ESTUDO COMPARATIVO DE CONSUMO ENERGÉTICO DE UMA
MOTOBOMBA CENTRÍFUGA COM O CONTROLE DA VAZÃO NA FORMA
TRADICIONAL E COM A UTILIZAÇÃO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA
Gabriel Fonseca de Mesquita
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador: Prof. Reinaldo de Falco
RIO DE JANEIRO
MAIO DE 2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
ESTUDO COMPARATIVO DE CONSUMO ENERGÉTICO DE UMA
MOTOBOMBA CENTRÍFUGA COM O CONTROLE DA VAZÃO NA FORMA
TRADICIONAL E COM A UTILIZAÇÃO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA
Gabriel Fonseca de Mesquita
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO
DE
ENGENHARIA
MECÂNICA
DA
ESCOLA
POLITÉCNICA
DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS
NECESSÁRIOS
PARA
A
OBTENÇÃO
DO
GRAU
DE
ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. Reinaldo de Falco (Orientador)
________________________________________________
Prof. Fábio Luiz Zamberlan
________________________________________________
Prof. Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
MAIO DE 2015
Fonseca de Mesquita, Gabriel
Estudo comparativo de consumo energético de uma
motobomba centrífuga com o controle da vazão na forma
tradicional e com a utilização do inversor de frequência/
Gabriel Fonseca de Mesquita – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola
Politécnica, 2015.
VIII, 58 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Reinaldo de Falco
Projeto de Graduação – UFRJ/ POLI/ Engenharia
Mecânica, 2015.
Referências Bibliográficas: p. 59.
RESUMO
O desenvolvimento econômico mundial e o crescente aumento populacional
dependem cada vez mais da água. Este bem natural não está mais tão acessível quanto
no século passado. Isto vem exigindo a utilização, cada vez mais frequente, de
equipamentos capazes de captar esta água de fontes longínquas e reservatórios
subterrâneos. Estes equipamentos são as bombas hidráulicas que por sua vez são
movimentadas por motores elétricos, meio mais econômico, e por isso mais utilizado.
O custo da energia elétrica, fundamental para movimentar os motores elétricos,
tem aumentado significativamente nos últimos anos e o seu desperdício cada vez menos
aceito pela sociedade nos faz procurar meios que racionalizem o seu uso, aumentando a
eficiência dos equipamentos.
Este trabalho relata a realização de um teste de bancada buscando a eficiência
energética através da utilização de um inversor de frequência na variação da velocidade
de um motor elétrico que movimenta uma bomba hidráulica. Através desta bancada
montada em laboratório, foram levantadas algumas medições durante os testes que
permitiram a análise da viabilidade operacional dos inversores de frequência para esta
aplicação.
1
ABSTRACT
World economic development and the increasing population growth increasingly
demand more water. This natural asset is no longer as accessible as in the last century.
This has required the use, increasingly frequent, equipment able to capture this water
from distant sources and underground reservoirs. These devices are hydraulic pumps
which in turn are moved by electric motors, means cheaper, and therefore more used.
The cost of electricity, which is essential to move the electric motors, has
increased significantly in recent years and their waste less and less accepted by society
makes us look for ways to rationalize its use, increasing equipment efficiency.
This paper describes the realization of a bench test seeking energy efficiency
through the use of a frequency inverter in varying the speed of an electric motor that
drives a hydraulic pump. Through this bench, mounted laboratory measurements have
been raised during the tests which allowed the analysis of the operational viability of the
frequency converter for this application.
2
ÍNDICE
....................................................................................................................................................... 0
1.
INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 8
1.1.
2.
OBJETIVO ....................................................................................................................... 8
PRINCÍPIOS BÁSICOS DA HIDRÁULICA ................................................................................. 10
2.1.
FLUIDO......................................................................................................................... 10
2.1.1.
Líquido Perfeito: .................................................................................................. 10
2.1.2.
Peso Específico ( : ............................................................................................. 10
2.1.3.
Massa Específica ( ): ........................................................................................... 10
2.1.4.
Viscosidade Dinâmica ou Absoluta (µ): ............................................................... 11
2.2.
PRESSÃO ...................................................................................................................... 11
2.2.1.
2.2.2.
Teorema de Stevin: ............................................................................................. 12
2.2.3.
Pressão Absoluta (Pabs): ..................................................................................... 12
2.2.4.
Pressão Manométrica (Pman): ............................................................................ 12
2.3.
EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE .................................................................................... 13
2.4.
ENERGIA ...................................................................................................................... 13
2.4.1.
Energia de Posição ou Geométrica (Z): ............................................................... 14
2.4.2.
Energia de pressão: ............................................................................................. 14
2.4.3.
Energia Cinética ou de Velocidade (m): .............................................................. 14
2.5.
4.
5.
Princípio de Pascal: .................................................................................................. 12
TEOREMA DE BERNOUILLI ........................................................................................... 15
BOMBA HIDRÁULICA ........................................................................................................... 16
4.1.
CARCAÇA ..................................................................................................................... 17
4.2.
ROTOR ......................................................................................................................... 17
4.3.
SELO MECÂNICO.......................................................................................................... 18
4.4.
FUNCIONAMENTO....................................................................................................... 18
4.5.
ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL (AMT) ....................................................................... 18
4.6.
RENDIMENTO DO CONJUNTO MOTOBOMBA ............................................................. 19
4.7.
POTÊNCIA HIDRÁULICA ............................................................................................... 19
MOTOR ELÉTRICO................................................................................................................ 20
5.1.
TIPOS ........................................................................................................................... 20
5.2.
MONOFÁSICOS ............................................................................................................ 21
5.2.1.
Split-phase: .......................................................................................................... 21
5.2.2.
Capacitor permanente: ....................................................................................... 21
5.2.3.
Capacitor de partida: ........................................................................................... 21
3
5.2.4.
Dois capacitores: ................................................................................................. 21
5.3.
TRIFÁSICOS .................................................................................................................. 22
5.4.
VELOCIDADE DE ROTAÇÃO DO MOTOR ...................................................................... 22
6.
INVERSOR DE FREQUÊNCIA ................................................................................................. 24
6.1.
FUNCIONAMENTO DE INVERSOR DE FREQUÊNCIA..................................................... 25
6.2.
PROCESSAMENTO (PID) .............................................................................................. 28
6.3.
PARÂMETROS .............................................................................................................. 30
7.
6.3.1.
Parâmetros de Leitura: ........................................................................................ 31
6.3.2.
Parâmetros de Regulação: .................................................................................. 31
6.3.3.
Parâmetros de Configuração:.............................................................................. 32
6.3.4.
Parâmetros do Motor:......................................................................................... 32
6.3.5.
Parâmetros das Funções Especiais: ..................................................................... 32
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ........................................................................................ 33
7.1.
ESQUEMA DA INSTALAÇÃO DOS TESTES..................................................................... 33
7.3.
SELEÇÃO DO CONJUNTO MOTOBOMBA ..................................................................... 37
7.4.
SELEÇÃO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA ................................................................... 37
7.5.
SELEÇÃO DOS PARÂMETROS ....................................................................................... 38
7.6.
DEMAIS INSTRUMENTOS UTILIZADOS ........................................................................ 39
7.7.
EXECUÇÃO DOS TESTES ............................................................................................... 42
8.
ANÁLISE DOS DADOS EXPERIMENTAIS................................................................................ 44
8.1.
TESTE #1 – BOMBA SEM INVERSOR DE FREQUÊNCIA ................................................. 44
8.2.
TESTE #2 – BOMBA COM INVERSOR DE FREQUÊNCIA ................................................ 45
8.3.
COMPARAÇÃO DAS DUAS CONFIGURAÇÕES DE ATUAÇÃO DA BOMBA .................... 46
9.
CONCLUSÃO ........................................................................................................................ 48
10. APÊNDICE............................................................................................................................ 49
10.1.
Memória de cálculo do NPSH ...................................................................................... 49
10.2.
Relatório dos Testes .................................................................................................... 52
10.2.1.
Teste da motobomba se controle do Inversor de frequência............................. 52
10.2.2.
Teste da motobomba com controle do Inversor de Frequência......................... 52
10.3.
