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ii
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de
um sistema de bombeamento sob o enfoque da
eficiência energética
Dissertação apresentada por Ronaldo Guimarães à Universidade
Federal de Uberlândia como parte dos requisitos para obtenção do
título de Mestre em Engenharia Elétrica.
Banca Examinadora:
Professor Antônio Carlos Delaiba, Dr. (UFU) – Orientador
Professor Paulo César Abreu Leão, Dr. (UFSJ)
Engenheiro Sérgio Ferreira de Paula Silva , Dr. (Quality)
Professor Décio Bispo, Dr. (UFU)
Uberlândia, 24 de Janeiro de 2008
ads:
iii
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de
um sistema de bombeamento sob o enfoque da
eficiência energética
Ronaldo Guimarães
Dissertação apresentada por Ronaldo Guimarães à
Universidade Federal de Uberlândia como parte dos
requisitos para obtenção do título de Mestre em
Engenharia Elétrica.
Prof
o
Antônio Carlos Delaiba
Orientador
Prof
o
Darizon Alves de Andrade
Coordenador do Curso de
pós-graduação
Uberlândia
2008
iv
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
G963c
Guimarães, Ronaldo, 1969-
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bom-
beamento sob o enfoque da eficiência energética / Ronaldo Guimarães. -
2008.
172 f. : il.
Orientador: Antônio Carlos Delaiba.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Uberlândia, Progra-
ma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica.
Inclui bibliografia.
1. Sistemas de energia elétrica - Teses. 2. Energia elétrica - Consumo -
Teses. 3. Inversores elétricos - Teses. I. Delaíba, Antônio Carlos. II. Uni-
versidade Federal de Uberlândia. Programa de Pós-Graduação em Enge-
nharia Elétrica. III. Título.
CDU: 621.311
Elaborado pelo Sistema de Bibliotecas da UFU / Setor de Catalogação e Classificação
v
DEDICATÓRIA
DEDICO ESTE TRABALHO AOS MEUS FAMILIARES,
EM ESPECIAL À MINHA ESPOSA MARTA
, PELO
APOIO
, MOTIVAÇÃO E PACIÊNCIA DURANTE O
TEMPO DEDICADO AO ESTUDO QUE GEROU ESTA
DISSERTAÇÃO
.
vi
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Antônio Carlos Delaiba, pela valiosa orientação durante a execução
dos trabalhos, pelas palavras sensatas, pela amizade e pela compreensão nos mom
entos difíceis.
Ao Prof. Marcelo Lynce R. Chaves
, pela grande colaboração dada ao
compartilhar comigo alguns dos seus conhecimentos em ATP.
Ao Prof. Décio Bispo e ao
Engenheiro Sérgio Ferreira de Paula Silva,
pela colaboração dada ao compartilhar comigo alguns dos seus conhecimentos
sobre os equipamentos instalados no laboratório, pelo incentivo e pelas sugestões
que engrandeceram este trabalho.
Aos demais professores e colegas de pós-graduação que sempre estiveram
presentes nos momentos de aprendizado e que foram essenciais à conclusão deste
trabalho.
À Eletrobrás que por meio do convênio do PROCEL/Indústria patrocinou a
construção do Laboratório de Otimização de Sistemas Motrizes da Universidade
Federal de Uberlândia, onde foi realizado este trabalho.
Ao Engenheiro Carlos Aparecido Ferreira (Eletrobrás) pela sua colaboração
na montagem do laboratório.
À FAU pelo apoio financeiro.
vii
RESUMO
Esta dissertação tem por objetivo apresentar uma metodologia de comparação do
desempenho elétrico, mecânico e hidráulico, sob o enfoque da eficiência energética, de
sistemas de bombeamento controlados por válvulas de estrangulamento ou por inversores de
freqüência. O acionamento é realizado pelos motores da linha padrão ou de alto rendimento.
Neste sentido, este trabalho apresenta a simulação no domínio do tempo a partir de uma
plataforma computacional denominada ATP (Alternative Transient Program).
Complementando os aspectos anteriores, a validação da modelagem proposta, é realizada
através da comparação entre os valores simulados e aqueles oriundos dos ensaios
experimentais. Finalmente, deve-se destacar que os experimentos laboratoriais foram
executados no laboratório de eficiência energética da Faculdade de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal de Uberlândia.
Palavras Chave: Eficiência energética, Sistemas de bombeamento, Inversores de freqüência,
Consumo de Energia.
viii
ABSTRACT
This thesis aims to present a methodology for comparing the performance
electrical, mechanical and hydraulic under the focus of the energy efficiency of
pumping systems controlled by valves of strangulation or by the frequency converters.
The trigger is held by engines of the line standard or high efficiency. Therefore, this
paper presents the simulation in domain of time from a computer platform called ATP
(Alternative Transient Program). Complementing the aspects earlier, the validation of
proposal modeling, is performed by comparing the simulated values and those from the
tests. Finally, it should be emphasized that the laboratory experiments were performed
in the laboratory for energy efficiency of the Faculty of Electrical Engineering of the
Federal University of Uberlândia.
Key words: energy efficiency, pumping systems, frequency converters, consumption of
Energy.
ix
SUMÁRIO
1 – Introdução................................................................................................................... 1
...1.1 – O panorama energético brasileiro ........................................................................ 1
...1.2 – Estrutura interna do trabalho ............................................................................... 6
2 – Eficiência energética em sistemas de bombeamento.................................................. 8
...2.1 – Introdução ............................................................................................................ 8
...2.2 – O motor de indução ............................................................................................. 9
......2.2.1 – A velocidade ................................................................................................ 10
......2.2.2 - Curvas características ................................................................................... 11
...2.3 – O motor de alto rendimento ............................................................................... 17
...2.4 – O motor de indução submetido a variações na tensão de alimentação .............. 19
...2.5 – A manutenção do motor de indução trifásico .................................................... 20
......2.5.1 – O motor rebobinado ..................................................................................... 21
...2.6 – O acoplamento motor-carga .............................................................................. 23
...2.7 – Sistema de bombeamento................................................................................... 27
......2.7.1 – Principais componentes de um sistema de bombeamento ........................... 27
......2.7.2 – Bomba hidráulica ......................................................................................... 28
...2.8 – Bomba centrífuga .............................................................................................. 29
......2.8.1 - Curvas características ou de desempenho .................................................... 29
.........2.8.1.1 - Curvas da bomba .................................................................................... 29
.........2.8.1.2 - Curva de carga do sistema ...................................................................... 34
.........2.8.1.3 - Curva de conjugado da bomba versus rotação ....................................... 36
......2.8.2 – Estimativa do momento de inércia da carga (J
c
) .......................................... 38
...2.9 – O controle de vazão por estrangulamento de válvula ........................................ 39
......2.9.1 – O efeito do estrangulamento de válvula na curva do sistema ...................... 40
...2.10 – O inversor de freqüência em sistemas de bombeamento ................................. 41
......2.10.1 – O inversor de freqüência ............................................................................ 41
......2.10.2 – Obtenção das curvas características para diversas rotações a partir da curva
.....................original........................................................................................................43
......2.10.3 – Considerações sobre a utilização de inversores de freqüência .................. 45
...2.11 – Comparação entre os métodos válvula de estrangulamento e controle de
.................velocidade.......................................................................................................46
...2.12 – Possibilidades de economizar energia elétrica em sistemas de bombeamento
x
........................................................................................................................................ 48
...2.13 – Viabilidade econômica .................................................................................... 49
......2.13.1 – Tempo de retorno simples ......................................................................... 50
......2.13.2 – Tempo de retorno capitalizado .................................................................. 51
......2.13.3 – Valor presente líquido (VPL) .................................................................... 51
......2.13.4 – Exemplo de aplicação ................................................................................ 52
...2.14 – Considerações finais ........................................................................................ 55
3 – Descrição da estação de trabalho do sistema de bombeamento................................56
...3.1 – Introdução .......................................................................................................... 56
...3.2 – Estação de trabalho do LAMOTRIZ ................................................................. 56
......3.2.1 – Características gerais da planta industrial ....................................................56
......3.2.2 – Características específicas do sistema de bombeamento ............................. 60
......3.2.3 – Os motores ................................................................................................... 63
......3.2.4 – O dinamômetro ............................................................................................ 64
......3.2.5. – A bomba centrífuga .................................................................................... 65
......3.2.6 – Detalhamento dos sensores e atuadores ....................................................... 67
...3.3 – Painel de controle e acionamento ...................................................................... 72
......3.3.1 – Partida direta ................................................................................................ 75
......3.3.2 – Partida suave ................................................................................................ 76
......3.3.3 – Inversor de freqüência ................................................................................. 77
.........3.3.3.1 – Características de conjugado ................................................................. 78
.........3.3.3.2 – A ação do inversor em situações de falha .............................................. 79
......3.3.4 – O medidor de grandezas elétricas...............................................80
.........3.3.4.1 – Funções de medição ............................................................................... 81
.........3.3.4.2 – Captura de formas de onda .................................................................... 83
......3.3.5 – Controlador Lógico Programável – CLP ..................................................... 83
...3.4 – Sistema supervisório .......................................................................................... 85
......3.4.1 – O controle de vazão via supervisório .......................................................... 89
...3.5 – Dinamômetro ..................................................................................................... 91
...3.6 – Considerações finais .......................................................................................... 92
4 – Ensaios de laboratório realizados na estação de trabalho do sistema de
...........bombeamento .......................................................................................................93
4.1- Introdução ............................................................................................................ 93
...4.2 – O sistema de bombeamento ............................................................................... 93
xi
......4.2.1 – Os motores: alto-rendimento e convencional .............................................. 93
......4.2.2 – Altura manométrica ................................................................................... 95
......4.2.3 – Curva de carga do sistema .................................................................... 99
......4.2.4 – Determinação do NPSH e verificação de cavitação .................................... 99
......4.2.5 – Potência absorvida (BHP) e rendimento (η) .............................................. 101
......4.2.6 – Os conjugados médios e o momento de inércia da carga .......................... 103
...4.3 – A eficiência energética pela comparação entre os motores da linha padrão e de
.............alto-rendimento utilizando a válvula de estrangulamento .............................. 105
...4.4 – Comparação da eficiência energética utilizando inversores de freqüência ..... 107
...4.5 – Estudo das leis de afinidade para cargas centrífugas ....................................... 112
......4.5.1 – As leis de afinidade aplicadas ao sistema de bombeamento do LAMOTRIZ
...................................................................................................................................... 112
......4.5.2 – Obtenção das curvas características para diversas velocidades a partir da
....................curva para uma rotação conhecida ........................................................... 114
...4.6 - Considerações finais ......................................................................................... 116
5 – Simulação computacional do sistema de bombeamento (LAMOTRIZ) na plataforma
......ATP......................................................................................................................... 117
...5.1 – Introdução ........................................................................................................ 117
...5.2 – O sistema de bombeamento ............................................................................. 118
......5.2.1 – A representação do motor de indução trifásico – MIT ............................. 118
......5.2.2 – A representação do sistema de bombeamento............................................ 119
...5.3 – A modelagem do sistema ................................................................................. 120
......5.3.1 – Representação do sistema no ATPDraw ................................................... 120
......5.3.2 – Representação do motor no ATPDraw........................................................121
......5.3.3 – Entrada de dados do motor de indução trifásico ........................................ 122
......5.3.4 – Entrada de dados da carga ......................................................................... 123
...5.4 – Simulações ....................................................................................................... 124
......5.4.1 – Ensaio a vazio ......................................................................................... 124
......5.4.2 – Ensaio de rotor travado .............................................................................. 127
......5.4.3 – Ensaio com carga nominal ......................................................................... 128
...5.5 – Ensaio com carga acionada em 45 Hz ............................................................. 132
...5.6 – Validação do modelo computacional ..........................................................136
...5.7 – Considerações finais......................................................................................... 138
6 – Conclusão ............................................................................................................. 139
xii
...6.1 – Trabalhos futuros ............................................................................................. 141
Referências Bibliográficas ........................................................................................... 142
Anexo ........................................................................................................................... 146
xiii
LISTA DE FIGURAS
1.1 - Consumo de energia elétrica no Brasil (1975-2005) ............................................... 3
1.2 – Capacidade instalada de geração de energia elétrica no Brasil (1974-2005) ......... 4
1.3 – Estrutura da oferta interna de energia elétrica no Brasil ........................................ 4
2.1 – Curva conjugado x velocidade de um motor de indução ...................................... 11
2.2 – Categorias dos motores de indução trifásicos ....................................................... 12
2.3 – Curva corrente x velocidade de um motor de indução ......................................... 13
2.4 – Comparação entre diferentes métodos de partida ................................................. 14
2.5 – Curva rendimento x carga de um motor de indução ............................................. 15
2.6 – Curva fator de potência x carga de um motor de indução .................................... 16
2.7 – Curvas de desempenho de um motor de 10cv da linha padrão ............................ 17
2.8 – Diagrama representativo do acoplamento motor-carga ........................................ 24
2.9 – Componentes de um sistema de bombeamento .................................................... 27
2.10 – Tipos de curva H x Q .......................................................................................... 31
2.11 – Curva η x Q ........................................................................................................ 31
2.12 – Curva P
m
x Q ...................................................................................................... 32
2.13 – Curva H x Q ........................................................................................................ 35
2.14 – Curva de conjugado versus rotação .................................................................... 36
2.15 – Conjugados médios em função da rotação do sistema de bombeamento ........... 37
2.16 – Efeito da ação de válvulas de estrangulamento .................................................. 40
2.17 – Curva tensão versus freqüência .......................................................................... 42
2.18 – Variação da curva de trabalho de uma bomba centrífuga pela variação da
............velocidade .......................................................................................................... 43
2.19 – Efeito da rotação nas curvas características ....................................................... 44
2.20 – Curva de conjugado x rotação da bomba para diversas velocidades .................. 45
2.21 – Recomendação de torque em função da freqüência para motores acionados a
............inversores de freqüência .................................................................................... 46
2.22 – Comparativo entre controle de vazão por estrangulamento de válvula e inversor
...........de freqüência ....................................................................................................... 47
2.23 – A potência elétrica comparativa entre os dois métodos: válvula e inversor ....... 48
2.24 – Balanço médio de energia em um sistema hidráulico ........................................ 48
2.25 – Tela de retorno de investimento do software BDMotor ..................................... 54
3.1 – Visão geral da bancada do sistema de bombeamento ........................................... 57
xiv
3.2 – Equipamentos de informática ............................................................................... 58
3.3 – Rede de comunicação da bancada da bomba centrífuga ...................................... 59
3.4 – Conjunto motor-bomba fixos na bancada ............................................................ 60
3.5 – Diagrama orientativo da bancada da bomba centrífuga ....................................... 61
3.6 – Reservatório superior da bancada de bombeamento ............................................ 62
3.7 – Dispositivo eletromagnético de frenagem e simulação de carga ......................... 65
3.8 – Curva vazão x altura x rendimento % .................................................................. 65
3.9 – Curva vazão x potência ........................................................................................ 66
3.10 – Curva vazão x NTSH .......................................................................................... 67
3.11 – Fluxograma simplificado da bancada de bombeamento .................................... 67
3.12. – Chaves de nível tipo bóia magnética ................................................................. 68
3.13 – Transmissor de pressão diferencial YOKOGAWA ............................................ 69
3.14 – Válvulas solenóide .............................................................................................. 69
3.15 – Manômetro petroquímico ................................................................................... 70
3.16. – Transdutor de pressão diferencial capacitivo .................................................... 71
3.17 – Válvula de estrangulamento tipo globo de contorno Fox Wall .......................... 71
3.18 – Vista da parte interna do painel de comando ...................................................... 73
3.19 – Esquema unifilar do sistema de comando .......................................................... 74
3.20 – Desenho esquemático da chave de partida suave ............................................... 77
3.21 – Curvas de conjugado para o inversor de freqüência ........................................... 79
3.22 – Representação do multimedidor ......................................................................... 80
3.23 – Tela inicial do sistema supervisório ................................................................... 85
3.24 – Apresentação da bancada da bomba centrífuga na tela do supervisório ............ 86
3.25 – Tela de comando ................................................................................................. 86
3.26 – Janela de medições de grandezas elétricas ......................................................... 87
3.27 – Banco de dados do sistema supervisório ............................................................ 88
3.28 – Tela de apresentação de parâmetros x tempo ..................................................... 88
3.29 – Janela de apresentação das temperaturas do motor ............................................ 89
3.30 – Indicações de PID na tela de fluxograma da bancada didática da bomba
...........centrífuga ............................................................................................................ 89
3.31 – Janela PID do sistema de bombeamento ............................................................ 90
3.32 – Tela do dinamômetro no supervisório ................................................................ 91
4.1 – Sistema hidráulico da estação de bombeamento .................................................. 95
4.2 – Curva de carga do sistema de bombeamento do LAMOTRIZ ............................. 99
xv
4.3 – Curva vazão x NPSH .......................................................................................... 101
4.4 – Curva que relaciona altura manométrica e vazão com o rendimento.................. 103
4.5 – Curva de conjugado mecânico x velocidade angular da bomba centrífuga......... 104
4.6 – Efeitos causados pela variação de velocidade e pelo estrangulamento de válvula
.........para um sistema acionado pelo motor LP ........................................................... 110
4.7 – Efeitos causados pela variação de velocidade e pelo estrangulamento de válvula
.........para um sistema acionado pelo motor AR........................................................... 110
4.8 – Potência versus vazão utilizando o motor LP...................................................... 111
4.9 – Potência versus vazão utilizando o motor AR .................................................... 111
4.10 – Relação vazão versus carga de pressão ............................................................ 115
4.11 – Relação potência elétrica em função da vazão ................................................. 115
5.1 – Circuito elétrico equivalente para o motor ......................................................... 119
5.2 – Curva do sistema de bombeamento..................................................................... 120
5.3 – O sistema de bombeamento representado no ATP.............................................. 120
5.4 – O motor representado no ATP ............................................................................ 121
5.5 – Janela de atributos do motor ............................................................................... 122
5.6 – Janela de atributos do resistor não-linear NLINRES .......................................... 123
5.7 – Curva de resistência representativa da carga mecânica ...................................... 124
5.8 – Correntes a vazio ................................................................................................ 125
5.9 – Torque mecânico durante a operação do motor com o rotor livre ...................... 126
5.10 – Velocidade do motor com o rotor livre ............................................................ 126
5.11 – Correntes do motor com o rotor travado ...........................................................127
5.12 – Torque de rotor bloqueado ............................................................................... 127
5.13 – Velocidade do motor com o rotor bloqueado ................................................... 128
5.14 – Tensões na partida ............................................................................................ 128
5.15 – Correntes na partida .......................................................................................... 129
5.16 – Torque mecânico no eixo do motor .................................................................. 130
5.17 – Torque de carga mecânica do sistema .............................................................. 131
5.18 – Velocidade do conjunto motor-carga ............................................................... 131
5.19 – Formas de onda da potência elétrica ................................................................ 132
5.20 – Potência mecânica no eixo do MIT .................................................................. 132
5.21 – Tensões fase-fase no motor em 45Hz ............................................................... 133
5.22 – Correntes do motor em 45Hz ............................................................................ 134
5.23 – Torque no motor em 45Hz ................................................................................ 134
xvi
5.24 – Torques do motor e do sistema em 45Hz ......................................................... 135
5.25 – Velocidade do motor em 45Hz ......................................................................... 135
5.26 – Potência elétrica em 45Hz ................................................................................ 136
5.27 – Potência mecânica em 45Hz ............................................................................. 136
xvii
LISTA DE TABELAS
2.1 – Comparação entre as perdas em motores ............................................................. 18
2.2 – Motor de indução submetido a variações de tensão ............................................. 20
2.3 – Grandezas antes do reparo .................................................................................... 22
2.4 – Grandezas após o reparo ....................................................................................... 22
2.5 – Rendimentos para alguns tipos de acoplamento ................................................... 26
3.1 – Componentes presentes na estação de bombeamento .......................................... 63
3.2 – Componentes utilizados no CLP .......................................................................... 84
4.1 – Valores de comprimento equivalente para as conexões presentes na bancada .... 96
4.2 – Valores de perda de carga nas tubulações ............................................................ 97
4.3 – Pressão atmosférica para determinadas altitudes ................................................ 100
4.4 – Pressão de vapor da água para determinadas temperaturas ................................ 100
4.5 – Valores elétricos do motor da linha padrão ........................................................ 105
4.6 – Valores elétricos do motor de alto-rendimento .................................................. 105
4.7 – Comparação de consumo de energia entre motores LP e AR ............................ 106
4.8 – Variação de velocidade em função da vazão com um motor LP ........................ 107
4.9 – Variação de velocidade em função da vazão com um motor AR ....................... 108
4.10 – Comparação de consumo entre inversor de freqüência e válvula de
...........estrangulamento no controle de vazão com a utilização do motor LP ............. 108
4.11 – Comparação de consumo entre inversor de freqüência e válvula de
...........estrangulamento no controle de vazão com a utilização do motor AR ............ 109
4.12 – Relações das leis de afinidade em um motor convencional ............................. 113
4.13 – Relações das leis de afinidade em um motor de alto-rendimento .................... 113
5.1 – Dados de placa do MIT ...................................................................................... 118
5.2 – Ensaio a vazio ..................................................................................................... 118
5.3 – Ensaio de rotor bloqueado .................................................................................. 119
5.4 – Parâmetros para o circuito equivalente ............................................................... 119
5.5 – Valores de corrente encontrados via simulação ................................................. 125
5.6 – Valores de torque encontrados via simulação..................................................... 126
5.7 – Valores de tensão utilizados na simulação ......................................................... 129
5.8 – Valores de corrente encontrados via simulação para carga nominal .................. 129
5.9 – Valores de torque encontrados via simulação com carga nominal ..................... 130
5.10 – Valores medidos em laboratório para 45Hz ..................................................... 133
xviii
5.11 – Valores de tensão utilizados na simulação em 45Hz ........................................ 133
5.12 – Valores de corrente obtidos na simulação em 45Hz ......................................... 134
5.13 – Grandezas elétricas medidas e simuladas com motor a vazio .......................... 137
5.14 – Grandezas elétricas medidas e simuladas para o motor com rotor bloqueado . 137
5.15 – Grandezas elétricas e mecânicas, medidas, simuladas e de placa referentes a
............60Hz ................................................................................................................. 138
5.16 – Grandezas elétricas e mecânicas, medidas e simuladas referentes a 45Hz ...... 138
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
1
Capítulo 1
Introdução
1.1) O panorama energético brasileiro
As recentes mudanças no setor elétrico brasileiro, ocorridas nos anos 90,
demonstraram que a energia elétrica é um insumo valioso e, dessa forma, deve ser usada de
maneira racional. No país, com a ocorrência de privatizações nas concessões de
distribuição de energia e, em menor escala, de geração, houve a necessidade da criação de
um órgão regulador para esse setor. A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL),
criada pela Lei 9.427 de 26 de Dezembro de 1996, surgiu com a função de fiscalizar e
estabelecer normas sobre o uso da energia elétrica no Brasil. Por último, houve a crise de
abastecimento que assolou o país no ano de 2001 e que, em 2008 volta a assombrar os
setores industrial e de transporte à medida que, um alerta do governo ameaça racionar o
fornecimento de gás na busca de garantir o abastecimento das usinas termelétricas. Essas
transformações indicam que há uma necessidade do uso eficiente da energia nos mais
diversos ramos de atividade da sociedade.
Outra importante iniciativa foi a criação do PROCEL - Programa Nacional de
Conservação de Energia Elétrica, cujo principal objetivo é promover a racionalização da
produção e do consumo de energia elétrica, na busca da eliminação dos desperdícios e na
redução dos custos e dos investimentos setoriais. Criado em dezembro de 1985 pelos
Ministérios de Minas e Energia e da Indústria e Comércio, em 1991, o PROCEL foi
transformado em Programa de Governo, tendo sua abrangência e responsabilidade
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
2
ampliadas. Entre suas iniciativas destaca-se o Prêmio Nacional de Conservação e Uso
Racional de Energia, instituído em 1993, como forma de reconhecer publicamente o
empenho e os resultados obtidos nas várias categorias, como transportes, setor energético,
edificações, imprensa, micro e pequenas empresas e indústria. O prêmio, distribuído
anualmente, contempla aqueles que se destacaram pelo uso racional de energia elétrica e o
combate ao seu desperdício. Merece destaque, ainda, o selo PROCEL de economia de
energia, que tem por objetivo orientar o consumidor na compra de eletrodomésticos,
indicando os produtos que apresentam os melhores níveis de eficiência energética dentro
de cada categoria [1].
O uso eficiente de energia, que pode ser entendido como a utilização da menor
quantidade possível da mesma para realizar um trabalho sem que haja perda da qualidade e
segurança na realização, tem como campo de atuação os mais diversos ramos de atividade
da sociedade. Utilizar a energia com responsabilidade, sem desperdício, constitui um novo
parâmetro a ser considerado no exercício da cidadania.
Segundo o Gerente de Utilização de Energia da Companhia Energética de Minas
Gerais - CEMIG ações que objetivem o uso racional e eficiente de energia correspondem a
construção de uma usina virtual de energia [2]. Embasando tal opinião, Howard Steven
Geller, um dos consultores cujo trabalho acabou originando o Programa Nacional de
Conservação de Energia Elétrica (Procel), relata: a economia de energia elétrica, em 1998,
permitiu que as concessionárias brasileiras evitassem implementar aproximadamente 1560
MW de nova capacidade geradora, o que significou cerca de 3,1 bilhões de investimentos
evitados [3]. Ainda segundo o mesmo autor, ao se comparar os custos com a energia
economizada e os custos para a geração da mesma quantidade houve um coeficiente de
custo-beneficio global de aproximadamente 12:1 [4].
O setor industrial, segundo o Balanço Energético Nacional – BEN de 2006,
consumiu 175,4 TWh o correspondente a 46,75% dos 375,2 TWh consumidos no país no
mesmo período [5]. Ainda no que se refere ao cenário industrial, a CEMIG informa, em
seu site que: no Brasil, os motores elétricos de indução são responsáveis por cerca de 50%
das cargas elétricas industriais, chegando a 70% em determinadas regiões [6].
O Ministério de Minas e Energia (MME), através de empresas conveniadas
produziu um Plano Decenal de Expansão de Energia Elétrica 2006-2015 (PDEE). Neste
plano foram avaliados três cenários de crescimento de carga para o país: primeiro
considerando uma trajetória alta de mercado estimou-se um crescimento de 5,1% de carga
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Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
4
(Fonte: BEN – 2006)
Figura 1.2 – Capacidade instalada de geração de energia elétrica no Brasil (1974 -2005)
A estrutura da oferta interna de energia está indicada na figura 1.3 e, como
esperado tem características semelhantes àquelas trazidas na figura 1.2.
(Fonte: BEN – 2006)
Figura 1.3 - Estrutura da oferta interna de energia elétrica no Brasil
Segundo cálculos da Eletrobrás, se toda a energia possível de ser economizada o
fosse, o ganho seria de R$ 3,859 bilhões. Este cálculo é parte de um estudo do Programa
Nacional de Conservação de Energia (Procel) que é feito há 22 anos, e que diz ter
economizado cerca de 22 milhões de megawatts (MW), o suficiente para abastecer por um
ano todo o estado do Rio Grande do Sul [8].
A energia elétrica voltou ao centro das atenções em colóquios sobre
sustentabilidade, devido, entre outros fatores, ao problema do aquecimento global. No
Brasil, ganhou ênfase com o Programa de Aceleração do Crescimento (PAC), conjunto de
Hídrica >30 MW
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Nuclear
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PCH <= 30 MW
1,7%
Importação
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Térmica
12,6%
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
5
medidas que visa aumentar investimentos públicos e privados no setor produtivo. Alertas
para o risco de um novo "apagão", que poderia inibir o crescimento econômico do país
alcançou o Senado Brasileiro, em março de 2007. Na cerimônia, que contou com a
presença de ministros de Estado, a preocupação com relação ao abastecimento de energia
elétrica nos anos que se seguem foi mencionada.
