ANÁLISE ENERGÉTICA DO CONTROLE DE PRESSÕES COM O USO DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA

XVI Seminário Ibero-Americano sobre Sistemas de Abastecimento e Drenagem ANÁLISE ENERGÉTICA DO CONTROLE DE PRESSÕES COM O USO DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA Kamilla Henrique Mendonça 1, Heber Pimentel Gomes 2, Mauricio Villanueva 2, Saulo de Tarso Marques Bezerra 3, Simplício Arnaud da Silva 2 1 Universidade Federal da Paraíba/Aluna de Doutorado (PPGEM-UFPB). Cidade Universitária, s/n Campus I, João Pessoa PB CEP: 58059-900. Brasil. 2 Universidade Federal da Paraíba/Professor (UFPB). Cidade Universitária, s/n, Campus I. João Pessoa Brasil. 3 Universidade Federal de Pernambuco/Professor (UFPE), Caruaru Pernambuco Brasil. 1 kamillapdm@hotmail.com RESUMO A redução dos consumos de água e energia elétrica é condição imperativa para a diminuição dos custos operacionais dos sistemas pressurizados de abastecimento de água, em todo o mundo. Este artigo tem como objetivo demonstrar a importância da aplicação de técnicas de automação na operação de sistemas de abastecimento, com o uso de inversores de frequência, com vistas à redução do consumo de energia elétrica e de perdas de água nas redes de tubulações. A metodologia empregada partiu da obtenção de dados coletados em uma bancada experimental, dotada de medidores de grandezas hidráulicas e elétricas. Foram realizados testes para diversas condições de operação da rede, com a variação da rotação do conjunto motobomba, por meio de um inversor de frequência, visando garantir o controle de pressão do sistema. Os resultados alcançados demonstraram que houve uma redução de 48,6% no gasto energético das bombas, em comparação com esse mesmo sistema operando sem a intervenção do inversor de frequência. Com a aplicação do inversor de frequência, foi possível constatar, também, a atuação eficente no controle da pressão na rede, sem que houvesse prejuízo no rendimento do conjunto motobomba. Palavras-Chave Automação, Sistemas de abastecimento de água, Inversor de frequência. 1

1. INTRODUÇÃO Normalmente, devido às restrições impostas pela topografia da região a ser abastecida, a garantia do abastecimento de água aos pontos de consumo só é possível com a pressurização da rede de tubulações a partir de sistemas de bombeamentos. Esses bombeamentos são responsáveis por mais de 90% do consumo de energia elétrica dos sistemas de abastecimento de água, SAA, tendo em vista que, muitas vezes, é necessário transportar grandes vazões ao longo das redes de tubulações, com acentuados desníveis topográficos, resultando na utilização de bombas com potências elevadas. O conjunto motobomba (CMB) tem o seu rendimento reduzido em decorrência do funcionamento ao longo da sua vida útil. Dessa forma, é essencial que sejam realizadas análises do rendimento do conjunto de modo a se obter a manutenção do seu funcionamento de maneira satisfatória durante esse período. Os sistemas de bombeamento empregados em SAA operam, às vezes, com velocidades fixas de rotação, produzindo elevadas alturas manométricas nas horas de baixa demanda de água, ocasionando consumo desnecessário de energia elétrica. Além disso, essas elevadas alturas manométricas geram pressões elevadas nas redes, o que contribui para o aumento das perdas de água nas tubulações. Ou seja, mesmo nos períodos de menores demandas de água, onde não se verifica uma maior necessidade de pressão, o sistema opera com sua máxima capacidade de carga hidráulica. Essa modalidade de operação não reduz, significativamente, a potência requerida pelo sistema de bombeamento, o que induz a um gasto energético desnecessário de energia. Durante o dia e ao longo do ano, as vazões demandadas de um SAA variam em função dos hábitos de consumo da população, de fatores climáticos, econômicos, dentre outros. Dessa forma, torna-se necessária a otimização das vazões e pressões fornecidas às redes de abastecimento. Essa otimização pode ser alcançada por meio da operação de sistemas automatizados, com a utilização de dispositivos que permitam o controle operacional compatível com as demandadas. Os SAA automatizados são aqueles que utilizam dispositivos que permitam o monitoramento e controle remotos da rede em tempo real, permitindo um gerenciamento mais eficiente do sistema, possibilitando, ao operador, o controle maior do sistema e das perdas de água e de energia. Dentre as principais aplicações da automação em SAA estão o monitoramento da qualidade e controle de bombeamento da água bruta, controle de bombeamento da água tratada e automação das estações de tratamento de água. A automação do SAA proporciona uma diminuição dos custos com pessoal, redução do consumo de produtos químicos, melhoria na eficiência dos processos e aumento na segurança de operação do sistema [1]. Dentre as ações para a redução dos custos operacionais em SAA pode-se citar, além da automação, a redução do consumo de energia elétrica por meio da variação da rotação de bombas proporcionada por inversores de frequência. Os inversores de frequência são dispositivos que, quando associados ao equipamento eletrobomba, regulam a vazão e a pressão fornecida, por meio da variação da rotação do CMB, mediante a variação da frequência de acionamento do motor elétrico. O uso desses dispositivos é ideal para sistemas pressurizados diretamente pelos CMB e que há a necessidade de operação com vazões diferentes da vazão nominal de projeto. Dessa forma, tais dispositivos podem ser 2

