálica, com tratamento especial anticorrosivo, resistente para trabalhar ao tempo (1) Bomba centrífuga (2) Motor elétrico (3) Base metálica para o conjunto (4) Painel de comando, incluindo inversor de freqüência (5) Painel de controle automático de pressão (6) Registros (7) Proteção metálica, com tratamento especial anticorrosivo, resistente para trabalhar ao tempo

17 ESTAÇÃO ELEVATÓRIA COM VARIADOR HIDROCINÉTICO

18 BOOSTER OU ESTAÇÃO PRESSURIZADORA COM BOMBA SUBMERSA, TIPO Q

19 ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA Booster com variador hidrocinético instalado na Conceição, RMSP. Booster com inversor de freqüência instalado no Portal D Oeste, RMSP Instalações do booster Vitápolis com inversor de freqüência, RMSP Instalações do booster Munhoz Junior no passeio, RMSP

20 INVERSOR DE FREQÜÊNCIA Componentes de um inversor Retificador Filtro Inversor Motor Rede de alimentação, tensão e freqüências fixas

21 FUNCIONAMENTO DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA Tensão alternada Tensão retificada Tensão contí contínua no link cc Tensão alternada

22 FUNCIONAMENTO DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA Sistema de modulação PWM ( Pulse Width Modulation ) portadora Senóide de referência Tensão média de saída Forma de onda da saída

23 INVERSOR DE FREQÜÊNCIA DETALHES

24 CURVAS DE BOMBAS Variação do diâmetro do rotor da bomba Variação da rotação da bomba Altura (m) Potência (kw) Altura (m) Potência (kw) Vazão (m³/h) Vazão (m³/h)

25 CURVAS DE BOMBAS Variação da freqüência Potência [kw] Rendimento [%] Curvas com rendimento constante Vazão [l/s]

26 CONTROLE DAS BOMBAS H Pressão constante com variação da vazão Q Ajuste da velocidade motor Controle da velocidade motor H = Medida da pressão H 0 = Setpoint da pressão H = Diferença entre H e H 0 HH H 0 Circuito comparador HH Transmissor de pressão H Vazão constante com variação de pressão Motor Bomba Q

27 CONSUMO DE ENERGIA EM FUNÇÃO DOS MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO Válvula Energia (%) Liga-Desliga Regulagem da tensão Acoplamento hidráulico Acoplamento de corrente induzida Inversor de freqüência Vazão (%)

28 ECONOMIA DE ENERGIA UTILIZANDO INVERSORES DE FREQÜÊNCIA Inversores de Freqüência Redução Controlada da Potência dos Motores Economia de Energia Elétrica (10 a 50%)

29 ESTUDO DE CASOS Abastecimento de água da zona alta da cidade de Lins - Interior do Estado de São Paulo Estação elevatória de Santana Região Metropolitana de São Paulo Estação elevatória de água bruta de Guarapiranga Região Metropolitana de São Paulo

30 USO DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA PARA O ABASTECIMENTO DE ÁGUA DA ZONA ALTA DA CIDADE DE LINS - INTERIOR DO ESTADO DE SÃO PAULO Entrada de energia elétrica 380V - 60Hz Painel geral de medição Painel do Inversor de freqüência Sinal elétrico Reservatório de água Válvula Gaveta Alimentação elétrica Motor Transdutor de pressão Válvula de retenção Registrador de pressão Válvula Gaveta Distribuição Sucção Bomba Recalque de água

31 Variação de pressão na rede de distribuição de água Bomba de rotação constante Bomba de rotação variável

32 Condições de funcionamento dos conjuntos motor-bomba de rotação constante e variável Curva de freqüência e rotação em função da pressão e corrente de referência em operação normal rpm - Hz Rotação Constante Rotação Variável mh O ma 2 Curvas de correntes na partida e desligamento do motor em função do tempo Corrente (A) 200 Partida -Rotação Constante In artida - Ro ção Va á P ta Desligament o - Rotação Variável v l ri e Tempo (s)

33 Curvas das tensões na partida e desligamento do motor em função do tempo Tensão (V) 380 Partida -Rotação Constante Vn Partida - Rotação Variável De lig s amento - Rot a l çã e o Variáv Tempo (s) Curvas das freqüências na partida e desligamento do motor em função do tempo Freqüência (Hz) 60 Partida -Rotação Constante Partida - Rotação Variável Desligamento - Rotação Variável Tempo (s) Curvas de rotações na partida e desligamento do motor em função do tempo Rotação (rpm) Partida -Rotação Constante Partida - Rotação Variável Desligamento - Rotação Variável Tempo (s)

34 Comparação entre conjunto motor-bomba de rotação constante e rotação variável

35 PRINCIPAIS CONCLUSÕES DA PESQUISA Redução do consumo de energia elétrica em 38% Redução da demanda de energia em 12% Melhoria do fator potência, de 0,85 para 0,98 Eliminação do pico de corrente na partida Melhoria nas condições de abastecimento de água Redução das perdas de água na rede de distribuição Retorno do custo da instalação do variador de rotação em 2,5 anos

36 ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA DE SANTANA RMSP Projeto Original - Vazão: 700 L/s - População: hab - Rede: 320 km

37 ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA DE SANTANA RMSP Projeto Modificado PAINÉISIS ANTES 5 Painéis is de Partida Compensada DEPOIS 1 Comando de bombas 3 Softstarters, 1 Convesor de Frequência MOTOBOMBA 2x200 cv + 3x100 cv (1 reserva) 4x100 cv (1 reserva) Contrato A4 THS Azul Demanda Ponta: 480 kw F.Ponta: 500 kw Demanda Ponta: 180 kw F.Ponta: 270 kw Consumo médio mensal 236 MWh 107 MWh (redução de 129 MWh) Gasto médio mensal R$ ,00 R$ ,00 (redução de R$ ,00)

38 ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA DE SANTANA RMSP Projeto Original Projeto Modificado

39 ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA DE SANTANA RMSP Painéis de automação Painéis de acionamento dos motores

40 ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA DE SANTANA RMSP Redução da pressão Redução da perdas de água Redução do volume de água: m3/mês R$ ,00/mês Operação do novo Sistema Hidráulico nov/03 dez/03 jan/04 fev/04 mar/04 abr/04 mai/04 jun/04 jul/04 ago/04 set/04 out/04 nov/04 dez/04 jan/05 fev/05 mar/05 abr/05 milhões em m Período

41 ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA BRUTA DE GUARAPIRANGA - RMSP Característica da bomba: - 6 conjuntos motobombas: 4 rotação constante (1 reserva) 2 rotação variável (inversor de freqüência) - Vazão: 3,2 m³/s - Altura: 74 mca Característica do motor: - Potência: 4000 HP - Rotação: 712 rpm - Tensão: 3300 V

42 ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA BRUTA DE GUARAPIRANGA Inversor de Freqüência em Média Tensão EEAB GUARAPIRANGA Característica do inversor de freqüência: - Potência: 5000 kva -Tensão: 3300 V - Refrigeração: água deionizada Operação e manutenção do inversor: - Início de operação: setembro/98 - Vazamento na selagem das bombas de refrigeração - Queima de fusíveis de saída para o motor - Uma unidade em operação.

43 OBRIGADO! Milton Tomoyuki Tsutiya