O problema social causado pela geração de energia elétrica é evidenciado pela
necessidade de criação de organizações como o Movimento dos Atingidos por Barragens
(MAB). Esse movimento lança perguntas pertinentes, tais como: qual é a real demanda de
eletricidade no Brasil? É de fato necessária a geração de cada vez mais energia? Esse é o
caminho a ser seguido? Enquanto perguntas como essas não podem ser respondidas, a
eficiência é o melhor rumo a se tomar [7].
O impacto ambiental também deve ser considerado, o quanto mais a natureza
comporta a exploração de seus recursos energéticos é pergunta extremamente pertinente.
Neste contexto, a Agenda Elétrica Sustentável, lançada em setembro de 2006 pela World
Wildlife Found (WWF), estima que as metas de expansão para 2020 podem ser reduzidas
em até 38% se o país utilizar fontes alternativas com mais vigor. Outro estudo da WWF
quantificou os ganhos com a troca de equipamentos e reparação nos parques produtores de
energia das 57 usinas hidrelétricas com mais de 20 anos de funcionamento, segundo este,
com o mesmo volume de água, seria possível gerar mais 8 mil kWh de energia [7].
Dentro do exposto, o objetivo deste trabalho foi o de apresentar teorias, modelagens
computacionais, ensaios laboratoriais e aspectos econômicos que envolvem o estudo de
sistemas de bombeamento na busca da eficientização energética. Bem como, a maioria dos
eventos e possibilidades que podem, efetivamente, influenciar no consumo final de energia
elétrica da instalação foi abordada em seus aspectos técnicos e construtivos.
Finalmente, deve-se salientar que este trabalho está inserido no convênio ECV
2004, firmado entre a UFU e a Eletrobrás. Desta forma, este convênio exige a publicação
de sete iniciações científicas e dois mestrados, associados com o tema eficiência
energética. Por isso, alguns dos assuntos neste documento estão resumidos, pois irão existir
outros trabalhos que, com certeza, enriquecerão alguns dos aspectos discutidos nesta
dissertação. Os outros trabalhos mencionados que estão relacionados com esse tema e essa
dissertação estão identificados no final deste documento através das referências
bibliográficas.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
6
1.2) Estrutura interna do trabalho
Esta dissertação é composta de seis capítulos, que além deste introdutório, têm os
outros assim dispostos:
Capítulo 2 – Eficiência Energética em Sistemas de Bombeamento
Neste capítulo buscou-se apresentar a teoria envolvida no estudo da eficientização
energética em sistemas de bombeamento. Avaliando componentes do sistema na busca do
conhecimento da melhor maneira de se obter uma determinada vazão com o mínimo de
energia possível. Foram abordados estudos sobre motores (construção e manutenção),
bombas centrífugas, acoplamentos, válvulas de estrangulamento, acionamentos que de
alguma forma possam influenciar no consumo final de energia elétrica da instalação.
Contempla também o estudo da viabilidade econômico-financeira aplicado ao capital
investido em função de implementações associadas com a eficientização industrial.
Capítulo 3 – Descrição da Estação de Trabalho do Sistema de bombeamento
O objetivo desta etapa é demonstrar a funcionalidade dos equipamentos instalados
na estação de trabalho, tais como: medidores de grandezas elétricas e mecânicas; atuadores
de vazão, pressão, etc; acionamentos com partida suave, partida direta e inversor de
freqüência; todos desenvolvidos para aplicação de comando e controle industrial.
Capítulo 4 – Ensaios de Laboratório realizados na Estação de trabalho do Sistema
de Bombeamento
O principal objetivo deste capítulo é mostrar a metodologia de comparação do
desempenho de sistemas de bombeamento controlados por válvulas de estrangulamento e a
utilização de inversores de freqüência no controle da vazão. Adicionalmente, identificar a
redução do consumo de energia elétrica bem como as justificativas para a escolha de um
sistema em detrimento do outro.
Capítulo 5 – Simulação em ATP do Sistema de Bombeamento
Este capítulo apresenta a simulação no domínio do tempo a partir da plataforma
computacional ATPDraw (EMTP), aplicada no sistema de bombeamento do Laboratório
de Sistemas Motrizes – LAMOTRIZ da Universidade Federal de Uberlândia.
Complementando os aspectos anteriores, esta etapa busca a validação da modelagem
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
7
proposta, através da comparação entre os valores simulados e aqueles encontrados nos
ensaios experimentais.
Capítulo 6 – Conclusão
Neste capítulo buscou-se sintetizar o trabalho exibido durante a dissertação. Além
de fornecer comentários sobre os prós e contras das situações encontradas.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
8
Capítulo 2
Eficiência Energética em Sistemas de Bombeamento
2.1) Introdução
A utilização de sistemas de bombeamento é indispensável assim como a energia
elétrica o é para o acionamento dos motores que os fazem funcionar. Como é cada vez
mais necessário evitar a degradação ambiental causada pela exploração irracional dos
recursos energéticos, importante contribuição consiste em utilizar com a máxima eficiência
a energia que se tem disponível.
O objetivo deste capítulo é apresentar em linhas gerais a teoria que envolve o
estudo da eficientização energética em sistemas de bombeamento. Tomando os principais
componentes deste sistema e, procedendo de forma analítica e teórica, buscar o
conhecimento da melhor maneira de se obter uma determinada vazão com o mínimo de
energia elétrica possível. Desta forma, serão abordados, motores da linha padrão e de alto
rendimento, bombas centrífugas, acoplamentos, válvulas de estrangulamento,
rebobinamentos, acionamentos e todos os componentes que de alguma forma possam
influenciar no consumo final de energia elétrica da instalação. Complementando os
aspectos anteriores, este capítulo engloba também o estudo da viabilidade econômico-
financeira visando determinar um ganho financeiro associado ao capital investido em
função das implementações direcionadas à eficientização industrial.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
9
2.2) O motor de indução
Segundo registros históricos, em 1885, Galileu Ferraris construiu um motor de
corrente alternada. Em uma perspectiva do próprio Ferraris, essa tecnologia de construção
de motores permitiria a obtenção de, no máximo, 50% de rendimento em relação a
potência de entrada. Em 1887, Nikola Tesla desenvolveu, um motor de indução com rotor
em curto-circuito, que apesar do baixo rendimento teve sua patente vendida para a empresa
norte-americana Westinghouse por um milhão de dólares [9].
Porém, só em 1889 a firma AEG, de Berlim, entrou com o pedido de registro de
patente de um motor trifásico com rotor de gaiola de esquilo. Este motor apresentava um
rendimento aproximado de 80% em relação a potência de entrada, uma evolução fantástica,
quando comparado àquele produzido por Galileu Ferraris quatro anos antes [9].
Construtivamente o motor de indução pouco evoluiu. O principal avanço, desde
então, se encontra na tecnologia dos materiais empregados na construção do motor.
Inicialmente, construiu-se motores com materiais compactos, posteriormente foram usadas
chapas de aço laminado e, recentemente estuda-se a utilização de materiais magnéticos
sinterizados, obtidos pelos processos da metalurgia do pó (M/P). Estuda-se tanto a
fabricação de ímãs permanentes, de altas retentividade e coercitividade magnéticas, para
substituírem os enrolamentos de campo, como também, a construção de núcleos
magnéticos para serem utilizados no lugar das chapas laminadas. Experiências recentes que
utilizam processos de metalurgia do pó indicam que esta tecnologia reduzirá as perdas
aumentando o rendimento dos motores elétricos [10].
No Brasil, desde 1993, existe um processo de melhoria dos rendimentos nominais
dos motores no âmbito do PBE – Programa Brasileiro de Etiquetagem. Os fabricantes
nacionais de motores, além do Inmetro, Procel e Ministério de Minas e Energia – MME
estabelecem, por consenso, metas de melhoria dos rendimentos. Porém, somente em 2002,
foi regulamentada a Lei de Eficiência Energética (Lei no 10.295/2001 – BRASIL, 2001b)
para motores elétricos de indução trifásicos, na qual se estabelecem tabelas de rendimentos
mínimos de motores de linha padrão e alto rendimento. Nestas tabelas foram contemplados
os melhores índices de rendimento já obtidos por fabricantes no país. Estes índices podem
ser utilizados como parâmetros para uma gradual substituição de máquinas menos
eficientes disponíveis no mercado [11].
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
10
Deve-se salientar ainda que, não basta a melhoria do motor por aspectos
construtivos e tecnológicos, a utilização adequada deste é de suma importância para
garantir que, de fato, se retirou do motor sua máxima eficiência [12]. O percentual de
perdas internas no motor de indução pode ser aumentado significativamente, quando este
não opera em condições favoráveis. Assim, máquinas nas quais as perdas elétricas variam,
em média, 5% a 20%, podem chegar a ter um rendimento de 40%.
Alguns dos principais fatores, a serem considerados como aplicação inadequada de
motores, estão associados com os seguintes itens: superdimensionamento, reparo
inadequado (rebobinamentos), motores de baixo rendimento, acoplamento motor-carga de
baixa eficiência, entre outros. Pode-se citar ainda, como operação ineficiente, por exemplo,
o uso de métodos dissipativos para alteração de velocidades, ou seja, alteração de
resistência de rotor por meio de resistência externa na busca de variar a sua velocidade.
[12].
Além das limitações construtivas, devem-se considerar também, as limitações
práticas de se obter a máxima eficiência destes equipamentos. A dificuldade de se
especificar sistemas com motores adequados, em função da carga mecânica, está na
impossibilidade de conseguir valores com potências fracionárias. Assim, o projetista
deverá buscar um motor de potência ligeiramente maior para determinada carga mecânica
e, em conseqüência reduzir o fator de potência e o rendimento. [13].
2.2.1) A velocidade
O motor de indução tem como característica básica, o comportamento semelhante
ao de um transformador. Enquanto os enrolamentos do estator são alimentados pela rede
elétrica, no rotor, que tem seus enrolamentos curto-circuitados, a corrente circulante é
induzida. Essa característica provoca um defasamento (escorregamento) entre a velocidade
do campo girante produzido pela rede elétrica no estator e a velocidade mecânica obtida no
eixo do motor. Essa diferença de velocidade faz com que o campo eletromagnético no
estator seja adiantado relativamente ao do rotor provocando um conjugado entre esses
campos.
Em geral, encontram-se em motores de indução escorregamentos que variam de
0,8% a 5%. Matematicamente, o escorregamento relaciona a velocidade síncrona (n
s
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regime (n) pela seguinte equação:
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
11
(2.1)
Onde:
s = escorregamento;
n
s
= velocidade síncrona;
n = velocidade de regime.
2.2.2) Curvas características:
a) Torque x Velocidade
A figura 2.1 mostra, graficamente, a característica conjugado versus velocidade
para um motor de indução. A equação (2.2) relaciona o conjugado, a potência mecânica e a
velocidade para o regime permanente.
(2.2)
Figura 2.1 – Curva conjugado x velocidade de um motor de indução
Onde:
C
m
= conjugado mecânico no eixo do motor;
C
n
= conjugado mecânico nominal no eixo do motor;
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= potência mecânica no eixo do motor;
C
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Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
13
b) Corrente x Velocidade
A corrente sofre uma variação em função da rotação do motor, essa característica
está evidenciada na figura 2.3. Observa-se que durante o período de partida o motor
necessita de um alto valor de corrente, denominada de corrente de partida. Dentre os
principais efeitos estão: provocar estresse térmico e mecânico e ocasionar quedas de tensão
na rede de alimentação, podendo provocar até desligamentos e operação indevida de
alguns acionamentos, principalmente os sistemas elétricos que possuem cargas sensíveis
como, por exemplo, um CLP (Controlador Lógico Programável).
A norma brasileira (NBR 7094) exige que motores com potência inferior a 315 kW
e para tensão menor que 1000 volts devem suportar uma sobrecorrente de 50% por no
mínimo dois minutos. Porém, de uma maneira geral, o tempo de partida de um motor com
carga mecânica tem uma duração de aproximadamente entre três a cinco segundos.
Figura 2.3 – Curva corrente x velocidade de um motor de indução
A figura 2.3 representa a corrente de partida em um motor acionado por partida
direta, essa é limitada a motores de baixas potências. Atualmente, nos modernos
acionamentos de motor de indução, são utilizados dispositivos de partida suave que,
através de comando microprocessado, controlam a tensão aplicada ao estator do motor,
reduzindo a corrente de partida. Nesse sentido, diminuindo os valores dos conjugados de
partida e máximo do motor de indução, reduz o estresse térmico e mecânico,
conseqüentemente diminui as quedas de tensão. Tem, ainda, como vantagens evitar picos
de corrente, incorporar parada suave e proteções. Durante as partidas reduz esforços sobre
acoplamentos e dispositivos de transmissão, contribuindo assim para o aumento da vida
útil do motor e equipamentos mecânicos da máquina acionada, devido à eliminação de
choques mecânicos.
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2.4 – Compar
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s
:
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
15
(2.3)
Onde:
P
e
= potência elétrica na entrada do motor
Figura 2.5 – Curva rendimento x carga de um motor de indução
O rendimento máximo é determinado pelos materiais utilizados na fabricação e
pelas dimensões do motor. Em geral, quanto maior em dimensões e potência, maior o
rendimento do motor, alcançando valores próximos de 95% para grandes motores (acima
de 500 CV). Em contrapartida, motores de baixa potência apresentam rendimentos em
torno de 75% [9].
d) Fator de Potência x Carga
A curva típica mostrada na figura 2.6 indica que o motor obtém melhor fator de
potência quando opera dentro da faixa entre 75% e 100% de carga nominal. Desta forma,
deve-se evitar que o motor trabalhe com carga muito inferior à sua potência nominal, uma
vez que isto reduz o fator de potência, podendo acarretar em maiores custos operacionais e
de aquisição do motor, além de contribuir para que o fator de potência global da instalação
seja reduzido, podendo até não respeitar a portaria vigente, qual seja, a portaria 456 da
ANEEL.
A equação (2.4) relaciona as potências ativa, reativa, aparente e o fator de potência:
(2.4)
0
20
40
60
80
100
120
0 102030405060708090100110120130
carga(%)
η(%)
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
16
Onde:
S = potência aparente
Figura 2.6 – Curva fator de potência x carga de um motor de indução
d) Curvas de desempenho
A título de ilustração, na figura 2.7 observam-se as características de desempenho
de um motor de 10 cv da linha padrão. Na figura estão representadas curvas em função da
carga mecânica, da corrente elétrica, do rendimento, do fator de potência e da rotação do
eixo. Esse tipo de curva permite a visualização do comportamento do motor sob diferentes
condições de carga.
Freqüentemente são encontrados motores acionando carga bem abaixo da sua
capacidade nominal na maioria das aplicações industriais, provocado por vários motivos,
dentre os quais, pode-se destacar:
• Desconhecimento das características da carga;
• Desconhecimento de métodos de especificação de motores;
• Expectativa de aumento de carga;
• Falta de motores de mesma potência para substituição ou;
• Opção do projetista como garantia de funcionamento para cargas vitais ao
processo.
Os efeitos do superdimensionamento podem ser acompanhados pela análise da
figura 2.7, com carregamento abaixo de 50% há uma diminuição de rendimento e de fator
de potência. A redução de rendimento pode ser traduzida como aumento de perdas e
conseqüentemente maior custo operacional, a redução do fator de potência pode exigir a
instalação de maiores equipamentos de correção enquanto a maior corrente de partida
0
20
40
60
80
100
120
0 102030405060708090100110120130
carga(%)
FP
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
17
acarreta em maiores custos com a rede elétrica e com proteção. Outro efeito produzido
pelo superdimensionamento de motor é o maior custo, volume e peso do próprio motor
[17].
Figura 2.7 – Curvas de desempenho de um motor de 10 cv da linha padrão
2.3) O motor de alto-rendimento
Tecnologicamente, a melhoria na eficiência dos motores segue, principalmente, a
linha dos avanços obtidos em materiais como: chapas de menor relutância, que utilizam,
por exemplo, ligas de ferro-silício, maior preenchimento das ranhuras, maiores condutores
no rotor, melhorias no entreferro, nas cabeças de bobina, na ventilação e nos mancais.
Assim, a seguir estão listados os principais avanços obtidos e utilizados na construção do
motor de alto rendimento:
• Chapas magnéticas de melhor qualidade: aço com maior teor de silício, que tem
maior suscetibilidade, reduzindo as perdas no ferro;
• Maior volume de cobre: reduz as perdas por efeito Joule no estator, reduzindo a
temperatura de regime e aumentando a vida útil do motor;
• Enrolamentos especiais: reduzem as perdas no estator;
• Chapas do núcleo tratadas termicamente: reduz as perdas suplementares;
• Desenho mais eficiente de ranhuras: permitindo um maior preenchimento,
facilitando a dissipação de calor;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
18
• Melhores métodos de ventilação;
• Redução do entreferro: melhoria de projeto de rotor.
O projeto do motor também proporciona melhoria, porém, este deve ser fruto de
um detalhado balanço dos vários tipos de perdas presentes no motor. Uma vez, que todas
essas perdas se inter-relacionam, um aumento no número de lâminas, por exemplo, na
busca por redução nas perdas por correntes parasitas, exigirá um aumento no comprimento
dos condutores o que provocará aumento nas perdas joule.
As características dos motores das linhas padrão e alto-rendimento são técnica,
elétrica e mecanicamente similares e atendem ao acionamento da carga sem que sejam
necessárias adequações. A aquisição de um motor de alto rendimento, neste sentido, deve
levar em conta o custo de aquisição, em média 30% mais caro que o motor da linha padrão,
e o menor custo operacional devido a sua maior eficiência. A substituição, todavia, requer
uma avaliação técnico-econômica, de modo a saber se a economia de energia obtida é
suficiente para pagar a diferença de preço em tempo razoável.
A tabela 2.1 ilustra os valores comparativos entre as perdas presentes em motores
de 50 HP de quatro pólos, da linha padrão e de alto-rendimento. Pode-se perceber que
houve redução de perdas em quase todos os quesitos enumerados, porém, nas perdas joule
no rotor houve acréscimo. A tendência apontada pela tabela 2.1 vai de encontro ao que foi
citado anteriormente. A redução de perdas, mais acentuada, no núcleo e nas perdas
suplementares, aponta para a adoção de materiais, tecnologicamente, mais avançados [18].
Tabela 2.1 – Comparação entre as perdas em motores
Perdas
Motor
Convencional
Motor de Alto
Rendimento
Redução de
Perdas
Redução
percentual
kW % kW % kW %
Nos núcleos 0,725 18,5 0,18 7,7 0,545 75,17
Mecânicas 0,373 9,5 0,281 12 0,092 24,66
No estator 1,319 33,7 0,911 38,9 0,408 30,93
No rotor 0,646 16,5 0,668 28,6 -0,022 -3,4
Suplementares 0,852 21,8 0,299 12,8 0,553 64,9
Total 3,0915 100 2,339 100 1,576 40,26
FONTE: Módulo Motor Elétrico Procel
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
19
Vale observar que, embora o acréscimo de rendimento seja, aparentemente
pequeno, a redução de perdas é significativa, afinal, é necessária uma redução de 11% nas
perdas para elevar o rendimento de um motor de 90% para 91%, por exemplo.
Outro fato a se destacar, diz respeito ao menor escorregamento, ou seja, um
pequeno aumento da velocidade para o motor de alto rendimento verificado
estatisticamente no banco de dados do software BDMotor. Exemplificando, motores de
10 cv de um mesmo fabricante podem apresentar velocidades à plena carga de 3510 rpm
ou 3500 rpm, para motores de linha padrão e de alto rendimento respectivamente [19].
Quando um motor de alto-rendimento é utilizado em cargas centrífugas, como bombas e
ventiladores por exemplo, tanto a potência quanto o consumo de energia sobem. Isso anula
uma parte da economia obtida com a substituição do motor de indução de linha padrão
pelo de alto rendimento. Como a potência requerida por estas cargas é multipicada pelo
cubo da razão entre as velocidades de ambos os motores, há um acréscimo do consumo
final e uma consequente redução de economia de energia elétrica.
Deve-se ainda considerar que, mesmo tendo uma relação custo-benefício, quase
sempre, favorável para motores que permanecem em funcionamento por várias horas
diárias, estudos mostram que o mercado para motores de alto rendimento ainda é pequeno,
cerca de 10% do total fabricado no país. Aparentemente, sua relutante aceitação pelos
consumidores deve-se, entre outros fatores, aos motores utilizados em equipamentos de
produção, que na sua fabricação levam em conta apenas o custo inicial. Este é um
problema que programas de etiquetagem, como o PBE, podem ajudar a corrigir.
2.4) O motor de indução submetido a variações na tensão de
alimentação
Ao serem submetidos a variações sustentadas de tensão, o motor de indução
tenderá a manter potência mecânica constante no eixo. Esta característica implica em que a
corrente deverá sofrer variação de forma inversamente proporcional à tensão. Na tabela
2.2, um motor de 70 cv e 4 pólos e 380 V, com carga nominal, foi submetido a variações
sustentadas de tensão [18]. É possível verificar que o motor submetido à sub-tensão
conservou o seu rendimento, ao passo que, com sobre-tensão houve perda de rendimento.
O fator de potência em tensões mais baixas teve uma melhora considerável enquanto, para
maiores valores de tensão a queda no fator de potência foi acentuada. Entretanto, há que se
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
20
salientar que o aumento da corrente, observável em baixas tensões, é responsável pelo
aumento da temperatura interna do motor e, sua conseqüente redução de vida útil.
Tabela 2.2 – Motor de indução submetido a variações de tensão
Tensão RPM FP % Rend% Torque Pot.Ent. Perdas Corrente
320 1759,2 90,5 91,7 162,9 32203,7 2773,7 67,2
330 1762,2 90,7 91,6 162,6 32177,6 2710,1 62,2
340 1767,8 90,2 91,7 162,3 32082,6 2662,6 60,7
350 1767 89.9 91,8 162,2 32062,2 2637,3 58,9
360 1769,1 89,7 91,8 162 32057,7 2621,2 57,5
370 1770,9 88,7 91,8 161,7 32032,5 2620,8 56,7
380 1772,5 87,8 91,8 161,7 32071,5 2670,7 55,5
390 1777 86,8 91,7 161,6 32122,1 2676,7 57,8
400 1775,7 85,5 91,5 161,6 32187,9 2728,3 57,3
410 1776,6 87 91,3 161,5 32263,3 2798,6 57,1
420 1777,7 82,7 91,1 161,3 32329,8 2887,5 57
430 1778,8 80,5 90,7 161,2 32777 3001,6 57,1
470 1779,9 78,6 90,7 161,1 32583,9 3171,5 57,7
2.5) A manutenção do motor de indução trifásico
Motores freqüentemente são expostos a ambientes agressivos, operações
impróprias, entre outras. A ocorrência de falhas incipientes (barras quebradas, rolamentos
danificados, curto-circuito, etc.) e falhas externas (sobrecarga mecânica, desequilíbrio de
fase, subtensão, sobretensão, rotor bloqueado, etc.) é inevitável. Além disso, a degradação
do isolamento dos motores elétricos operando dentro de ambientes agressivos pode ser
acelerada, tornando-os ainda mais susceptíveis a defeitos [20].
Devido a isso é necessária a criação de uma cultura de manutenção rotineira em
motores, adotando medidas como: desobstrução dos dutos de ventilação; secagem
periódica de bobinas de motores submetidos a ambientes poluídos e úmidos; verificação de
rolamentos e mancais; inspeção de conexões elétricas; verificação das condições de
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
21
correias e polias, tanto no sentido de alinhamentos como da avaliação dos esforços radiais
e axiais de modo a evitar esforços de tração além do necessário.
Outras medidas, de caráter mais minucioso podem ser tomadas como, por exemplo,
a observação de:
• Vibrações ou ruídos: deve-se observar a existência de vibrações anormais ou ruídos
estranhos ao motor em perfeito estado de funcionamento. Elas podem indicar
problemas de origem elétrica e mecânica;
• Temperatura dos mancais: Para bom desempenho de suas funções a temperatura do
mancal de máquinas rotativas deve ser a prevista pelo fabricante. Assim, é
conveniente verificá-la através de termômetro;
• Superfície do estator e do rotor: Inspeção visual para determinar a presença de
alguma contaminação ou ferrugem, bem como lascas, borbulhas e arranhões.
2.5.1) O Motor rebobinado
Quando o isolamento (esmalte ou verniz em baixas tensões e papel em altas
tensões) entre as espiras de uma mesma bobina se rompe ou, entre duas bobinas de
diferentes fases ou, ainda entre uma bobina e o núcleo, popularmente, diz-se que houve a
queima do motor. O motor que sofreu o efeito de “queima” pode ser recuperado pelo
processo de rebobinagem, ou seja, a retirada das bobinas danificadas e a substituição por
outras com as mesmas características. Quando é observado grande rigor técnico na
realização do procedimento de rebobinagem, o motor pode alcançar características
próximas às originais.
Estudos realizados em 1999 [21] apontaram como fator preponderante na
preservação do rendimento do motor após o reparo, a qualidade da oficina. É possível,
como ficou demonstrado nas tabelas 2.3 e 2.4, até um aumento no rendimento global do
motor, quando comparado o antes e o depois do reparo. Nesse estudo não foi feita a
comparação de rendimento entre motor reparado e novo. Entretanto, estudos da General
Electric sobre motores de 3 a 150 HP determinaram que as perdas no motor se
incrementam de, em média, 18%, isso é dizer que a eficiência reduz entre 1,5% e 2,5%
[22].
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
22
Tabela 2.3 - Grandezas antes do reparo
Motor P
m
(cv) Pav Phf+av Pje Pjr η
1 5 0,042 0,573 0,294 0,139 80,1
2 5 0,045 0,328 0,335 0,173 80,7
3 10 0,059 0,484 0,411 0,179 84,7
4 10 0,093 0,455 0,407 0,138 86,8
5 10 0,036 0,402 0,402 0,177 86,3
6 10 0,142 0,419 0,455 0,196 81,4
7 15 0,104 0,778 0,501 0,204 86,3
8 15 0,046 0,56 0,567 0,286 86,8
Tabela 2.4 - Grandezas após do reparo
Motor P
m
(cv) Pav Phf+av Pje Pjr η
1 5 0,041 0,351 0,279 0,128 82,1
2 5 0,061 0,351 0,298 0,179 80,8
3 10 0,056 0,485 0,357 0,164 85,5
4 10 0,049 0,444 0,413 0,122 87,5
5 10 0,023 0,403 0,393 0,174 86,3
6 10 0,084 0,455 0,528 0,193 81,7
7 15 0,08 0,725 0,643 0,204 85,4
8 15 0,0319 0,496 0,555 0,316 86,5
Onde:
Pav = perdas por atrito e ventilação
Phf = perdas por histerese e Foulcalt
Pje = perdas por efeito joule no estator
Pjr = perdas por efeito joule no rotor
Observam-se, em algumas ocasiões, que práticas utilizadas afetam o desempenho
dos motores após o reparo, dentre elas pode-se citar:
• O emprego de materiais de baixa qualidade, sobretudo em isolantes;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
23
• A utilização de maçarico para remoção das espiras danificadas, o que pode causar
alteração, tanto nas propriedades eletromagnéticas do núcleo como no isolamento
entre as chapas aumentado as perdas parasitas;
• Utilização de condutores de cobre de bitola diferente do original propiciando
alteração das perdas no cobre;
• Número de espiras em desacordo com o do projeto original;
• Alteração do diâmetro externo do rotor que altera as condições de entreferro e pode
aumentar consideravelmente a corrente de magnetização.