utilizados nos SAA para promover a redução do consumo de energia e, consequentemente, contribuir para uma maior eficiência energética desses sistemas. O uso de inversores de frequência proporciona vantagens hidráulicas, elétricas e econômicas, dentre elas: redução da pressão na tubulação, diminuição de transientes hidráulicos e elétricos, melhoria no fator de potência, redução na corrente de partida, possibilidade de integração com sistemas de automação, redução no consumo e, consequentemente, no custo de energia elétrica [3]. Além disso, os inversores de frequência dispensam a utilização de múltiplos motores ou sistemas mecânicos de variação de velocidade, que introduzem perdas adicionais de energia [4]. No entanto, o uso dos inversores de frequência deve ser operado de maneira adequada. É preciso que se considere as reduções de rendimento que podem ocorrer no motor, para faixas de frequências inferiores a 30 Hz. Testes realizados em CMB com o intuito de se verificar a variação do rendimento destes, associado ao inversor de frequência, mostraram que para uma faixa de frequência de 30 Hz a 60 Hz houve uma variação de 82% a 76% do rendimento do motor [5]. Cabe ressaltar que esses testes não contemplaram a análise do rendimento do conjunto motobomba, que associa a potência elétrica de saída do motor com a potência hidráulica fornecida ao sistema. Considerando que as perdas Joule representem as maiores perdas no motor, então, para baixas frequências, espera-se um menor rendimento do motor. Em ensaios experimentais, realizados pela fabricante de motores WEG, para baixas frequências, registram-se os menores rendimentos. No entanto, em algumas considerações normativas feitas acerca do rendimento do motor associado ao uso de inversores de frequência, o rendimento global do sistema baseia-se nas perdas totais do motor, do controle e de qualquer equipamento auxiliar. O uso de inversores frequentemente aumenta o rendimento do sistema, se comparado com os métodos tradicionais de variação de velocidade (como engrenagens e correias) e de ajuste de carga (como válvulas e amortecedores) [6]. Para se analisar o rendimento do conjunto motobomba com o uso de inversores de frequência aplicado a redes pressurizadas, um estudo foi realizado no Laboratório de Hidráulica na Universidade Federal de Viçosa. O objetivo do estudo era analisar a redução do custo da energia elétrica para irrigação com a utilização de inversores de frequência sem comunicação digital, o inversor era acionado manualmente, sem qualquer técnica de controle aplicada. Um microcontrolador foi instalado no inversor de frequência de modo que, ao receber os dados de pressão obtidos em campo, pudesse agir na regulação da velocidade de rotação, variando o volume de vazão bombeado. Os autores também avaliaram as três curvas de rendimento da bomba: a informada pelo fabricante, com rotação fixa e com o inversor de frequência, os resultados obtidos mostraram que não há perdas no rendimento do conjunto motor bomba ao se utilizar um inversor [7]. O uso dos inversores de frequência associados a conjuntos motobomba aplicado a sistemas hidráulicos gera economias aos gestores de forma a justificar sua implantação, bem como o aprofundamento de estudos e pesquisas que corroborem seu uso. As diferentes dinâmicas de operação que estão presentes nos sistemas de abastecimento de água podem gerar configurações diferenciadas na operação da rede, adequando a potência da bomba a altura manométrica solicitada pelo sistema. 3