Dados do motor acoplado às bombas......................................................................... 53
10.4.
Dados de catálogo da bomba selecionada .................................................................. 54
11.
BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................. 56
4
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Pincípio de Pascal ........................................................................................................ 12
Figura 2 - Teorema de Stevin ...................................................................................................... 12
Figura 3 – Continuidade dos fluidos em escoamento interno .................................................... 13
Figura 4 - Teorema de Bernouilli ................................................................................................. 15
Figura 5 - Tipos de bombas ......................................................................................................... 16
Figura 6 - Partes de uma bomba ................................................................................................. 17
Figura 7 - Tipos de rotores .......................................................................................................... 17
Figura 8 - Sucção de uma bomba ................................................................................................ 18
Figura 9 - Componentes de um motor elétrico ........................................................................... 20
Figura 10 - Tipos de motores elétricos ........................................................................................ 20
Figura 11 - Diagrama de blocos de um inversor de frequência .................................................. 25
Figura 12 - Controle de um inversor de frequência .................................................................... 26
Figura 13 - Controle do motor pelos transistores ....................................................................... 27
Figura 14 - Lógica do controlador para fornecer corrente alternada ao motor ......................... 27
Figura 15 - Geração dos pulsos quadrados ................................................................................. 28
Figura 16 - Controle PID .............................................................................................................. 28
Figura 17 - Esquema da instalação de teste com controle de vazão por estrangulamento da
tubulação. 1) Quadro elétrico; 2) Medidor de vazão; 3) Válvula de estrangulamento; 4)
Motobomba; 5) Transdutor de pressão; 6) Manovacuômetro ................................................... 34
Figura 18 - Esquema da instalação de teste com controle de vazão por inversor de frequência.
1) Quadro elétrico; 2) Medidor de vazão; 3) Inversor de frequência; 4) Motobomba; 5)
Transdutor de pressão; 6) Manovacuômetro ............................................................................. 34
Figura 19 - Motobomba CAM-W21 de 2,0cv .............................................................................. 37
Figura 20 - Quadro de comando com o inversor de frequência CFW500 ................................... 38
Figura 21 - Medidor de vazão Krohne ......................................................................................... 39
Figura 22 - Bancada de controle elétrico .................................................................................... 40
Figura 23 - Transdutor de pressão .............................................................................................. 40
Figura 24 - Manovacuômetro e mostrador de vácuo ................................................................. 41
Figura 25 - Tacômetro ................................................................................................................. 41
Figura 26 - Dados do motor utilizado nos testes ........................................................................ 53
Figura 27 - Dados técnicos da bomba (1) .................................................................................... 54
Figura 28 - Dados técnicos da bomba (2) .................................................................................... 55
5
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 - Conversão de unidades de pressão ............................................................................ 11
Tabela 2 - Dados da boba sem controle de inversor de frequência ........................................... 44
Tabela 3 - Dados da bomba com controle do inversor de frequência ........................................ 45
Tabela 4 - Planilha de teste da motobomba sem controle do Inversor de Frequência .............. 52
Tabela 5 - Planilha de teste da motobomba com controle do Inversor de Frequência .............. 52
6
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Variação da curva com a rotação .............................................................................. 42
Gráfico 2 - AMT e Potência da bomba sem controle do inversor de frequência ........................ 44
Gráfico 3 - AMT e Potência da bomba com controle do inversor de frequência ....................... 45
Gráfico 4 - Comparativo das curvas ............................................................................................ 46
Gráfico 5 - Economia de energia ................................................................................................. 46
7
1. INTRODUÇÃO
O crescente mercado mundial de bombas industriais movimentou em 2006 cerca
de US$ 30 bilhões, em 2013 está na ordem de US$ 38 bilhões e estima-se na ordem de
US$ 49 bilhões em 2016.
Segundo estudo da FAO (Food and Agriculture Organization) – agência das
Nações Unidas para a agricultura e alimentação, dentro de 20 anos por volta de dois
terços da população mundial enfrentará escassez de água. Essa projeção alarmante, por
outro lado, resultará num crescimento anual no mercado de bombas em torno de 5%, em
função da necessidade de retirar águas de reservatórios subterrâneos cada vez mais
profundos e deslocamentos mais longos entre a fonte e os principais centros
consumidores.
O consumo de água em processos industriais também não pode ser deixado de
fora deste contexto. Estima-se que é necessário 1,44 bilhão de litros de água para
produzir um dia de papel para a imprensa mundial e 9400 litros para produzir quatro
pneus de automóvel.
O crescimento mundial da demanda de energia e, por consequência, o aumento
do seu custo nos últimos anos, tem exigido dos fabricantes de turbomáquinas uma
constante evolução energética dos seus produtos.
De acordo com estudos da Eletrobrás, 2,5% do consumo total de energia elétrica
no Brasil, o equivalente a 9,3 bilhões de kWh/ano, é consumido por prestadores de
serviços de água e esgotamento sanitário.
Existem várias formas de aumentar a racionalidade no uso da energia em um
sistema de bombeamento e neste trabalho será analisada a aplicação dos inversores de
frequência para este fim.
1.1. OBJETIVO
Este trabalho tem como objetivo demonstrar, através de simulação em
laboratório, a economia de energia alcançada utilizando um Inversor de Frequência para
controle de vazão comparado ao método tradicional, estrangulamento da válvula na
tubulação.
Serão levantadas as curvas características da bomba nas duas situações e
posteriormente comparadas. Com os dados de vazão, pressão, corrente e potência
consumida, haverá a análise onde serão confrontados, de forma direta, o consumo de
8
energia a fim de demonstrar a eficácia do inversor de frequência como controle de
vazão.
9
2. PRINCÍPIOS BÁSICOS DA HIDRÁULICA
Inicialmente serão apresentadas algumas definições e considerações necessárias
para o entendimento do estudo proposto neste trabalho.
2.1. FLUIDO
O fluido é uma substância capaz de escoar e cujo volume toma a forma de seu
recipiente. Quando em equilíbrio, os fluidos não suportam forças tangenciais ou
cisalhantes. Todos os fluidos possuem certo grau de compressibilidade e oferecem
pequenas resistências à mudança de forma.
Os fluidos podem ser divididos em líquidos e gases. As principais diferenças
entre eles são: a) os líquidos são praticamente incompressíveis, ao passo que os gases
são compressíveis e muitas vezes devem ser assim tratados e b) os líquidos ocupam
volumes definidos e tem superfícies livres ao passo que uma dada massa de gás
expande-se até ocupar todas as partes do recipiente. Tais características são válidas
quando nas CNTP (Condições Normais de Temperatura e Pressão).
2.1.1. Líquido Perfeito:
Será considerado como fluido de trabalho o líquido perfeito, ou seja, fluido
ideal (ausência de tensões de cisalhamento entre as camadas de fluido), incompressível,
perfeitamente móvel, contínuo e de propriedades homogêneas.
2.1.2. Peso Específico ( :
O peso específico de uma substância é a razão entre o seu peso e o volume
por ele ocupado.
Onde
w – Peso da substância
V – Volume ocupado pela substância
- Peso específico (kgf/m³; kgf/dm³; N/m³ (SI); lbf/ft³)
2.1.3. Massa Específica ( ):
A massa específica de uma substância é a razão entre a sua massa e o
volume por ele ocupado.
10
Onde
m – Massa da substância
V – Volume ocupado pela substância
- Massa específica (kg/m³ (SI); kg/dm³; lb/ft³)
2.1.4. Viscosidade Dinâmica ou Absoluta (µ):
Exprime a medida das forças internas de atrito do fluido e é o coeficiente de
proporcionalidade entre a tensão de cisalhamento e o gradiente de velocidade.
A sua unidade no Sistema Internacional é o Pascal segundo (Pa.s).
2.2. PRESSÃO
Pressão é a razão entre a força exercida e a área de aplicação desta força.
Onde
F – Força
A – Área
- Pressão
Segue abaixo uma tabela com as principais unidades de pressão utilizadas.