Conclui-se que o rendimento médio dos motores após o rebobinamento pode até
aumentar, quando verificado o antes e o depois da ocorrência do defeito. Nos poucos casos
onde existiram grandes variações nas perdas por histerese e Foucault pode-se considerar o
fato de que, devido à natureza do defeito (queima por sobrecarga) ou ao método utilizado
na retirada das bobinas defeituosas (aplicação de maçarico), possam ter influenciado nas
características magnéticas do material do núcleo.
Como a estrutura do motor não foi alterada, o pacote magnético, o formato e a
disposição das ranhuras e o rotor permanecem os mesmos, a redução nas perdas por atrito e
ventilação após o rebobinamento, pode ser devida à limpeza e lubrificação executadas
durante o processo de remontagem do motor. Torna-se evidente que procedimentos
simples como limpeza e lubrificação podem ter efeitos sobre o rendimento final do motor e
podem contribuir para redução de consumo de energia elétrica nas indústrias [21, 22].
Uma importante variável na análise de motores reformados ou rebobinados é o
rendimento, este é também o que apresenta maior nível de incerteza. Uma redução de
rendimento é admissível quando compensada pelo reduzido custo da manutenção. Uma
regra prática, segundo a referência [21], é que o custo da manutenção não deve exceder
60% do custo do motor novo.
2.6) Acoplamento motor-carga
A transmissão de potência entre o motor e a carga, é realizada por intermédio de
sistemas de transmissão, ou acoplamentos mecânicos, que podem ser de vários tipos, como
citados a seguir:
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
24
• Acoplamento direto;
• Acoplamento por correias;
• Acoplamento hidráulico;
• Caixas de engrenagens.
A figura 2.8 apresenta um diagrama onde estão representados conjugados, inércias,
velocidades e redutores, que compõem o acoplamento motor-carga.
Figura 2.8 – Diagrama representativo do acoplamento motor-carga
Onde:
R = relação de acoplamento;
C
n
= conjugado nominal;
C
cn
= conjugado nominal da carga;
J
m
= momento de inércia do motor;
J
c
= momento de inércia da carga.
a) Acoplamento direto
O acoplamento direto é, em geral, a solução mais econômica, tanto em
investimento de aquisição quanto nas perdas de energia na transmissão (praticamente
nulas). Apesar dessas vantagens, a utilização deste tipo de acoplamento é limitada à
equipamentos e maquinarias que podem trabalhar à mesma velocidade que o motor.
Matematicamente o acoplamento direto pode ser descrito em função da potência, da
velocidade e do conjugado mecânicos, como indicado na equação (2.5) [23, 24].
(2.5)
Onde:
ω = rotação em radianos por segundo.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
25
b) Acoplamento por correias
A transmissão por correias é uma das mais utilizadas no setor industrial. Isto ocorre
devido à facilidade de se ajustar a velocidade do motor a da máquina e por permitir
diferentes geometrias de conexão entre o motor e a respectiva carga.
Este tipo de acoplamento apresenta, no entanto, perdas médias de energia da ordem
dos 5%, valor este que pode ser melhorado ao se utilizar correias de tipos mais eficientes,
com desenhos otimizados capazes de conduzir mais potência com melhor rendimento.
Considerando os vários tipos de correias fabricadas, a sua eficiência cresce, de acordo com
a seqüência: correias planas, correias de secção trapezoidal (correias em V) e correias
dentadas.
As correias planas apresentam baixo rendimento, com grandes perdas por
escorregamento, devido a isso não são utilizadas na maioria dos novos equipamentos. Às
instalações industriais onde ainda existam equipamentos acionados por correias planas é
aconselhável a substituição por correias mais eficientes, por exemplo correias trapezoidais,
pois a economia de energia resultante da substituição permite a recuperação do
investimento em tempo relativamente curto.
Para este tipo de acoplamento, a correia dentada com polias igualmente dentadas
(correias síncronas) é a melhor solução. Nestas as perdas por escorregamento são
praticamente nulas. Entretanto, a sua utilização em substituição a outras já existentes está
condicionada ao tempo de retorno do investimento, sendo este normalmente aconselhável
para motores de média e alta potência, com um regime de trabalho intenso, ou seja,
superior a 4000 horas/ano.
Independente do tipo de correia utilizado, é fundamental para a eficiência global
do sistema motor-acoplamento-carga, a manutenção adequada. Freqüentemente, por
exemplo, encontram-se sistemas de acoplamentos com polias de múltiplas correias, onde
faltam uma ou mais correias, além de aumentar as perdas, este fato também contribui para
provocar desequilíbrios e vibrações no sistema. Outro aspecto importante na manutenção é
a verificação periódica da tensão das correias (exceto nas correias síncronas), que tem
tendência a afrouxar, ao longo do tempo, provocando maiores escorregamentos e
conseqüentes desperdícios de energia [24, 25].
c) Acoplamento por caixas redutoras e acoplamento hidráulico
A transmissão por caixas redutoras ou acoplamentos hidráulicos, tem os seus
campos de aplicação, normalmente associados a grandes potências, conjugados elevados
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
26
de partida, variação de velocidade, etc. A eficiência destes tipos de acoplamento é elevada,
desde que se cumpram os níveis de manutenção recomendados pelos fabricantes [24].
d) Acoplamento com variação de velocidade:
Acoplamentos onde existem variações de velocidade devem ter o conjugado e a
inércia referidos ao eixo do motor. O equacionamento para esses procedimentos está citado
a seguir [23]:
(2.6)
(2.7)
(2.8)
(2.9)
Onde:
J
mc
- Momento de inércia da carga referida ao eixo do motor;
η
ac
- Rendimento do acoplamento;
R - Relação de velocidade do acoplamento.
e) Rendimentos médios para acoplamentos
A título de ilustração a tabela 2.5 mostra os valores médios de rendimentos para
alguns dos tipos de acoplamentos mais utilizados na indústria [23].
Tabela 2.5 – Rendimentos para alguns tipos de acoplamento
Tipo de acoplamento Faixa de rendimento (%)
Direto 100
Embreagens eletromagnéticas 87 – 98
Correias planas 95 – 98
Correias em V 97 – 99
Engrenagens 96 – 99
Correia dentada 97 – 98
Cardã 25 – 100
Acoplamento hidráulico 100
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
27
2.7) Sistema de bombeamento
Bombas hidráulicas têm por função fornecer energia a um fluido, de modo a elevá-
lo (recalcá-lo), por meio de conversão de energia mecânica em energia cinética (ou de
movimento) através de um motor a combustão ou elétrico [26]. Assim, pode-se definir
bombeamento como sendo o ato de se adicionar energia a um fluido com o intuito de
movê-lo de um ponto a outro.
2.7.1) Principais componentes de um sistema de bombeamento
Um sistema de bombeamento é mostrado na figura 2.9, onde é possível visualizar
em (3) a linha de sucção e em (4) a linha de recalque. Os vários componentes estão listados
a seguir [26].
Figura 2.9 – Componentes de um sistema de bombeamento
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
28
Onde:
1- Casa de Bombas;
M – Motor de acionamento;
B – Bomba;
2 – Poço (fonte);
VPC - Válvula de pé com crivo;
CL - Curva de 90º;
3 – Linha de Sucção;
RE - Redução Excêntrica;
VR - Válvula de retenção;
R – Registro;
C – Joelhos;
4 - Linha de Recalque;
5 – Reservatório.
2.7.2) Bomba hidráulica
As principais classificações das bombas hidráulicas são [26]:
i) Quanto à trajetória do fluido
a) Bombas radiais ou centrífugas: trabalham com pequenas vazões a grandes
alturas, com predominância de força centrífuga, são as mais utilizadas atualmente;
b) Bombas axiais: trabalham com grandes vazões a pequenas alturas;
c) Bombas diagonais ou de fluxo misto: é uma combinação das duas anteriores,
caracterizam-se por trabalhar com médias vazões a médias alturas.
ii) Quanto ao posicionamento do eixo
a) Bomba de eixo vertical: utilizada em poços subterrâneos profundos.
b) Bomba de eixo horizontal: é o tipo construtivo mais usado.
iii) Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água
a) Bomba de sucção positiva: quando o eixo da bomba situa-se acima do nível do
reservatório.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
29
b) Bomba de sucção negativa ("afogada"): quando o eixo da bomba situa-se abaixo
do nível do reservatório.
2.8) Bomba centrífuga
O tipo de bomba instalada no Laboratório de Sistemas Motrizes é a bomba
centrífuga, motivo pelo qual esta receberá atenção mais detalhada, tanto na definição
quanto em suas características principais.
Bombas centrífugas são máquinas nas quais a movimentação de um liquido é
produzida por forças que se desenvolvem na massa líquida, em conseqüência da rotação de
uma rotor (impelidor) com um certo número de pás. São aquelas em que a energia
fornecida ao líquido é, primordialmente, cinética sendo posteriormente convertida, em
grande parte, em energia de pressão [27].
Podem ser divididas em centrifugas radiais e tipo Francis:
a) Centrífugas radiais: neste tipo de bomba a energia cinética é obtida de maneira
puramente centrifuga por um impelidor e, transferida à massa líquida.
b) Tipo Francis: é também radial, porém, este tipo de bomba possui impelidor de
palhetas com curvaturas especiais chamadas Francis.
2.8.1) Curvas características ou de desempenho
2.8.1.1) Curvas da bomba
O desempenho esperado de bombas centrífugas é representado através de curvas
características fornecidas pelos fabricantes do equipamento. Essas curvas são levantadas
em laboratório e disponibilizadas em catálogos técnicos. São, basicamente, três as curvas
características tradicionais: curva de carga x vazão, curva de potência absorvida x vazão e
curva de rendimento x vazão. Por definição, vazão é o volume do líquido bombeado por
unidade de tempo, ou seja, vazão é a velocidade de escoamento de um determinado
líquido.
Curvas em função da velocidade não são fornecidas pela maioria dos fabricantes de
bombas centrífugas. Com o tempo, essas curvas se tornarão de suma importância, uma vez
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
30
que o uso de inversores de freqüência como forma de controlar a vazão tende a se
solidificar nos segmentos ou instalações onde uma variação de vazão se faz necessário.
A equação geral das bombas centrifugas é mostrada a seguir:
(2.10)
Onde:
Q = vazão [m
3
/h];
H = carga hidráulica de pressão [m];
A, B e C = constantes equacionais.
Percebe-se, pela análise da equação (2.10) que a curva (H x Q) será uma parábola,
quando a rotação “n” for constante. Fato semelhante ocorrerá quando a vazão “Q” for
constante a curva (H x n) também, neste caso, terá um comportamento quadrático, ou seja,
parabólico.
a) Curva carga (H) versus vazão (Q)
A carga de uma bomba pode ser definida como energia por unidade de massa ou
energia por unidade de peso que a bomba pode impor ao líquido de modo a obter a vazão
desejada. O equacionamento matemático que representa função H = f (Q), para uma
rotação constate é ilustrado na equação (2.11). Diferentes denominações são encontradas
para a curva H = f (Q). Essas são dadas em função da inclinação da mesma. Assim pode-se
encontrar curva inclinada, curva ascendente-descendente, curva altamente descendente e
curva plana, conforme demonstrado na figura 2.10. As curvas cuja inclinação permite
apenas um ponto de vazão para uma determinada carga é considerada estável. Portanto, a
figura 2.10 indica que, apenas a curva ascendente-descendente é instável e que, devido a
isso ao se confeccionar projetos nos quais esse tipo de máquina deve ser usado é
importante evitar o ponto de trabalho no lado ascendente da curva [27, 28].
(2.11)
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
31
Figura 2.10 – Tipos de curva H x Q
b) Curva rendimento (η) versus vazão (Q)
Em um projeto de bombeamento outra curva de interesse, a curva rendimento (η) x
vazão (Q). Rendimento que por definição é a razão entre a potência útil cedida ao fluido e
potência absorvida pela bomba. Segundo catálogos de fabricantes, o rendimento dessas
bombas, normalmente, varia de 0,45 a 0,75, entretanto, bombas de grandes dimensões
podem atingir rendimento de 0,85. A figura 2.11 ilustra as características da curva η x Q.
Para cada bomba existe uma vazão para a qual o rendimento é máximo. [27, 28].
Figura 2.11 – Curva η x Q
c) Curva potência mecânica (P
m
) versus Vazão (Q)
Na figura 2.12, a curva representada é a da potência mecânica (P
m
) aplicada na
bomba em função da vazão (Q). Para uma vazão nula, a potência hidráulica aplicada ao
Altamente descendente
Plana
ascendente-descendente
Inclinada
H
Q
Q
η
η
max
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
32
fluido é zero, Ainda assim, uma potência mínima é necessária para manter o giro da bomba
e, esta energia é dissipada em forma de calor. Todavia, a partida da bomba efetuada com a
válvula de saída de fluido fechada é a condição de menor exigência do motor elétrico, o
que pode ser visualizado na figura 2.12. Essa ação reduz o tempo de duração das correntes
de partida do motor e traz um conseqüente aumento da vida útil do equipamento. Por outro
lado, o funcionamento por longo tempo com vazão zero pode causar sobre-aquecimento do
fluido e provocar problemas no sistema bombeamento. A curva de potência pode ser
matematicamente representada como na equação (2.12).
(2.12)
Figura 2.12 – Curva P
m
x Q
d) As leis de similaridade ou afinidade
Um entendimento da inter-relação dos parâmetros que compõem as curvas
características é necessário para o correto estudo dos sistemas de bombeamento. Se forem
tomadas as grandezas: rotação (n), a vazão (Q), a pressão (p) e a potência (P), o resultado
será proporcionado pelas leis de similaridade, as quais estão relacionadas abaixo:
i) Relação vazão x rotação
(2.13)
ii) Relação pressão x rotação
(2.14)
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
33
iii) Relação Potência x rotação
(2.15)
iv) Relação Torque x rotação
(2.16)
Para que a relação de potência, indicada na equação (2.15) seja válida supôs-se
que o rendimento da máquina permanecesse constante. Entretanto, na prática a variação da
rotação altera o rendimento. A correção dos rendimentos na expressão de potência pode ser
conseguida introduzindo a relação experimental indicada na equação (2.17) [29]:
Com:
(2.17)
Além desta, existem outras expressões empíricas para a estimativa da eficiência,
tal como a recomendada na equação (2.18).
(2.18)
Onde:
η
1
= rendimento da máquina antes da alteração da velocidade;
η
2
= rendimento da máquina após a alteração da velocidade.
Deve-se salientar, ainda, que as leis de afinidade têm maior grau de precisão
quando a curva de carga do sistema parte da origem, ou seja, do ponto zero. E, mesmo
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
34
sistemas centrífugos, têm uma limitação à qual se pode reduzir sua velocidade sem que se
perca a sua eficiência ou, até mesmo, sua funcionalidade.
2.8.1.2) Curva de carga do sistema
A curva de carga do sistema versus vazão é quem determina claramente a carga, ou
energia por unidade de peso, que a bomba tem que fornecer ao fluido para vencer a altura
manométrica e obter uma determinada vazão.
Para traçar a curva de carga é necessária a definição da altura manométrica, esta
pode ser definida como a altura geométrica da instalação somada às perdas de carga ao
longo da tubulação por onde o líquido irá percorrer durante o processo de bombeamento,
ou seja, é o carregamento que, fisicamente, será percebido pela bomba. Matematicamente
tem-se que:
(2.19)
Onde:
hg = altura geométrica (sucção + recalque);
hf = perda de carga total.
As perdas de carga (hf) referem-se à energia perdida pela água ao longo da
tubulação. Estas são provocadas por atritos entre a água e as paredes da tubulação. As
perdas hf se apresentam de duas formas ao longo da tubulação:
a) Contínuas: referem-se às perdas ao longo da tubulação, sendo função do
comprimento, material e diâmetro;
b) Perdas de carga acidentais: referem-se aos elementos componentes da tubulação,
como, curvas, registros, válvulas, luvas, reduções, ampliações, etc.
Há de se salientar também que para o estudo de todas essas perdas existem tabelas
fornecidas pelos fabricantes dos componentes.
Para o levantamento da equação de carga existem vários métodos. Neste trabalho o
método apresentado é o de Hazen-Willians. Desta forma, a equação H
= f(Q), é a seguinte:
Compo
r
e a ár
e
qualq
u
mano
m
r
tamento elétric
o
a) A relaç
ã
A pressão
e
a da superf
í
Onde:
p = pressã
o
γ = peso e
s
Bernoulli
u
er seção po
altura geo
m
altura piez
o
altura dinâ
A energia
m
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l
A figura 2
.
o
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x
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í
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u
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e
m
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o
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l
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.
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t
d
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s
x
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f
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m
o
q
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líquido a se
r
u
que a ene
r
e
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m
~ [m]
p
/
γ
=> [(kg
2g =>
[(m/s
)
í
fica, que é
a
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m
t
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l
Figura 2
.
s
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b
35
ométrica
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r
age. Assim,
r
bombeado
r
gia total e
m
os de altura
s
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m
2
)/(kgf/
m
)
2
/ (m/s
2
)]
~
a soma da
m
os de altura
.
l
tura mano
m
.
13 – Curva H
b
eamento sob o
e
r
e força a q
u
para um fl
u
specífica (
p
s
de coluna
d
m
3
)] ~ [m]
~
[m]
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e
.
m
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x Q
e
nfoque da efici
ê
u
e um objet
o
u
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d
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e
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m
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ê
ncia energétic
a
o
está expos
que:
(2.2
de peso)
e
seja:
m
ada de alt
u
a
to
1)
e
m
u
ra
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
36
Alterações na curva do sistema são obtidas pelas modificações na tubulação, isto
pode ser pelo acionamento de válvulas de retenção. Uma redução de vazão, segundo a
figura 2.13, acarretará aumento de pressão, esse efeito pode ou não ser danoso ao sistema
[28].
2.8.1.3 – Curva de conjugado da bomba versus rotação
O conhecimento da curva de conjugado versus rotação de carga, indicada na figura
2.14, é necessário para o cálculo de tempo de aceleração do conjunto motor-bomba. Na
referida figura estão indicados valores percentuais recomendados pela referência [9] para
valores de conjugados relativos a percentuais de velocidade.
Uma boa aproximação para representar o conjugado no eixo da bomba é indicada
na equação (2.22), onde se pode notar que esta variação tem característica quadrática.
(2.22)
Figura 2.14 – Curva de conjugado versus rotação
O manual de comando e proteção da Weg [9] recomenda para C
0
um valor entre
10% e 20% do conjugado nominal quando se desconhece a curva do conjugado da bomba
em função de sua velocidade.
A associação entre as figuras 2.1 (pág. 11) e 2.14, demonstrada na figura 2.15,
mostra o ponto de trabalho do sistema de bombeamento ou de qualquer outro sistema cuja
carga tenha característica centrífuga. O conhecimento dos conjugados médios do motor e
da carga permite estimar o tempo de partida, essencial para a correta determinação do
motor a ser usado no acionamento da carga, principalmente quando da troca de motores em
um determinado processo industrial.
0
20
40
60
80
100
0
20 40 60 80
100
n
(
%
)
C(%)
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
37
Figura 2.15 - Conjugados médios em função da rotação do sistema de bombeamento
O equacionamento do conjugado médio da carga é obtido, tomando-se como base
as equações (2.23), (2.24) e (2.25).
(2.23)
Da equação (2.22), tem-se:
(2.24)
Substituindo-se a equação (2.24) na (2.23), obtém-se a (2.25):
(2.25)
Por outro lado, o conjugado médio para os motores de indução trifásicos é estimado
pela equação 2.26:
(2.26)
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
38
Onde “a” assume valores de 0,4, 0,5 ou 0,6 para motores de categoria H, N e D
respectivamente.
Resumindo, o valor médio do conjugado do motor durante a aceleração com tensão
plena pode ser estimado pelas seguintes relações [30]:
a) Motores de categoria N:
C
mm
= 0,5(C
p
+ C
max
)
b) Motores de categoria H:
C
mm
= 0,4(C
p
+ C
max
)
c) Motores de categoria D:
C
mm
= 0,6(C
p
+ C
max
)
A partir dos conjugados médios do motor e da carga, pode-se estimar o tempo de
aceleração (t
a
) do acionamento, o qual é representado pela equação (2.27):
(2.27)
Após o cálculo do tempo de partida, ou de aceleração, a referência [9] sugere que o
tempo de aceleração do sistema deva ser menor que 80% do tempo de rotor bloqueado. Isto
pode ser justificado, pois valores que não se enquadram na condição imposta pela [9] não
estão aptos a suportar oscilações eventuais na tensão durante a partida do motor. Esta
condição permite afirmar que o acionamento durante a partida não deverá causar danos aos
sistemas elétrico e mecânico.
2.8.2 – Estimativa do momento de inércia da carga (J
c
)
Uma das maiores dificuldades para se realizar um diagnóstico energético nas
plantas industriais em operação, é o conhecimento do valor do momento de inércia da
carga. Neste sentido, este item segue na direção de mostrar uma possibilidade de estimar
esta grandeza nas instalações de bombeamento. Assim, em um sistema em funcionamento
o momento de inércia da carga pode ser estimado a partir do conhecimento dos conjugados
médios de carga e motor e do tempo de aceleração ou de partida. A equação (2.28) aponta
a relação entre os dados supracitados e o momento de inércia J’ que, neste caso é o valor
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
39
da soma entre os momentos de inércia do motor e da carga (J
m
+ J
c
). Catálogos de
fabricantes de motores fornecem o valor do momento de inércia do motor. Da diferença
entre o valor J’ obtido no cálculo com o valor indicado pelo catálogo, retira-se o valor
referente à carga.
(2.28)
Assim, o momento de inércia da carga pode ser estimado utilizando a equação
(2.29).
(2.29)
Segundo a referência [30], uma outra alternativa para estimar o conjugado médio
da carga, quando esta for quadrática, é apresentada pela equação (2.30). Deve-se salientar
que, C
reg
≈ C
n
, quando a carga mecânica centrífuga está bem especificada.
(2.30)
Onde:
C
reg
= conjugado em regime permanente
2.9) O controle de vazão por estrangulamento de válvula
Existe no mercado uma enorme quantidade de tipos de válvulas, algumas
hidráulicas outras com atuador elétrico. Dentre elas:
• Válvulas do tipo on/off - acionamento remoto de unidades ou para operar registros
de grandes dimensões;
• Válvulas redutoras de pressão - tem como utilidade a redução da pressão a jusante
do ponto de instalação;
• Válvulas sustentadoras de pressão e válvulas de alívio - aplicam-se onde é
necessário manter uma pressão inferior a um determinado limite. São utilizadas
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
40
para limitar a vazão num bombeamento com desnível negativo (bombeamento para
“baixo” quando da partida do motor) e para limitar a vazão às zonas baixas,
mantendo pressão nas zonas altas,etc;
• Válvulas controladoras de nível - têm seu campo de atuação preferido na prevenção
de extravasamentos;
• Válvulas limitadoras de vazão - mantêm a vazão do sistema de abastecimento de
água dentro dos limites desejados;
• Válvulas para a prevenção de golpe de aríete.
2.9.1) O efeito do estrangulamento de válvula na curva do sistema
A técnica de se usar válvulas de estrangulamento consiste em controlar vazão do
sistema através da abertura ou fechamento parcial de uma válvula instalada em série com a
bomba. Este controle é possível em bombas centrífugas porque estas possuem um limite
inerente de maior pressão na descarga, portanto a bomba pode sofrer estrangulamentos na
escala sem sofrer danos [31]. A figura 2.16 mostra uma sucessão de pontos de operação
gerados pelo fechamento progressivo de uma válvula estrangulamento. Pode-se notar que à
medida em que se faz o fechamento da válvula a vazão do sistema vai sendo reduzida,
enquanto a pressão vai gradualmente aumentando e se transformando em perda de carga
adicional
Figura 2.16 – Efeito da ação de válvulas de estrangulamento
Como a alteração que esse tipo de atuador provoca é na curva do sistema e não na
curva da bomba, sempre que se fizer necessário a redução de vazão essa alteração resulta
em um aumento de pressão. A equação (2.31) demonstra que, a redução de vazão por este
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
41
método pode não trazer ganho de potência substancial, uma vez que, tanto vazão quanto
pressão fazem parte do numerador.
(2.31)
2.10) Inversor de freqüência em sistemas de bombeamento
As curvas características da bomba, citadas anteriormente, podem sofrer
modificações. As mais importantes são causadas por: variações na rotação da bomba, no
diâmetro do rotor, as características físicas do líquido a ser bombeado, o tempo de serviço
da máquina e alterações na característica da tubulação. Como o interesse primordial desse
estudo é o uso racional da energia elétrica em sistemas de bombeamento, será analisada de
modo mais profundo apenas a variação de velocidade, que pode ser obtida pelo uso de
inversores de freqüência.
Em condições energeticamente desfavoráveis, os inversores de freqüência vêm
ganhando espaço ao trazer consigo a missão de racionalizar o uso da energia elétrica
alterando a operação do sistema de abastecimento, reduzindo a potência à ordem do cubo
da razão entre velocidades, quando trabalha com vazões menores que a vazão nominal do
sistema de bombeamento. Os inversores de freqüência são equipamentos eletrônicos que,
acoplados ao conjunto motor-bomba, têm a função de controlar da velocidade de rotação
dos motores elétricos a corrente alternada (AC).
2.10.1) O inversor de freqüência
Inversores de freqüência estão disponíveis no mercado para dois tipos de controle:
o escalar e o vetorial. O inversor, por controle escalar, é uma função de V/F
(tensão/freqüência), não oferece altos torques em baixas rotações, pois o torque é função
direta da corrente de alimentação, não da tensão. A parametrização se faz, no inversor
escalar pela curva V/F apontada na figura 2.17. Este é indicado para partidas suaves,
operação acima da velocidade nominal do motor e operação com constantes reversões.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
42
Figura 2.17 – Curva tensão versus freqüência
O inversor por controle vetorial não possui uma curva parametrizada, essa curva
obedece à solicitação do torque, assim, este possui circuitos que variam a tensão e a
freqüência do motor através do controle das correntes de magnetização e de rotor no motor
de indução. O inversor vetorial é indicado para torque elevado com baixa rotação, controle
preciso de velocidade e torque regulável [32].
Considerando as leis de similaridade citadas anteriormente, o efeito produzido pela
variação da rotação sobre as características do bombeamento pode ser visto nas equações a
seguir. Seja a curva altura manométrica x vazão (H x Q), para a rotação nominal, dada por
um ajuste polinomial de segunda ordem da curva do fabricante, sendo a, b e c coeficientes
de ajuste da curva:
(2.32)
A curva carga x vazão para uma rotação qualquer n, poderá ser escrita como:
(2.33)
A dependência da rotação n com a freqüência f é dada pela relação:
(2.34)
Onde:
f = freqüência;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
43
p = número de pólos.
No Brasil, a rotação nominal é obtida pela aplicação da freqüência de 60 Hz na
equação (2.34), então a equação (2.33) pode ser redigida em função da freqüência como
apresentada pela equação (2.35):
(2.35)
As demais curvas características da bomba podem ser obtidas de forma análoga a
apresentada para a curva de carga.
A figura 2.18 apresenta a curva da bomba para diferentes valores de velocidade.
Figura 2.18 – Variação da curva de trabalho de uma bomba centrifuga pela variação da velocidade
Percebe-se, pela análise da figura 2.18, que a variação da velocidade provoca
variações diretamente proporcionais de carga e vazão. Este efeito, quando se faz necessária
a redução de vazão reduz a pressão, ao contrário do que ocorreria se a redução de vazão
fosse obtida pela utilização de válvulas de estrangulamento.