O indicador de eficiência energética mais empregado nos sistemas de abastecimento é o consumo específico de energia elétrica, CE, que representa o consumo de energia gasto pelo sistema para transportar um metro cúbico de água, expresso em kwh/m³. Porém, apenas esse indicador não é suficiente para caracterizar a eficiência do sistema como um todo. Um indicador complementar é o consumo de energia normalizado (CEN), proposto pela International Water Association (IWA). No entanto, o mesmo não é particularizado para sistemas de bombeamento com inversores de frequência [8,9]. O uso associado de inversores de frequência na operação de CMB garante uma redução no consumo energético, visto que o sistema só irá operar nas máximas frequências, quando a rede estiver em seu período de máxima demanda hídrica. Além da redução do consumo energético, associado ao uso de inversores, há também que se considerar a redução de perdas que ocorrem ao longo dos SAA, a partir do controle das pressões. Em geral, uma diminuição de 10% na pressão na rede de tubulações resulta em uma redução, aproximada, de 12% no volume perdido por vazamentos [10]. O objetivo do presente trabalho é demonstrar a importância do uso de inversores de frequência, associado a um conjunto motobomba, na operação automatizada de um sistema pressurizado de distribuição de água, com intuito de controlar as pressões nas tubulações das redes. 2. METODOLOGIA A metodologia deste trabalho se fundamentou na verificação, através de uma bancada experimental automatizada, do comportamento hidráulico e energético de uma rede de abastecimento de água pressurizada diretamente por um conjunto motobomba. A bancada experimental empregada é denominada de Sistema Piloto de Distribuição de Água (SPDA), pertencente ao Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento da Universidade Federal da Paraíba LENHS/UFPB, localizado na cidade de João Pessoa, Brasil. O SPDA é totalmente instrumentalizado e automatizado, possibilitando o desenvolvimento de estudos e pesquisas em redes hidráulicas, voltadas, primordialmente, para a eficiência energética e hidráulica em sistemas pressurizados de distribuição de água. A Figura 1 mostra uma disposição espacial do LENHS UFPB. 4

Figura 1. Bancada SPDA A bancada experimental possui 155 metros de extensão com tubulações de PVC (DN 50 e DN 100) e ferro dúctil (DN 100), além de conexões e elementos hidráulicos e eletromecânicos de controle. O sistema é automatizado, dotado de medidores de vazão, transdutores de pressão, medidores de nível de água e válvulas de controle de pressão e vazão. O SPDA é pressurizado por meio de um bombeamento direto, dotado de um inversor de frequência, com um conjunto motobomba de 5 cv, cuja vazão nominal é de 15 L/s e a altura manométrica de 17 mca. A comunicação entre os sensores e atuadores é realizada via cabeamento, através de um Controlador Lógico Programável (CLP). As configurações hidráulicas do SPDA são bastante flexíveis, podendo trabalhar com diversos esquemas de distribuição de água. Para o desenvolvimento deste trabalho, foi analisada a operação de apenas uma saída de água, das quatro existentes na rede. Além dos sensores e atuadores descritos acima, o SPDA também é composto por painéis de controle e acionamentos elétricos, que operam em conformidade com o sistema de automação implantado. Sua função é permitir a interface entre os instrumentos da rede de distribuição de água e o sistema supervisório, além de servir de painel de comando e proteção aos motores e equipamentos eletroeletrônicos. Através da interface homem-máquina (IHM), existente no painel frontal do controlador lógico programável (CLP), é possível realizar as leituras dos parâmetros elétricos e hidráulicos, obtidos pelos sensores e atuadores instalados na planta. A Figura 2 mostra um layout simplificado do sistema supervisório utilizado na 5

