VI SEREA – Seminário Iberoamericano sobre Sistemas
de Abastecimento Urbano de Água
EFICIÊNCIA
EFICIÊNCIA HIDRÁULICA
HIDRÁULICA E
E ENERGÉTICA
ENERGÉTICA EM
EM SANEAMENTO
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
SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA
Curso de
água
Estação
elevatória de
água bruta
Estação de
Tratamento
de Água
Adutora de
água bruta
Reservatório
elevado
Estação
elevatória de
água tratada
Reservatório
enterrado
Cidade
Adutora 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
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
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
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
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 bomba
Válvula
Válvula
Bomba
Bomba
Curva da bomba
com rotação N 0
Altura nanométrica
ηi
H1
H0
A1
Perda
devido
a
válvula
Ponto de operacional
com estrangulamento
η0
A0
Curva normal
do sistema
Curva artificial com
fechamento da válvula
Q1
Q0
Vazão
Ponto de operação
projetado
Válvula instalada no “by-pass” da bomba
Altura manométrica (H)
R1
Bomba
N.A.
Válvula de
“by pass”
Reservatório
Válvula de controle R2
por “by passs”
G
A
B
D
E
C R1 + R2
F
Vazão (Q)
Altura nanométrica
Curva da bomba
com rotação N 0
ηi
η0
Curva do sistema
Vazão através
do sistema
Vazão
Perda
devido
a
válvula
Vazão no
by-pass
Curva do sistema
+ by-pass
Vazão total
da bomba
CONTROLE DE VAZÃO ATRAVÉS DO NÚMERO DE BOMBAS EM OPERAÇÃO
Altura manom étrica (H)
Associação em paralelo de três bombas iguais
Q– H Cara
cte rístic
G
C
E
A
F
B
1 bomba
Q1
Q2
Q3
a
D
R3
R
R1 2
3 bomba
2 bomba
em paralelo
em paralelo
Vazão (Q)
CONTROLE DE VAZÃO POR VARIAÇÃO DA ROTAÇÃO DA BOMBA
Variação na rotação da bomba
• Equações de semelhança
Q1 N1
=
Q2 N2
Q 2 = Q1
H1  N1 
= 
H2  N2 
P1  N1 
= 
P2  N2 
• Variação de N1 para N2
2
3
onde:
Q = vazão da bomba
N = rotação da bomba
H = altura manométrica da bomba
P = potência da bomba
N2
N1
 N2 
H2 = H1  
 N1 
N 
P2 = P1  2 
 N1 
2
3
• Variação de N1 para N3
Q 3 = Q1
N3
N1
N 
H3 = H1  3 
 N1 
N 
P3 = P1  3 
 N1 
2
3
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
Barras de
anéis de
curtocircuito
Rolamentos
Proteção do
ventilador
Eixo
Carcaça
Tampas
Terminais
Caixa de
ligação
NM = 120 f (1-s) = Ns (1-s)
p
Ns = 120 f
p
Nº de Pólos
Rotação síncrona
(p)
(Ns) – 60Hz (rpm)
2
3600
4
1800
6
1200
8
900
10
720
12
600
TIPOS DE EQUIPAMENTOS DE ROTAÇÃO VARIÁVEL
Motor de
velocidade fixa
Mecânico
Motor de
corrente
contínua
Equipamentos
de velocidade
variável
Variador mecânico
Acoplamento fluido
Acoplamento magnético
Acoplamento de corrente induzida
Comutação eletrônica
Comutação mecânica
Fonte de tensão (PWM)
Conversor thyristor
Eletromecânico
Motor de
indução
assíncrono
Elétrico
Rotor
bobinado
Rotor
de gaiola
Motor de
corrente
alternada
Eletromecânico
Energia de deslizamento (Kramer)
Matriz
Fonte de corrente (CSI)
Fonte de tensão (PAM)
Fonte de tensão (PWM)
Rotor
magnético
Motor
síncrono
Fonte de tensão (PWM)
Relutância
comutada
Excitação
convencional