2.10.2) Obtenção das curvas características para diversas rotações a partir da
curva original
É comum que fabricantes de bombas centrífugas forneçam a curva para a
velocidade nominal da mesma. Porém, quando é desejável curvas, com boa confiabilidade,
para outras rotações, o seguinte procedimento oferece uma solução: a partir do
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
44
conhecimento dos vários pontos (Q1, H1) e (Q1, P1) na curva original e, através da lei de
similaridade, obtém-se os valores (Q2, H2) e (Q2, P2) na velocidade desejada. O gráfico
plotado dos pontos (Q2, H2)e (Q2, P2), também chamados pontos homólogos, gerará a
curva característica para essa velocidade. O resultado deste procedimento está ilustrado na
figura 2.19.
Figura 2.19 – Efeito da rotação nas curvas características
Deve-se salientar aqui, que a curva de rendimento (η) versus vazão (Q) é obtida
considerando o fato de que o rendimento nos pontos homólogos é similar. Este fato pode
ser observado na expressão de potência fornecida pela equação (2.36):
(2.36)
Ao se proceder a uma análise pormenorizada na equação (2.36) e considerar as
proporcionalidades: Q α n, H α n
2
e P α n
3
, conclui-se que pontos homólogos devem ter
rendimentos muito próximos do rendimento nos pontos originais [27].
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
45
2.10.3) Considerações sobre a utilização de inversores de freqüência
Ao se variar a freqüência de alimentação de um motor CA, varia-se a velocidade do
rotor desde f = 0 até a máxima variação permitida pelo conversor. O comportamento do
motor permanece da mesma forma, entretanto deslocado na rotação conforme a freqüência
como indicado na figura 2.20.
Figura 2.20 – Curva de conjugado x rotação da bomba para diversas velocidades
Segundo a literatura especializada existem duas faixas de operação, uma com fluxo
constante, até a freqüência nominal, e outra com enfraquecimento de campo que
corresponde àquela acima da freqüência nominal.
Entretanto, algumas considerações devem ser tecidas a respeito das faixas de
operação:
• Se o motor é alto-ventilado, terá sua capacidade de refrigeração reduzida a
baixas velocidades;
• A tensão de saída dos conversores apresenta componentes harmônicos, estes
podem provocar aumento de perdas no motor;
• Maior aquecimento pela presença de correntes harmônicas e a redução de
ventilação podem reduzir o rendimento.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
46
Devido à existência de zonas onde o fluxo magnético sofre variações, fabricantes
de motores recomendam a redução do conjugado e da potência aplicada ao motor quando,
pela ação do conversor de freqüência, atingem-se essas zonas de baixo fluxo magnético. A
figura 2.21 apresenta a indicação de um conhecido fabricante de motores recomendando
valores de conjugado máximo em função da variação da freqüência [9].
Figura 2.21 – Recomendação de torque em função da freqüência
para motores acionados a inversores de freqüência.
Onde k é uma constante a ser multiplicada ao conjugado máximo permitido pelo
motor de indução. Para este fabricante, k deve variar de 0,7 a 1 dependendo do conteúdo
harmônico injetado na rede pelo próprio inversor de freqüência somado ao conteúdo
presente. Na impossibilidade de se obter tais harmônicos é recomendado que se utilize k
entre 0,8 e 0,9.
2.11) Comparação entre os métodos válvula de estrangulamento e
controle de velocidade
Na figura 2.22 estão representados os efeitos da utilização do inversor de
freqüência e das válvulas de estrangulamento. Pelo método de estrangulamento de válvula
o ponto de operação com menor vazão implica em um aumento de pressão, portanto, a
potência sofre poucas variações. Por outro lado, com a alteração da velocidade, para a
mesma vazão obtida pelo sistema anterior, há uma redução na vazão e na pressão. A
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
47
economia (quadro cinzento) é evidente e obedece a equação de similaridade já mostrada
pela equação (2.14) e ilustrada na figura 2.22.
Figura 2.22 – Comparativo entre controle de vazão por estrangulamento de válvula e inversor freqüência
Na figura 2.23, as curvas representam a evolução da potência elétrica pela variação
da vazão por meio de válvulas de estrangulamento em 1 e, por controle eletrônico em 2. A
curva 1 pode ser aproximada por uma reta, pois representa a equação 2.31 que tem
características próximas às lineares [33]. A curva 2 obedece às leis de similaridade
(equações 2.13 e 2.15), como descrito a seguir:
Se (Q
1
/Q
2
) = (n
1
/n
2
) e, (P
1
/P
2
) = (n
1
/n
2
)
3
Então:
(P
1
/P
2
) = (Q
1
/Q
2
)
3
Assim, para a obtenção de uma vazão de 80% do valor nominal deve-se reduzir a
velocidade para 80%. Desta forma, a potência necessária ao acionamento da carga será de,
aproximadamente, 50%. Entretanto, o rendimento também é alterado (equações 2.17 e
2.18), e assim a economia de energia elétrica é de cerca de 45%.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
48
Figura 2.23 – A potência elétrica comparativa entre os dois métodos: válvula e inversor
2.12) Possibilidades de economizar energia elétrica em sistemas
de bombeamento
Vistos de forma separada os parâmetros associados a um sistema de bombeamento
não proporcionam uma visualização correta da amplitude das perdas de energia ao longo
do sistema [36]. Ao se proceder a uma análise pormenorizada da figura 2.24, percebe-se
que as possibilidades para ações que visem o uso eficiente de energia são grandes. Em
média 50% da potência é utilizada de modo a produzir trabalho útil, os outros 50% se
perdem pelo caminho em forma de vazamentos, aquecimentos ou quaisquer outros tipos de
perda que por ventura venham a ser associadas a esse procedimento.
Figura 2.24 – Balanço médio de energia em um sistema hidráulico
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
49
As principais oportunidades de redução de consumo de energia elétrica vêm
através da análise da expressão (2.31), transcrita a seguir, onde está representado o cálculo
da potência elétrica necessária para o funcionamento de uma bomba centrífuga. Verificam-
se seis fatores presentes no cálculo da potência elétrica: o peso específico (γ), os
rendimentos (η
b
, η
m
e η
ac
), vazão (Q) e altura manométrica (H). Destes fatores - os
rendimentos (da bomba, do motor e do acoplamento) influenciam de forma inversamente
proporcional e os outros três (peso específico, vazão bombeada e altura manométrica total)
afetam de modo direto no resultado da potência necessária para realizar tal trabalho. A
otimização de qualquer um destes itens reflete no consumo final da instalação. Assim, η
b,
η
m
e η
ac
não podem ser alterados a não ser quando da confecção do projeto da instalação,
entretanto, esses rendimentos têm um ponto de trabalho onde se tem máxima eficiência.
Buscar o máximo rendimento, neste caso, é garantir valores próximos aos nominais de
operação, limpeza e lubrificação adequadas, o melhor método de acoplamento, etc. Os
parâmetros vazão (Q) e altura manométrica (H) podem ser trabalhados ao se evitar, sempre
que possível, técnicas como estrangulamento de válvulas, por exemplo, que aumentam as
perdas no processo.
Outra possibilidade, sempre que possível, é variar a velocidade dos motores de
modo a buscar o ponto de funcionamento no qual a bomba tem seu maior rendimento,
conforme a demanda varie no decorrer do período.
2.13) Viabilidade econômica
Várias formas de análise financeira, especialmente as de ordem econômica,
podem ser feitas ao se buscar o melhor investimento. Estas podem e devem envolver
diferentes pontos de vista e com diferentes objetivos. Cada tipo de análise financeira
determina um parâmetro econômico e este é que será usado na tomada da melhor decisão.
As análises financeiras determinam os seguintes fatores: tempo de retorno do investimento
(simples e capitalizado), economia mensal obtida com a aquisição de um bem ou serviço,
custo operacional desse investimento ao longo de sua vida útil, entre outros.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
50
Descrevem-se a seguir as principais variáveis da análise econômica tendo em
vista a forma de determinação dessa análise. Esta sempre se vale da comparação entre dois
tipos de investimento.
2.13.1) Tempo de retorno simples
É o tempo necessário para que o capital investido apresente retorno na forma de
redução de custo operacional ou de ganhos financeiros. Geralmente o tempo de retorno
simples é expresso em meses. O tempo de retorno aceitável deve ser estabelecido pelo
consumidor e que se expressa de forma particular de cada empresa. Como exemplo, a
compra de equipamentos mais eficientes é mais dispendiosa, por outro lado, o custo
operacional é menor. O cálculo da determinação do tempo de retorno do investimento,
fornecidos pelas equações (2.37) e (2.38), permite que se estabeleça uma forma de avaliar
se o retorno do investimento se dará a curto, médio ou longo prazo, ou até mesmo se não
haverá retorno ao longo da vida útil do equipamento.
(2.37)
(2.38)
Onde:
T
rs
- tempo de retorno simples em meses;
ΔC
a
- custo adicional de investimento;
ΔE - economia mensal em R$/mês;
C
a1
- custo do investimento 1;
C
a2
- custo do investimento 2.
Não existe um valor definido para o tempo de retorno econômico que atenda a
todos os casos, uma vez que isto faz parte da escolha do investidor, que é de foro subjetivo,
e da comparação com as outras formas de investimento do capital. O mais usual é
considerar o tempo médio de vida útil de um equipamento. Como exemplo, a aquisição de
um motor da linha padrão ou de alto-rendimento, com vida útil média de 13 anos, a
literatura recomendada aponta um tempo médio aceitável para retorno de investimento
quando inferior a 2 anos [34, 35].
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
51
2.13.2) Tempo de retorno capitalizado
O tempo de retorno também pode ser, por exemplo, mensal e considerar uma taxa
de juros de modo que a economia seja parcelada. Considerando uma taxa de juros i em
valores percentuais e considerando k períodos (meses) obtêm-se o seguinte valor presente
das parcelas mensais [34]:
(2.39)
ΔE
T
- valor presente das parcelas mensais;
k - meses considerados na capitalização.
A fim de se determinar o tempo de retorno capitalizado deve-se igualar o valor
presente com o custo adicional e considerar o número de períodos como incógnita,
conforme mostra a equação (2.40).
(2.40)
Aplicando logaritmos nos dois lados da equação, tem-se o tempo de retorno de
investimento:
(2.41)
2.13.3) Valor presente líquido (VPL)
Neste método, o critério de decisão quanto à aceitação ou não da alternativa é a
verificação se o VPL é positivo. Por definição, valor presente é a soma algébrica entre o
valor das entradas de caixa no tempo inicial e os investimentos ao longo da vida útil do
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
52
projeto. Caso esse projeto seja implementado ele deverá ser capaz de aumentar o
patrimônio líquido da empresa.
Matematicamente:
Onde:
R
j
= valor atual das receitas;
C
j
= valor atual dos custos;
i = taxa de juros;
j =período em que as receitas ou os custos ocorrem;
n = número de períodos ou duração do projeto.
Também é intuitivo o entendimento de que, no caso de alternativas excludentes
mutuamente, aquela que apresenta o maior VPL deve ser priorizada, considerando apenas a
análise econômica. O “valor da empresa” ficará acrescido do VPL após o período
considerado nessa análise econômica.
2.13.4) Exemplo de aplicação
Numericamente, serão apresentados apenas os itens (2.10.1) e (2.10.2) por serem os
de uso mais comuns entre engenheiros.
Para uma determinada aplicação foi especificado um motor com as seguintes
características: 30 cv; 220 V; 3500 rpm; 60 Hz. O motor deverá funcionar com a potência
nominal durante 24 horas por dia. Deseja-se fazer uma análise econômica para verificar a
viabilidade da aquisição de um motor de alto rendimento. O preço do kWh pago pelo
consumidor é de R$ 0,224 / kWh (tarifa média industrial, junho/2007, site: ANEEL). A
taxa de juros a ser considerada é de 1,5% ao mês.
Os valores de preços de motores aqui utilizados são de 2006, pois se utilizou o
banco de dados do software BDmotor 4.2 (3/2007).
(2.42)
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
53
Motor linha padrão: η
(100%)
= 91%; preço (C
a1
) = R$ 2610,72.
Motor de alto rendimento: η
(100%)
= 92%; preço (C
a2
) = R$ 3782,83.
Solução:
i) Economia anual com o motor de alto rendimento:
Considerando:
P
e1
= potência elétrica do motor da linha padrão;
P
e2
= potência elétrica do motor da linha de alto rendimento.
P
e1
= 0,736 x 30 / 0,91 = 24,264 kW
P
e2
= 0,736 x 30 / 0,92 = 24 kW
ΔP
e
= 0,264 kW
Considerando R$ 0,224 como valor do kWh cobrado:
ΔE = 0,264 x 0,224 x 720 = R$ 42,58 / mês
ii) Tempo de retorno simples:
ΔC
a
= 3782,83 - 2610,72 = R$ 1172,11
T
rs
= 1172,11 / 42,58 = 27,53 meses
Conforme citado, trata-se de tempo de retorno simples, desta forma não foi
considerada a capitalização do montante investido, o adicional de R$ 1172,11 necessário
na compra do motor de alto rendimento retornará em 28 meses.
iii) Tempo de Retorno Capitalizado
A taxa de juros a ser considerada é de 1,5% ao mês.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
54
T
rc
= 35,77 meses
Neste cálculo foi utilizada uma taxa de juros de 1,5% ao mês na capitalização dos
recursos investidos. O tempo de 35,77 meses, ou 3 anos, é longo, mas se for levado em
conta uma vida útil média de 13 anos para este tipo de motor, eventuais reajustes de preços
de tarifas de energia, entre outros fatores pode ser compensativo o investimento na
aquisição do motor de alto rendimento.
iv) Retorno de investimento calculado pelo BDMotor 4.2
Adicionalmente, os mesmos valores foram inseridos no BDMotor e a figura 2.25,
aponta como 28 meses o tempo de retorno de investimento. O tempo calculado pelo
software é coerente com aquele encontrado no item (ii) para tempo de retorno simples. Por
não levar em consideração os juros que incidiriam sobre o montante investido, deve ser
usado apenas como uma aproximação do tempo de retorno do investimento. É possível,
ainda, em última análise somar a esse capital um percentual de atratividade que justifique
sua aplicação.
Figura 2.25 – Tela de retorno de investimento do software BDMotor
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
55
2.14) Considerações finais
Ao longo do capítulo foram apontados aspectos importantes sobre motores,
acoplamentos, bombas, os mais variados tipos de acionamentos, entre outros. A intenção
foi de ressaltar pontos chaves em cada um destes componentes. Assim, qualquer medida de
eficientização energética em uma parte isolada do sistema, que pode ou não causar impacto
sobre as demais partes, deve ser avaliada de modo a saber se a medida é ou não produtiva.
Esses impactos devem ser quantificados e considerados sob a luz das avaliações técnicas e
econômicas.
Resumidamente, existem duas formas de se otimizar o uso da energia elétrica no
funcionamento de sistemas de bombeamento.
A primeira forma é direta e consiste na utilização de instalações tecnicamente
adequadas, ou seja: utilizar tubulações bem dimensionadas; manter a tubulação em bom
estado de conservação; concepções adequadas de projeto e de operação que evitem o
desperdício com altas pressões na rede; quando possível variar a velocidade dos motores
elétricos com a utilização de inversores de freqüência, de modo a adequar o ponto de
funcionamento da bomba ao seu máximo rendimento; escolher o conjunto moto-bomba
com melhor rendimento para o ponto de trabalho desejado; entre outros.
A segunda não economiza em energia elétrica, mas reduz custos com a mesma,
consiste em evitar ou se reduzir o consumo energético nas horas de ponta uma vez que as
concessionárias incentivam esse procedimento por intermédio de sua estrutura tarifária
diferenciada. Isso se consegue mediante um arranjo adequado de reservatórios, de modo a
permitir a paralisação ou a redução da vazão bombeada em determinadas horas.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
56
Capítulo 3
Descrição da Estação de Trabalho do Sistema de
bombeamento
3.1) Introdução
Para o melhor entendimento das características e funcionalidades da estação de
trabalho, esta será inicialmente apresentada em forma de plantas didáticas. O objetivo é
apresentar detalhadamente todos os equipamentos envolvidos nesta planta, tais como:
medidores de grandezas elétricas e mecânicas; atuadores de vazão, pressão, etc;
acionamentos com partida suave, partida direta e inversor de freqüência. Todos
desenvolvidos para aplicação de comando e controle industrial. A planta está apta a
simular diversas condições operativas de cargas comumente utilizadas em processos
industriais.
3.2) Estação de trabalho do LAMOTRIZ
3.2.1) Características gerais da planta industrial
A estação de trabalho da bomba centrífuga é equipada com um sistema completo de
controle e acionamento, em painel independente, contendo três formas distintas e
autônomas de partida, quais sejam: partida direta, soft-starter e inversor de freqüência.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
57
Nesta estação de trabalho estão instalados um motor de linha padrão e um da linha alto-
rendimento, ambos podem acionar a carga de modo independente através de um sistema de
trilhos que permite uma rápida e simples troca de motores. Neste sentido, as figuras 3.1 e
3.2 mostram através de fotografias, uma visão geral da planta industrial do LAMOTRIZ.
Figura 3.1 – Visão geral da bancada do sistema de bombeamento
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
58
Figura 3.2 – Equipamentos de informática
Para monitoramento e controle, a bancada é equipada com computador dedicado,
no qual está instalado o sistema supervisório confeccionado com o software Indusoft 6.1
SP2. O módulo de carga é composto por: uma bomba centrífuga, dois reservatórios de água
e, também, por dispositivos sensores e atuadores. No painel de controle e atuação, ainda,
estão instalados o controlador lógico programável (CLP), medidor de grandezas elétricas e
elementos de acionamento e proteção como contatores, disjuntores e fusíveis.
A planta industrial forma um sistema de acionamento completo, composto por
proteção e medição; sistemas de automação e medição integrados, capazes de controlar
automaticamente a execução, a coleta de dados e a emissão de relatórios. O acionamento é
composto por dois motores (convencional e alto rendimento) e pelos três modos de partida
citados anteriormente, permitindo a visualização de diversas formas de controle e operação
de equipamentos industriais similares e de maior porte, com uma variação controlada da
carga aplicada ao motor elétrico.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
59
O sistema é dividido em duas bancadas, sendo que a primeira contém um
microcomputador (CPU, monitor, teclado, no-break e mouse), onde se encontra instalado o
sistema supervisório e a segunda abriga o sistema de comando e os elementos de
acionamento e proteção. Adicionalmente, esta estação de trabalho também é responsável
pela medição dos parâmetros elétricos de entrada dos motores, bem como o
acondicionamento do sistema de aquisição dos dados mecânicos, hidráulicos e térmicos.
A planta possui uma comunicação interna via Modbus RTU, com velocidade de
19.200, 8 data bits, 1 stop bit, sem paridade. Esta rede interliga o CLP, os acionamentos
(partida suave, inversor de freqüência e partida direta) e o medidor de energia elétrica. A
rede de comunicação da bancada da bomba centrífuga está representada na figura 3.3.
Figura 3.3 – Rede de comunicação da bancada da bomba centrífuga
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Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
61
Figura 3.5 – Diagrama orientativo da bancada da bomba centrífuga
O módulo de carga é composto por dois reservatórios com capacidade de 100 litros
cada, de material transparente (acrílico), sendo que o primeiro foi instado na parte inferior
da bancada e o segundo a uma altura de 2 metros. Entre os reservatórios está instalado um
duto de escoamento com uma válvula elétrica de retenção e um by-pass, feito com uma
M
BANCADA – 1
DINAMÔMETRO
IF
Controle e
Aquisição de dados
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C
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D
C – Contator
PD – Partida Direta
IF – Inversor de Freq.
SS – Partida Suave
CP – Controlador Programável
V – Sensor de Vazão
P – Sensor de Pressão
N
– Sensor de Nível
T – Sensor de Torque
Θ – Sensor de velocidade
M1 – Motor Convencional
M2 – Motor Alto Rendimento
D – Dinamômetro
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Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
63
Tabela 3.1 – Componentes presentes na estação de bombeamento
Item Quant. Ref. Descrição Modelo Fabricante
1 1 LIT-01
Transmissor de pressão
diferencial
EJA110A-DM Yokogawa
2 1 FIT-01
Transmissor de pressão
diferencial
EJA110A-DM Yokogawa
3 1 PIT-01
Medidor de pressão
manométrico
LD-301 Smar
4 4 LSH/LSL
Chave de nível tipo bóia
magnética
RFS Contech
5 1 XV-01 Válvula solenóide Tipo 521 AICAS
6 1 XV-02 Válvula solenóide Tipo 521 AICAS
7 1 XV-03 Válvula solenóide Tipo 521 AICAS
8 1 PI-01 Manômetro petroquímico Módena
9 1 FV-01
Válvula de controle
eletropneumática
RC-WCB Foxwall
10 1 FE-01 Placa de orifício Digitrol
11 1
Manifold
Digitrol
12 1 Torquímetro MKDQ150 MK
13 1 Sensor infravermelho Vicro
13 1 Motor Convencional HD67106 Weg
14 1 Motor alto-rendimento GE30500 Weg
15 1 Bomba centrífuga 92SHB Schneider
3.2.3) Os motores
As características de placa dos motores de indução trifásicos utilizados no
LAMOTRIZ são especificadas na seqüência deste trabalho :
• Motor da Linha Padrão: WEG: Modelo: HE36350; Grau de Proteção: IP55;
Isolação: B; Regime: S1; Potência Nominal: 1,5 [cv]; Tensões: 220/380 [v];
Correntes: 4,27/2,47 [A]; Freqüência: 60 [Hz]; Rotação: 3370 [rpm]; (Ip/In):
7,5; Categoria: N; FS: 1,15; Rendimento: 78,6% e cos φ: 0,86.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
64
• Motor de Alto-Rendimento: WEG: Modelo: G192961; Grau de Proteção:
IP55; Isolação: F; Regime: S1; Potência Nominal: 1,5 [cv]; Tensões: 220/380
[v]; Correntes: 4,02/2,33 [A]; Freqüência: 60 [Hz]; Rotação: 3390 [rpm];
(Ip/In): 7,5; Categoria: N; FS: 1,15; Rendimento: 82,5%; cos φ: 0,87.
Vale ressaltar que cada motor (convencional e de alto-rendimento) possui sensores
de temperatura do tipo PT100, instalados na carcaça e em cada enrolamento do estator,
permitindo a monitoração deste parâmetro via sistema supervisório.
3.2.4) O dinamômetro
O dinamômetro presente no LAMOTRIZ, e que é parte integrante da estação de
trabalho da bomba centrífuga, é do tipo freio de Foucault, ou seja, um dispositivo
eletromagnético de frenagem e simulação de cargas mecânicas no eixo do motor até 200%
da sua condição nominal.
É composto por um braço oscilante onde são dispostas duas bobinas e um disco de
alumínio, constituindo um sistema de freio por correntes de Foucault. Permite a simulação
de cargas variáveis no eixo dos motores. A força aplicada ao eixo é controlada através de
tensão contínua nas duas bobinas.
O equipamento tem como características principais:
Tipo: disco de Foucault;
Alimentação: 220 V
ca
/ 60 Hz;
Tensão nas bobinas: 0 a 190 V
cc
, regulável por potenciômetro (conversor
incorporado);
Força de frenagem: 7,0 Nm;
Sensor de Força: célula de carga.
Na Figura 3.7 é possível visualizar uma fotografia com o dinamômetro tipo freio de
Foucault como o utilizado no LAMOTRIZ.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
65
Figura 3.7 - Dispositivo eletromagnético de frenagem e simulação de cargas
3.2.5) A bomba centrífuga
A bomba centrífuga utilizada no laboratório é de fabricação da empresa Schneider
Motobombas, de série BC e modelo 92SHA, carcaça em ferro fundido GG-15, rotor em
alumínio, selo construído em inox 304, buna N, grafite e cerâmica, 3450 rpm [38]. A figura
3.8 apresenta a curva vazão x altura x rendimento%, enquanto a figura 3.9 aponta a curva
vazão x potência mecânica, ambas extraídas do catálogo fornecido pelo fabricante do
equipamento.
Figura 3.8 – Curva vazão x altura x rendimento %
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
66
Figura 3.9 – Curva vazão x potência
a) NPSH – Net Positive Suction Head
Para que bombas centrífugas possam funcionar de modo satisfatório, necessitam da
ausência de vapor na tubulação de sucção. Quando a pressão interna na bomba atinge um
valor abaixo da pressão de vapor do líquido, ocorrerá a formação de bolhas de vapor nesse
local. Essas bolhas se encontram e formam zonas de ar, este fenômeno é conhecido como
cavitação e, reduz a eficiência da bomba, provoca ruído, vibrações e, em casos mais
severos, causa fratura do rotor ou da carcaça, entre outros [33, 37].
Para que a bomba funcione sem a ocorrência de cavitação é necessária uma certa
quantidade de energia aplicada ao sistema de sucção, conhecido como NPSH (Net Positive
Sucion Head). Quanto maior for a vazão da bomba e a altura de sucção negativa, maior
será a possibilidade da bomba cavitar em função do NPSH. Para que o NPSH seja
satisfatório é necessário que a pressão em qualquer ponto da linha nunca venha reduzir-se à
pressão de vapor do fluído bombeado [37]. Assim, para uma boa performance, o fabricante
Schneider Motobombas, responsável pela bomba centrifuga instalada no LAMOTRIZ
recomenda a seguinte situação:
NPSHd > NPSHr + 0,6
Onde;
NPSHd: é o NPSH disponível no sistema de bombeamento;
NPSHr: é o NPSH requerido pela carga.
A figura 3.10 traz a curva vazão versus NPSH para a bomba instalada no
Laboratório de Sistemas Motrizes da Universidade Federal de Uberlândia.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
67
Figura 3.10 – Curva vazão x NPSH
3.2.6) Detalhamento dos sensores e atuadores
O detalhamento dos sensores e atuadores constituintes da bancada estão indicados
no fluxograma simplificado apontado na figura 3.11 e detalhados nos itens a seguir.
Figura 3.11 – Fluxograma simplificado da bancada de bombeamento
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
68
a) LSL-01,02 e LSH-01,02 – Chave de nível tipo bóia magnética, série – RFS
Chave de nível tipo bóia magnética, instalação lateral, conexão rosca 1/2" NPT(M),
material do corpo em polipropileno, diâmetro da bóia 18 mm, 1 contato SPST, 10 Watt.
As chaves da série RFS são indicadas com o objetivo de garantir segurança de nível
alto para evitar transbordamento e de nível baixo para evitar que a bomba trabalhe a vazio.
Em seu princípio de funcionamento, um sensor é ativado pela bóia, conforme o nível do
produto a ser medido varia, abrindo ou fechando os contatos de acordo com a configuração
solicitada. A figura 3.12 registra alguns modelos destas chaves [39].
Figura 3.12 – Chaves de nível tipo bóia magnética
b) LIT-01 e FIT-01 – Transmissor de nível por pressão diferencial
LIT-01 – Transmissor de pressão diferencial, capacitivo, sinal de saída 4 a 20 mA a
2 fios, alimentação de 12 a 45 Vcc, característica linear, faixa de 0 a 1000 mmH
2
O,
indicador local, conexão processo 1/2", suporte 2" e dreno.
FIT-01 – mesmo tipo de equipamento utilizado em LIT-01, porém para uma faixa
de vazão entre 0 e 5000 mmH
2
O.
O equipamento utilizado é de fabricação de YOKOGAWA, modelo EJA 110 A, é
um sensor que registra e transmite para o CLP o valor da pressão de liquido bombeado.
