Utilização de Inversores de Freqüência para Diminuição de ...
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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
Área a serabastecida
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
Área a serabastecida
Estação Elevatória comvariador de rotação
Reservatórioelevado
Área a serabastecida
ETA
Estação Elevatóriacom variador de rotação
Bombeamento de água diretamente para a rede de distribuição com reservatório a jusante
Reservatóriode jusante
Área a serabastecida
Estação Elevatória comvariador de rotação
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
Partida -Rotação Constante
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
Partida -Rotação Constante
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
Partida -Rotação Constante
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
ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA DE SANTANA – RMSP
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
ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA DE SANTANA – RMSP
Projeto Original Projeto Modificado
ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA DE SANTANA – RMSP
Painéis de automação Painéis de acionamento dos motores
ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA DE SANTANA – RMSP
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