plataforma LabVIEW, dando um enfoque no CMB, em vermelho, e nas quatro saídas de água existentes na rede. A saída 6, destacada com um retângulo com bordas na cor verde, é a que foi adotada para o controle de pressão deste trabalho. Figura 2. Layout da rede no Labview A planta representada na Figura 2 possui quatro saídas totalmente monitoráveis com medidores de vazão, pressão e válvulas de controle. O sistema é do tipo bombeamento direto, onde a pressurização de toda a rede ocorre através do sistema de impulsão destacado acima. Com três saídas fechadas, o sistema opera de maneira superdimensionada, com pressões excessivas em sua única saída operável. A partir do sistema supervisório, é possível enviar comandos e obter informações dos sensores e atuadores presentes na rede de distribuição de água. O programa supervisório foi desenvolvido no ambiente do LabVIEW, que permite a realização de todos os procedimentos necessários para que o experimento seja operado, bem como a introdução de controladores, baseados em diversas lógicas de programação. Com o intuito de se atingir o objetivo proposto, criou-se um cenário de operação, com três das quatro saídas de água fechadas. O inversor de frequência teria que operar no controle da pressão de 8 mca na saída 6. Para validar o uso de inversor, optou-se por criar as curvas caraterísticas da bomba para sete cenários de frequência, entre 30 Hz e 60 Hz. Para o levantamento das curvas características da bomba, os dados necessários foram as pressões, a jusante e a montante do CMB, e a vazão na saída da bomba. Além das curvas características da bomba, também foram levantadas as curvas de rendimento do CMB para o cenário proposto com a saída 6 em operação. Para as curvas de rendimento (ver Equação 1), foi necessário realizar o levantamento da potência hidráulica (dada pela Equação 2) e da potência elétrica. 6

= P hid P el (1) Onde: rendimento do conjunto motobomba (%); P hid potência hidráulica (kw); P ele potência elétrica (kw). P hid = H man Q 9,81 (2) Onde: P hid potência hidráulica (kw); H man altura manométrica dada pela diferença de pressão medida a jusante e a montante da bomba (mca); Q vazão bombeada (m³/s). 3. RESULTADOS Para atingir o objetivo proposto neste trabalho, foi estabelecido um cenário de operação com o intuito de manter a pressão de 8 mca em uma das quatro saídas (saída 6 da Figura 2), com as demais fechadas, exercendo esse controle, em malha aberta, através da alteração da rotação do CMB, com o uso de um inversor de frequência. Ao longo do estudo, foi preciso traçar as curvas da bomba para análise da vazão e pressão em diferentes faixas de operação de frequência, conforme ilustrado nos gráficos mostrados na Figura 3. Além destas curvas, para diferentes faixas de frequência, constatou-se a necessidade em se traçar as curvas de rendimento do CMB, visto que a pesquisa tem como finalidade alterar a frequência de acionamento do motor para que o sistema se ajuste às novas demandas de pressão e vazão da rede de distribuição de água. Para que esse procedimento se mostre viável, ao se alterar as frequências de rotação do motor, o rendimento não deve apresentar oscilações significativas. Assim, fez-se necessário o levantamento das curvas de rendimento para a mesma faixa de operação do sistema, conforme ilustrado nos gráficos mostrados na Figura 4. 7