Indicado para medição de pressão diferencial, absoluta e manométrica, o equipamento
utiliza sensor de silício ressonante, possuindo exatidão de 0,075% dentro do alcance de
100:1. Fornece sinal de 4-20 mA para comunicação com o CLP. A figura 3.13 ilustra o
sensor supra mencionado [40].
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
69
Figura 3.13 – Transmissor de pressão diferencial YOKOGAWA
c) XV-01 e XV-02 – Válvulas solenóides
XV-01 – Válvula solenóide, duas vias, tipo diafragma, conexão rosca BSP,
diâmetro 1", normalmente fechada, alimentação 24 Vcc, bobina classe F.
XV-02 – Válvula solenóide, duas vias, tipo diafragma, conexão rosca BSP,
diâmetro 3/4", normalmente aberta, alimentação 24 Vcc, bobina classe F.
Uma válvula solenóide consiste na associação entre um solenóide (ou bobina) com
o núcleo móvel e seu obturador e, uma placa com um orifício, no qual é inserido o
obturador de maneira a impedir ou não a passagem de fluxo. Seu funcionamento se baseia
na atração do núcleo móvel quando a bobina é energizada [41].
A válvula solenóide é demonstrada na figura 3.14.
Figura 3.14- Válvulas solenóide
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Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
71
Figura 3.16 – Transdutor de pressão diferencial capacitivo
f) FV-01 – Válvula de controle de vazão - Válvula Globo Contorno
Válvula de controle, 2 vias, tipo globo, linear, diâmetro 3/4",conexão rosca BSP,
normalmente aberta, atuador eletro pneumático, alimentação 24 V
cc
, sinal de controle 4 a
20 mA [43].
As válvulas globo convencionais consistem, basicamente, de um corpo metálico e
de um obturador, ou elemento vedante, acionado por um atuador pneumático. No
Laboratório de Sistemas Motrizes da UFU a válvula utilizada é fabricação Fox Wall, da
linha Global Controle e modelo C52-3/4-150-RF-WCB-N-TF-SI-3/4-316/D33/602F.
Deve-se salientar que esta válvula tem como função realizar a variação da vazão do
sistema de bombeamento, conhecida com o nome de válvula de estrangulamento. Uma
fotografia deste componente pode ser visualizada a figura 3.17.
Figura 3.17 – Válvula de estrangulamento tipo globo de contorno Fox Wall
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
72
g) FE-01 – Placa de orifício
Placa de orifício, para tubulação de 3/4”, material aço inox 316, vazão máxima de
0 a 5 m
3
/h, montada entre flanges com trecho reto e conexão rosca.
As placas de orifício são componentes utilizados para medição de vazão de fluidos.
A instalação desse componente em uma tubulação provoca uma diferença de pressão
quando verificado o antes e o depois da placa. Este diferencial é proporcional ao quadrado
da vazão, uma vez medido é possível controlar a vazão por instrumentos adequados. São
indicadas para medir vazão de líquidos, gases e vapores.
3.3) Painel de controle e acionamento
O painel de controle é composto externamente por uma chave geral liga/desliga,
botoeira de emergência e um sistema de medição dos parâmetros elétricos constituído por
um multimedidor digital de grandezas elétricas, modelo PM 850, fabricação Schneider. A
comunicação deste instrumento, assim como o acionamento dos motores (partida direta,
partida suave e inversor de freqüência) é feito através da rede de comunicação Modbus
com o módulo de controle (CLP – Controlador Lógico Programável). Todos os parâmetros
mencionados são mostrados e monitorados (histórico, curva no tempo, etc.) no sistema
supervisório em tela própria. O multimedidor possui ainda medição de distorções
harmônicas até a 50ª ordem para tensão e corrente que também estão disponíveis em telas
específicas no software do multimedidor SMS SE, onde se pode analisar com mais
detalhes as formas da onda.
A figura 3.18 traz uma fotografia da parte interna do painel de comando, enquanto
na figura 3.19 está representado o esquema unifilar do sistema comando considerando
partida direta, partida suave e inversor de freqüência. Contempla também as comunicações
em rede via Ethernet (entre PC e o CLP) e Modbus (entre CLP e os dispositivos de partida
e medição), juntamente com as entradas analógicas e digitais.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
73
Figura 3.18 – Vista da parte interna do painel de comando
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Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
75
3.3.1) Partida direta
Esse tipo de partida de motores caracteriza-se pela ligação dos enrolamentos do
estator diretamente à rede elétrica e por exigir uma corrente de partida de
aproximadamente sete vezes da corrente nominal do motor.
A utilização desse tipo de partida apresenta algumas limitações devidas,
principalmente, à corrente e ao transitório de torque durante a partida. Estes transitórios,
corrente e torque, provocam, quedas de tensão, estresse térmico e mecânico e
consequêntemente redução de sua vida útil.
O dispositivo de partida direta utilizado na bancada da bomba centífuga é a chave
de Partida Integrada TeSys modelo U produzida pela Telemecanique. Esta chave é
compacta e, indicada para motores de até 15 KW / 400V / 32A. Agrupa em um único
produto as funções de potência (seccionamento e comutação) e de controle (proteção),
além das funções de automação e de comunicação (tratamento de dados e conectividade).
O modelo é baseado em componentes intercambiáveis e encaixáveis que se adaptam às
necessidades de instalação [44].
A partida integrada Tesys modelo U oferece as seguintes funções:
a) De proteção e comando de motores monofásicos ou trifásicos:
• Seccionamento de potência;
• Proteção contra sobrecorrentes e curtos-circuitos;
• Proteção contra sobrecargas térmicas;
• Comutação de potência.
b) De controle da aplicação:
• Alarmes das proteções;
• Supervisão da aplicação – tempo de utilização, número de falhas, valores das
correntes dos motores, entre outros;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
76
• Históricos – registro das cinco últimas falhas com o valor dos parâmetros dos
motores.
Estas funções integram-se por um sistema de encaixe na base de potência sob a forma de
unidade de controle e de módulos de funções.
3.3.2) Partida suave
Nos modernos sistemas empregados para partida do motor de indução, são
utilizados equipamentos denominados soft-starters que, através de controles tiristorizados
ajustam a tensão aplicada ao estator do motor no período compreendido entre as
velocidades zero e nominal. Consegue-se, assim, aliviar os acionamentos dos transitórios
de conjugado do motor de indução e, simultaneamente, proteger a rede elétrica dos efeitos
prejudiciais das correntes de partida. São chaves de partida estática projetadas para
comandar e proteger os motores elétricos e a rede elétrica, através do ajuste do ângulo de
disparo de tiristores. Com o ajuste correto das variáveis, o torque e a corrente são ajustados
às necessidades da carga, ou seja, a corrente exigida será a mínima necessária para acelerar
a carga, sem mudanças de freqüência.
Algumas características e vantagens das chaves de partida suave são:
• Ajuste da tensão de partida por um tempo pré-definido;
• Pulso de tensão na partida para cargas com alto conjugado de partida;
• Redução rápida de tensão a um nível ajustável, (redução de choques hidráulicos em
sistemas de bombeamento);
• Proteção contra falta de fase, sobre-corrente e subcorrente, etc.
A chave soft-starter presente no painel da bancada de bombeamento e representada
pela figura 3.20 é o Altistart 48 – ATS 48D17Q, uma chave estática microprocessada que
controla as três fases do motor assíncrono de indução a dois tiristores por fase,
proporcionando partida e parada progressiva dos motores assíncronos trifásicos de gaiola
de potências compreendidas entre 4 e 1200 kW. O Altistart 48 incorpora funções de um
relé de proteção, além de possibilidades de diálogo com sistemas de automação [45].
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
77
Figura 3.20 – Desenho esquemático da chave de partida suave
3.3.3) Inversor de freqüência
Inversor de freqüência utilizado na bancada da bomba centrifuga é um equipamento
da Telemecanique denominado Altivar 31 – ATV 31HU11M3XA. As características
elétricas para os quais o conversor está apto a trabalhar estão listadas a seguir [46]:
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
78
Rede (entrada)
Tensão de entrada: 200 / 240 [V], trifásico;
Potência de entrada: 1,1 / 1,5 [kW / HP];
Corrente máxima de linha: 8,5 / 7,4 [A];
Corrente de curto-circuito máxima presumida: 5 [kA];
Potência aparente: 3 [kVA];
Corrente de chamada máxima: 10 [A].
Inversor (saída)
Corrente nominal: 6,9 [A];
Corrente transitória máxima: 10,4 [A];
Potência dissipada com carga nominal: 71 [W].
O inversor Altivar 31 tem em seu controle de disparo a técnica vetorial de fluxo.
Esta técnica produz uma saída trifásica com tensões e freqüência controladas de forma
independente, ou seja, não segue uma curva V/F pré-fixada. O fluxo magnético do motor é
mantido constante e o torque do eixo do motor é controlado atuando-se na corrente rotórica
do motor.
Inversores vetoriais se utilizam dos parâmetros do motor como, resistências
elétricas, indutâncias, correntes nominais do rotor e estator, em sua programação. Como
esses dados são de difícil acesso alguns inversores dispõem de sistemas de ajustes
automáticos denominados "Auto-tunning", de modo a poder realizar o seu trabalho mesmo
que o usuário não tenha tais informações.
Diferentemente do controle escalar onde uma queda de velocidade é necessária
quando se deseja aumentar o torque, no controle vetorial de fluxo é imposta uma tensão e
uma freqüência adequada de maneira a compensar a queda de velocidade quando se deseja
aumento do torque.
3.3.3.1) Características de conjugado
As curvas apontadas na figura 3.21 definem o conjugado em regime permanente e o
conjugado transitório versus freqüência disponíveis para motores auto-ventilados ou moto-
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
79
ventilados. A diferença reside unicamente na capacidade do motor de fornecer um
conjugado permanente elevado abaixo da metade da velocidade nominal.
Figura 3.21 – Curvas de conjugado para o inversor de freqüência
Onde:
1 - Motor auto-ventilado: conjugado útil permanente;
2 - Motor moto-ventilado: conjugado útil permanente;
3 – Conjugado transitório: 1,7 a 2 Cn;
4 - Conjugado em sobre-velocidade com potência constante.
Deve-se salientar ainda que o inversor pode alimentar qualquer motor de potência
inferior àquele para o qual foi previsto. Para potências de motores superiores à capacidade
nominal do inversor, deve-se assegurar que a corrente absorvida não ultrapasse a corrente
de saída permanente do inversor.
3.3.3.2) A ação do inversor em situações de falha
• Gestão das falhas: Há diferentes modos de funcionamento em situações de
falhas, por exemplo: parada por inércia; o inversor assume uma velocidade de
segurança; o inversor conserva a velocidade que havia no momento da falha até
o desaparecimento desta; parada por rampa e parada rápida.
• As falhas rearmáveis: sobre-aquecimento do inversor; sobre-aquecimento do
motor; falha da rede; falhas externas; perda de sinal 4-20 mA.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
80
• Rearme das falhas: permite o rearme das falhas por uma entrada lógica.
• Eliminação de todas as falhas: esta função permite o rearme de todas as
falhas, inclusive devido às proteções térmicas (funcionamento forçado) e pode
provocar danos do inversor.
• Parada controlada na falta de rede: permite o controle da parada do motor na
falta de rede.
3.3.4) O medidor de grandezas elétricas
O multimedidor Power Logic Meter PM 850, de fabricação da Schneider Electric,
utilizado para monitoração das bancadas do LAMOTRIZ, substitui medidores
convencionais como amperímetros, voltímetros e medidores de potência e energia. Esta
central de medida é equipada com comunicação RS-485 para sua integração com qualquer
sistema de controle e supervisão de potência. O System Manager™ Software (SMS) da
POWERLOGIC, foi desenvolvido para controlar e supervisionar sistemas, é indicado para
as funções avançadas do medidor [47].
O esquema da figura 3.22 é a representação do multimedidor e, de acordo com a
numeração indicada, as partes são detalhadas a seguir.
Figura 3.22 – Representação do multimedidor
1. Conector de alimentação da central de medida;
2. Entradas de tensão: conexões de medição de tensão;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
81
3. Conector E/S: conexões de saída/entrada digital;
4. LED verde: indicação de que o medidor está ativado;
5. Porta RS-485 (COM1): é utilizada para as comunicações com o sistema de
supervisão e controle.
6. Conector de módulos opcionais;
7. Entradas de grandezas.
3.3.4.1) Funções de medição:
a) Leituras em tempo real
O componente mede correntes e tensões e registra em tempo real os valores
eficazes das grandezas mencionadas tanto nas fases como fase e neutro. A partir destes
valores calculam-se o fator de potência, potência ativa, potência reativa, etc.
A seguir estão listadas algumas das leituras em tempo real e, que são atualizadas a
cada segundo:
• Corrente
Por fase: de 0 a 32767 A;
De neutro: de 0 a 32767 A;
Média trifásica: de 0 a 32767 A;
% desequilíbrio: de 0 a 100,0%.
• Tensão
Fase / fase (por fase): de 0 a 1200 kV;
Fase / fase (média trifásica): de 0 a 1200 kV;
Fase / neutro (por fase): de 0 a 1200 kV;
Fase / neutro (media trifásica): de 0 a 1200 kV;
% desequilíbrio: de 0 a 100,0%.
• Potência ativa
Por fase: de 0 a ± 3276,70 MW;
Total trifásico: de 0 a ± 3276,70 MW.
• Potência reativa
Por fase: de 0 a ± 3276,70 MVAr;
Total trifásico: de 0 a ± 3276,70 MVAR.
• Potência aparente
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
82
Por fase: de 0 a ± 3276,70 MVA;
Total trifásico: de 0 a ± 3276,70 MVA.
• Fator de potência (real)
Por fase: de –0,002 a 1,000 a +0,002;
Total trifásico: de –0,002 a 1,000 a +0,002.
• Freqüência
45 – 65 Hz: de 23 a 67 Hz;
350 – 450 Hz: de 350 a 450 Hz.
b) Leituras de demanda
O medidor oferece diversas leituras de demanda, incluindo as leituras de demandas
atuais e as demandas prognosticadas, as quais estão definidas a seguir:
• Demanda média de corrente;
• Demanda de potência ativa;
• Demanda de potência reativa;
• Demanda de potência aparente.
c) Leituras de energia elétrica
O medidor PM850 calcula e armazena valores de energia acumulados para energia
ativa e reativa (kWh e kVArh) que entra ou sai da carga, e também acumula energia
aparente total.
d) Valores de análises de energia elétrica
O medidor de grandezas elétricas proporciona ainda, uma série de valores que
podem ser empregados para detectar problemas de qualidade de energia elétrica, tais como:
• THD (Distorção Harmônica Total) – tensão e corrente: Trifásico, por fase e
de neutro => de 0 a 3276,7%.
• Tensões fundamentais (por fase):
Magnitude: de 0 a 1200 kV;
Ângulo: de 0,0 a 359,9°.
• Correntes fundamentais (por fase):
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
83
Magnitude: de 0 a 32767 A;
Ângulo: de 0,0 a 359,9°.
• Outros:
¾ Potência ativa fundamental (por fase, trifásica); de 0 a 32767 kW;
¾ Potência reativa fundamental (por fase): de 0 a 32767 kVAr;
¾ Fator de Potência (por fase, trifásico): de –0,002 a 1,000 a +0,002;
¾ Rotação de fases;
¾ Desequilíbrios de corrente e tensão;
¾ Magnitudes de harmônicos individuais: de 0 a 327,67%;
¾ Ângulos de harmônicos individuais: de 0,0° a 359,9°;
3.3.4.2) Captura de formas de onda
A captura de formas de onda pode ser realizada manualmente ou mediante o
disparo de um alarme para analisar harmônicos estáveis. Esta forma de onda proporciona
informações sobre harmônicos individuais e totais que, são calculados até o harmônico de
ordem 63. Também calcula a distorção harmônica total (THD) e outros parâmetros
referentes à qualidade da energia. A aquisição de dados obtém um máximo de cinco
capturas individuais de três ciclos cada com 128 amostras por ciclo.
Utilizando o software SMS de um computador remoto, é possível realizar a captura
de formas de onda. Esta pode ser para as três fases ou pode-se ampliar uma forma de onda,
que inclui um banco de dados com informações sobre harmônicos. A central de medidas
pode, ainda, armazenar múltiplas formas de onda capturadas em sua memória. O número
máximo de formas de onda que podem ser armazenadas é cinco.
3.3.5) Controlador lógico programável - CLP
Os processadores das plataformas de automação Premium TSX P57 controlam uma
estação autônoma completa formada por módulos de entradas/saídas digitais, analógicas e
módulos de funções especiais. A CPU executa a leitura dos status (condições ou estados)
dos dispositivos de entrada por meio dos módulos de I/O Esses status são armazenados na
memória (RAM) para serem processados pelo Programa de Aplicação desenvolvido pelo
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
84
usuário e armazenado em memória RAM, EPROM ou EEPROM no CLP. Neste caso a
linguagem utilizada foi a Ladder. Após a execução do Programa de Aplicação, o
processador atualiza os dispositivos de saída por meio dos Módulos de entrada e saída,
realizando a lógica de controle [48].
A Tabela 3.2 aponta os itens presentes no conjunto que forma o controlador lógico
programável utilizado o Laboratório de Sistemas Motrizes:
Tabela 3.2 – Componentes utilizados no CLP
Item Referência Descrição
01 TSXP571634M CPU Premium UNITY N1 ETH 96KB
02 TSXPSY2600M Modulo fonte alimentação TSX57 10
03 TSXRKY12
Rack Standard
04 TSXDEY16D2 Placa 16 entrada digital 24Vcc com borneira
05 TSXDSY16R5 Placa 16 saída digital a rele com borneira
06 TSXAEY800 Placa 8 entrada analógica 0-10V/4-20MA
07 TSXASY800 Placa 8 saída analógica 0-10V/4-20MA
08 TSXAEY414 Placa entrada analógica multigama 16BI
De modo mais detalhado os itens do CLP são descritos a seguir:
• CPU - Unidade Central de Processamento: compreende o processador
(microcontrolador ou processador dedicado) o sistema de memória (ROM e
RAM) e os circuitos auxiliares de controle.
• Módulos de entrada e saída (I/O): podem ser discretos (sinais digitais: 12
VDC, 110VAC, contatos normalmente abertos, contatos normalmente
fechados) ou analógicos (sinais analógicos: 4 a 20 mA, 0 a 10VDC).
• Fonte de alimentação: responsável pela tensão de alimentação fornecida à
CPU e aos módulos de I/O.
• Base ou Rack: proporciona conexão mecânica e elétrica entre a CPU, os
módulos de I/O e a fonte de alimentação. Contém o barramento de
comunicação entre eles, no qual os sinais os sinais de dados, endereço, controle
e tensão de alimentação estão presentes.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
85
3.4) Sistema supervisório
O sistema supervisório responsável pelos comandos e acionamentos utilizado no
LAMOTRIZ – Laboratório de Sistemas motrizes da Universidade Federal de Uberlândia -
UFU é o InduSoft Web Studio 6.1 SP2. Sua configuração visa a realização do controle de
todo o processo e a apresentação dos dados de monitoramento em tempo real através da
rede de dados Modbus Ethernet.
Ao acessar o sistema supervisório, será apresentada a tela indicada pela figura 3.23.
Figura 3.23 – Tela inicial do sistema supervisório
A partir da tela inicial, tem-se acesso a uma tela principal para cada bancada, o
desenho esquemático da figura 3.24 mostra a tela de apresentação da bancada da bomba
centrífuga. Cada elemento constituinte da bancada (multimedidor, acionamento, carga, etc)
é acessível através um atalho para abertura das telas de monitoração, ou seja: comando,
temperatura, gráficos, medições e banco de dados. A tela fornece, também, informações
específicas de cada bancada como, por exemplo, torque, velocidade, pressão, vazão, etc.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
86
Figura 3.24 – Apresentação da bancada da bomba centrífuga na tela do supervisório
Na figura 3.25 está representada a tela de comandos, nela tem-se acesso aos
sistemas de partida direta, suave e por inversor de frequência. Esta tem seus parâmetros
determinados pelo supervisório. Desta forma, o tempo de rampa de subida e descida, a
velocidade e demais parâmetros referentes às características operacionais das máquinas
deverão ser configurados através de tela específica no supervisório de cada bancada.
Figura 3.25 – Tela de comando
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
87
A obtenção de dados em tempo real é posssível via janela de medições, como
indicado na figura 3.26. Esta tela trabalha exclusivamente com grandezas elétricas, como
por exemplo, tensão, corrente, potência, fator de potência, etc.
Figura 3.26 – Janela de medições de grandezas elétricas
Além das informações apresentadas diretamente na tela (medições), o sistema
também oferece dados numéricos via banco de dados pelo atalho BD, na tela pricincipal da
bancada, conforme a figura 3.27. Complementando ainda, é possível a construção de
gráficos de parâmetros do sistema em função do tempo, como indicado na figura 3.28 e,
seu acesso é permitido pela janela denominada de gráficos.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
88
Figura 3.27 – Banco de dados do sistema supervisório
Figura 3.28 – Tela de apresentação de parâmetros x tempo
Compo
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3.31.
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O
s
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
91
MV de 0 a 100%.
Ao se possibilitar o controle de vazão via estrangulamento de válvula e via variação
de velocidade, permite-se comparar o efeito das grandezas envolvidas no processo nos dois
casos. Com a utilização do inversor de freqüência, o sistema permite ainda, que se faça a
escolha da vazão e, via CLP, buscar, automaticamente, a velocidade necessária no
conversor para a obtenção da vazão desejada.
3.5 – Dinamômetro
Para aparecer a tela do dinamômetro, um dos motores deverá estar acoplado no
equipamento, portanto, com um motor acoplado ao dinamômetro aparecerá a tela indicada
na Figura 3.32.
Figura 3.32 – Tela do dinamômetro no supervisório
A exemplo da bomba centrífuga, o dinamômetro também tem seus valores de PID
pré-ajustados, estes estão listados a seguir:
P = 50
I = 100
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
92
D = 0
Faixas:
SP de 0 a 10 Nm;
MV de 0 a 100%.
3.6) Considerações finais
A planta industrial do sistema de bombeamento apresentada e discutida ao longo
deste capítulo, oferece várias possibilidades de estudos e ensaios experimentais, dentre os
quais, pode-se citar:
• Levantamento da curva característica da bomba, ou seja, conjugado no eixo em
função de sua rotação;
• Levantamento da curva característica dos motores (convencional e alto-
rendimento), ou seja, conjugado no eixo em função de sua rotação;
• Estudo da eficiência energética dos motores sob diferentes condições de carga;
• Estudo da eficiência energética através da comparação dos motores da linha
padrão e alto-rendimento;
• Estudo da eficiência energética dos motores em função da variação da vazão da
bomba (estrangulamento da válvula);
• Estudo de eficiência energética dos motores em função da utilização de inversores
de freqüência, através da variação de velocidade do conjunto motor-bomba;
• Comparação entre as grandezas elétricas e mecânicas considerando as partidas
direta, suave e inversor de freqüência.
• Levantamento das curvas de todos os parâmetros elétricos e mecânicos
monitorados em função do tempo de funcionamento do conjunto motor-bomba.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
93
Capítulo 4
Ensaios de Laboratório realizados na Estação de Trabalho
do Sistema de Bombeamento
4.1) Introdução
Neste capítulo são abordados alguns aspectos de eficiência energética relativos às
medições e ensaios executados no Laboratório de Sistemas Motrizes da UFU, mais
especificamente o sistema de bombeamento, o qual já foi descrito no capítulo anterior.
Dessa forma, são apresentados, discutidos e analisados os cálculos necessários à sua
fundamentação. São também abordados, o estudo do rendimento de motores, onde as
normas reconhecem como válidas as variações de rendimento, bem como as justificativas
desta diferença nem sempre ser perceptível, em motores de pequeno porte, quando
comparados com a linha padrão e alto rendimento.
Complementando os aspectos anteriores, o objetivo deste capítulo é mostrar a
metodologia de comparação do desempenho de sistemas de bombeamento controlados por
válvulas de estrangulamento e a utilização de inversores de freqüência no controle da
vazão. Adicionalmente, identificar a redução do consumo de energia elétrica bem como as
justificativas para a escolha de um sistema em detrimento do outro.
4.2) O sistema de bombeamento
4.2.1) Os motores: alto-rendimento e convencional
a) Rendimento de placa
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
94
O rendimento marcado na placa de um motor representa o nominal médio de uma
grande quantidade de motores do mesmo projeto e, devido a isso, apresenta limites de
tolerância. Segundo a NBR 7094/1996, não há um limite superior de tolerância de
rendimento para valores acima do marcado no motor. Porém, para valores inferiores, os
limites de tolerância para motores devem obedecer aos seguintes critérios [30]:
1) Para rendimentos marcados tal que η ≥ 0,851, o limite inferior de tolerância é
dado por 0,2 x (1-η);
2) Para rendimentos marcados tal que η < 0,851, o limite inferior de tolerância é
dados por 0,15 x (1-η);
b) O motor de alto rendimento do LAMOTRIZ
Modelo: G192961; Grau de Proteção: IP55; Isolação: F; Regime: S1; Potência
Nominal: 1,5 [cv]; Tensões: 220/380 [v]; Correntes: 4,02/2,33 [A]; Freqüência: 60 [Hz];
Rotação: 3390 [rpm]; (Ip/In): 7,5; Categoria: N; FS: 1,15; Rendimento: 82,5; cos φ: 0,87.
Como, η < 0,851, então o limite inferior de tolerância é dado por 0,15 x (1-η);
Assim:
η = 0,825 - 0,15 x (1 - 0,825) = 0,825 - 0,02625
E, portanto, um rendimento mínimo de 79,88%.
c) Motor Convencional do LAMOTRIZ
Modelo: HE36350; Grau de Proteção: IP55; Isolação: B; Regime: S1; Potência
Nominal: 1,5 [cv]; Tensões: 220/380 [v]; Correntes: 4,27/2,47 [A]; Freqüência: 60 [Hz];
Rotação: 3370 [rpm]; (Ip/In): 7,5; Categoria: N; FS: 1,15; Rendimento: 78,6; cos φ: 0,86.
Como, η < 0,851:
η = 0,786 - 0,0321
Assim, o rendimento mínimo permitido é de 75,39%.
c) Considerações sobre o rendimento de placa
Como evidenciado nos itens anteriores para motores de pequeno porte, onde a
diferença de rendimento entre motores convencional e da linha de alto-rendimento é
pequena, a aquisição do motor de maior rendimento pode não significar redução de
potência na entrada do motor uma vez que suas tolerâncias podem coincidir em um
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
95
determinado momento. Entretanto para motores de grande porte essa possibilidade é
mínima.
4.2.2) Altura manométrica
O diagrama referente ao sistema hidráulico da estação de trabalho de bombeamento
é mostrado na figura 4.1. Nesta figura é possível visualizar o diâmetro da tubulação, ¾ de
polegada, bem como, as alturas geométricas de sucção e recalque. A indicação da
localização dos vários sensores e atuadores presentes na linha também foram contemplados
pela figura 4.1, e os detalhes estão listados e ilustrados no capítulo 3, na tabela 3.1. A
tubulação de sucção tem 0,73 m de altura e um comprimento linear de tubulação de 1,24
m, a de recalque tem 1,17 cm de altura geométrica e 2,52 m de tubos instalados.
Figura 4.1 - Sistema hidráulico da estação de bombeamento
a) Cálculo das perdas localizadas
Para o cálculo de perdas localizadas foram utilizadas tabelas de conversão de perda
de carga nas conexões hidráulicas em comprimento equivalente de tubulação [29]. Estas
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
96
tabelas, recomendadas por fabricantes de tubos e conexões, que por serem de uso comum
não estão reproduzidas neste trabalho. A tabela 4.1 aponta os valores para as conexões
presentes na bancada.
