Utilização de Inversores de Freqüência para Diminuição de

VI SEREA – Seminário Iberoamericano sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de Água

VI SEREA – Seminário Iberoamericano sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de Água

EFICIÊNCIA HIDRÁULICA E ENERGÉTICA EM SANEAMENTOEFICIÊNCIA HIDRÁULICA E ENERGÉTICA EM SANEAMENTO

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

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

Prof. Dr. Milton Tomoyuki TsutiyaEscola Politécnica da USP

Sabesp

Prof. Dr. Milton Tomoyuki TsutiyaEscola Politécnica da USP

Sabesp

SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁÁGUAGUA

Curso deágua

Cidade

Reservatórioelevado

Reservatórioenterrado

Estação de Tratamento

de Água

Adutora de água tratada

Adutora deágua bruta

Estaçãoelevatória de água bruta

Estaçãoelevatória de água tratada

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

Bombeamento de água diretamente para a rede de distribuição localizada em área elevada

Reservatório

Área a serabastecida

Estação Elevatória comvariador de rotação

Reservatório


ETA

EstaçãoElevatória

com variador de rotação

Bombeamento de água - tipo Booster

Bombeamento de água diretamente para a rede de distribuição com reservatório elevado a jusante

Reservatório



Reservatórioelevado


ETA

Estação Elevatóriacom variador de rotação

Bombeamento de água diretamente para a rede de distribuição com reservatório a jusante

Reservatóriode jusante



NA

PRINCIPAIS MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO

•Manobras de válvulas

•Número de bombas em operação

•Variação da rotação da bomba

CONTROLE DE VAZÃO POR MEIO DE MANOBRAS DE VÁLVULA

Válvula instalada à jusante da bombaVálvula

Válvula

Bomba Bomba

A0

A1H1

H0

Q1 Q0

Ponto de operaçãoprojetado

Curva da bombacom rotação N 0

Curva normaldo sistema

Curva artificial comfechamento da válvula

Perdadevido

aválvula

Ponto de operacionalcom estrangulamento

η0

ηi

Altu

ra n

ano

mét

rica

Vazão

Válvula instalada no “by-pass” da bomba

Curva do sistema+ by-pass

Curva da bombacom rotação N0

Curva do sistema

Vazão atravésdo sistema

Perdadevido

aválvula

Vazão totalda bomba

η0

ηi

Altu

ra n

anom

étrica

Vazão

Vazão noby-pass

Válvula de“by pass”

Bomba

A

D

Alt

ura

man

om

étri

ca

(H)

Vazão (Q)

Reservatório

G

Válvula de controlepor “by passs”

R + R1 2

R2

R1

CB

E FN.A.

Associação em paralelo de três bombas iguais

A

D

Alt

ura

man

om

étri

ca (

H)

Vazão (Q)

1 bomba

2 bombaem paralelo

3 bombaem paralelo

G

Q–H Característica R3

Q3

Q2

Q1

R2R1CBE

F

CONTROLE DE VAZÃO ATRAVÉS DO NÚMERO DE BOMBAS EM OPERAÇÃO

CONTROLE DE VAZÃO POR VARIAÇÃO DA ROTAÇÃO DA BOMBA

Variação na rotação da bomba

1 1

2 2

Q NQ N

=

2

1 1

2 2

H NH N

=

3

1 1

2 2

P NP N

=

onde:

Q = vazão da bomba

N = rotação da bomba

H = altura manométrica da bomba

P = potência da bomba

22 1

1

NQ Q

N=

2

22 1

1

NH H

N

=

3

22 1

1

NP P

N

=

3

33 1

1

NP P

N

=

2

33 1

1

NH H

N

=

33 1

1

NQ Q

N=

• Equações de semelhança • Variação de N1 para N2

• Variação de N1 para N3

CONTROLE DA VAZÃO

Variação nas características da bomba pela variação da rotação

MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO

Núcleo de chapas

Núcleo de chapas Entrolamento

Trifásico

Ventilador

RolamentosBarras de anéis de

curto-circuito

Proteção do ventilador

Caixa de ligaçãoTerminais

CarcaçaTampas

Eixo

NM = 120 f (1-s) = Ns (1-s)p

Ns = 120 fp

Nº de Pólos

(p)

2

4

6

8

10

12

Rotação síncrona

(Ns) – 60Hz (rpm)

3600

1800

1200

900

720

600

TIPOS DE EQUIPAMENTOS DE ROTAÇÃO VARIÁVEL

Equipamentosde velocidade

variável

Elétrico

Motor decorrentecontínua

Motor decorrente

alternada

Mecânico

Variador mecânicoAcoplamento fluido

Acoplamento magnético

Comutação eletrônica Fonte de tensão (PWM)