Unidade
Atmosfera
Atmosfera
Pascal
Atm
Pa
5
1
1,01325×10
-6
Bar
milibar ou hect
opascal
mmHg
mH2O
kgf/cm²
Bar
mBar / hPa
mmHg
mH2O
kgf/cm²
1,01325
1013,25
760
10,33
-3
Pascal
9,869×10
1
10/mai
0,01
7,501×10
1,020×10
Bar
mBar ou
hPa
mmHg
0,9869
100000
1
1000
750,1
10,2
mH2O
kgf/cm²
-4
100
0,001
-3
133,3
1,333×10
9,869×10
1,316×10
-2
9,678×10
0,968
9807
9,810×10
4
1,033
-4
-5
1,019×10
1,02
1
0,7501
1,020×10
-2
-3
1,333
1
1,360×10
-2
-2
9,807×10
98,06
73,56
1
0,1
0,981
981
735,8
10
1
Tabela 1 - Conversão de unidades de pressão
A unidade utilizada no Sistema Internacional é Pascal (Pa)
11
10,2
13,6
2.2.1. Princípio de Pascal:
“A pressão aplicada sobre um fluido contido em um recipiente fechado age
igualmente em todas as direções do fluido e perpendicularmente às paredes deste
recipiente.”
Figura 1 - Pincípio de Pascal
2.2.2. Teorema de Stevin:
“A diferença de pressão entre dois pontos de um fluido em equilíbrio é igual
ao produto do peso específico do fluido pela diferença de cota entre os dois pontos.”
Figura 2 - Teorema de Stevin
2.2.3. Pressão Absoluta (Pabs):
A pressão absoluta é a pressão medida em relação ao vácuo. Todos os
valores que expressam pressão absoluta são obrigatoriamente positivos.
2.2.4. Pressão Manométrica (Pman):
A pressão manométrica é a pressão que excede a pressão atmosférica no
local da medição, medida por um manômetro, também sendo chamada de pressão
efetiva ou relativa.
12
O manômetro registra a pressão manométrica positiva enquanto o
vacuômetro registra valores de pressão manométrica negativas; o manovacuômetro
registra tanto pressões manométricas positivas quanto negativas. Estes instrumentos
registram zero quando abertos à atmosfera, assim, tem como referência (zero da escala)
a pressão atmosférica local de onde está sendo realizada a medição.
2.3. EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE
Considerando o escoamento em regime permanente no interior de uma
tubulação, temos que a vazão volumétrica (m³/h) que entra na seção 1 é igual à vazão
volumétrica que sai na seção 2. Como a vazão é o produto entre a velocidade de
escoamento e a área da seção transversal da tubulação, temos que
Logo
Figura 3 – Continuidade dos fluidos em escoamento interno
2.4. ENERGIA
A energia não pode ser criada nem destruída, mas apenas transformada, ou seja,
a energia global é constante.
Para a hidráulica três são as principais formas de energia:
13
2.4.1. Energia de Posição ou Geométrica (Z):
Esta é a energia potencial de um fluido em um ponto definida como a altura
deste ponto em relação a um determinado plano de referência.
2.4.2. Energia de pressão:
É a energia de pressão em um ponto de um determinado fluido, é definida
como
Onde
Hpr – Energia de pressão (m)
P – Pressão atuante em um determinado ponto (Pa)
γ – Peso específico do fluido (N/m³)
2.4.3. Energia Cinética ou de Velocidade (m):
É a energia cinética de um determinado fluido em um ponto, é definida
como
Onde
Hv – Energia cinética ou de velocidade (m)
v – Velocidade de escoamento do fluido (m/s)
g – Aceleração da gravidade (m/s²)
A energia do fluido em determinado ponto se dá pela soma destas três energias
(energia de posição, energia de pressão e energia cinética) e tem o nome de energia
mecânica total (H):
14
2.5. TEOREMA DE BERNOUILLI
Este teorema é um dos mais importantes da hidráulica e representa um caso
particular do Princípio da Conservação de Energia.
Linha Piezométrica
Figura 4 - Teorema de Bernouilli
A linha piezométrica é determinada pela soma das energias de cada ponto como
segue.
A energia de posição somada à energia de pressão e energia cinética do fluido
em um ponto 1 é igual à energia de posição somada à energia de pressão e energia
cinética do mesmo fluido no ponto 2.
Com o estudo deste capítulo é possível entender como são traçadas as curvas
características das bombas apresentadas no capítulo 6 e 7 deste trabalho.
15
4. BOMBA HIDRÁULICA
Existem, hoje, inúmeros tipos de bombas hidráulicas que se dividem,
basicamente, em dois grandes grupos: bombas dinâmicas (ou turbobombas) e bombas
volumétricas (ou de deslocamento positivo). Segue abaixo um quadro da classificação
dos principais tipos de bombas pela forma com que é fornecida energia do fluido que é
transportado.
PURAS OU RADIAIS
CENTRÍFUGAS
TIPO FRANCIS
FLUXO MISTO
DINÂMMICAS OU
TURBOBOMBAS
FLUXO AXIAL
PERIFÉRICAS OU
REGENERATIVAS
PISTÃO
BOMBAS
ALTERNATIVAS
ÊMBULO
DIAFRAGMA
VOLUMÉTRICAS OU
DESLOCAMENTO
POSITIVO
ENGRENAGENS
LÓBULOS
ROTATIVAS
PARAFUSOS
PALHETAS
DELIZANTES
Figura 5 - Tipos de bombas
Apesar da grande quantidade de tipos de bombas para as mais variadas
aplicações, a bomba centrífuga é a mais difundida pela alta vazão e pressão
considerável. Por tal motivo, o tipo de bomba abordado neste trabalho é a bomba
centrífuga.
16
As bombas centrífugas são compostas basicamente por uma carcaça (ou
voluta), um rotor (ou impelidor) e um selo mecânico.
Carcaça (ou voluta)
Selo
mec
Rotor (ou impelidor)
Figura 6 - Partes de uma bomba
4.1. CARCAÇA
A carcaça é responsável pela contenção do fluido bombeado, pela conversão da
energia cinética contida no fluido em energia de pressão e pelo direcionamento do
fluido para a descarga da bomba.
4.2. ROTOR
Rotor é o componente giratório, dotado de pás, que tem a função de
transformar a energia mecânica em energia cinética e de pressão que é transferida ao
fluido.
Existem basicamente três tipos de rotores: Aberto; Semi-aberto; Fechado
Figura 7 - Tipos de rotores
17
4.3. SELO MECÂNICO
O selo mecânico deixa a parte hidráulica totalmente estanque evitando
vazamentos. Mais utilizado quedo o fluido bombeado é inflamável, tóxico, corrosivo ou
quando o vazamento não é permitido.
Embora os selos mecânicos possam diferir em alguns aspectos físicos, todos
têm o mesmo princípio de funcionamento. As superfícies de selagem são localizadas em
um plano perpendicular ao eixo e consistem de duas partes adjacentes altamente
polidas, uma superfície ligada ao eixo e a outra à parte estacionária da bomba.
4.4. FUNCIONAMENTO
O rotor, quando girando em alta velocidade, diminui a pressão no seu centro e
a pressão atmosférica empurra a água para dentro do rotor. Ao entrar no rotor, a água é
imediatamente expulsa para sua periferia pelas pás até se chocarem com a cercaça que
direciona o fluxo até a descarga da bomba.
Figura 8 - Sucção de uma bomba
4.5. ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL (AMT)
A Altura Monométrica Total é a energia que o sistema solicita para transportar
o fluido do reservatório de sucção ao reservatório de descarga com uma determinada
vazão.
Podemos calcular a AMT da seguinte forma:
18
Onde
H – AMT (m)
– Pressão de descarga ou recalque (m)
– Pressão de sucção (m)
– Velocidade de escoamento do fluido na descarga ou recalque (m/s)
– Velocidade de escoamento do fluido na sucção (m/s)
– Altura do ponto de medição na descarga ou recalque (m)
– Altura do ponto de medição na sucção (m)
4.6. RENDIMENTO DO CONJUNTO MOTOBOMBA
O rendimento do conjunto motobomba é calculado de forma indireta.
Onde
– Rendimento
– Potência Hidráulica (kW)
– Potência Elétrica Absorvida Pelo Conjunto Motobomba (kW)
A potência elétrica é um dado coletado no momento em que a motobomba está
em teste e é capturado por instrumentos elétricos.
