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How to cite this paperAn. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003
Estudo do comportamento de parâmetros elétricos e hidráulicos em sistema de irrigação tipo pivô central utilizando inversores de freqüência para racionalização do uso da energia elétrica
Oliveira Filho D.I; Campana S.II; Soares A.AI; Oliveira, R. AIII
Departamento de Engenharia Agrícola (DEA), Universidade Federal de Viçosa (UFV), Cep. 36.571-00, Viçosa, MG
IProfessor do DEA-UFV, Ph.D
IIM.S. em Energia na Agricultura
IIIProfessor do DEA-UFV, D.S
RESUMO
Na agricultura irrigada, os gastos com energia elétrica podem representar até cerca de 25% dos custos de produção. Acredita-se que estudos que visem o uso racional da energia são de grande valia, tanto para os usuários do sistema elétrico, quanto para os fabricantes de equipamentos. Neste trabalho avaliou-se o comportamento do índice de carregamento, rendimento, fator de potência e rotação de motores elétricos utilizados em instalações de bombeamento de sistemas de irrigação tipo pivô central quando se utiliza ou não inversores de freqüência. Para tal, foram avaliadas os diferentes requisitos de altura manométrica do sistema ao longo do círculo irrigado. A fim de se verificar a viabilidade técnica da utilização destes equipamentos, utilizou-se um sistema de irrigação tipo pivô central de baixa pressão. No caso em análise verificou-se uma variação média no requisito de altura manométrica ao longo do círculo irrigado da ordem de 60,5 mca. No caso em análise, observou-se variação nos rendimentos, índices de carregamento e fatores de potência dos motores elétricos quando não se utiliza o inversor de freqüência para controle de velocidade dos motores elétricos. Foram calculadas as rotações dos motores que minimizam o consumo de energia e satisfaçam os parâmetros de projeto, i. e., lâmina d'água aplicada e altura manométrica.
Palavras-chave: motores elétricos, inversores de freqüência e pivô central.
ABSTRACT
In irrigated agriculture, the expenses with electric energy can represent up to 25% of the production costs. It is believed that studies that seek the rational use of the energy are extremely valid for the users of the electric system, as for the makers of equipment's. In this work, the behaviour of the load, system performance, power factor and speed of electric motors used for pumping in central pivot sprinkling irrigation systems were evaluated with and without frequency inverters. For such, they were evaluated the different requirements of manometric height of the system along the irrigated perimeter. In order to verify the technical viability of the use of this equipment's, it was used one type of central pivot sprinkling irrigation: average, low and very low pressure. In the case in analysis was verified variations in the demands of manometric along the irrigated perimeter of the order of 60,5 mca, respectively. In the case in analysis, it was observed representative variations in the performance, load and power factor of the electric motors when the frequency inverter is not used for control of speed of the electric motors. They were calculated the rotations of the motors that minimise the consumption of energy and satisfy the project parameters, i. e., applied water and manometric height.
Keywords: electric motors, frequency inverters central pivot.
INTRODUÇÃO
Em nível global, nos últimos anos, constatou-se um acréscimo substancial na demanda de energia elétrica. Dentre os fatores preponderantes para tal, citam-se o crescimento demográfico, a industrialização e as crescentes inovações tecnológicas. Racionalizar energia elétrica é de fundamental importância tanto para a sociedade, quanto para as concessionárias e consumidores. Para as concessionárias o uso racional de energia a nível de demanda implica, dentre outras: (i) na possibilidade do adiamento de investimentos em geração de energia, viabilizando a custo reduzido o fornecimento de energia a um número cada vez mais de consumidores; (ii) na maior competitividade da energia elétrica em relação a outros recursos energéticos e (iii) na conservação dos recursos naturais, colaborando para o desenvolvimento sustentado.
Segundo Ministério das Minas e Energia (BRASIL, 1996) no Brasil, até o ano de 2015 será necessário quase que triplicar a oferta de energia, o que acarretaria aos cofres públicos, investimentos de cerca de 200 bilhões de reais. Em muitos países, a fim de se reduzir os gastos com energia elétrica tem sido implementados programas de gerenciamento do uso racional da energia do lado da demanda (GLD).
De modo geral, define-se o GLD como o conjunto de atividades que influenciam a curva de carga do sistema, de forma a interagir os períodos de uso e as quantidades produzidas, trazendo benefícios econômicos tanto para as concessionárias de energia elétrica quanto para a sociedade como um todo. Incentivos a programas de GLD, há mais de uma década é prática comum no Canadá, Estados Unidos e na Europa. No Canadá a redução na necessidade de expansão de capacidade instalada advinda de programas de GLD nos últimos oito anos é da ordem de 10.222 MW (GELLINGS e TALUKDAR, 1986; NORTHWEST, 1991; GALVÃO et al., 1998).