Deve-se salientar ainda que os medidores e sensores presentes na estação de
trabalho e estudo em questão, que não apresentaram em seus manuais a perda de carga
localizada, teve seu valor estimado como o de uma conexão em “T” com passagem direta.
A solução mostrou-se coerente na medida em que os cálculos foram sendo desenvolvidos.
Tabela 4.1 – Valores de comprimento equivalente para as conexões presentes na bancada
Componente Quant. Comp. Eq. Unit. Comp. Eq. Total
União 1 0,01 0,01
Saída de canalização 1 0,5 0,5
Curva de 90° 4 0,4 1,6
Joelho 90° 4 0,7 2,8
Tubo em S 1 0,8 0,8
T - passagem direta 3 0,4 1,2
T - passagem lateral 1 1,4 1,4
Válvula globo 1 6,7 6,7
Registro de ângulo 1 3,6 3,6
Luva de redução 2 0,29 0,58
Válvula de crivo 1 5,6 5,6
Total 24,79 metros
b) Perda de carga distribuída
i) Utilização de tabelas
O atrito exercido na parede interna do tubo quando da passagem do fluído pelo seu
interior também provoca perdas, a tabela 4.2 mensura essas perdas através de coeficientes,
um valor percentual somado ao comprimento total da tubulação, em função do diâmetro
interno da mesma e da vazão desejada [29]. Na referida tabela, 36,5 é o valor percentual de
tubulação a ser somado ao comprimento linear de tubos instalados.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
97
Tabela 4.2 – Valores de perda de carga nas tubulações
Perda de carga em tubulações de ferro fundido (%)
Vazão m
3
/h 3/4" 1" 1 1/4" 1 1/2" 2"
0,5 1,3 0,4 0,1 0,1
1 4,8 1,6 0,4 0,2 0,1
1,5 10,1 3,4 0,9 0,4 0,1
2 17,2 5,8 1,5 0,7 0,2
2,5 26,1 8,8 2,3 1,1 0,3
3 36,5 12,3 3,2 1,5 0,5
3,5 48,6 16,4 4,2 2 0,6
4 62,2 21 5,4 2,6 0,8
4,5 77,3 26,1 6,7 3,2 1
5 94 31,7 8,1 3,9 1,2
Assim, a perda de carga na tubulação = (Comprimento linear da tubulação +
Comprimento equivalente) x Fator de perda de carga.
Perda de carga = (3,76 + 24,79) x 0,365 = 10,42 mca
Para a altura manométrica (H), tem-se a soma das perdas de carga e altura
geométrica:
H = 1,9 + 10,42
= 12,32 mca
ii) Pelo método de Hazen-Willians
Pela formulação de Hazen-Willians e tomando-se como base a equação (4.1), o
resultado para altura manométrica total é ligeiramente inferior para uma vazão de 3m
3
/h.
(4.1)
Onde:
Q = Vazão em m
3
/s;
L = Comprimento da tubulação em m;
C = Representa o estado de conservação das paredes do tubo;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
98
D = Diâmetro da tubulação.
H = 9,46 mca
iii) Método de Darcy-Weisbach
A expressão (4.2) utilizada foi a chamada “fórmula de Darcy-Weisbach”, onde
apresenta uma conceituação mais precisa e é recomendada pela Norma Brasileira (ABNT -
NBR 12218 - Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público).
Também é mais utilizada na Europa [33].
(4.2)
Onde, na expressão, “g” é a aceleração da gravidade local e “f” é o fator que
procura representar o estado de conservação das paredes internas da tubulação.
O fator “f” pode ser calculado pela equação (4.3), e associa o coeficiente de
rugosidade interna do tubo (ε), que varia para o aço galvanizado novo entre
0,102 a 4,6
[33] com o Número de Reynolds (Re).
(4.3)
Por sua vez, Re é um número adimensional que retrata o tipo de movimento de um
fluido: se laminar ou turbulento. É calculado em função da velocidade do escoamento (U),
do diâmetro interno da tubulação e do coeficiente de viscosidade cinemática do fluido (ν),
e é representada pela equação (4.4):
(4.4)
O escoamento é considerado turbulento quando esse número é superior a 4000 e
laminar quando é inferior a 2000, havendo uma zona considerada de transição entre esses
dois limites.
A referência [33] recomenda o coeficiente de viscosidade cinemática da água (ν) a
uma temperatura ambiente de 20
o
de 1x10
-6
. Assim:
Re = 46051,78
De posse de todos os dados necessários, a equação (4.2) apresenta como resultado:
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
99
H = 16,66 mca
Observação: Para os três métodos utilizados para o cálculo da altura
manométrica, apenas nos de perdas distribuídas foram utilizados métodos diferenciados.
Para perda de carga localizada foi utilizado o método dos comprimentos equivalentes.
4.2.3) Curva de carga do sistema
Para o cálculo da curva de carga do sistema mostrada na figura 4.2, foi utilizada a
formulação de Darcy-Weisbach, por ser a recomendada pela ABNT - NBR 12218.
Deve-se salientar que essa curva tem influência da ação da válvula de
estrangulamento. O limite de vazão em 3 m
3
/h é imposto pela válvula e, portanto, mais
uma perda localizada foi somada a altura manométrica, essa carga de pressão adicional
corresponde a 4,34 mca. Assim:
H = 16,66 + 4,34 ≈ 21 mca
Figura 4.2 – Curva de carga do sistema de bombeamento do LAMOTRIZ
4.2.4) Determinação do NPSH e verificação de cavitação
Os parâmetros mencionados são calculados com base na equação (4.5).
(4.5)
0
5
10
15
20
25
00,511,522,53
Q
H
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
100
Onde:
Ho = Pressão atmosférica local, em mca, mostrado na tabela 4.3;
h = Altura de sucção, em metros (dado da instalação);
hs = Perdas de carga no escoamento pela tubulação de sucção, em metros;
R = Perdas de carga no escoamento interno da bomba, em metros (dados do
fabricante);
Hv = Pressão de vapor do fluído escoado, em metros conforme tabela 4.4;
Tabela 4.3 - Pressão atmosférica para determinadas altitudes
Altitude em
relação ao mar (m)
0 150 300 450 600 750 1000
Pressão
Atmosférica (mca)
10,33 10,16 9,98 9,79 9,58 9,35 9,12
Tabela 4.4 – Pressão de vapor da água para determinadas temperaturas
Temperatura
da água (ºC)
0 4 10 20 30 40 50 60 80 100
Pressão de vapor
da água (mca)
0,062 0,083 0,125 0,239 0,433 0,753 1,258 2,033 4,831 10,33
Para o correto entendimento das características da instalação é usual o
desmembramento dos termos da fórmula anterior, a fim de obterem-se os dois valores
característicos (instalação e bomba) [37]. Nestas condições, tem-se que:
Ho - Hv - h - hs = NPSHd (disponível), característica da instalação hidráulica; e
R = NPSHr (requerido), característica da bomba, determinada em seu projeto de
fábrica e, fornecido pelo fabricante através das curvas características das bombas (curva de
NPSH);
a) NPSHr
Conforme mostrado na curva característica da figura 4.3 e, extrapolando os pontos
na busca da vazão de 3m
3
/h, encontra-se:
NPSHr = 0,8 mca
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
101
(
fonte: catálogo do fabricante)
Figura 4.3 – Curva vazão x NPSH
b) NPSHd
Para o cálculo desta grandeza, deve-se lembrar que:
NPSHd = Ho - Hv – h - hs
Onde:
Ho ≈ 9,25 (Pressão atmosférica na cidade de Uberlândia a 863 metros de altitude -
tabela 4.3);
Hv = 0,433 (Pressão de vapor d’água para 30
0
C - tabela 4.4);
h = 0,73 metros (Altura sucção);
hs = 3,04 metros (Perda calculada para o atrito na sucção).
Nestas condições, tem-se que:
NPSHd = 9,25 - 0,433 - 0,73 - 3,04 = 5,047 mca
O fabricante Schneider Motobombas, fornecedor da bomba centrífuga utilizada no
LAMOTRIZ, recomenda que NPSHd seja maior que (NPSHr + 0,6), para que seja evitado
o efeito de cavitação na bomba. Os cálculos mostram que ainda, tem uma reserva de vazão
na qual pode-se trabalhar sem que ocorra tal efeito indesejado.
4.2.5) Potência absorvida (BHP) e rendimento (η)
BHP é a potência absorvida pela bomba para o transporte de um fluído com uma
vazão desejada, a uma determinada altura e com o rendimento esperado. A obtenção da
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
102
potência motriz é necessária para se chegar ao motor de acionamento da bomba, cuja
expressão matemática é expressa por:
(4.6)
Onde:
BHP = Potência motriz absorvida pela bomba, em cv;
Q = Vazão desejada, em m
3
/h;
H = Altura de elevação, em mca;
0,37 = Constante para adequação das unidades;
η
b
= Rendimento da bomba, esperado ou fornecido através da curva característica
em valores percentuais (%).
Ao se trabalhar com a bomba centrifuga próxima ao seu ponto de melhor
rendimento, como indicado em vermelho na figura 4.4, obtém-se um rendimento
aproximado de 60%. Esse valor pode ser conferido pela aplicação da equação 4.6,
tomando-se como base os seguintes parâmetros:
η
b
= 60,43%
Ou ainda, pode-se obter o rendimento pela equação 4.7, como indicada pela
referência [27]:
(4.7)
Onde:
BHP => cv
Q => m
3
/s
H => m
γ => kgf/m
3
Compo
r
aprox
i
e o re
n
do L
A
mecâ
n
r
tamento elétric
o
De posse
d
η
b
= 60,4
9
Figura
Portanto,
o
i
madamente
Para a co
n
n
dimento fo
r
η
b
= 19,1
7
4.2.6) Os
c
O gráfico
m
A
MOTRIZ,
d
n
ico da bom
b
o
, mecânico e hi
d
d
esses valor
e
9
4%
4.4 – Curva q
u
o
melhor r
e
, 60%.
n
dição de c
a
r
am calcula
d
7
%
c
onjugados
m
ostrado n
a
d
iscutida e
a
b
a centrífug
d
ráulico de um
s
e
s e substitu
i
u
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figura 4.5,
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103
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e
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s
a
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e,
c
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ã
o
d
o
s
o
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
104
de medições, também foi estimado o tempo de partida ou de aceleração (t
a
= 6±1 s) para o
motor da linha padrão. De posse desses valores, foi calculado o momento de inércia da
carga, a partir da equação (4.7).
(4.7)
Onde:
n = rotação em rps;
J
m
= momento de inércia do motor;
J
c
= momento de inércia da carga;
C
mm
= Conjugado médio do motor;
C
cm
= Conjugado médio da carga;
Figura 4.5 – Curva de conjugado mecânico x velocidade angular da bomba centrífuga
Tomando-se como base as equações apresentadas e discutidas no capítulo 3, pode-
se calcular os conjugados médios do motor e da bomba e consequentemente o seu
momento de inércia.
C
cm
= C
reg
x (1/3) = 1,06 Nm
C
mm
= 0,5.(Cp + Cmax) = 9,54 Nm
J
m
= 0,00079 kgm
2
J
c
= 0,143385kgm
2
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
105
4.3) A eficiência energética pela comparação entre os motores da
linha padrão e de alto-rendimento utilizando a válvula de
estrangulamento
As tabelas 4.5 e 4.6 registram os valores obtidos para grandezas elétricas no
LAMOTRIZ para os motores convencional e de alto-rendimento, respectivamente. Para
obtenção destas vazões, usou-se apenas o método de estrangulamento de válvula e
posteriormente foram coletados os valores. O objetivo foi avaliar o consumo de energia
elétrica apenas pela comparação entre o uso do motor da linha padrão e da linha alto-
rendimento.
Tabela 4.5 – Valores elétricos do motor da linha padrão
Q (m
3
/h) V (V) I (A) FP P (W) Q (VAr) S (VA) η
0,5 219 3 0,74 855 770 1153 0,77
1 219,2 3,2 0,76 919,43 777 1201 0,774
1,5 219,2 3,3 0,78 971,7 788 1250 0,776
2 218,9 3,4 0,79 1008,5 791 1288 0,778
2,5 218,8 3,6 0,8 1082 802 1338 0,78
3 218,9 3,8 0,82 1140 816 1417 0,782
Tabela 4.6 – Valores elétricos do motor de alto-rendimento
Q (m
3
/h) V (V) I (A) FP P (W) Q (VAr) S (VA) η
0,5 218,3 2,7 0,77 801 663 1038 0,803
1 218,4 2,9 0,79 859 672 1089 0,805
1,5 218,8 2,9 0,79 891 682 1129 0,806
2 217 3 0,81 922 674 1127 0,807
2,5 218,5 3,3 0,82 1031,67 705 1237 0,81
3 215,8 3,4 0,82 1033 704 1233 0,81
A comparação entre a energia elétrica consumida pelos dois motores, conforme
mostra a tabela 4.7, mostra que de fato há uma redução do consumo, no caso do
laboratório, em média 10%.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
106
Tabela 4.7 – Comparação de consumo de energia entre motores LP e AR
Q(m
3
/h) P(W) Dias Horas Energia Economia%
LP
1,5 971,7 30 24 699624
-9,05724
AR
1,5 891 30 24 641520
LP
2 1008,5 30 24 726120
-9,38178
AR
2 922 30 24 663840
LP
3 1140 30 24 820800
-10,35818
AR
3 1033 30 24 743760
Um outro aspecto ao qual se deve atentar quando se pretender trocar um motor
convencional por um da linha alto-rendimento, é que nestes, em geral, a velocidade é
ligeiramente superior. Tal fato pode reduzir a economia de energia elétrica prevista em
cálculos e retardar o tempo de retorno de investimento, quando se tratar de carga
centrífuga.
Para os motores do LAMOTRIZ, 3370 rpm e 3390 rpm, são as velocidades no eixo
dos motores, sendo a maior para o motor de alto-rendimento. Pelas equações de
similaridade, (2.13) a (2.16) no capítulo 2, percebem-se que todos os parâmetros variam
com a velocidade.
Assim, por exemplo, em um sistema de bombeamento, como representado na figura
4.4, teria sua condição ideal de trabalho tomando-se como base os seguintes parâmetros:
Q = 10 m
3
/ h
H = 24,5 mca
η
b
= 60%
BHP = 1104 W
Com a variação da velocidade imposta pelo motor de alto rendimento e aplicando
as leis de afinidade, determinam-se as outras condições de operação do sistema de
bombeamento, ou seja:
Q = 10,06 m
3
/ h
H = 24,79 mca
BHP = 1123,77 W
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
107
Supondo-se que a pequena variação dos parâmetros não afete o funcionamento do
sistema, a potência na entrada do motor de alto rendimento é calculada conforme a
expressão a seguir:
P = 1123,77 / 0,825 = 1362,15 W
Desta maneira, encontra-se para a potência absorvida pelo motor, um valor maior
que a sua potência elétrica nominal (1338,18 W).
Portanto, há um incremento de 23,97 W, o qual é exigido pela carga mecânica.
Neste sentido, ao se proceder a comparação entre os motores de alto-rendimento e
convencional, na sua condição nominal, a redução de potência elétrica instalada é de 66,4
W. Neste contexto, o incremento de 23,97 W exigido pela carga centrífuga, quando
acionada pelo motor de alto-rendimento é representativo. Caso o sistema seja monitorado
de modo a garantir uma vazão constante, existirá ainda, uma maior atuação da válvula de
estrangulamento, o que provocará alteração na curva de carga do sistema acarretando em
maiores perdas.
4.4) Comparação da eficiência energética utilizando inversores de
freqüência
A utilização do inversor de freqüência, em cargas centrífugas, nas quais são
necessários vários valores de vazão, possibilita grande economia de energia elétrica
quando comparada com a mesma vazão obtida pelo estrangulamento de válvula. As tabelas
4.8 e 4.9 relacionam velocidade com a vazão e apontam os efeitos nos outros parâmetros
do sistema de bombeamento, para acionamento com motor de linha padrão e alto
rendimento, respectivamente.
Tabela 4.8 – Variação da velocidade em função da vazão com um motor LP
Q (m
3
/h) H (kgf/cm
2
) n (rpm) I (A) V (V) P (W) FP C (Nm)
1,5 0,45 1700,43 1,2 219,2 238 0,88 0,61
2 0,9 2193,57 1,9 218,8 409 0,88 0,97
2,5 1,3 2642,71 2,8 217,8 635 0,92 1,43
3 1,7 3135,75 4,1 218,3 1013 0,92 2,09
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
108
Tabela 4.9 – Variação da velocidade em função da vazão com um motor AR
Q (m
3
/h) H (kgf/cm
2
) n (rpm) I (A) V (V) P (W) FP C (Nm)
1,5 0,4 1693,2 1,1 218,5 209 0,87 0,56
2 0,8 2154,2 1,7 217,9 355 0,9 0,87
2,5 1,2 2590,86 2,6 217,7 570 0,9 1,34
3 1,7 3127 3,8 217,6 909,13 0,92 1,94
A comparação entre as tabelas 4.8 e 4.5 está indicada na tabela 4.10, enquanto a
comparação entre as tabelas 4.9 e 4.6 está ilustrada na tabela 4.11. Destas comparações
vêm a justificativa principal para o uso de inversor de freqüência de modo a controlar a
vazão pela variação da velocidade em detrimento do processo pelo qual se aciona válvulas
de estrangulamento com o mesmo objetivo. Quanto mais distante da condição nominal
mais se percebe a redução da potência instalada e seu conseqüente efeito sobre a energia
elétrica contabilizada na fatura da concessionária de energia elétrica.
Tabela 4.10 – Comparação de consumo entre inversor de freqüência e válvula de estrangulamento no
controle de vazão com a utilização do motor LP
Q(m
3
/h) p(kgf/cm
2
) P(W) Dias Horas Energia Economia %
Inversor
1,5 0,4 238 30 24 171360
75,5
Válvula
1,5 2,8 971,7 30 24 699624
Inversor
2 0,9 409 30 24 294480
59,4
Válvula
2 2,6 1008,5 30 24 726120
Inversor
2,5 1,3 635 30 24 457200
41,3
Válvula
2,5 2,5 1082 30 24 779040
Inversor 3 1,8 1013 30 24 729360
11,1
Válvula
3 2,1 1140 30 24 820800
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
109
Tabela 4.11 – Comparação de consumo entre inversor de freqüência e válvula de estrangulamento no
controle de vazão com a utilização do motor AR
Q(m
3
/h) p(kgf/cm
2
) P(W) Dias Horas Energia Economia%
Inversor
1,5 0,4 209 30 24 150480
78,3
Válvula
1,5 2,6 965 30 24 694800
Inversor
2 0,8 355 30 24 255600
65,9
Válvula
2 2,5 1041 30 24 749520
Inversor
2,5 1,2 570 30 24 410400
47,7
Válvula
2,5 2,3 1091 30 24 785520
Inversor
3 1,7 909,13 30 24 654573,6
23,9
Válvula
3 2,1 1195 30 24 860400
Para uma vazão de 3m
3
/h, valor limítrofe da estação de trabalho do LAMOTRIZ da
UFU, a economia encontrada é devida ao fato de que é necessária uma limitação de vazão
produzida pela válvula globo ali existente. Nesta condição, a economia de energia elétrica
atingiu 23,9%, quando o motor utilizado foi o de alto-rendimento, enquanto que para a
mesma vazão a economia foi 11,1% quando a operação foi realizada com o motor
convencional. Uma análise para outras vazões é quantificada facilmente comparando-se as
tabelas 4.10 e 4.11.
Graficamente, a figura 4.6 demonstra os efeitos causados pelo inversor de
freqüência e pela válvula globo de contorno, responsável pelo controle de vazão por
estrangulamento. As curvas representativas de variação de velocidade são denominadas na
figura 4.6, relacionada ao motor convencional, como 60 Hz, 45Hz e 30 Hz, os efeitos do
método de estrangulamento de válvula, representado pelas curvas do sistema, onde a curva
em azul representa a condição nominal da bancada, enquanto as outras curvas do sistema
indicadas com os sub-índices 2 e 3 apontam vazões de 2,5 e 2 m
3
/h na curva de bomba
para 60 Hz.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
110
Figura 4.6 – Efeitos causados pela variação de velocidade e pelo estrangulamento
de válvula para um sistema acionado pelo motor LP
A figura 4.7 é similar à figura 4.6, porém, nesta o sistema é acionado por um motor
de alto-rendimento. O estudo aqui demonstrado apresenta as curvas para 60 Hz e 38 Hz, no
inversor de freqüência, portanto para velocidades de 3390 rpm e 2150 rpm
respectivamente.
Figura 4.7 – Efeitos causados pela variação de velocidade e pelo estrangulamento
de válvula para um sistema acionado pelo motor AR
Fica evidente, nas curvas encontradas via medições em laboratório, o efeito sobre o
consumo de energia elétrica no sistema de bombeamento da estação de trabalho. Um
0
5
10
15
20
25
30
35
40
00,511,522,53
Q (m
3
/h)
H (mca
)
60Hz 45Hz
30Hz Curva do sistema
Curva do sistema 2 Curva do sistema 3
0
5
10
15
20
25
30
35
40
00,511,522,53
Q (m^3/h)
H (mca)
60Hz 38 Hz
curva do sistema curva do sistema 2
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
111
estudo dos gráficos apresentados indica o melhor método a ser utilizado no controle de
vazão.
Nas figuras 4.8 e 4.9, observa-se as comparações entre os dois métodos de controle
por meio de gráficos de potência elétrica de entrada em função da vazão. Aqui também,
está contemplado o acionamento por ambos os motores. Pela análise destas figuras, nota-se
a grande diferença na potência exigida para valores menores que a vazão nominal, quando
observados os dois métodos de controle e a tendência a se igualarem em condições
próximas às nominais.
Figura 4.8 – Potência versus vazão utilizando motor LP
Figura 4.9 – Potência versus vazão utilizando motor AR
Deve-se aclarar aqui que a potência referente à alimentação do inversor de
freqüência esta contabilizada, ainda assim, para a condição mais distante do regime de
trabalho, ou seja, vazão de 1,5 m
3
/h encontrou-se, em média, 77% de economia de energia
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
112
elétrica quando comparado com a metodologia utilizando válvulas de estrangulamento.
Assim, demonstra-se que o efeito da variação de velocidade é consistente para cargas
centrífugas e neste caso deve ser utilizada sempre que possível.
4.5) Estudo das leis de afinidade para cargas centrífugas
4.5.1) As leis de afinidade aplicadas ao sistema de bombeamento do
LAMOTRIZ
Freqüentemente é necessário estimar as condições de trabalho de um sistema
centrífugo sem que se possam realizar medições diretas, como é o caso das maiorias das
aplicações industriais. Neste sentido, para estas estimativas recorre-se as chamadas leis de
afinidade ou de similaridade, já detalhadas no capitulo 2 (equações 2.13 a 2.16).
Nas tabelas 4.12 e 4.13, os valores relacionados na coluna medido (1) e medido (2),
foram retirados das tabelas 4.8 e 4.9. A coluna calculado foi preenchida pela aplicação das
leis de afinidade sobre a coluna medido (1), ou seja, usou a velocidade nominal como
referência. Na última coluna está anotado o erro percentual obtido na comparação entre o
valor medido (2) e o valor calculado. No cálculo da potência, onde existe a influência do
consumo na alimentação do inversor de freqüência. Um maior erro ficou evidente. Para
amenizar esse efeito, na linha Pij SIF, onde SIF significa Sem Inversor de Freqüência,
foram abatidos 70 W referentes à alimentação deste equipamento. O erro para a potência
diminuiu, nas duas tabelas, para valores aceitáveis.
Outros efeitos que contribuíram para o maior erro na potência são: a variação do
rendimento para sistemas funcionando em velocidades diferentes daquela para o qual foi
projetado e o constante desequilíbrio nas tensões durante as medições. A relação entre
rendimentos é apontada na equação 2.18 e reescrita a seguir. Com o motor convencional
trabalhando em condições de carga nominal, seu rendimento é de 78,6%, porém quando se
procede a estimativa através da equação para uma rotação de 1700 rpm, a eficiência cai
para 76,6%. Para uma mesma condição, o motor de alto rendimento, que tem sua
eficiência em 82,5%, reduz o rendimento para 80,74% na mesma velocidade mencionada.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
113
Tabela 4.12 – Relações das leis de afinidade em um motor convencional
Calculado medido(1) medido(2) erro %
Q21 =
1,62672088 3 1,5 -8,44806
H21 =
0,499841711 1,7 0,45 -11,0759
P21 =
161,5045659 1013 238 32,14094
P21 SIF
150,3443294 943 168 10,50933
Q22 =
2,098607989 3 2 -4,9304
H22 =
0,831896037 1,7 0,9 7,567107
P22 =
346,7685052 1013 409 15,21552
P22 SIF 322,8062195 943 339 4,776926
Q23 =
2,528304233 3 2,5 -1,13217
H23 =
1,207438656 1,7 1,3 7,120103
P23 =
606,3643736 1013 635 4,509547
P23 SIF
564,4635778 943 565 0,094942
Tabela 4.13 – Relações das leis de afinidade em um motor de alto-rendimento
Calculado medido(1) medido(2) erro %
Q21 = 1,62443236 3 1,5 -8,29549
H21 = 0,49843632 1,7 0,45 -10,7636
P21 = 144,333494 909,13 209 30,94091
P21
SIF
133,220293 839,13 139 4,158063
Q22 = 2,06670931 3 2 -3,33547
H22 = 0,80679872 1,7 0,8 -0,84984
P22 = 297,235317 909,13 355 16,27174
P22
SIF
274,349182 839,13 285 3,737129
Q23 = 2,05946011 3 2,5 17,6216
H23 = 1,1670274 1,7 1,2 2,747717
P23 = 517,099578 909,13 570 9,280776
P22
SIF
477,284623 839,13 500 4,543075
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
114
Outros efeitos que contribuíram para o maior erro na potência são: a variação do
rendimento para sistemas funcionando em velocidades diferentes daquela para o qual foi
projetado e o constante desequilíbrio nas tensões durante as medições. A relação entre
rendimentos é apontada na equação 2.18 e reescrita a seguir. Com o motor convencional
trabalhando em condições de carga nominal, seu rendimento é de 78,6%, porém quando se
procede a estimativa através da equação para uma rotação de 1700 rpm, a eficiência cai
para 76,6%. Para uma mesma condição, o motor de alto rendimento, que tem sua
eficiência em 82,5%, reduz o rendimento para 80,74% na mesma velocidade mencionada.