4.7. POTÊNCIA HIDRÁULICA
Onde
– Potência Hidráulica (kW)
– Massa Específica (kg/m³)
– Aceleração da gravidade (m/s²)
– Vazão (m³/s)
– Altura Manométrica Total (m)
19
5. MOTOR ELÉTRICO
Motores são equipamentos responsáveis por transformar formas de energia. O
motor elétrico transforma energia elétrica em energia mecânica.
Os componentes básicos do motor elétrico são carcaça, estator e rotor, como
seguem as imagens, respectivamente.
Figura 9 - Componentes de um motor elétrico
5.1. TIPOS
Os motores elétricos são classificados segundo a sua forma construtiva se
dividindo em dois grandes grupos: Motores de corrente contínua – CC – e motores de
correte alternada – AC – segundo o organograma abaixo.
Figura 10 - Tipos de motores elétricos
20
Os motores mais utilizados quando se fala em acionamento hidráulico são os
assíncronos do tipo gaiola de esquilo.
5.2. MONOFÁSICOS
Os motores monofásicos têm por característica a presença do capacitor, exceto
nos motores tipo Split-phase, baixa eficiência, baixo torque de partida e necessidade de
enrolamento auxiliar para criar o campo girante, pois o enrolamento principal não
consegue dar partida sozinho.
5.2.1. Split-phase:
Sem capacitor e com enrolamento auxiliar necessário para aumentar o torque
de partida, sendo o mesmo desligado pelo mecanismo composto de centrífugo e
platinado quando a rotação atingir 85% da nominal. Utilizado em potência de até 1,0
CV e com torque de partida igual ao torque nominal.
5.2.2. Capacitor permanente:
Presença de capacitor permanente sempre ligado à rede e ao enrolamento
auxiliar sem a presença de platinado ou centrífugo. Comumente utilizado até 1,0 CV
podendo chegar a 3,0 CV, com torque de partida entre 0,4 e 1,0 vez o torque nominal.
Permite reversão imediata.
5.2.3. Capacitor de partida:
Presença de capacitor de partida ligado ao enrolamento auxiliar sendo o mesmo
desligado pelo mecanismo composto de centrífugo e platinado quando a rotação atingir
85% da nominal. Torque de partida de 2,0 a 3,5 vezes o torque nominal não permitindo
reversão imediata. Utilizado até 3,0 CV, limitado a 10 partidas/hora para que haja o
equilíbrio térmico do capacitor.
5.2.4. Dois capacitores:
Por ter os dois capacitores presentes, suas características são uma mistura dos
atributos de cada um deles como torque de partida de 2, a 3,5 vezes o torque nominal,
limitado a 10 partidas/hora, utilizado em potências acima de 1,0 CV. O capacitor de
partida é desligado pelo centrífugo e platinado quando a rotação do eixo atingir 85% da
nominal permanecendo o capacitor permanente ligado à rede.
21
5.3. TRIFÁSICOS
Os motores trifásicos têm por característica a sua alta eficiência, alto torque de
partida sem a necessidade de capacitores ou enrolamento auxiliar ficando menos
susceptíveis a problemas, pois com menos mecanismos, menor é o desgaste e a possível
manutenção. Utilizado em uma gama grande de potências. É menor que os motores
monofásicos com a mesma potência acarretando um custo mais baixo.
5.4. VELOCIDADE DE ROTAÇÃO DO MOTOR
Os motores síncronos têm este nome devido ao rotor do motor acompanhar o
campo eletromagnético girante gerado pelo estator, ou seja, ficam em sincronia
mantendo o torque independentemente da carga movimentada.
A velocidade desenvolvida pelo motor síncrono depende de dois fatores:
Número de polos e Frequência de alimentação. Conseguimos notar tal influência
quando mostrado matematicamente pela seguinte fórmula:
Onde
N – Velocidade do motor (RPM)
f – Frequência de alimentação do motor (Hz)
P – Número de polos do motor
Os motores assíncronos têm este nome devido ao rotor do motor não
acompanhar o campo eletromagnético girante do estator, havendo uma defasagem entre
os dois, chamado escorregamento. Têm a sua velocidade dependente da carga
movimentada e varia de 3% a 5% da velocidade do motor síncrono. Quanto maior é a
potência do motor, menor é o escorregamento.
Com isto, o motor de 2 polos tem a rotação nominal de 3500 rpm enquanto que
o de 4 polos tem a metade desta rotação nominal, 1750 rpm.
Com relação às bombas, uma hidráulica instalada num motor 4 polos fornece
uma menor vazão e menor pressão quando comparado à mesma hidráulica instalada
num motor 2 polos, porém desenvolve um torque maior, devido à Lei de Semelhança de
bombas que relaciona a velocidade com a vazão, pressão e potência como segue abaixo.
22
√
√
Onde:
N - Velocidade
Q - Vazão
H - Pressão
Pot - Potência
Com isto entendemos melhor a relação da velocidade do motor e a curva
característica da bomba ao analisarmos os dois testes nos capítulos seguintes.
23
6. INVERSOR DE FREQUÊNCIA
O Inversor de Frequência é um dispositivo de controle da velocidade e torque
de um motor de corrente alternada por um comando eletrônico. Este equipamento tem
sido bastante utilizado nas mais variadas áreas como elevadores, máquinas-ferramenta,
bombas, tração mecânica, etc.
O Inversor de Frequência possui internamente um controlador proporcional
integral derivativo (PID) o qual permite que o equipamento seja programado para
acionar o motor de forma controlada mantendo a variável de processo sempre estável e
foram desenvolvidos para trabalhar com motores de corrente alternada (ca).
Ele é um dos principais dispositivos de automação industrial e a sua evolução
tem contribuído para a otimização das plantas fabris tanto nos processos ditos contínuos
como nas manufaturas.
A razão para tal é a facilidade de utilização de motores de corrente alternada
visto que é nesta forma que a energia é distribuída.
Pode-se resumir as vantagens do uso de inversores no acionamento de motores
de corrente alternada em cinco grupos:
1) OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO:
O inversor contribui para a redução das taxas de rejeição (perdas) e
consumo de material na produção;
2) SUAVIZAÇÃO DE OPERAÇÃO DE MÁQUINAS:
O número de partidas e paradas bruscas é sensivelmente reduzido.
Através de rampas de aceleração e frenagem o impacto direto sobre os
componentes mecânicos é minimizado, o que aumenta a vida útil do
equipamento;
3) MENOR MANUNTENÇÃO:
Toda a tecnologia em corrente alternada dispensa manutenção
preventiva. Como não há comutação entre escovas e coletor, típicas de
motores de corrente contínua, a vida útil é maior;
4) ECONOMIA DE ENERGIA:
O inversor economiza energia elétrica. Dois clássicos exemplos são
bombas e ventiladores em que o consumo é reduzido ao cubo. Um motor
deste tipo, quando ligado a um inversor a meia velocidade, gasta apenas
12,5% do que consumiria se estivesse ligado diretamente à rede elétrica.
24
5) MELHORA NAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS:
A redução do ruído é uma vantagem do inversor em relação aos sistemas
mecânicos de variação de velocidade.
6.1. FUNCIONAMENTO DE INVERSOR DE FREQUÊNCIA
Conforme foi visto no capítulo anterior, a velocidade de rotação de um motor
de corrente alternada depende da frequência da sua alimentação. Quanto maior for a
frequência maior será a rotação e vice-versa, considerando que o número de polos seja
constante.
Onde
N – Velocidade do motor (RPM)
F – Frequência de alimentação do motor (Hz)
P – Números de polos do motor
Tendo o número de polos do motor fixo (determinado na sua construção),
variando a frequência de alimentação muda proporcionalmente a velocidade de rotação.
De forma aproximada, pode-se dizer que o inversor de frequência é uma fonte de
tensão alternada de frequência variável. Por isso o nome, “Inversor de Frequência”.
Apesar de cada fabricante utilizar sua própria tecnologia, o diagrama de blocos
ilustrado abaixo descreve bem grande parte dos Inversores encontrados no mercado.