Conversor thyristor

Eletromecânico

Eletromecânico

Energia de deslizamento (Kramer)

MatrizFonte de corrente (CSI)

Fonte de tensão (PAM)

Fonte de tensão (PWM)

Fonte de tensão (PWM)Rotor magnético

Inversor de carga comutada (LC)

Relutância comutada

Conversor de ciclo

Excitação convencional

Comutação mecânica

Motor de indução

assíncrono

Motor síncrono

Rotor bobinado

Rotor de gaiola

Acoplamento de corrente induzida

Motor de velocidade fixa

REGIÃO DE OPERAÇÃO RECOMENDADA

BOMBAINVERSORES DE

FREQÜÊNCIA

Faixa recomendada

Pot

ênci

a

Ren

dim

ento

da

bom

ba

Altu

ra m

anom

étric

a

H

n

P

NPSHrN

PS

Hr

Taxa de Vazão 70% 100% 120%

98

96

94

92

90

88

86

8410 20 30 40 50 60

Faixarecomendada

100% Torque75% Torque50% Torque25% Torque

Ren

dim

ento

(%)

Freqüência (Hz)

MOTOR

REGIÃO DE OPERAÇÃO RECOMENDADA

Corrente (A)

Cor

rent

e (A

)

Ren

dim

ento

(%

)

CO

S

COSRPM

Rendimento (%)

Potência fornecida em (%) da nominalPotência: 100CV Pólos: 4Tensão: 380 VoltsFreqüência: 60 Hz

1.800

RPM1.750

175

150

125

100

100

90

80

70

60

50

40

30

20

1,00

0,90

0,80

0,70

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

75

50

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Faixarecomendada

ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS DE ÁGUA

(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

Componentes de um booster com variadorde rotação hidrocinético

(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

Componentes de um booster com inversor de freqüência

ESTAÇÃO ELEVATÓRIA COM VARIADOR HIDROCINÉTICO

BOOSTER OU ESTAÇÃO PRESSURIZADORA COM BOMBA SUBMERSA, TIPO “Q”

BOOSTER OU ESTABOOSTER OU ESTAÇÇÃO ÃO PRESSURIZADORA COM PRESSURIZADORA COM BOMBA SUBMERSA, TIPO BOMBA SUBMERSA, TIPO ““QQ””

ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA

Booster com variador hidrocinéticoinstalado 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

Componentes de um inversor

Retificador Filtro Inversor Motor

INVERSOR DE FREQÜÊNCIA

Rede de alimentação, tensão e freqüências fixas

FUNCIONAMENTO DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA

Tensão alternadaTensão alternada Tensão retificadaTensão retificada Tensão contTensão contíínua no link ccnua no link cc Tensão alternadaTensão alternada

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

INVERSOR DE FREQÜÊNCIA – DETALHES

CURVAS DE BOMBAS

Variação do diâmetro do rotor da bomba

Variação da rotação da bomba

Vazão (m³/h)

Po

tên

cia

(kW

)

Po

tên

cia

(kW

) Altu

ra (m

)

Altu

ra (m

)

Vazão (m³/h)

CURVAS DE BOMBAS

Variação da freqüência

Curvas com rendimento

constante

Potência [kW] Rendimento [%]

Vazão [l/s]

CONTROLE DAS BOMBASPressão constante com

variação da vazão

Vazão constante com variação de pressão

H

Q

H

Q

Transmissor de pressão

Transmissor de pressão

Controle da velocidade

motor

Controle da velocidade

motor

Circuito comparador

Circuito comparador HH

H0H0

HH

H = Medida da pressão

H0= Setpoint da pressão

H = Diferença entre H e H0

H = Medida da pressão

H0= Setpoint da pressão

H = Diferença entre H e H0

Aju

ste

da

velo

cid

ade

mo

tor

Aju

ste

da

velo

cid

ade

mo

tor

MotorMotor BombaBomba

CONSUMO DE ENERGIA EM FUNÇÃO DOS MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO

Liga-Des

liga

Inversor de freqüência

Vazão (%)0 20 40 60 80 100

Ene

rgia

(%

)

Regulag

em da t

ensão

Acoplam

ento h

idráulic

o

Acoplamento

de c

orrente in

duzida

Válvula

ECONOMIA DE ENERGIA UTILIZANDO INVERSORES DE FREQÜÊNCIA

Inversores de Freqüência

Redução Controlada da Potência dos

Motores

Economia de Energia Elétrica

(10 a 50%)