Figura 3. Curvas da bomba para cenários de frequência Figura 4. Curvas de rendimento do CMB Ao analisar a Figura 4 observa-se que os maiores rendimentos encontrados estão nas faixas de frequência de 30 Hz e de 35 Hz. Com o sistema operando a 30 Hz, o valor máximo do rendimento encontrado foi de 73%, e para o sistema operando a 35 Hz, seu máximo valor registrado foi de 65%. A partir de 40 Hz, os máximos rendimentos registrados variaram de 58 a 55 Hz; enquanto os menores rendimentos encontrados foram de 35% para 50 Hz e 36% para o inversor operando em sua frequência nominal de 60 Hz. Esperava-se registrar menores rendimentos para as menores faixas de frequência, conforme ressaltado em testes realizados com a associação de motores e inversores de frequência; no entanto, cabe ressaltar que a bancada experimental está operando de forma superdimensionada, ou seja, com três de suas quatro saídas fechadas, resultando em uma vazão muito baixa, comparada à vazão nominal do CMB (60 Hz). Além disso, para as frequências de 40 Hz, 45 Hz, 50 Hz, 55 Hz e 60 Hz há uma variação mínima de rendimento, tanto para seus máximos quanto para seus mínimos valores. A Tabela 1 apresenta os valores utilizados para a obtenção das curvas de rendimento para as sete faixas de frequências analisadas (ver Figura 4), onde a frequência F é dada em Hz, a vazão Q em L/s e o rendimento η em %. 8

0 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 103 106 109 112 115 Pressão (mca) Tabela 1. Análise do rendimento para diferentes faixas de frequência F (Hz) Q (L/s) η (%) F (Hz) Q (L/s) η (%) F (Hz) Q (L/s) η (%) F (Hz) Q (L/s) η (%) 30 50 3,7 50 3,7 47 3,7 40 3,7 37 4,5 58 5,0 55 4,8 49 4,7 44 35 40 45 5,9 73 6,4 65 6,5 58 6,8 57 5,9 68 6,4 64 6,6 57 7,0 56 3,7 35 4,2 37 4,2 36 5,4 47 5,1 41 5,3 42 55 60 7,2 56 7,7 55 7,8 55 7,5 56 7,9 55 8,0 55 Após o levantamento das curvas de rendimento e sua posterior análise, o passo seguinte foi verificar o comportamento das pressões na saída 6 com o uso do inversor de frequência. A Figura 5 apresenta as pressões conforme a variação da frequência, onde se observa que o sistema atingiu sua pressão de referência 80 segundos após o acionamento do inversor de frequência. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Tempo (s) Pressão (mca) Refrência (mca) Figura 5. Resultados do controle da pressão com o uso de inversor de frequência Pela Figura 6 pode-se observar a variação da frequência do CMB, a cada 5 Hz, juntamente com o aumento da potência elétrica do inversor. A frequência obtida para que a rede encontrasse sua pressão de referência de 8 mca, foi de 44 Hz. 9

0 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47 51 55 59 63 67 71 75 79 83 87 91 95 99 103 107 111 115 Frequência (Hz) Potência Elétrica (W) 60 50 40 30 20 10 0 Tempo (s) Frequência (Hz) Potência Elétrica (W) Figura 6. Variação da frequência com o uso do inversor 1200 1000 800 600 400 200 0 A Tabela 2 apresenta o valor das potências do motor elétrico, obtida pela IHM do painel do inversor, dadas para as sete faixas de variação do CMB. Tabela 2. Variação da potência elétrica com a frequência Frequência (Hz) Potência elétrica (W) 30 403,0 35 587,0 40 807,9 45 1090,0 50 1430,0 55 1830,0 60 2010,0 Conforme dados da Tabela 2, para uma frequência de 44 Hz, por interpolação, a potência do motor foi de 1033,58 W. Esse valor representa uma redução de 48,6% na potência do motor, quando comparada com a obtida com a máquina operando na sua frequência nominal, de 60 Hz. 4. CONCLUSÕES O uso de inversores de frequência mostra-se bastante eficiente para a obtenção das melhores condições de operação hidráulica e energética em redes de abastecimento de água pressurizadas por bombeamento direto. Além de permitir o controle das pressões, dentro das faixas de valores propostos em projetos de redes de abastecimento, também propicia 10