Figura 11 - Diagrama de blocos de um inversor de frequência
25
De acordo com a figura 10, o Inversor de Frequência pode ser dividido em
quatro partes principais:
1) CPU – Central Processing Unit (Unidade Central de Processamento): Pode
ser formada por um microprocessador ou um microcontrolador. Isto
depende apenas do fabricante. De qualquer forma, é neste bloco que todas
as informações (parâmetros e dados do sistema) estão armazenadas, visto
que uma memória está integrada a este conjunto.
2) IHM – Interface Homem Máquina: É através deste dispositivo que se pode
visualizar o que ocorre com o Inversor de Frequência e parametrizá-lo de
acordo com a aplicação.
3) Interface: É composta por entradas digitais e analógicas, que podem ser
utilizadas para receber ou fornecer sinais de comando ao Inversor de
Frequência. É neste bloco que ocorre a comunicação externa ao dispositivo.
4) Bloco de Potência: É constituído de um circuito retificador capaz de
transformar a corrente alternada que entra no Inversor de Frequência em
corrente contínua e posteriormente em corrente alternada novamente com a
frequência controlada.
A interação do bloco CPU responsável pelo controle do dispositivo com o
bloco de Potência é detalhada abaixo por se tratar das partes principais do Inversor de
Frequência.
Figura 12 - Controle de um inversor de frequência
A primeira etapa do circuito é formada por uma ponte retificadora trifásica e
dois capacitores de filtro. Este circuito forma uma fonte DC (corrente contínua)
26
simétrica, pois há um ponto de terra como referência. Têm-se uma tensão contínua +V/2
e uma tensão contínua –V/2 em relação ao terra, formando o “Barramento DC”.
O barramento DC alimenta a segunda etapa constituída de seis transistores (do
tipo IGBT) e, com uma lógica de controle (terceira etapa) “liga e desliga” os transistores
de modo a alternarem o sentido de corrente da circula pelo motor.
Para facilitar a explicação, será utilizado um modelo monofásico onde são
quatro os transistores IGBT’s controlados que alternam o sentido da corrente no motor.
Figura 13 - Controle do motor pelos transistores
O circuito lógico de controle faz a alternância entre duas configurações: 1ª –
Transistores T1e T4 fechados e T2 e T3 abertos forçando a passagem da corrente pelo
motor em um determinado sentido; 2ª – Transistores T2 e T3 fechados e T1 e T4 abertos
forçando a passagem da corrente no outro sentido.
Figura 14 - Lógica do controlador para fornecer corrente alternada ao motor
É na frequência com que ocorre esta alternância que o Inversor de Frequência
atua.
Como os transistores funcionam como chaves liga/desliga, a forma da onda de
tensão de saída do inversor é sempre quadrada como é notado na imagem a seguir.
27
Figura 15 - Geração dos pulsos quadrados
6.2. PROCESSAMENTO (PID)
Apresentar um processo de parametrização que sirva em todos os Inversores de
Frequência não é possível, pois o endereço dos parâmetros e a sua lógica de
programação mudam conforme o fabricante, assim como uma nova versão do mesmo
produto. Sendo assim, será apresentado apenas o procedimento lógico de como ocorre o
controle internamente.
O procedimento consiste em fazer com que o Inversor de Frequência opere em
malha fechada, ou seja, possuir um valor de referência programado pelo usuário,
receber um sinal de realimentação do sensor de medição da variável de processo e
possuir um sistema de controle de modo a manter a variável do processo no valor
desejado, como mostrado na figura 16. Este controle é realizado pelo controlador PID
que atua sobre o erro do sistema (diferença entre dois sinais de referência e
realimentação), de forma a mantê-lo próximo do zero, o que se efetiva indiretamente
pela variação da frequência de operação do Inversor de Frequência.
Figura 16 - Controle PID
28
A fórmula do controle PID é dada por:
(
(
∫ (
(
Onde
u(t) – Saída em relação ao tempo
e(t) – Entrada menos o erro em relação ao tempo
Kp – Constante proporcional
Ki – Constante integral
Kd – Constante derivativa
Para a aplicação estudada neste trabalho, a variável de processo é a pressão na
descarga do sistema de bombeamento.
Ao contrário do sinal de referência, onde existe um parâmetro para selecionar o
seu valor, o sinal de realimentação é proveniente de um sensor que monitora o
comportamento do sistema, o qual fornece um sinal analógico de corrente entre 4 e 20
mA em corrente contínua, que para o Inversor de Frequência equivale à faixa de 0 a
100% do funcho de escala do transdutor de pressão. Este sinal de realimentação deve
ser conectado a uma das entradas analógicas do Inversor de Frequência, o qual deve ser
habilitado para receber o sinal de corrente.
Além deste parâmetro, é importante a seleção das rampas de aceleração e
desaceleração, com o objetivo de não sobrecarregar a tubulação do sistema com o
aumento repentino da pressão caso a bomba fosse acionada instantaneamente. Estas
rampas são controladas segundo a sintonia de cada um dos parâmetros do PID (ganho
proporcional Kp, tempo integral Ti e tempo derivativo Td).
Esses controladores PID calculam um erro entre o valor medido na saída e o
valor desejado no processo. Assim o controlador tenta diminuir o erro que foi gerado
pela saída, ajustando suas entradas.
FUNÇÃO PROPORCIONAL [
( ]
Essa função do controlador PID produz um valor na saída proporcional ao erro
obtido na Realimentação. A resposta proporcional pode ser ajustada a partir da
29
constante de ganho Kp. Quanto maior a constante Kp, maior será o ganho do erro e
mais instável será o sistema. Mas se a constante Kp for muito pequeno, menor será o
seu tempo de resposta.
FUNÇÃO INTEGRAL [
∫
(
]
A função integral soma todos os erros instantâneos e a somatória é multiplicada
pela constante Ki. A função integral do controlador PID acelera o movimento do
processo até o ponto desejado e elimina o erro que ocorre na função anterior. Como a
função soma dados instantâneos, o resultado do processo pode ultrapassar o ponto
desejado. Essa consequência se chama "overshoot".
FUNÇÃO DERIVATIVA [
( ]
A função derivativa retarda a taxa de variação de saída do controlador. Essa
função diminui o "overshoot" da função anterior e melhora a estabilidade do
controlador. Por outro lado, a função derivativa causa um retardo na resposta e é muito
suscetível aos ruídos. Isto acontece porque essa função amplifica o ruído e caso o ruído
e o ganho Kd forem muito grandes, podem causar instabilidade no controlador.
6.3. PARÂMETROS
Um Inversor de Frequência é projetado para operar em diversas aplicações,
desde um elevador até uma máquina operatriz. Seu desempenho deve se adequar à
necessidade, e isto é feito pela sua parametrização.
Isto só é conseguido através da parametrização do Inversor de Frequência, ou
seja, configurando o inversor para que o motor se comporte de forma controlada e
previsível, ajustada para determinada aplicação. É através destes parâmetros que o
controlador PID processa as informações provenientes dos sensores domina o
funcionamento do motor.
Os parâmetros são divididos em blocos, para facilitar a programação pelo
usuário.
- Parâmetros de leitura;
- Parâmetros de regulação;
- Parâmetros de configuração;
- Parâmetros de motor;
- Parâmetros de funções especiais.
30
6.3.1. Parâmetros de Leitura:
Os parâmetros de leitura, como o nome indica, permitem a visualização dos
valores programados nos parâmetros de regulação, de configuração, do motor e de
funções especiais.
Estes parâmetros não permitem a edições dos valores programados, somente a
sua visualização.
Seguem alguns exemplos.
P0001 – Referência de velocidade.
Valor de referência de velocidade antes da rampa.
P0002 – Velocidade do motor.
Indica o valor da velocidade real do motor, em RPM.
P0003 – Corrente do motor.
Indica a corrente de saída do inversor, em amperes.
P0005 – Frequência aplicada ao motor.
Valor de referência de saída do inversor, em Hz.
P0009 – Torque do motor.
Indica a parcela da corrente atual que é proporcional ao torque, em %.
6.3.2. Parâmetros de Regulação:
São parâmetros ajustáveis a serem utilizados pelas funções do inversor.