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

USO DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA PARA O ABASTECIMENTO DE ÁGUA DA ZONA ALTA DA CIDADE DE

LINS - INTERIOR DO ESTADO DE SÃO PAULO

Bomba

Painelgeral demedição

Reservatóriode

água

Entrada de energia elétrica

380V - 60Hz

Painel do Inversor defreqüência

Sinal elétrico

Transdutorde pressão

Registradorde pressão

Alimentaçãoelétrica

Válvula Gaveta

Sucção

MotorVálvula deretenção

Recalque

Válvula GavetaDistribuição

de água

Variação de pressão na rede de distribuição de água

• Bomba de rotação constante

• Bomba de rotação variável

241

2

3

4

5

6

7

8

9

101112

13

14

15

16

17

18

19

20

21

2223

241

2

3

4

5

6

7

8

9

101112

13

14

15

16

17

18

19

20

21

2223

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

Curvas de correntes na partida e desligamento do motor em função do tempo

Rotação Constante

144

156

168

1710

1812

1914

2016

2118

2220

2322

2424

2526

2628

mH OmA

2

Rotação Vari

ável

rpm

800

500

200

800

200

300

90

Hz

60

50

40

30

20

10

03

-

-

-

-

-

-

--

Partida -Rotação Constante

Tempo (s)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

P taartida - Ro ção Va ári ev l

Corrente(A)

200

40

30

20

10

In

Desligament o - Rotação Variável

Curvas das tensões na partida e desligamento do motor em função do tempo

Curvas das freqüências na partida e desligamento do motor em função do tempo

Curvas de rotações na partida e desligamento do motor em função do tempo


Tempo (s)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

De ligs amento - R ot al

çãe

o Variáv

Pa rtida - R

otação Variável

Tensão(V)

380

300

200

100

Vn


Tempo (s)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Desligamento - Rotação Variável

Partida - R

otação V

ariável

Freqüência(Hz)

60

50

40

30

20

10


Tempo (s)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Desligamento - Rotação Variável

Pa rtida - R

otação Variáve

l

Rotação(rpm)

1.800

1.500

1.200

900

600

300

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

• 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

PRINCIPAIS CONCLUSÕES DA PESQUISA

ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA DE SANTANA – RMSP

Projeto Original

-- Vazão: 700 L/sVazão: 700 L/s-- PopulaPopulaçção: 136.500 habão: 136.500 hab-- Rede: 320 kmRede: 320 km


Projeto Modificado

1 Comando de 1 Comando de bombasbombas3 3 SoftstartersSoftstarters, , 1 1 ConvesorConvesor de de FrequênciaFrequência

5 Pain5 Painééis de Partida is de Partida CompensadaCompensada

PAINPAINÉÉISIS

4x100 cv 4x100 cv (1 reserva)(1 reserva)

2x200 cv + 3x100 cv 2x200 cv + 3x100 cv (1 reserva)(1 reserva)

MOTOBOMBAMOTOBOMBA

R$ 28.000,00R$ 28.000,00(redu(reduçção de R$ ão de R$ 28.600,00)28.600,00)

R$ 56.600,00R$ 56.600,00Gasto mGasto méédio dio mensalmensal

107 107 MWhMWh(redu(reduçção de 129 ão de 129 MWhMWh))

236 236 MWhMWhConsumo Consumo mméédio dio mensalmensal

DemandaDemandaPonta: 180 kWPonta: 180 kWF.Ponta: 270 kWF.Ponta: 270 kW

DemandaDemandaPonta: 480 kWPonta: 480 kWF.Ponta: 500 kWF.Ponta: 500 kW

Contrato A4 Contrato A4 ––THS AzulTHS Azul

DEPOISDEPOISANTESANTES


Projeto Original Projeto Modificado


Painéis de automação Painéis de acionamento dos motores


Redução da pressão Redução da perdas de água

Redução do volume de água: 487.180 m3/mês – R$ 146.154,00/mês

22

23

24

25

26

27

28

29

nov/

03

dez/

03

jan/

04

fev/

04

mar/0

4

abr/0

4

mai/0

4

jun/

04

jul/0

4

ago/

04

set/0

4

out/0

4

nov/

04

dez/

04

jan/

05

fev/

05

mar/0

5

abr/0

5

Período

mil

hões

em

m3

Operação do novo Sistema Hidráulico

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

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.

OBRIGADO!

Milton Milton TomoyukiTomoyuki TsutiyaTsutiyaee--mail: mail: [email protected]@sabesp.com.br

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Utilização de Inversores de Freqüência para Diminuição de