Inversor de carga comutada (LC)
Conversor de ciclo
REGIÃO DE OPERAÇÃO RECOMENDADA
BOMBA
INVERSORES DE
FREQÜÊNCIA
H
P
NPSHr
Rendimento (%)
Faixa
recomendada
NPSHr
96
n
Altura manométrica
Rendimento da bomba
Potência
98
100% Torque
75% Torque
50% Torque
25% Torque
94
92
90
88
Faixa
recomendada
86
84
10
Taxa de Vazão 70%
100% 120%
20
30
40
Freqüência (Hz)
50
60
REGIÃO DE OPERAÇÃO RECOMENDADA
1.800
100
RPM
COS
Rendimento (%)
RPM
1.750
90
0,80
80
0,70
70
0,60
60
150
0,50
50
125
0,40
40
100
0,30
30
75
0,20
20
Rendimento (%)
0,90
Corrente (A)
175
50
Faixa
recomendada
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200
Potência fornecida em (%) da nominal
Potência: 100CV
Pólos: 4
Tensão: 380 Volts
Freqüência: 60 Hz
Corrente (A)
1,00
COS
MOTOR
ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS DE ÁGUA
Componentes de um booster com variador
de rotação hidrocinético
Componentes de um booster com
inversor de freqüência
(1) Bomba centrífuga
(1) Bomba centrífuga
(2) Motor elétrico
(2) Motor elétrico
(3) Variador hidrocinético
(3) Base metálica para o conjunto
(4) Base metálico para o conjunto
(4) Painel de comando, incluindo
inversor de freqüência
(5) Painel de comando
(6) Pressostatos para operação automática
(7) Registros
(8) Proteção metálica, com tratamento
especial anticorrosivo, resistente para
trabalhar ao tempo
(5) Painel de controle automático de
pressão
(6) Registros
(7) Proteção metálica, com tratamento
especial anticorrosivo, resistente
para trabalhar ao tempo
ESTAÇÃO ELEVATÓRIA COM VARIADOR HIDROCINÉTICO
BOOSTER
ÇÃO
BOOSTER OU
OU ESTA
ESTAÇÃO
PRESSURIZADORA
PRESSURIZADORA COM
COM
BOMBA
Q”
BOMBA SUBMERSA,
SUBMERSA, TIPO
TIPO ““Q”
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
INVERSOR DE FREQÜÊNCIA
Componentes de um inversor
Retificador
Rede de alimentação,
tensão e freqüências
fixas
Filtro
Inversor
Motor
FUNCIONAMENTO DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA
Tensão alternada
Tensão retificada
Tensão contí
contínua no link cc
Tensão 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
Potência (kW)
Altura (m)
Variação da rotação da
bomba
Potência (kW)
Altura (m)
Variação do diâmetro do
rotor da bomba
Vazão (m³/h)
Vazão (m³/h)
CURVAS DE BOMBAS
Variação da freqüência
Potência [kW]
Rendimento [%]
Curvas com rendimento
constante
Vazão
[l/s]
CONTROLE DAS BOMBAS
Pressão constante com
variação da vazão
Q
Vazão constante com
variação de pressão
H
Q
Ajuste da
da velocidade
velocidade motor
motor
Ajuste
H
Controle
Controle da
da
velocidade
velocidade
motor
motor
HH == Medida
Medida da
da pressão
pressão
HH
HH0
0
Circuito
Circuito
comparador
comparador
HH
HH0== Setpoint
da pressão
0 Setpoint da pressão
HH == Diferença
Diferença entre
entre HH ee HH00
Transmissor
Transmissor
de
de pressão
pressão
Motor
Motor
Bomba
Bomba
CONSUMO DE ENERGIA EM FUNÇÃO DOS MÉTODOS
DE CONTROLE DE VAZÃO
Válvula
Energia (%)
a
ig
l
es
D
ga
i
L
a
o
id
ã
o
z
ns lic u
te áu ind
d a idr n te
h
em to r re
g
la en co
u
m e
eg pla o d
R o t
c n
A me
a
pl
o