Seguem alguns exemplos.
P0100 e P0101 – Tempo de aceleração e desaceleração, respectivamente.
Definem os tempos para acelerar linearmente de 0 até a velocidade
máxima, ou desacelerar linearmente da velocidade máxima até 0.
Estes tempos suavizam ou intensificam a rampa de aceleração/desaceleração.
Quanto maior é o tempo configurado, melhor é para o sistema pois minimiza os golpes
na tubulação, quando se trata de acionamento com bombas.
P0133 e P0134 – Referência de velocidade mínima e máxima, respectivamente.
Define os valores máximo/mínimo de velocidade na saída quando o
inversor é habilitado.
31
6.3.3. Parâmetros de Configuração:
Definem as características do inversor, as funções a serem executadas bem
como as funções das entradas e saídas.
- Frenagens;
- Rampas de desaceleração;
- Injeção de corrente contínua;
- Partida com motor girando;
- Compensação de escorregamento;
- Etc.
6.3.4. Parâmetros do Motor:
Estes parâmetros caracterizam o motor que será controlado pelo inversor de
frequência para que as proteções internas possam proteger o motor, como proteção
contra sobrecorrente.
P0400 – Tensão nominal do motor;
P0401 – Corrente nominal do motor;
P0402 – Velocidade nominal do motor;
P0403 – Frequência nominal do motor;
P0404 – Potência nominal do motor;
P0405 – Fator de potência do motor.
6.3.5. Parâmetros das Funções Especiais:
Inclui os parâmetros relacionados ao ciclo automático, regulador PID e
regulador de velocidade. Os parâmetros deste bloco são modificados apenas por pessoas
capacitadas.
A partir da leitura deste capítulo conseguimos entender como o inversor de
frequência interpreta a informação enviada do transdutor de pressão e controla a
velocidade do motor.
32
7. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Neste capítulo será detalhado o procedimento para realização dos testes na
bancada do laboratório com as duas configurações: a) Motobomba ligada diretamente
em 60Hz (utilizada como referência) e b) Motobomba acionada por um Inversor de
Frequência.
Inicialmente foi tomada a curva da motobomba com rotação referente a 60Hz
para usar como base de comparação com a curva com rotação reduzida.
A tomada dos pontos de trabalho é feita através do estrangulamento da
descarga da bomba ou pela variação da rotação do motor.
Para que fossem realizados os experimentos a fim de obter os dados para
análise neste trabalho foram selecionados alguns equipamentos e configurações
específicos que serão detalhados neste capítulo.
7.1. ESQUEMA DA INSTALAÇÃO DOS TESTES
Os testes foram realizados com a motobomba acima do reservatório d’água
com o seu recalque retornando para o mesmo tanque como o esquema abaixo
demonstra.
Os testes foram realizados de forma similar, com um transdutor
manovacuômetro realizando a leitura da pressão de sucção, um transdutor de pressão
realizando a leitura da pressão de recalque, um medidor de vazão e o quadro elétrico
que realiza a leitura dos dados elétricos como corrente e potência consumida.
O que difere os dois testes é o tipo de controle de vazão e o acionamento
elétrico. No controle de vazão por estrangulamento da tubulação a motobomba é
acionada diretamente pelo quadro elétrico que a alimenta com corrente alternada a 60
Hz constantemente. No controle de vazão por inversor de frequência, a motobomba é
acionada pelo inversor de frequência que é alimentado pelo quadro elétrico.
33
Figura 17 - Esquema da instalação de teste com controle de vazão por estrangulamento da tubulação. 1) Quadro elétrico;
2) Medidor de vazão; 3) Válvula de estrangulamento; 4) Motobomba; 5) Transdutor de pressão; 6) Manovacuômetro
Figura 18 - Esquema da instalação de teste com controle de vazão por inversor de frequência. 1) Quadro elétrico; 2)
Medidor de vazão; 3) Inversor de frequência; 4) Motobomba; 5) Transdutor de pressão; 6) Manovacuômetro
34
7.2. RELAÇÃO DAS VARIÁVEIS MEDIDAS
Para tomada da curva característica da bomba e da curva de consumo
energético foram medidos os dados hidráulicos e elétricos como segue:
Vazão: Q
Q [m³/h] – Vazão medida no dispositivo através da aquisição de dados.
Altura Manométrica Total: H
(
)
Onde
H [m] – Altura total de elevação;
(
[m] – Pressão no transdutor na saída da bomba;
(
[m] – Pressão no manovacuômetro na entrada da bomba;
[m/s] – Velocidade de escoamento na saída da bomba;
[m/s] – Velocidade de escoamento na entrada da bomba;
35
[m] – Diâmetro interno na posição 1;
[m] – Diâmetro interno na posição 2.
[m] – Altura entre o eixo da bomba e a lâmina d’água;
[m] – Altura entre o ponto de medida de recalque e a lâmina d’água
Segue uma tabela com os valores dos diâmetros e as alturas em relação à
lâmina d’água:
Diâmetro interno (D)
Altura com relação à lâmina d’água (Z)
Sucção (1)
Recalque (2)
0,0635 m
0,0508 m
0,4 m
1,4 m
Corrente: I
I [A] – Corrente absorvida pelo conjunto motobomba no caso do controle de
vazão pelo estrangulamento da tubulação; e corrente absorvida pelo conjunto
motobomba e inversor de frequência no caso de controle de vazão pelo mesmo.
Potência: Pot
Pot [W] – Potência absorvida pelo conjunto motobomba no caso do controle de
vazão pelo estrangulamento da tubulação; e potência absorvida pelo conjunto
motobomba e inversor de frequência no caso de controle de vazão pelo mesmo.
Os dados elétricos foram registrados automaticamente pelo quadro elétrico.
NPSHreq:
O NPSH requerido é a diferença da pressão atmosférica local e a altura
máxima de sucção.
A altura máxima de sucção da motobomba é calculada através de alguns
fatores como pressão de vapor da água, perda de carga, etc. E estes dependem de alguns
outros como será descrito abaixo.
Onde
– Pressão atmosférica local [mca];
– Altura de sucção máxima [mca].
36
A memória de cálculo do NPSHreq está no apêndice A.
Rotação: N
N [RPM] – Rotação do motor. Esta rotação é registrada para que seja
normalizada a curva característica da bomba para 3500 rpm ou 1750 para motores de 2
ou 4 polos respectivamente.
7.3. SELEÇÃO DO CONJUNTO MOTOBOMBA
Para seleção da motobomba, levei em consideração as características de
motobombas largamente utilizadas no mercado que é centrífuga de simples estágio com
rotor do tipo fechado. Com relação à bomba propriamente dita, tomei como base uma
que tivesse a curva característica mais longa, onde eu pudesse alterar a vazão com mais
facilidade sem modificar tanto a altura da bomba.
Com isto, o modelo da bomba é CAM-W21 da fabricante DANCOR S.A. com
a sucção de 2,5 polegadas e descarga de 2,0 polegadas, flangeadas com o objetivo de
facilitar a montagem. No apêndice consta maiores detalhes desta motobomba como
curva de seleção, tabela de seleção, dimensionais, etc.
Figura 19 - Motobomba CAM-W21 de 2,0cv
O motor utilizado é de 2,0cv com corrente máxima de 6,0A da fabricante
WEG.
7.4. SELEÇÃO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA
O Inversor de Frequência utilizado é o modelo CFW500 com programação e
interface computacional voltada para a aplicação multibombas.
37
Figura 20 - Quadro de comando com o inversor de frequência CFW500
7.5. SELEÇÃO DOS PARÂMETROS
Para fazer a seleção dos parâmetros a serem configurados no Inversor de
Frequência, foi tomada como base a pressão de 2,0 bar.
Segue a parametrização do Inversor de Frequência. Aqui serão apresentados os
principais parâmetros configurados, no entanto constará no apêndice a parametrização
completa.