uma redução no consumo de energia elétrica. Com o controle das pressões, limitam-se as perdas de água ocasionadas por cargas hidráulicas excessivas nas redes de tubulações. Após a análise do gráfico do comportamento das pressões deste experimento, conclui-se que o uso de inversores de frequência se mostrou bastante eficiente no controle das pressões. Para o experimento analisado, o tempo necessário para o equipamento controlar a pressão no ponto de medição foi de 1 minuto de 20 segundos, resultando em uma frequência de acionamento de 44 Hz. Ao diminuir a frequência de rotação do conjunto motobomba (CMB), também há uma indução ao menor consumo energético. Os resultados alcançados neste trabalho demonstraram que houve uma redução de 48,6% no gasto energético do conjunto motobomba, em comparação com esse mesmo sistema operando sem a intervenção do inversor de frequência. Com a aplicação do inversor de frequência, foi possível constatar, também, a atuação eficiente no controle da pressão na rede, sem que houvesse prejuízo significativo do rendimento do conjunto motobomba. AGRADECIMENTOS Ao laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento (LENHS) e ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (PPGEM) da Universidade Federal da Paraíba (UFPB) e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). REFERÊNCIAS [1] MOURA, G. N. P. A relação entre água e energia: gestão energética nos sistemas de abastecimento de água das companhias de saneamento básico do Brasil. Rio de Janeiro, 2010. Dissertação de mestrado-programa de Planejamento Energético -Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2010. [2] GOMES, H. P. Sistemas de Irrigação Eficiência Energética. Editora da UFPB. João Pessoa, 2013. Universidade Federal da Paraíba, 2013. [3] CHEREM, L. B. Avaliação do uso de inversor de frequência em estação elevatória de água. Palmas, 2016. Dissertação de mestrado- Universidade Federal do Tocantins, 2016. [4] MESQUITA, R. P. Análise de viabilidade técnica-econômica para a aplicação de inversores de frequência em sistemas de bombeamento de baixa potência. Guaratinguetá, 2009. Dissertação de mestrado-faculdade de Engenharia do campus de Guaratinguetá- Universidade Estadual Paulista, 2009. [5] BEZERRA, S.T.M. SILVA, S.A. CARVALHO, P.S.O. Automação e Controle. In: Heber Pimentel Gomes (Organizador). Sistemas de Bombeamento: Eficiência Energética. 1 ed. João Pessoa: Editora Universitária da Universidade Federal, 203-253p. 2012. [6] WEG, Guia Técnico: Motores de indução alimentados por inversores de frequência PWM. Santa Catarina, 2016. 11

[7] MORAES, M.J. OLIVEIRA FILHO, D. MANTOVANI, E.C. MONTEIRO, P.M.B. MENDES, A.L.C. DAMIÃO, J.H.A.C. Automação em Sistema de Irrigação Tipo Pivô Central para Economia de Energia Elétrica. Eng. Agríc., Jaboticabal. V34, n6, p. 1075-1088, 2014. [8] CAMPONOGARA, G., KURITZA, J., CASTIGLIO, G, FERLA, R., MARQUES, M.G., TEIXEIRA, E.D., DE BORJA, J. Indicadores de referência hidroenergéticos em sistemas de abastecimento de água. 13 Simpósio de Hidráulica e Recursos Hídricos dos Países de Língua Portuguesa, FEUP, Porto, 13-15 set. 2017. [9] TARDELLI FILHO, J. Aspectos relevantes do controle de perdas em sistemas públicos de abastecimento de água. Revista DAE (Brasil), v., n., p.6-20, Jan.-Abr. 2016. [10] BEZERRA, S.T.M. CHEUNG, P.B. Perdas de Água Tecnologias de Controle. 1 ed. João Pessoa: Editora Universitária da Universidade Federal, 220p. ISBN: 9788523707019. 12