Inversor de freqüência
c
A
0
20
40
60
Vazão (%)
80
100
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
Entrada de
energia elétrica
380V - 60Hz
Painel
geral de
medição
Painel do
Inversor de
freqüência
Sinal elétrico
Transdutor
de pressão
Alimentação
elétrica
Registrador
de pressão
Motor
Reservatório
de
água
Válvula de
retenção
Válvula Gaveta
Válvula Gaveta
Distribuição
Recalque
Sucção
Bomba
de água
Variação de pressão na rede de distribuição de água
•
Bomba de rotação constante
24
23
1
22
2
21
3
20
4
19
5
•
Bomba de rotação variável
18
6
24
23
17
1
22
7
2
21
16
3
20
8
15
4
9
14
13
19
5
10
12
11
18
6
17
7
16
8
15
9
14
13
10
12
11
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
800 -
60
500 -
50
200 -
40
800 -
Rotação Constante
30
200 -
20
300 90 -
10
ta
Ro
çã
iá
ar
oV
l
ve
03
14
4
15
6
16
8
17
10
18
12
19
14
20
16
21
18
22
20
23
22
24
24
25
26
26 mH2O
28 mA
Curvas de correntes na partida e desligamento do motor em função do tempo
Corrente
(A)
200
Partida -Rotação Constante
40
In
30
20
10
Des l
igame
nt o - R
otação
Variáv e
l
iáve l
r
a
V
o
ã
ç
ta
Ro
Partida
10
20
30
40
50
60
70
80
Tempo (s)
90
100 110 120 130
Curvas das tensões na partida e desligamento do motor em função do tempo
Tensão
(V)
Partida -Rotação Constante
380
Vn
300
200
100
rt
Pa
ida
ta
Ro
çã
a
oV
D es
l
ve
ri á
lig a m
e
nto -
R ot a
ç ão V
a
ri áv el
Tempo (s)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
Curvas das freqüências na partida e desligamento do motor em função do tempo
Freqüência
(Hz)
Partida -Rotação Constante
60
50
40
30
20
10
Pa
o
çã
ot a
R
art id
r iá
Va
Des
l
ve
li ga
m
en t
o
- Ro
t aç
ão
Var
iáve
l
Tempo (s)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
Curvas de rotações na partida e desligamento do motor em função do tempo
Rotação
(rpm)
Partida -Rotação Constante
1.800
1.500
1.200
900
600
300
r
Pa
a
tid
ã
aç
ot
-R
á
a ri
oV
De
sli g
am
ento
-
l
ve
Ro
t açã
o
Var
iáv
el
Tempo (s)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
Comparação entre conjunto motor-bomba de rotação constante e
rotação variável
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
ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA DE SANTANA – RMSP
Projeto Original
-
Vazão: 700 L/s
População: 136.500 hab
Rede: 320 km
ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA DE SANTANA – RMSP
Projeto Modificado
ANTES
DEPOIS
PAINÉ
PAIN
ÉIS
5 Painé
Painé is de Partida
Compensada
1 Comando de
bombas
3 Softstarters
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
m é dio
mensal
236 MWh
107 MWh
(reduçç ão de 129 MWh
(redu
MWh))
Gasto mé
mé dio
mensal
R$ 56.600,00
R$ 28.000,00
(reduçç ão de R$
(redu
28.600,00)
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
29
Operação do novo Sistema Hidráulico
27
m ilhões em m
3
28
26
25
24
23
Período
abr/05
mar/05
fev/05
jan/05
dez/04
nov/04
out/04
set/04
ago/04
jul/04
jun/04
mai/04
abr/04
mar/04
fev/04
jan/04
dez/03
nov/03
22
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 Tomoyuki Tsutiya
e-mail: [email protected]