P0100 – Tempo de aceleração (s)
Tempo da rampa de aceleração linear;
Valor configurado: 2,0
P0101 – Tempo de desaceleração (s)
Tempo da rampa de desaceleração linear quando o motor for desligado;
Valor configurado: 2,0
P0133 – Limite de referência de Velocidade Mínima (Hz)
Frequência mínima desejada para o motor;
Valor configurado: 40,0
P0134 – Limite de Referência de Velocidade Máxima (Hz)
Frequência máxima desejada para o motor;
Valor configurado: 60,0
38
P1011 – Setpoint para controle de pressão de saída (bar)
Setpoint de pressão de controle;
Valor configurado: 2,0
P1028 – Escala do sensor da variável de controle
Fundo de escala do sensor de pressão utilizado;
Valor configurado: 10
P1033 – Ação do controle PID
Definição da ação do controlador PID (Direto (0) ou Inverso (1))
Valor configurado: 0
P1034 – Ganho Proporcional do PID
Valor configurado: 4
P1035 – Ganho Integral do PID
Valor configurado: 35
P1036 – Ganho Derivativo do PID
Valor configurado: 0
Os valores dos parâmetros P1034, P1035 e P1036 foram configurados de forma
empírica, ou seja, na tentativa e erro, até que o sistema permanecesse estável.
7.6. DEMAIS INSTRUMENTOS UTILIZADOS
- Medidor de vazão:
Medidor de vazão KROHNE IFC 010 D com medição máxima de 40m³/h.
Figura 21 - Medidor de vazão Krohne
39
- Bancada de Medição Elétrica (Quadro elétrico)
Esta bancada é o local onde são medidos os parâmetros elétricos (tensão,
corrente, potência, etc.) através do multimedidor KRON MKM-D. Também contém o
display NOVUS N480-I de temperatura da água e de pressão no transdutor.
Figura 22 - Bancada de controle elétrico
- Transdutor de Pressão e Manovacuômetro
O transdutor de pressão é da fabricante Tecnotron com medição de 0 a 10bar.
Figura 23 - Transdutor de pressão
40
O transdutor manovacuômetro é fabricado pela Wika com medição de -1 a 1
bar.
Figura 24 - Manovacuômetro e mostrador de vácuo
- Tacômetro
Tacômetro de contato Minipa MDT-2245A com leitura de 0 a 9999 rpm.
Figura 25 - Tacômetro
41
7.7. EXECUÇÃO DOS TESTES
De forma geral, os testes foram realizados da seguinte forma:
- Acionamento da bomba;
- Espera até a estabilização do sistema (vazão e pressão);
- Tomada dos dados elétricos e hidráulicos no ponto de maior vazão (H =
0mca);
- Estrangulamento da descarga;
- Repetição do ciclo estrangulando a descarga até Shut off da bomba (vazão =
zero).
Na tomada da curva da bomba controlada pelo inversor de frequência há a
parametrização do inversor antes do acionamento da bomba.
Como visto nas seções anteriores, a curva da bomba sofre mudanças drásticas
com a simples alteração da rotação do motor a ela acoplada. O Inversor de Frequência
controla a pressão do sistema através da manipulação da rotação do motor por meio da
mudança da frequência de alimentação do mesmo.
Sendo assim, a figura que segue é a exemplificação do que ocorre com a curva.
AMT (mca)
30
25
20
15
10
3500 rpm (60Hz)
3300 rpm (55Hz)
3250 rpm (54Hz)
3200 rpm (53Hz)
3050 rpm (50Hz)
5
0
0
5
10
15
Vazão (m³/h)
20
25
30
Gráfico 1 - Variação da curva com a rotação
Para cada rotação diferente da bomba há uma curva que a especifique e seguem
sempre a lei de semelhança de bombas que relaciona a vazão, pressão e potência à sua
rotação.
42
Nos pontos de atuação do Inversor de Frequência a fim de manter a pressão do
sistema constante, há a mudança da rotação do motor fazendo com que sejam tomados
os pontos de curvas paralelas à da bomba, porém com rotações inferiores.
Os testes foram realizados da seguinte forma:
1º) Foram capturados os dados da bomba CAM-W21 sem a utilização do
Inversor de Frequência e plotada a sua curva característica, assim como as curvas de
potência consumida e rendimento do conjunto motobomba;
2º) Foram capturados os dados da bomba CAM-W21 com a utilização do
Inversor de Frequência, assim como as curvas de potência consumida e rendimento do
arranjo de motobombas;
43
8. ANÁLISE DOS DADOS EXPERIMENTAIS
Neste capítulo serão apresentados os dados coletados nos dois testes e as suas
análises.
Os dados detalhados dos testes se encontram no apêndice deste trabalho.
8.1. TESTE #1 – BOMBA SEM INVERSOR DE FREQUÊNCIA
Neste teste foram coletados todos os pontos do funcionamento da bomba
CAM-W21 sem o controle do Inversor de Frequência para plotagem da curva
característica da bomba e os dados elétricos do mesmo para futura comparação.
1
2
3
4
5
6
7
Q - Vazão(m /h)
26,99
24,67
21,92
19,24
15,75
11,12
0,00
AMT (mca)
7,8
10,1
12,9
15,5
18,2
20,9
24,5
POTÊNCIA (kW)
2,71
2,65
2,52
2,41
2,24
1,95
1,19
PONTO DE TESTE
3
Tabela 2 - Dados da boba sem controle de inversor de frequência
AMT e Potência
AMT (mca)
Potência (kW)
30
2,8
2,6
25
2,4
20
2,2
2,0
15
1,8
10
1,6
1,4
5
1,2
0
1,0
0
5
10
15
20
25
30
Vazão (m³/h)
Gráfico 2 - AMT e Potência da bomba sem controle do inversor de frequência
44
8.2. TESTE #2 – BOMBA COM INVERSOR DE FREQUÊNCIA
Neste teste foram coletados todos os pontos do funcionamento da bomba
CAM-W21 com o controle do Inversor de Frequência para plotagem da curva
característica da bomba e os dados elétricos do mesmo para futura comparação.
PONTO DE
TESTE
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Q - Vazão(m /h)
27,15
24,31
21,60
18,81
15,35
13,54
10,15
8,74
7,27
5,56
4,07
0,00
AMT (mca)
8,1
10,7
13,5
16,1
18,8
19,7
19,6
19,5
19,6
19,6
19,6
19,6
POTÊNCIA (kW)
2,74
2,63
2,53
2,40
2,21
2,08
1,71
1,57
1,43
1,30
1,17
0,93
3
Tabela 3 - Dados da bomba com controle do inversor de frequência
AMT e Potência
AMT (mca)
Potência (kW)
25
3,0
2,5
20
2,0
15
1,5
10
1,0
5
0,5
0
0,0
0
5
10
15
20
25
30
Vazão (m³/h)
Gráfico 3 - AMT e Potência da bomba com controle do inversor de frequência
Nos pontos formadores da reta horizontal, nota-se que o Inversor de Frequência
controla a rotação da motobomba fazendo com que a pressão se mantenha constante
apesar da variação da vazão.
45
8.3. COMPARAÇÃO DAS DUAS CONFIGURAÇÕES DE ATUAÇÃO DA
BOMBA
Comparativo
AMT(mca)
Potência (kW)
3,0
30
25
2,5
20
2,0
15
1,5
AMT - Sem inversor
10
1,0
AMT - Com inversor
Pot. Sem inversor
5
0,5
Pot. Com inversor
0
0,0
0
5
10
15
Vazão (m³/h)
20
25
30
Gráfico 4 - Comparativo das curvas
Nota-se que o consumo elétrico da motobomba que é ligada ao Inversor de
Frequência é menor enquanto a vazão requerida estiver abaixo de 13 m³/h, ou seja,
enquanto a frequência do motor estiver abaixo de 60 Hz como mostrado no gráfico
abaixo.
25,0%
21,8% 21,0%
17,9%
15,8%
20,0%
Economia (%)
15,0%
12,6%
9,3%
10,0%
5,0%
0,3%
-1,2%
0,0%
-2,1% -2,7%
-3,2%
-4,9%
-5,0%
-10,0%
0
5
10
15
20
25
30
Vazão (m³/h)
Gráfico 5 - Economia de energia
46
Com isto conseguimos uma economia de aproximadamente 21% na utilização
do inversor de frequência para controle de vazão. O consumo é maior a partir de 13
m³/h em decorrência do consumo energético do inversor de frequência para realizar o
chaveamento.