Os custos da expansão do sistema elétrico brasileiro foram avaliados entre 47 a 56 dólares por MWh (ANDRADE, 1989). Já programas de conservação de energia apresentam custos variando de 1 até 49 dólares por MWh, sendo a adequação de força motriz a alternativa de GLD de menor custo, 1US$ por MWh (PINHEIRO, 1989).
MOTORES ELÉTRICOS
Motores elétricos são equipamentos que fornecem a quantidade de energia mecânica demandada pela carga (FITIZGERALD, 1977; DORF, 1993). Isto significa que o rendimento do motor poderá ser insatisfatório, ou seja, o seu funcionamento pode ser otimizado. Dentre os fatores que afetam o desempenho dos motores elétricos citam-se: dimensionamento incorreto, desequilíbrio entre fases e variação da tensão de alimentação em relação a nominal (PROCEL, 1998; CAMPANA et al., 1999a).
Em muitos casos, o superdimensionamento de motores pela utilização de margens de segurança excessivas, são utilizadas por se desconhecer as características da carga. Este procedimento acarreta, geralmente, baixos índices de carregamento, diminuindo o rendimento dos motores a valores insatisfatórios. Segundo WEG (1998), quando o regime de trabalho for contínuo, deve-se especificar o motor para operar entre 75 e 100% da potência nominal, o que corresponde à faixa de melhor rendimento. Outro inconveniente do superdimensionamento de motores elétricos é o baixo fator de potência.
Dentre os prejuízos causados pelo baixo fator de potência citam-se: (i) aumento do nível de corrente do circuito e o conseqüente incremento das perdas; (ii) queima de motores causada pela flutuação de tensão; (iii) sobrecarga de equipamentos; (iv) desgaste dos equipamentos de proteção e manobra; (v) impossibilidade de instalação de novas cargas em transformadores carregados, devido a utilização da capacidade instalada para a potência reativa; e finalmente (vi) aumento de investimentos em condutores e equipamentos (PROCEL, 1998; CAMPANA et al., 1999a).
No Brasil, como forma de reduzir os problemas advindos do baixo fator de potência, a legislação prevê severas penalizações financeiras aos consumidores que operem com cargas reativas fora das especificações previstas pela portaria número 1569 do Departamento Nacional de Águas e Energia. No Brasil, desde 1994 é prevista a cobrança de sobretaxa a consumidores que operem com fator com fator de potência abaixo de 0,92. A adoção desta medida representa cerca de 92% do total da economia com programas de GLD. O total de economia com a melhoria do fator de potência até 1999, foi estimada em cerca de 2.258 GWh, valor próximo ao total de energia elétrica consumida pelo setor público em 1998 (PROCEL 1998; GALVÃO et al., 1998; BRASIL, 1999).
No que diz respeito a motores elétricos utilizados em sistemas de bombeamento para atividade irrigação, DENÍCULI (1994) recomenda margens de segurança da ordem de 50% e 10% para motores elétricos abaixo de 2 cv e acima de 20 cv, respectivamente. Estes valores, associado ao fato de que, no mercado, estão disponíveis apenas alguns motores de potências específicas, conduzem a implementação de alternativas para adequação da força motriz, dentre elas, citam-se: (i) dimensionamento adequado dos motores elétricos; (ii) uso de motores eficientes, e (iii) uso de inversores de freqüência (CAMPANA et al., 1999b).
RACIONALIZAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO
No Brasil, aproximadamente 4,9% da área total cultivada é irrigada, sendo responsável por cerca de 16% da produção total de alimentos, o que corresponde a cerca de 38% do valor desta. Sendo a utilização de sistemas de irrigação tipo pivô central responsável por cerca de 39.2% do total da área irrigada no país (RODRIGUES, 1999). Segundo CEMIG (1993), no Estado de Minas Gerais, os usuários de pivô central são responsáveis pelo consumo de 130 GWh anuais, o que representa algo em torno de 17,3% de toda energia elétrica gasta diretamente na agricultura, isto é, 1,7% do consumo total de energia elétrica no estado.
Na agricultura irrigada, o consumo de energia elétrica pode representar uma parcela dos custos de produção de até 25%, aproximadamente (BERNARDO, 1995). Alguns sistemas de irrigação, como o pivô central, requerem grandes investimentos iniciais, portanto a redução dos custos operacionais torna-se fator preponderante na otimização destes custos.