4.5.2) Obtenção das curvas características para diversas velocidades a partir
da curva para uma rotação conhecida
A figura 4.10 relaciona a curva característica da vazão em função da pressão,
enquanto que a figura 4.11 ilustra o gráfico da potência elétrica em função da vazão do
sistema. Deve-se salientar que estas curvas características são obtidas tanto
experimentalmente quanto analiticamente, neste caso, através da aplicação das leis de
afinidade. O levantamento das curvas para 30 Hz e 45 Hz foram obtidos a partir da curva
em 60Hz, normalmente fornecida pelo fabricante da bomba. O trabalho foi executado com
o sistema acionado pelo motor de linha padrão. A proximidade entre as curvas mostra que
o método é mais eficiente para valores não muito distantes da condição de velocidade
nominal. A curva para 45 Hz se mostra com melhor qualidade, enquanto a de 30 Hz já
demonstra um distanciamento maior entre as curvas medida e calculada.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
115
Figura 4.10 - Relação vazão versus carga de pressão
Figura 4.11 – Relação potência elétrica em função da vazão
Deve-se salientar que, o método de cálculo utilizado e suas considerações teóricas
estão devidamente aclarados no item 2.7.2, no capítulo 2. Por este motivo não foram
reescritas as equações nem elucidadas as teorias que envolvem este assunto.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
116
4.6) Considerações finais
No capítulo presente foram analisadas e apresentadas as variações nos parâmetros
elétricos, mecânicos e hidráulicos do sistema de bombeamento do LAMOTRIZ, quando o
controle de vazão é realizado pela válvula de estrangulamento ou quando se utilizou
inversores de freqüência. Nestas condições, pode-se constatar que:
Para a utilização do estrangulamento de válvula, encontrou-se uma economia de
energia de 10% quando da substituição do motor convencional pelo de alto-
rendimento;
Na utilização do controle de vazão pelo inversor de freqüência, a economia de
energia elétrica, para uma vazão de 1,5 m
3
/h foi de 78% quando o motor utilizado
foi o de alto-rendimento;
Na utilização do controle de vazão pelo inversor de freqüência, a economia de
energia elétrica, para uma vazão de 1,5 m
3
/h foi de 75% quando o motor utilizado
foi o convencional;
Na utilização do controle de vazão pelo inversor de freqüência, em todos os
casos estudados, a economia de energia elétrica foi acentuadamente reduzida, tanto
para o motor convencional, quanto o de alto-rendimento;
Os estudos mostraram que, com a utilização dos conversores de freqüência, a
economia de energia elétrica é mais acentuada à medida que a vazão do sistema se
distancia de seu valor nominal;
Os estudos mostraram que a lei de afinidade pode ser utilizada na obtenção das
curvas características para outras velocidades, a partir da curva original;
Identificou-se uma possibilidade de estimar o momento de inércia das cargas
mecânicas em plantas industriais em funcionamento.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
117
Capítulo 5
Simulação Computacional do Sistema de Bombeamento
(LAMOTRIZ) na Plataforma ATP
5.1) Introdução
Modelar e simular sistemas físicos são técnicas utilizadas pelas engenharias em
diversas situações. O domínio dessas técnicas permite o maior entendimento das
características de funcionamento de um sistema a baixo custo ao permitir a representação
de um fenômeno real, para análise e estudos. A simulação também permite comparar e
identificar, entre as soluções, as mais adequadas a serem aplicadas quando necessárias.
Normalmente, na engenhara elétrica toda simulação computacional é baseada em
duas técnicas, quais sejam: técnica no domínio da freqüência e no domínio do tempo. O
estudo no domínio da freqüência, baseado no princípio da superposição dos efeitos, é
principalmente utilizado para as análises em regime permanente. Em relação a técnica que
estuda o domínio do tempo é útil quando se deseja estudar os regimes transitórios. Dentre
as principais plataformas convencionais no domínio do tempo, destacam-se: ATP, SABER,
MATLAB, PSPICE, EWB, etc. Neste trabalho a escolha recaiu sobre o programa EMTP
(ATPDraw).
O desenvolvimento do programa EMTP (Eletromagnetic Transient Program)
iniciou-se a partir da década de 60, com o passar dos anos, o programa foi sofrendo
alterações de diversos colaboradores do mundo todo, tornando-se uma ferramenta poderosa
em estudos de transitórios em sistemas elétricos. Em 1984 foi criada uma nova versão do
EMTP, denominada ATP - Alternative Transient Program, que constitui a continuação das
versões anteriores do programa [50].
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
118
O ATP, sempre se mostrou um programa de difícil manejo, entretanto, durante os
últimos anos foram desenvolvidos vários programas de apoio que têm facilitado a sua
utilização para qualquer tipo de usuário. Entre as facilidades mais recentes podem ser
citadas as novas versões do pré-processador gráfico ATPDraw, o programa de suporte
LCC e o programa gráfico PLOTXY, além das diferentes opções de versões para o próprio
ATP [51].
O capítulo atual tem por objetivo apresentar a simulação computacional, na
interface ATPDraw, de um sistema de bombeamento, acionado por motor de indução
trifásico de 1,5 cv- 2 polos. Os resultados oriundos de medições também serão mostrados e
analisados de modo a buscar a comparação com valores teóricos buscando a validação do
modelo computacional proposto e justificar o seu uso no estudo do sistema de
bombeamento contido no Laboratório de Sistemas Motrizes – LAMOTRIZ da
Universidade Federal de Uberlândia.
5.2) O sistema de bombeamento
5.2.1) A representação do motor de indução trifásico - MIT
O motor proposto para a simulação é um motor WEG de linha padrão, cujos dados
de placa estão descritos na Tabela 5.1. A metodologia utilizada nos cálculos dos
parâmetros do circuito equivalente não será abordada neste trabalho, uma vez que é de
amplo conhecimento e pode ser encontrada, por exemplo, na referência [13]. Deve-se
destacar apenas que a determinação dos parâmetros foi obtida a partir de ensaios a vazio e
com o rotor bloqueado, os quais estão indicados nas tabelas 5.2, 5.3 e 5.4 [13].
Tabela 5.1: Dados de placa do MIT
P(cv) n(rpm) V(V) In(A) Ip/In Cn(Nm) Cp/Cn Η Fp
1,5 3370 220 4,27 7,5 3 3 78,6 0,86
Tabela 5.2: Ensaio a vazio
V(V) f(Hz) I(A) P(W)
220 60 1,576 105,7
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
119
Tabela 5.3: Ensaio de rotor bloqueado
V(V) f(Hz) I(A) P(W)
220 60 29,6 8500
Tabela 5.4: Parâmetros para o circuito equivalente
Rs(Ω) Ls(mH) Rr(Ω) Lr(mH) Lm(mH)
5,6 14,063 4,26 11,324 620
O circuito equivalente usado como base para a simulação está representado pela
Figura 5.1. Onde os índices r, s e m significam, respectivamente, rotor, estator e
magnetização.
Figura 5.1 – Circuito elétrico equivalente para motor
5.2.2) A representação do sistema de bombeamento
A carga que representa o sistema de bombeamento é acionada por uma bomba
centrífuga. Uma das formas eficientes de se identificar esse tipo de carga é através de
curvas em função da velocidade. A figura 5.2 mostra o gráfico do torque mecânico em
função da velocidade do sistema de bombeamento do LAMOTRIZ. A característica da
bomba foi construída através de valores obtidos em laboratório, conforme já explanado nos
capítulos anteriores, e foi utilizada para as modelagens na plataforma ATP Draw.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
120
Figura 5.2 – Curva do Sistema de Bombeamento
5.3) A modelagem do sistema
5.3.1) Representação do sistema no ATPDraw
A modelagem do sistema de bombeamento utilizada no software para representar a
estação de trabalho do LAMOTRIZ pode ser visualizada na figura 5.3.
Figura 5.3 – O sistema de bombeamento representado no ATP
Onde:
(1) é uma fonte trifásica sources- Ac3ph, Type 14;
(2) é uma chave trifásica Switch time 3-ph (SWIT_3XT);
(3) é um componente Branch Linear - RLC3-ph;
(4) é um motor trifásico Machines - UM3-Indution;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
121
(5) é um componente Branch linear – resistor de 1x10
-6
ohm;
(6) é um componente Branch linear – capacitor de 144175 uF, representando a
inércia do sistema;
(7) é um componente NLINRES - nonlinear current-dependent resistor, TYPE 99,
representando a carga mecânica;
(8) é um componente Branch linear – resistor de 1 k ohm, utilizado para evitar
flutuações;
(9) é uma fonte monofásica sources- Ac1ph, Type 14 utilizada como fonte de
corrente com um pequeno valor (-1x10
-5
A), apenas para indicar uma magnetização prévia
e uma freqüência próxima à zero (0.001 Hz).
5.3.2) Representação do motor no ATP Draw
A figura 5.4 é a representação de um motor trifásico de indução, identificado no
ATPDraw como Machines - UM3-Indution.
Figura 5.4 – O motor representado no ATP
Onde os nós:
Estator: Nó de conexão do motor à rede;
Neutro: Para motores ligados em estrela, esse ponto deve ser aterrado através de
uma resistência alta de modo a evitar oscilações numéricas;
Inicialização: Por este nó é possível indicar condições iniciais do motor, como por
exemplo, magnetização remanescente;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
122
Carga: Por este nó é feito o acoplamento da carga.
5.3.3) Entrada de dados do motor de indução trifásico
A janela de atributos do motor, indicada na figura 5.5, é disponibilizada a partir de
dois cliques no ícone identificado na figura 5.4. Por essa janela tem-se acesso aos pontos
de entrada de dados do motor no software.
Figura 5.5 - Janela de atributos do motor
Onde, nas abas:
General - foi indicada a ligação delta, existente nos motores do LAMOTRIZ, o
número de bobinas nos eixos d e q, (1) apenas indicando o mesmo número de
bobinas nos dois eixos;
Magnet - foi introduzido o valor da indutância de magnetização
(620 mH), mesmos
valores para os eixos d e q;
Stator – foram introduzidos os valores de resistência (5,6 Ω) e indutância (14,063
mH) de estator, iguais nos eixos d e q. Para a seqüência zero, no ATP draw, o valor
é indiferente, uma vez que o motor não tem suas bobinas aterradas;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
123
Rotor – foram introduzidos os valores de resistência (4,26 Ω) e indutância (11,324
mH) de rotor, para d e q;
Init – no campo split [%] indica o escorregamento inicial, aqui utilizado o valor
100% representando o motor totalmente inerte antes de sua partida.
5.3.4) Entrada de dados da carga
No ATPDraw, a velocidade é representada em forma de tensão (1V = 1rad/seg),
enquanto o torque é representado em forma de corrente (1 A = 1Nm), propiciando que a
relação torque versus velocidade possa ser obtida na forma de resistência. Assim, a
modelagem da carga, foi feita pelo uso de um resistor não-linear, que tem sua resistência
dependente da corrente. Esse resistor permite entrar diretamente com os valores de torque e
velocidade obtidos empiricamente no laboratório. Outra maneira pela qual se pode
representar este tipo de carga pode ser verificada na referencia [49].
Na figura 5.6, pode-se visualizar a janela de atributos do resistor não-linear que foi
utilizado na modelagem da carga mecânica.
Figura 5.6 – Janela de atributos do resistor não-linear NLINRES
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
124
O gráfico plotado na Figura 5.7 indica a resistência de carga inserida no ATP, como
representativo do sistema de bombeamento.
Figura 5.7 – Curva da resistência representativa da carga mecânica
Outro item que deve ser contemplado é o momento de inércia da carga, que no
ATP, deve vir somado ao momento do eixo do motor. Para o programa, 1kgm
2
corresponde a 1 Farad. Assim, do capítulo 4, tem-se que:
J
m
= 0,00079 kgm
2
J
c
= 0,143385 kgm
2
Contabilizando um momento de inércia total de 0,144175 kgm
2
Lembrando, que os dados inerciais, convertidos em capacitância, devem ser
indicados em μF, o capacitor indicado por (6), na figura 5.3 deve ter o valor de 144175 μF.
5.4) Simulações
5.4.1) Ensaio a vazio
Este item tem por objetivo realizar uma comparação entre os valores encontrados
nas simulações computacionais e aqueles obtidos experimentalmente no ensaio em vazio.
0.4 1.0 1.7 2.3 3.0
I [A
]
104.3
168.5
232.7
296.9
361.1
U [V]
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
125
A figura 5.8 apresenta as formas de onda das correntes absorvidas pelo motor em
função do tempo de simulação, enquanto que a tabela 5.5 indica os valores numéricos
encontrados, onde se observa a coerência com os resultados experimentais, indicado na
tabela 5.2.
Figuras 5.8 – Correntes a vazio
Tabela 5.5 – Valores de corrente encontrados via simulação
Ip(pico) Ip(rms) Ireg(pico) Ireg(rms)
39,36 28,48 2,254 1,594
Onde:
Ip = corrente de partida;
Ireg = corrente de regime permanente.
A figura 5.9 oferece o torque mecânico em função do tempo, durante a operação a
vazio. Como esperado os torques de partida e máximo não se alteram, o torque de regime
(Creg) e o tempo de partida é que devem ser pequenos, pois o acionamento tem apenas o
próprio eixo do motor como carga. Numericamente, a tabela 5.6 indica os valores
encontrados, onde se observa a coerência com os resultados de placa, indicado na tabela
5.1.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
[s]
-50,0
-37,5
-25,0
-12,5
0,0
12,5
25,0
37,5
50,0
[A]
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
126
Figura 5.9 - Torque mecânico durante a operação do motor com o rotor livre
Tabela 5.6 – Valores de torque encontrados via simulação
Cp Cm Creg
9,58 11,96 0,21
A curva apontada na figura 5.10 traz o valor simulado para a velocidade com o
motor a vazio, 376 Rad/seg, ou seja, 3590 rpm. É coerente, pois o valor próximo ao da
velocidade síncrona é o esperado, uma vez que é a própria carga mecânica, a responsável
pelo escorregamento.
Figura 5.10 – Velocidade do motor com o rotor livre
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
127
5.4.2) Ensaio de rotor travado
O ensaio de rotor travado foi executado, mantendo-se por curto espaço de tempo, a
tensão nominal e, nestas condições, obteve-se a corrente de partida. A Figura 5.11
apresenta a forma de onda da corrente de rotor travado em função do tempo. O valor eficaz
encontrado para esta grandeza é de 28,48 A, enquanto o de pico é 39,36 A.
Experimentalmente, o valor encontrado foi de 29,5 A de corrente eficaz na partida.
Figura 5.11 – Correntes do motor com o rotor travado
A figura 5.12 oferece o torque mecânico em função do tempo, durante a operação
com rotor bloqueado. Como esperado o torque se estabilizou em 9,58 Nm, este é o mesmo
encontrado na partida do motor.
Figura 5.12 – Torque de rotor bloqueado
A figura 5.13 apresenta a velocidade em função do tempo, durante a operação com
rotor bloqueado. A velocidade como esperado é zero.
8.8486 8.8564 8.8641 8.8719 8.8796 8.8874 8.8952
[s]
-50.0
-37.5
-25.0
-12.5
0.0
12.5
25.0
37.5
50.0
[A]
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
128
Figura 5.13 – Velocidade do motor com o rotor bloqueado
5.4.3) Ensaio com carga nominal
A carga mecânica aplicada ao motor é ligeiramente menor que a carga nominal,
necessitando de 3,7 A, valor abaixo de 4,27 A de placa, porém, esta foi analisada por ser a
carga de regime. Os valores de placa do motor e os valores medidos foram os parâmetros
utilizados na comparação.
A figura 5.14 apresenta as formas de onda das tensões fase-neutro aplicadas no
motor em função do tempo de simulação, tensões próximas às utilizadas nos testes
laboratoriais. Na tabela 5.7 estão indicados os valores numéricos para estas tensões
impostas.
Figura 5.14 – Tensões na partida
35 44 53 62 71 80
[
ms
]
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
[V]
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
129
Tabela 5.7 – Valores de tensão utilizados na simulação
Vff(pico) Vff(rms) Vfn(pico) Vfn(rms)
311,1 220 179,6 127,1
Onde:
Vff = tensão entre fases;
Vfn = tensão entre fase e neutro.
A figura 5.15 mostra as correntes elétricas em função do tempo, durante a operação
com carga nominal. Numericamente, a tabela 5.8 indica os valores encontrados, tanto de
pico como de regime permanente.
As correntes na partida, se mostraram bastante coerentes, tanto com os dados de
placa quanto com os valores obtidos no ensaio de rotina. Na especificação do motor, a
corrente de regime é de 4,27 A, a relação Ip/In é de 7,5, portanto a corrente de partida para
o qual esse equipamento foi projetado é de 32 A. Pelos dados fornecidos pelo ensaio de
rotor bloqueado, a corrente foi de 29,6. Pela análise das correntes pode-se, também,
estimar o tempo de partida em 6 segundos. Este tempo observável no gráfico (figura 5.15)
é o valor aproximado, conferido no LAMOTRIZ.
Figura 5.15 – Correntes na partida
Tabela 5.8 – Valores de corrente encontrados via simulação para carga nominal
Ip(pico) Ip(rms) Ireg(pico) Ireg(rms)
39,36 28,48 4,573 3,235
0 1 2 3 4 5 6 7 8
[s]
-50,0
-37,5
-25,0
-12,5
0,0
12,5
25,0
37,5
50,0
[A]
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
130
A figura 5.16 oferece o torque mecânico em função do tempo, durante a operação
com carga de regime. Como esperado os torques de partida e máximo permanecem
constantes, o torque de regime (Creg) e o tempo de partida é que sofreram variações pela
imposição da carga mecânica. Numericamente, a tabela 5.9 indica os valores encontrados,
onde se observa a coerência com os resultados de placa, indicado na tabela 5.1. Em
laboratório o torque encontrado foi de 2,85 Nm, um valor inferior à condição nominal, isto
se explica pelo fato de que a carga mecânica utilizada no LAMOTRIZ é menor que a carga
para o qual o motor foi projetado. O valor de torque de regime obtido via simulação
computacional, apresenta boa aproximação com o encontrado via medição laboratorial,
como esperado é um pouco menor, uma vez que algumas das perdas internas do motor não
foram contempladas na modelagem.
Figura 5.16 – Torque mecânico no eixo do motor
Tabela 5.9 – Valores de torque encontrados via simulação com carga nominal
Cp Cm Creg
9,58 11,96 2,73
A figura 5.17 apresenta a curva de torque mecânico do motor e do sistema em
função do tempo, durante a operação com carga de regime. A forma parabólica no gráfico,
em verde, é característica marcante de cargas centrífugas. O valor em regime de 2,71 Nm
mostra que a carga está bem modelada, uma vez que este é bastante próximo do valor de
torque de regime do motor, medido no laboratório.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
131
_________torquedomotor__________torquedacargamecânica
Figura 5.17 - Torque de carga mecânica do sistema
A figura 5.18 indica a velocidade em função do tempo, durante a operação com
carga de regime. A velocidade, de 350,3 Rad/seg ou 3345,12 rpm, é menor que a
velocidade nominal, que é de 3370 rpm. Entretanto, a velocidade medida para essa carga
3342 rpm, fica evidenciada a proximidade entre a modelagem utilizada e a carga mecânica
utilizada no laboratório.
Figura 5.18 – Velocidade do conjunto motor-carga
Posteriormente, em regime permanente, foi conferida a potência elétrica em função
do tempo e indicada na figura 5.19. A potência trifásica obtida por meios computacionais é
de 1044,9 W enquanto a potência elétrica medida é de 1135 W. Fica demonstrada, mais
uma vez, a ausência de perdas na modelagem computacional.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
132
Figura 5.19 – Formas de onda da potência elétrica
A figura 5.20 aponta a potência mecânica, obtida através do produto torque vezes
velocidade angular 953,9 W é um valor bastante próximo dos 997,42 W apurados em
laboratório, se for utilizado o mesmo processo matemático para se obter essa potência.
Figura 5.20 – Potência mecânica no eixo do MIT
5.5. Ensaio com carga acionada em 45 Hz
Para essa análise, buscou-se na teoria o conceito de fluxo constante, ou seja, manter
constante a relação V/F, teoria, aliás, utilizada em inversores de freqüência.
8,4573 8,4598 8,4624 8,4649 8,4674 8,4699 8,4725
[s]
-1000
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
[W]
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
133
Assim, por uma regra de 3 simples, chegou-se aos valores 134,5 Vp (tensão
fase/neutro) e 43,9 Hz, descontado o escorregamento. Por esse caminho, modelou-se um
inversor de freqüência ideal, ou seja, com perdas iguais a zero e, que não impõe distorções
harmônicas no sistema.
A tabela 5.10, apresenta os valores obtidos no LAMOTRIZ para a carga acionada
em 45 Hz. Esses valores estão na entrada do inversor de freqüência e, trazem embutidas as
perdas no equipamento que, por indicação de catálogo, é um valor aproximado de 70 W.
Tabela 5.10 – Valores medidos em laboratório para 45 Hz
n(rpm) I(A) V(V) P(W) C(Nm)
2576 2,6 217,4 555 1,33
A figura 5.21 apresenta as formas de onda das tensões aplicadas no motor em
função do tempo para simulações em 45Hz, condições similares às presentes nos testes
laboratoriais. Na tabela 5.11 estão indicados os valores numéricos para estas tensões.
Figura 5.21 – Tensões fase-fase no motor em 45 Hz
Tabela 5.11 – Valores de tensão utilizados na simulação em 45 Hz
Vff(pico) Vff(rms) Vfn(pico) Vfn(rms)
233 164,7 134,5 95,11
A figura 5.22 mostra as correntes elétricas em função do tempo, durante a operação
com carga acionada em 45 Hz. Numericamente, a tabela 5.12 indica os valores
7,59 7,60 7,61 7,62 7,63 7,64
[s]
-150
-100
-50
0
50
100
150
[V]
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
134
encontrados, tanto de pico como de regime permanente. Comparando com valores da
tabela 5.10, a corrente de 2,13 A é o valor esperado, uma vez que a simulação foi feita
considerando as mesmas condições da carga e, em condições reais também a corrente sofre
a influência do inversor de freqüência.
Figura 5.22 – Correntes no motor em 45 Hz
Tabela 5.12 – Valores de corrente obtidos na simulação em 45 Hz
Ip(pico) Ip(rms) Ireg(pico) Ireg(rms)
33,46 23,66 3,01 2,13
A figura 5.23 indica o torque mecânico em função do tempo, durante a operação
com carga acionada em 45 Hz. Em laboratório o torque encontrado foi de 1,33 Nm,
enquanto que o valor simulado foi 1,371 Nm. O valor de torque de regime obtido via
simulação computacional, apresenta boa aproximação, aproximadamente 4 %, com o
encontrado via medição laboratorial.
Figura 5.23 – Torque no Motor em 45 Hz
0 1 2 3 4 5 6 7 8
[s]
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
[A]
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
135
Na figura 5.24 foram apresentados os torques do motor e do sistema, ambos,
alcançam o estado de regime em 1,37 Nm.
________Torquedomotor________Torquedacargamecânica
Figura 5.24 – Torques do motor e do sistema em 45 Hz
A figura 5.25 mostra a velocidade em função do tempo, durante a operação com
carga acionada em 45 Hz. A velocidade, de 269,7 Rad/seg ou 2575,45 rpm, é valor
bastante próximo do medido no LAMOTRIZ, indicado na tabela 5.10.
Figura 5.25 – Velocidade do motor em 45 Hz
A potência elétrica, em regime permanente, foi conferida em função do tempo e
indicada na figura 5.26. A potência trifásica obtida simulação computacional é de 403,6 W
enquanto a potência elétrica medida é de 555 W. A potência adicional existente no sistema
mecânico é referente à alimentação do inversor de freqüência.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
136
Figura 5.26 – Potência elétrica em 45 Hz
A figura 5.27 aponta a potência mecânica, obtida através do produto torque vezes
velocidade angular 369,9 W é um valor bastante próximo dos 358,78 W apurados em
laboratório, se for utilizado o mesmo processo matemático para se obter essa potência.
Figura 5.27 – Potência mecânica em 45 Hz
5.6) Validação do modelo computacional
Para validar o modelo computacional foram construídas as tabelas 5.13 a 5.16. A
linha referente ao erro% compara os valores medidos com valores simulados, uma vez que
a carga existente na estação de bombeamento do laboratório é menor que a capacidade
nominal do motor. Os dados de placa foram utilizados quando o valor medido não estava
8,6000 8,6025 8,6051 8,6076 8,6102 8,6127 8,6152
[s]
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
[W]
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
137
disponível. A potência mecânica (Pmec) foi obtida indiretamente, a partir da multiplicação
entre a velocidade angular e o conjugado para o referido ponto.
Na tabela 5.13 são tratados valores com o motor em funcionamento a vazio, ou
seja, sem carga mecânica acoplada ao seu eixo. O maior erro percentual, evidenciado na
potência elétrica de entrada (Pel) são devidas às perdas não-joulicas. Para os outros valores
é possível visualizar grande proximidade entre eles. O modelo se mostrou eficiente nesta
situação.
Tabela 5.13 - Grandezas elétricas medidas e simuladas com o motor a vazio
n(rpm) I(A) Pel(W)
medido
3342,00 1,58 105,70
simulado
3343,21 1,59 80,51
erro%
0,04 1,13 -31,29
Na tabela 5.14 são apontados valores para o motor com o rotor bloqueado. Devido
à elevada potência necessária neste acionamento, o erro percentual é pouco representativo,
as perdas adicionais, entretanto aumentaram em valor absoluto. O modelo se mostrou
eficiente, também, nesta situação.
Tabela 5.14 - Grandezas elétricas medidas e simuladas para o motor com rotor bloqueado
n(rpm) I(A) Pel(W)
medido
0,00 29,60 8500,00
simulado
0,00 28,48 8393,00
erro%
- -3,93 -1,27
Na tabela 5.15 são tratados valores com o motor acionado a uma freqüência de
60Hz. O maior erro percentual, aqui, evidente na corrente e na potência elétrica de entrada
(Pel) é devido a perdas que não foram modeladas, como citado anteriormente. Ainda
assim, é possível visualizar grande proximidade entre os valores, em geral erros pequenos,
quando comparam medições e simulações. O modelo se mostrou menos eficiente em
situações transitórias, observáveis no conjugado máximo e na corrente de partida.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
138
Tabela 5.15 - Grandezas elétricas e mecânicas, medidas, simuladas e de placa referentes a 60 Hz
C Cp Cm n I Pmec Pel Ip
medido
2,85 - - 3342 3,7 997,4 1135 29,6
de placa
3,18 9,54 9,54 3370 4,27 1104 1404,6 32
simulado
2,89 9,56 11,9 3343,21 3,38 1007 1115 28,81
erro%
1,38 0,21 19,83 0,04 -9,47 0,95 -1,79 -2,74
Na tabela 5.16, onde estão indicadas grandezas elétricas e mecânicas, para um
motor acionado em 45 Hz, os valores são coerentes. A corrente e a potência elétrica de
entrada, na linha medido, se distanciam do valor na linha simulado por não contemplarem
as perdas não-joulicas e a alimentação do inversor de freqüência existente no sistema real
e, modelado no software como ideal.
Tabela 5.16 - Grandezas elétricas e mecânicas, medidas e simuladas referentes a 45 Hz
C (45Hz) n (45Hz) I(45Hz) Pmec(45Hz) Pele(45Hz)
medido
1,33 2576,33 2,6 358,82 555
simulado
1,39 2575,4 2,14 374,4 411,4
erro%
4,32 -0,03 -21,50 4,16 -34,91
5.7) Considerações finais
O modelo proposto apresenta valores coerentes, é possível identificar as
características do sistema real em seus valores simulados. A modelagem dos parâmetros da
máquina e da carga mostrou-se confiável permitindo a analogia entre valores simulados,
calculados e medidos. A precisão conseguida com os resultados recomenda a utilização do
modelo proposto no ATPDraw para simular a bancada de bombeamento instalada no
Laboratório de Sistemas Motrizes da Universidade Federal de Uberlândia.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
139
Capítulo 6
Conclusão
Esta dissertação apresentou de forma detalhada, a especificação e as possibilidades
de análise oferecidas pelo Laboratório de Sistemas Motrizes da Universidade Federal de
Uberlândia proporcionado pelo convênio ELETROBRÁS/PROCEL/UFU, no que tange ao
uso de sistemas de bombeamento. Diversas condições operativas de cargas na bomba
centrífuga foram estudadas demonstrando os fenômenos eletromecânicos e hidráulicos
pertinentes a este sistema.