47
9. CONCLUSÃO
Com a exigência da sociedade por menor consumo de energia, a busca para tal
objetivo se faz mais que necessária, e sim obrigatória.
Os testes comprovaram claramente a proposta deste trabalho que é demonstrar,
através de medições em laboratório, a diminuição do consumo de energia e as
limitações dos motores quando acionados através de Inversores de Frequência e
operando em capacidade reduzida.
A economia chegou próximo de 21% em relação ao controle tradicional da
vazão que se dá pelo estrangulamento da tubulação.
Para a simulação realizada, foi claramente vantajosa a utilização do inversor de
frequência em substituição do método tradicional. Porém, o percentual de economia
varia conforme a característica da carga e, por isto, cada situação deve ser analisada
criteriosamente para definir se a instalação deste tipo de equipamento é
economicamente viável.
A aplicação do inversor de frequência para controle de vazão é
economicamente viável quando há um superdimensionamento da motobomba e para
sistemas onde a vazão requerida não seja fixa.
Há a possibilidade de estudos futuros para o controle de mais de uma bomba,
simultaneamente, pelo inversor de frequência e o controle para frequências de
alimentação do motor maiores que 60 Hz.
48
10. APÊNDICE
10.1. Memória de cálculo do NPSH
- Viscosidade ( ) - [
⁄
]
(
)
Onde
– Temperatura da água [K]
- Densidade (ρ) - [
⁄
]
Onde
– Temperatura da água [°C]
- Pressão de Vapor da Água (
)-[ ⁄
]
A equação foi gerada a partir da curva gerada pelos pontos da tabela de pressão
de vapor da água que segue.
49
Após a tomada da curva de pressão de vapor da água, fez-se a curva de
tendência com um polinômio de quinto grau que representou com fidelidade a
curva de pressão de vapor.
Onde
– Temperatura da água [°C]
- Número de Reynolds (
)
Onde
– Densidade [
⁄
];
– Velocidade da água na sucção da bomba [m/s];
– Diâmetro de sucção da bomba [m];
– Viscosidade [
⁄
].
) – [m]
- Perda de Carga (
Onde
– Fator de atrito;
– Comprimento equivalente da tubulação [m];
– Velocidade da água na sucção da bomba [m/s];
– Diâmetro da sucção da bomba [m].
- Fator de atrito ( )
√
*
(
)+
Onde
50
– Fator de entrada na tubulação;
– Diâmetro da sucção da bomba [m];
– Número de Reynolds;
- Altura máxima de sucção (
) – [m]
[
[
(
]]
Onde
– Pressão atmosférica [mca];
– Pressão de vapor da água [mca];
– Pressão de sucção [mca];
– Densidade [
⁄
];
– Perda de carga [m].
- Altura máxima de sucção (
) – [m]
A pressão atmosférica varia com a altitude segundo a tabela:
Como a pressão atmosférica varia pouco com a altitude, estou considerando
que a pressão atmosférica, ao nível do mar, é de 10 mca.
51
10.2. Relatório dos Testes
10.2.1. Teste da motobomba se controle do Inversor de frequência
PONTO DE TESTE
3
1
2
3
4
5
6
7
Q - Vazão(m /h)
26,99
24,67
21,92
19,24
15,75
11,12
0,00
P2 - Descarga (mca)
5,42
8,03
11,13
14,02
17,01
20,03
23,90
P1 - Sucção (mca)
-1,63
-1,39
-1,17
-0,95
-0,71
-0,47
-0,27
v2/2g
0,41
0,34
0,27
0,21
0,14
0,07
0,00
AMT (mca)
8,5
10,8
13,6
16,2
18,9
21,6
25,2
AMPERAGEM (A)
9,37
10,02
9,31
8,91
8,36
7,33
4,83
FASE 1
9,89
10,54
9,73
9,45
9,00
7,81
5,41
FASE 2
9,24
9,91
9,22
8,66
8,29
7,32
4,72
FASE 3
8,96
9,60
8,96
8,62
7,79
6,87
4,35
POTÊNCIA
2,71
2,65
2,52
2,41
2,24
1,95
1,19
FASE 1
0,97
0,92
0,88
0,85
0,81
0,70
0,45
FASE 2
0,89
0,89
0,85
0,79
0,75
0,66
0,39
FASE 3
0,85
0,84
0,79
0,77
0,68
0,60
0,35
NPSH
1,93
1,61
1,31
1,02
0,70
0,38
0,10
RPM BOMBA
3270
3315
3316
3308
3323
3390
3463
8
9
10
11
12
Tabela 4 - Planilha de teste da motobomba sem controle do Inversor de Frequência
10.2.2. Teste da motobomba com controle do Inversor de Frequência
PONTO DE TESTE
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Q - Vazão(m3/h)
27,15
24,31
21,60
18,81
15,35
13,54
10,15
8,74
7,27
5,56
4,07
0,00
P2 - Descarga (mca)
5,01
8,01
11,08
14,03
17,03
18,00
18,10
18,15
18,20
18,25
18,28
18,31
P1 - Sucção (mca)
-1,65
-1,37
-1,15
-0,88
-0,68
-0,59
-0,43
-0,35
-0,35
-0,31
-0,29
-0,28
2
v /2g
0,42
0,33
0,26
0,20
0,13
0,10
0,06
0,04
0,03
0,02
0,01
0,00
AMT (mca)
8,1
10,7
13,5
16,1
18,8
19,7
19,6
19,5
19,6
19,6
19,6
19,6
AMPERAGEM (A)
10,34
9,91
9,67
8,98
8,64
8,02
6,69
6,39
5,89
5,50
5,11
4,28
FASE 1
11,09
10,76
10,56
9,68
9,44
8,85
7,44
7,33
6,82
6,43
6,10
5,25
FASE 2
10,38
10,00
9,68
8,93
8,55
7,91
6,67
6,30
5,87
5,56
5,25
4,49
FASE 3
9,54
8,98
8,77
8,31
7,93
7,28
5,96
5,55
4,97
4,51
3,98
3,10
POTÊNCIA
2,74
2,63
2,53
2,40
2,21
2,08
1,71
1,57
1,43
1,30
1,17
0,93
FASE 1
0,97
0,95
0,92
0,86
0,80
0,77
0,63
0,61
0,56
0,52
0,49
0,41
FASE 2
0,93
0,89
0,85
0,81
0,74
0,69
0,57
0,51
0,47
0,43
0,39
0,31
FASE 3
0,84
0,79
0,75
0,73
0,67
0,62
0,50
0,45
0,39
0,34
0,30
0,22
NPSH
2,08
1,71
1,41
1,07
0,79
0,67
0,46
0,36
0,35
0,29
0,26
0,24
RPM BOMBA
3324
3325
3336
3349
3367
3368
3274
3243
3204
3190
3182
3115
Tabela 5 - Planilha de teste da motobomba com controle do Inversor de Frequência
52
10.3. Dados do motor acoplado às bombas
Figura 26 - Dados do motor utilizado nos testes
53
10.4. Dados de catálogo da bomba selecionada
Figura 27 - Dados técnicos da bomba (1)
54
Figura 28 - Dados técnicos da bomba (2)
55
11. BIBLIOGRAFIA
[1] FOX, Robert W. Introdução à mecânica dos fluidos. 7ª Ed. Rio de Janeiro:
LTC, 2010.
[2] PFLEIDERER, Carl. Máquinas de fluxo. 4ª Ed. Rio de Janeiro: Livros
Técnicos e Científicos, 1979.
[3] MATTOS, Edson E. Bombas industriais. 2ª Ed. Rio de Janeiro:
Interciância, 1998.
[4] MACINTYRE, Archibald, J. Bombas e instalações de bombeamento. 2ª Ed.
Rio de Janeiro: LTC, 2012.
[5] SOUZA, Zulci. Projetos de máquinas de fluxo: Tomo II, bombas
hidráulicas com rotores radiais e axiais. 1ª Ed. Rio de Janeiro: Acta, 2011.
[6] CAPELLI, Alexandre. Automação industrial: controle do movimento e
processos contínuos. 2ª Ed. São Paulo: Érica, 2008.
56