No capítulo 2 foram apontados aspectos importantes sobre motores,
acoplamentos, bombas, variados tipos de acionamentos, entre outros. Chegou-
se a conclusão, que qualquer medida de eficientização energética em uma parte
isolada do sistema, pode ou não causar impacto sobre as demais partes. Uma
criteriosa avaliação da ação a ser tomada é o único modo de saber se a medida é
ou não produtiva, e se, é ou não viável financeiramente.
O capítulo 3, também trouxe importante colaboração, dentre as quais pode-se
citar o estudo teórico na busca de obter:
o Levantamento da curva característica da bomba, ou seja, conjugado no
eixo em função de sua rotação;
o Levantamento da curva característica dos motores (convencional e alto-
rendimento), ou seja, conjugado no eixo em função de sua rotação;
o Estudo da eficiência energética dos motores sob diferentes condições de
carga;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
140
o Estudo da eficiência energética através da comparação dos motores da
linha padrão e alto-rendimento;
o Estudo da eficiência energética dos motores em função da variação da
vazão da bomba (estrangulamento da válvula);
o Estudo de eficiência energética dos motores em função da utilização de
inversores de freqüência, através da variação de velocidade do conjunto
motor-bomba;
o Comparação entre as grandezas elétricas e mecânicas considerando as
partidas direta, suave e inversor de freqüência.
o Levantamento das curvas de todos os parâmetros elétricos e mecânicos
monitorados em função do tempo de funcionamento do conjunto motor-
bomba.
No capítulo 4, o estudo do sistema de bombeamento do LAMOTRIZ apontou
importantes aspectos sobre os parâmetros elétricos, hidráulicos e mecânicos,
tais como:
o Para a utilização do estrangulamento de válvula, encontrou-se uma
economia de energia de 10% quando da substituição do motor
convencional pelo de alto rendimento;
o Na utilização do controle de vazão pelo inversor de freqüência, a
economia de energia elétrica, para uma vazão de 1,5 m
3
/h foi de 78%
quando o motor utilizado foi o de alto-rendimento;
o Na utilização do controle de vazão pelo inversor de freqüência, a
economia de energia elétrica, para uma vazão de 1,5 m
3
/h foi de 75%
quando o motor utilizado foi o convencional;
o Na utilização do controle de vazão pelo inversor de freqüência, em todos
os casos estudados, a economia de energia elétrica foi acentuadamente
reduzida, tanto para o motor convencional, quanto o de alto-rendimento;
o Os estudos mostraram que, com a utilização dos conversores de
freqüência, a economia de energia elétrica é mais acentuada à medida que
a vazão do sistema se distancia de seu valor nominal;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
141
o Os estudos mostraram que a lei de afinidade pode ser utilizada na
obtenção das curvas características para outras velocidades, a partir da
curva original;
o Identificou-se uma possibilidade de estimar o momento de inércia das
cargas mecânicas em plantas industriais em funcionamento.
Para o capítulo 5, foi demonstrada a modelagem no domínio do tempo, na
plataforma ATPDraw, do sistema de bombeamento. Os estudos e análises,
mostraram que a eficácia da simulação foi suficiente para validação do modelo
proposto, uma vez que os resultados computacionais obtidos se aproximaram
daqueles oriundos dos ensaios experimentais.
Finalmente, deve-se destacar que, soluções foram propostas e verificadas, como
também, simuladas. Seus resultados são importantes. Porém a avaliação econômico-
financeira é tão importante quanto o estudo técnico, de prováveis soluções a se implantar,
na busca melhorias, com a intenção de reduzir o consumo de energia elétrica.
6.1) Trabalhos futuros
O desenvolvimento apresentado nesta dissertação levou em conta vários aspectos
que envolvem o funcionamento de sistemas de bombeamento. Porém, trata-se de assunto
de grande abrangência e, como tal, extrapola os limites de uma dissertação apenas. Muitos
aspectos foram abordados e outros ficarão para novos empreendimentos, dentre os itens
não estudados e que são de grande valia para o conhecimento desse tipo de sistema pode-se
citar:
1) O comportamento térmico de sistemas de bombeamento, envolvendo tanto os
motores quanto a bomba centrífuga;
2) A eficiência energética em sistemas de bombeamento vista sob o enfoque da
qualidade de energia;
3) A avaliação de perdas provocadas por vibrações no sistema;
4) A modelagem computacional, contemplando uma maior gama de perdas internas
do motor, que leve em consideração, também, a saturação magnética.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
142
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Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
146
ANEXO
Artigo “ESPECIFICAÇÃO PARA UM LABORATÓRIO DE EFICIÊNCIA
INDUSTRIAL” apresentado no II CBEE – Congresso Brasileiro de Eficiência
Energética. Vitória – Espírito Santo, 2007
1
ESPECIFICAÇÃO PARA UM LABORATÓRIO DE EFICIÊNCIA
INDUSTRIAL
*Sergio Ferreira de Paula Silva, Antonio Carlos Delaiba, Décio Bispo,
Renato Alves Pereira, Ronaldo Guimarães, Alexandre Borges Zappelini
**Carlos Aparecido Ferreira
*Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia –
UFU
Avenida João Naves de Ávila, 2121 – Campus Santa Mônica – Uberlândia – MG
CEP- 38400-902
**Eletrobrás
Abstract: This paper has for objective the specification of an
industrial efficiency’s laboratory. This specification details
components involving four groups of benches, which are:
centrifugal pumps, compressors, fans and conveyor's belt. Each one
of loads was specified in independent group of benches, with a
system of composed drive for automation systems, controlled and
integrated measurements. A composed drive for two motors
(standard or high-efficiency) and three ways of departure (direct,
variable frequency drives and soft start) that connected to the load
allow to the visualization of the control forms and equipment
operation, on the approach of the industrial efficiency. Copyright ©
2007 CBEE/ABEE
Keywords: Specification, Laboratory, Industrial Efficiency, Motor
Systems, Tree-phase Induction Motors.
Resumo: Este artigo tem por objetivo a especificação de um
laboratório de eficiência industrial . Esta especificação detalha os
componentes envolvendo quatro bancadas, quais sejam: bombas
centrífugas, compressores, ventiladores e correias transportadoras.
Cada uma das cargas foi especificada em bancada independente,
contendo um sistema de acionamento composto por sistemas de
automação, controle e medições integrados. Um acionamento
composto por dois motores (standard ou alto-rendimento) e três
modos de partida (direta, inversor de frequencia e soft start) que
acoplados à carga, permitem a visualização das formas de controle
e operação de equipamentos, sobre o enfoque da eficiencia
industrial.
Palavras Chaves: Especificação, Laboratório, Eficiência
Industrial, Sistemas Motrizes, Motores de Indução Trifásico.
2
1 INTRODUÇÃO
Os problemas ocorridos nos anos 90, no setor
elétrico brasileiro, demonstraram que a energia
elétrica é um insumo valioso e, como tal, deve ser
usado de maneira racional. A necessidade de
metodologias e estudos que visem à eficiência
energética foi demonstrada de forma cabal pela
crise de abastecimento que assolou o país no ano de
2001.
O uso eficiente de energia, que pode ser entendida
como a utilização da menor quantidade possível de
energia para realizar um trabalho sem que se perca
qualidade e segurança na realização, tem como
campo de atuação os mais diversos ramos de
atividade da sociedade. Utilizar a energia com
responsabilidade, sem desperdício, constitui um
novo parâmetro a ser considerado no exercício da
cidadania. (ELETROBRÁS/PROCEL/EFEI, 2001).
Segundo o Gerente de Utilização de Energia da
Companhia Energética de Minas Gerais - CEMIG
ações que objetivem o uso racional e eficiente de
energia correspondem a construção de uma usina
virtual de energia (Máxima Eficiência, 2005).
Embasando tal opinião, Howard Steven Geller
relata: a economia de energia elétrica, em 1998,
permitiu que as concessionárias brasileiras
evitassem implementar aproximadamente 1560
MW de nova capacidade geradora, o que significou
cerca de 3,1 bilhões de investimentos evitados.
(Geller 2003). Ainda segundo o mesmo autor, ao se
comparar os custos com a energia economizada e
os custos para a geração da mesma quantidade
houve um coeficiente de custo - beneficio global de
aproximadamente 12:1 (Geller 1998).
O setor industrial, segundo o Balanço Energético
Nacional – BEN de 2005, consumiu 203,48 TWh o
correspondente a 47,9% de toda a eletricidade
consumida no país. No que se refere ao cenário
industrial, a CEMIG nos informa, em seu site que:
no Brasil, os Motores elétricos de indução são
responsáveis por cerca de 50% das cargas elétricas
industriais, chegando a 70% em determinadas
regiões.
Dentro deste contexto, a Universidade Federal de
Uberlândia – UFU, Minas Gerais, em parceria com
ELETROBRÁS/PROCEL, idealizou um
laboratório que, de forma prática e inteligente,
permite o estudo das principais cargas motrizes
utilizadas no setor industrial. Com vasta e
reconhecida atuação nos campos qualidade da
energia elétrica e máquinas elétricas, essa
universidade reconheceu a necessidade de,
também, se avançar no campo da utilização da
energia elétrica de forma racional. Os detalhes
desse laboratório são apresentados na sequencia
deste trabalho.
2 DESCRIÇÃO GERAL DAS
BANCADAS
O Laboratório de Sistemas Motrizes é composto
por quatro bancadas, sendo que cada uma
corresponde a um diferente tipo de carga
comumente utilizado em processos industriais.
Assim procedendo, as cargas correspondentes à
bombas centrífugas, compressores, ventiladores e
correias transportadoras, formam as bancadas
mencionadas.
Cada uma das cargas foi instalada em bancada de
ensaios independente das demais, formando um
sistema de acionamento completo, composto por
proteção e medição; sistemas de automação e
medição integrados, capazes de controlar
automaticamente a execução, a coleta de dados e
emissão de relatórios. O acionamento é composto
por dois motores e três modos de partida distintos,
permitindo a visualização de diversas formas de
controle e operação de equipamentos industriais
similares e de maior porte.
Cada bancada é composta por duas mesas e um
painel, sendo que a primeira mesa contém o micro-
computador, a segunda os motores e o módulo de
carga e o painel acondiciona os sistemas de
comando, medição e acionamento. Na sequência
são apresentadas as características/ funcionalidades
mínimas para estas bancadas:
• A primeira bancada possui dimensões apropriadas
para a instalação de um micro-computador (CPU,
monitor, teclado, no-break e mouse) e um
multifuncional.
• Na segunda bancada foram instalados os motores
(de alto rendimento e convencional), e o módulo de
carga. Vale ressaltar, que o módulo de carga
permiti uma variação controlada via sistema
supervisório, entre 0 e 120% da carga nominal do
motor elétrico.
• No painel de acionamento e comando estão
instalados o inversor de frequência, o soft-start, o
controlador lógico programável (CLP) e os
elementos de acionamento e proteçâo como
contatores e disjuntores. Adicionalmente, esta
bancada também é responsável pela medição dos
parâmetros elétricos de entrada dos motores.
• A fixação dos motores na mesa possibilita que os
mesmos sejam trocados de posição, ou seja, a carga
poderá ser acoplada tanto ao motor de alto
rendimento quanto ao convencional.
• O sistema de medição dos parâmetros elétricos,
de entrada dos motores, é constituído por um
multimedidor de grandezas elétricas, contemplando
3
valores de tensão fase-fase e fase-neutro; corrente;
potências ativa, reativa, aparente e fator de potência
trifásicas e monofásicas; frequência e energia ativa
e reativa. A comunicação deste instrumento com o
elemento de controle (CLP) é realizada via
ModBus, sendo que todos os parâmetros
mencionados são mostrados e monitorados
(histórico, curva no tempo, etc.) no supervisório em
tela própria. O multimedidor possui, ainda, funções
de oscilografia e medição de harmônicos até a 50
a
ordem de tensão e corrente, sendo que todos estes
valores podem ser visualisados em tempo real ou
armazenados.
• O tipo de acionamento dos motores (alto
rendimento ou convencional) é executado através
do supervisório. Assim sendo, o usuário ao
escolher o acionamento desejável (partida direta,
partida suave ou inversor), o controlador
programável aciona os respectivos contatores,
sendo que os demais sistemas ficam desconectados.
• Os transmissores de torque e rotação foram
instalados de forma a evitar a locomoção dos
mesmos quando da troca dos motores.
• Cada motor (convencional e de alto rendimento)
possui sensores de temperatura do tipo PT100,
instalados na carcaça e em cada enrolamento do
estator, permitindo a monitoração deste parâmetro
via supervisório.
• Sinais de tensão e corrente (valor de tensão
correspondente) estão disponíveis tanto na entrada
quando na saída dos acionamentos, permitindo sua
verificação em osciloscópios.
2.1 Descrição Geral do Sistema de
Controle e Acionamento
A figura 1 representa o esquema unifilar
simplificado de comando considerando partida
direta, soft-starter e inversor de freqüência.
Contempla também as comunicações em rede via
Ethernet (entre PC e o CLP) e Modbus (entre CLP
e os dispositivos de partida e medição), juntamente
com as entradas analógicas e digitais.
Figura 1 – Esquema unifilar do sistema de comando
• O acionamento via inversor de frequência e
partida suave utiliza dois contatores cada (jusante e
montante), inter-travados, sendo acionados pelo
controlador pro-gramável de acordo com a escolha
do tipo de aci-onamento na tela do supervisório.
• Os controladores programáveis são conectados a
um switch configurando uma rede de comunicação
em padrão Ethernet.
A seguir estão especificados os elementos (equi-
pamentos e serviços) mínimos constituintes para
todas as bancadas do Laboratório de Sistemas
Motrizes
Medidor de energia multifunção: trifásico; tensão
(fase-fase ou fase-neutro); corrente; frequência;
potência ativa, reativa e aparente (por fase e total);
fator de potência (por fase e total ); THD% de
tensão e corrente; demanda; energia ativa; energia
reativa indutiva e capacitiva; medição True RMS;
exatidão básica 0,5 %; comunicação RS-485 e
RS232; protocolo modbus RTU; oscilografia,
harmônicos até a 50
a
ordem.
Inversor de Frequência: trifásico; para motor de
1,5 cv; 220 V; 60 Hz; controle escalar e vetorial;
comunicação via rede Modbus, cabos de
comunicação, entrada para encoder; controle PID;
4
entrada 0-10 V analógica para controle de
velocidade.
Dispositivo de partida suave (Soft Start):
trifásico; 220 V; para motor de 1,5 cv;
comunicação via rede Modbus; cabos de
comunicação; entradas e saídas digitais; módulo de
economia de energia.
Transmissor de Velocidade: medição de
velocidade e ângulo de rotação (360 pulsos por
giro) pulso compatível com o controlador
programável utilizado. Também pode ser utilizado
transmissor analógico com saída 0-10 VDC ou 4 a
20 mA.
Controlador Programável: 16 entradas digitais +
16 saídas digitais + 8 entradas analógicas + 8 saídas
analógicas; Placa Ethernet; Placa Modbus; fonte de
alimentação; cabos de conexão e programação;
software de programação e comunicação
(programação em até 3 diferentes linguagens,
sendo obrigatório a presença do Ladder). Placa
contendo entrada para 4 sensores de temperatura do
tipo PT 100. Entrada de pulsos para o sinal de
rotação e ângulo. Licença do software de
configuração e comunicação. Para a bancada da
bomba centrífuga, o CP deverá possuir entradas
compatíveis com os sinais disponibilizados pelo
transdutor de torque.
Motor elétrico: 1,5 cv; indução, trifásico; 220/380
V; 2 pólos; 60 Hz; IP 21; convencional (standard),
com sensores do tipo PT 100 instalados nas bobinas
do estator e na carcaça.
Motor elétrico: 1,5 cv; indução, trifásico. 220/380
V; 2 pólos; 60 Hz; IP 21; alto rendimento, com
sensores do tipo PT 100 instalados nas bobinas do
estator e na carcaça.
2.2 Descrição Geral do Sistema
Supervisório
O sistema supervisório do laboratório é utilizado
comercialmente pelos sistemas industriais. Ele foi
configurado para realizar o controle de todo o
processo apresentando uma capacidade de
monitoramento em tempo real através da rede de
dados Modbus Ethernet.
Ao acessar o sistema, será apresentada a tela
indicada pela figura 2, na qual o operador define
qual o tipo de bancada a ser acionada. Deve-se
salientar que, cada bancada é acionada
individualmente, no entanto o sistema supervisório
permite
um acompanhamento da operação das
demais estações de trabalho.
Figura 2 – Tela inicial do sistema supervisório
O supervisório contém uma tela principal para cada
bancada, conforme o desenho esquemático
representado pela Figura 3. Desta forma, cada
elemento constituinte da bancada (multimedidor,
acionamento, carga, etc) contém um atalho para
abertura das telas de monitoração, ou seja:
comando, temperatura, gráficos, medições e banco
de dados. Adicionalmente a Figura 3 também
fornece informações específicas de cada bancada
como, por exemplo, torque, velocidade, pressão,
vazão, etc.
Figura 3 – Bancada da Bomba Centrífuga
Na figura 4 está representada a tela de comandos,
nela tem-se acesso aos sistemas de partida direta,
suave e por inversor de frequência. Esta têm seus
parâmetros determinados pelo supervisório, desta
forma, o tempo de rampa de subida e descida, a
velocidade e demais parâmetros referentes às
características operacionais das máquinas deverão
ser configurados através de tela específica no
supervisório de cada bancada.
5
Figura 4 – Tela de Comando
Além das informações apresentadas diretamente na
tela (medições), o sistema também oferece dados
numéricos via banco de dados. Complementando
ainda, é possível a construção de gráficos de
parâmetros do sistema em função do tempo.
Licença de Supervisório: para controle de todo o
processo, com capacidade de monitoramento em
tempo real; através de rede de dados Modbus
Ethernet; interface gráfica em tempo real;
publicação em tempo real de telas gráficas
dinâmicas; publicação em Internet; ambiente
orientado a objeto; ferramenta de elaboração de
relatórios; suporte a OPC; armazenamento de dados
para histórico; editor de telas; 100 pontos
2.3 Especificação das Bancadas
Adicionalmente ao detalhamento presente no
tópico anterior, cada bancada possui diferentes
cargas, com sensoriamento e peculiaridades
distintas. Assim sendo, faz-se necessário uma
complementaçâo tanto ao nível de equipamentos/
instrumentos quanto às funcionalidades inerentes a
cada processo analisado. Desta forma, na sequência
são apresentadas estas características típicas de
cada bancada.
2.3.1 Bomba Centrífuga
Conforme mencionado, o presente item retrata as
características/funcionalidades mínimas específicas
pa-ra esta bancada:
• Além da bomba centrífuga, esta bancada é
composta por um dinamômetro e este foi instalado
no eixo do motor convencional.
• O acoplamento entre o motor de alto rendimento e
a bomba é direto, assim como o acoplamento entre
o motor convencional e o dinamômetro.
• O dinamômetro também é controlado pelo super-
visório. Desta forma, novamente em tela própria, o
usuário pode determinar a carga desejável em
valores percentuais da potência nominal do motor
(1,5 cv), sendo que esta variação deve ser de O a
120%.
• O módulo de carga é composto de dois
reservatórios com capacidade de 100 litros cada, de
material transparente, sendo que o primeiro foi
instado na parte inferior da bancada e o segundo a
uma altura de 2 metros. Entre os reservatórios foi
instalado um duto de escoamento com uma válvula
elétrica de retenção. Na saída da bomba centrífuga
estão presentes uma válvula de retenção, uma
válvula elétrica proporcional de estrangulamento e
os transmissores analógicos de pressão e vazão. No
reservatório superior instalou-se um transmissor de
nível. Todos os sensores mencionados têm seus
indicativos monitorados (histórico, curvas e valores
instantâneos) e mostrados no super-visório da
bancada.
O diagrama orientativo mostrado pela Figura 5
permite uma melhor visualização das
características desejadas. Vale ressaltar que o
diagrama abaixo não apresenta todos os
instrumentos utilizados.
Figura 5 – Diagrama orientativo da bancada da bomba
centrífuga
A lista a seguir apresenta os elementos adicionais
presentes na bancada da bomba centrífuga.
Dinamômetro: CA 2 cv, 220 V, acionado por
inversor regenerativo, com controle da carga via
supervisório através de sinais de 0-10 V ou 4-20
mA.
Bomba centrífuga: compatível com motor de 1,5
cv, vazão mínima de 1 m
3
/h.
Transmissor de torque: 0-10 N.m: saída -10 a 10
V; classe de precisão 0.2; transmissão do sinal sem
6
contato; para medição de torque em máquinas
rotativas; medição de velocidade e ângulo de
rotação incorporado (360 pulsos por giro) pulso
compatível com o contro-lador programável
utilizado; sobrecarga 200%; torque de quebra
280%.
2.3.2 Ventilador
Da mesma forma que para a bomba centrífuga, o
presente item retrata a característica/
funcionalidade mínima para a bancada do
ventilador:
• O módulo de carga é composto por um damper
elétrico, permitindo o controle da vazão de ar via
supervisório. Um transmissor de vazão de ar
instalado no ventilador permite a verificação deste
parâmetro e a atuação do damper visando diminuir,
aumentar ou mesmo bloquear este fluxo, sendo
todas estas ações visualizadas e acionadas via
supervisório.
O diagrama orientativo, figura 6, permite uma
melhor visualização das características desejadas.
Figura 6 – Diagrama orientativo da bancada do
ventilador
A seguir, são apresentados os elementos adicionais
presentes na bancada do ventilador:
Ventilador: centrífugo; compatível com motor de
1,5 cv.
Damper elétrico: compatível com o ventilador,
variação de O a 100%, com indicação da posição
atual na tela do supervisório.
Transmissor de Vazão e Velocidade do ar: saída
4 a 20 mA ou O a 10 VDC; linear; precisão <
0,5%; 24 V DC; compatível com o ventilador.
2.2.3 Compressor de ar
Da mesma forma, o presente item retrata as carac-
terísticas/funcionalidades mínimas específicas para
o compressor de ar:
• O módulo de carga é composto por um
compressor com um reservatório de ar comprimido,
regulado por uma válvula elétrica de saída de ar
(alívio de pressão), permitindo o controle da
pressão do reservatório via
supervisório.Adicionalmente, o tanque também
contém uma válvula de segurança especificada de
acordo com as condições de suportabilidade do
reservatório.
• A tubulação permite a simulação de perda de
carga através de furos de diferentes diâmetros (5
furos). A localização destes furos possibilita a
medição das perdas.
A figura 7 ilustra o diagrama orientativo da
bancada do compressor.
Figura 7 – Diagrama orientativo da bancada do
compressor
A configuração mínima da bancada do compressor
vem a seguir:
Compressor de ar: a pistão; compatível com
motor de 1,5 cv.
Reservat
ó
a pressão
m
de segura
n
Transmis
s
10 VDC;
compatíve
l
Transmis
s
10 VDC;
compatíve
l
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l
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r
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D
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3
As
ensaio
s
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motor
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a
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e
m
a
n-
ar
d
a
i
m
8
como da variação de carga na correia
transportadora;
• Estudo de eficiência energética dos motores em
função da utilização de inversores de frequência,
atra-vés da variação de velocidade do conjunto
motor-carga;
• Comparação entre as grandezas elétricas e
mecânicas considerando as partidas direta, suave
(soft start) e in-versor de frequência;
• Levantamento das caracteristicas elétricas e
mecânicas monitoradas em função do tempo de
funcionamento do conjunto motor-carga;
• No caso de utilização de acoplamento por polia,
deverá permitir a análise da eficiência energética
considerando diferentes ajustes no acoplamento
entre o motor e a carga (ajustes, rendimento e tipo
da polia).
3.1 Exemplo de aplicação
Como exemplo de aplicação, foram feitos ensaios
na bancada da bomba centrífuga para cinco valores
diferentes de vazão. Para obtenção destas vazões
usou-se apenas o método de estrangulamento de
válvula e posteriormente foram coletados os
valores indicados nas tabelas 1 e 2. O objetivo foi
avaliar o consumo de energia apenas pela
comparação entre o uso do motor da linha padrão e
da linha alto-rendimento.
Tabela 1 - Motor linha padrão (bomba)
Q
(m
3
/h)
H
(kgf/cm
2
)
N
(rpm)
I (A) V (V)
P
(W)
1 2.9 3500 4.3 220.7 1011
1.5 2.8 3480 4.4 219.7 1059
2 2.6 3410 4.6 219.9 1136
2.5 2.5 3470 4.9 219.3 1154
3 2.3 3500 5.3 220.3 1248
Tabela 2 - Motor alto-rendimento (bomba)
Q
(m
3
/h)
H
(kgf/cm
2
)
N
(rpm)
I (A) V (V)
P
(W)
1 2.9 3416 3.7 221.23 856
1.5 2.9 3460 3.9 221.2 900
2 2.8 3417 4 221.23 946
2.5 2.8 3460 4.2 221.1 983
3 2.7 3450 4.4 221.2 1028
Na tabela 3 foi feita a comparação entre um sistema
de bombeamento utilizando ambos os motores.
Para um ano de utilização o estudo aponta para
uma economia média de 15%.
Tabela 3 - Economia de energia
Vazão
(m
3
/h)
horas/
ano
Potência
(W)
Energia
(kWh)
Econ.
(%)
AR 1 8640 856 7395,84 15,33
LP 1 8640 1011 8735.04
AR 1.5 8640 900 7776 15,01
LP 1.5 8640 1059 9149,76
AR 2 8640 946 8173,44 16,73
LP 2 8640 1136 9815,04
AR 2.5 8640 983 8493,12 14,82
LP 2.5 8640 1154 9970,56
AR 3 8640 1028 8881,92 17,63
LP 3 8640 1248 10782,72
4 CONCLUSÃO
Este artigo apresentou a especificação e as metas a
serem alcançadas com a implantação do laboratório
de eficiência industrial. A aquisição deste
laboratório foi possível pela efetivação de um
convênio entre a ELETROBRÁS/PROCEL/UFU,
visando à cooperação técnica-financeira.
O Laboratório está apto a simular diversas
condições operativas de cargas como bombas
centrífugas, compressores, ventiladores e correias
transportadoras demonstrando os fenômenos
eletromecânicos pertinentes a estes sistemas.
Como diferencial, este laboratório traz a
possibilidade de se fazer um estudo integrado de
sistemas elétrico, mecânico, térmico e hidráulico.
Uma vez que, a construção da bancada, se baseia
na associação dos vários sistemas, torna-se
impossível estudar a eficiência industrial por um
sistema isolado.
Assim, tem sua relevância e inovação
principalmente para o setor industrial, tornando-o
competitivo a partir da redução do consumo e uso
eficiente da energia elétrica.
5 AGRADECIMENTOS
A realização deste projeto foi possível pelo suporte
financeiro proporcionado pela ELETROBRÁS /
PROCEL.
9
6 REFERÊNCIAS
ELETROBRÁS. Acesso em 02/02/2007, disponível
em: http://www.eletrobras.gov.br
GELLER, Howard S. Revolução energética:
políticas para um futuro sustentável. Trad.
Maria Vidal Barbosa. Rio de Janeiro: Relume
Dumará, 2003.
GOLDEMBERG, José. VILLANUEVA, Luz
Dondero. Energia, meio ambiente e
desenvolvimento. Trad. André Koch. 2ª. ed.
São Paulo: EDUSP, 2003.
PROCEL. Orientações Gerais Para
Conservação de Energia em Prédios
Públicos. Brasília, 2001.
CEMIG. Acesso em 03/02/2007, disponível em:
http://www.cemig.com.br
SANTOS, A. H..M. e outros (2001). Conservação de
Energia: Eficiencia Energética de Instalações e
Equipamentos Editora da EFEI. 2ª. Ed. Itajubá.
MG
MÁXIMA EFICIÊNCIA: Informativo do Programa
Energia Inteligente da CEMIG . No. 3 – 2005
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