Em sistemas de irrigação mecanizado tipo pivô central, a energia elétrica é utilizada no bombeamento d'água; no deslocamento do equipamento ao longo da área irrigada e na automação de controles. As duas primeiras são as que requerem maior quantidade de energia.
O dimensionamento de sistemas de bombeamento utilizados para atividade de irrigação é baseado na vazão e na altura manométrica de projeto. A vazão total é função de fatores como: (i) necessidade hídrica da cultura; (ii) clima da região; (iii) tipo de solo; e (iv) tipo de sistema de irrigação. Já a altura manométrica é o somatório de todas as perdas de carga a serem vencidas pelo conjunto motobomba, de forma que o sistema de irrigação possa suprir energia de pressão necessária à operação dos emissores, e vencer a altura geométrica da instalação. Em geral, o bombeamento da água até a área irrigada ocorre em condição de altura geométrica variável, contudo, por meio da utilização de válvulas reguladoras de pressão a altura manométrica torna-se praticamente constante. Em sistemas de irrigação a altura manométrica pode ser calculada pela equação 1 (MASIEIRO et al.,1999):
em que
Hm = altura manométrica da instalação, m;
HS = pressão de serviço dos aspersores, m;
HL = perda de carga localizada, m;
HT = perda de carga na tubulação, m;
HVF = perda de carga fixa nas válvulasreguladoras de pressão, m;
HVVT = perda de carga variável nas válvulas reguladoras de pressão, m; e
HG = altura geométrica da instalação, m.
A topografia do terreno determina diferentes alturas geométricas ao longo da área irrigada. Essas variações são compensadas pela atuação das válvulas reguladoras de pressão, fazendo com que não haja alteração na altura manométrica da instalação, bem como na potência solicitada no eixo do motor elétrico. Portanto, desconsiderando-se a atuação das válvulas reguladoras de pressão, pode-se supor um pivô central instalado em terreno com declividade como uma situação típica de carga variável. Nesta situação, a solicitação de carga do sistema é máxima quando o pivô central estiver irrigando a faixa correspondente à maior altura geométrica do círculo irrigado; a solicitação de potência será mínima quando o pivô central estiver irrigando a parte correspondente à menor altura geométrica.
VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESSÃO
Válvulas são dispositivos destinados a estabelecer, controlar e interromper o escoamento em tubulações. Em sistemas de irrigação por aspersão, para aspersores que operem com pressões de serviço superiores a 6 mca é recomendado o uso de válvulas reguladoras de pressão; este procedimento é de fundamental importância, pois garante o funcionamento do aspersor na pressão de serviço especificada no projeto. Sua utilização contribui para a boa uniformidade de aplicação do sistema. Ressalta-se a aplicabilidade destes dispositivos, haja visto que uma uniformidade de aplicação da ordem de 64% e área adequadamente irrigada mínima de 60% conduz a uma redução na produtividade relativa da ordem de 13% para vegetais (KELLER e BLIESNER, 1990). Entretanto, a utilização das válvulas reguladoras de pressão não é eficiente do ponto de vista energético, isso se deve a perda de carga pontual necessária para manutenção da vazão dos aspersores no nível de projeto. Como alternativa para redução do desperdício de energia nas válvulas reguladoras de pressão, sugere-se o controle da rotação das bombas centrífugas por meio de inversores de freqüência.
INVERSORES DE FREQÜÊNCIA
Inversores de freqüência são equipamentos da eletrônica de potência que permitem o controle de velocidade e, conseqüentemente, de torque em motores assíncronos trifásicos tipo gaiola de esquilo. Estes dispositivos encontram-se disponíveis para as potências comerciais dos motores elétricos existentes no mercado, permitindo alterar, dentre outras variáveis, a freqüência de alimentação de determinada carga elétrica, numa faixa de variação desde 1,5 até 400 Hz (EBERLE, 1997). Os inversores ajustam a freqüência de motores elétricos de modo a se ter rendimentos próximos ao nominal isto é, rendimento do motor para a condição de 100% da carga nominal (HANSON et al., 1996), garantindo fator de potência superior a 92%, que é atualmente o valor mínimo exigido pela legislação.
Além dessas vantagens, o inversor de freqüência permite: (i) utilização de motores trifásicos em redes de distribuição monofásicos, desde que a capacidade de corrente do inversor seja 50% acima da corrente nominal do motor; (ii) minimiza o prejuízo decorrente da variação de tensão na rede elétrica sem que haja, dentro de certos limites, prejuízos ao motor nem ao controlador; (iii) proteção do motor e do inversor, incluindo relé térmico de sobrecarga e proteção de fuga a terra; (iv) frenagem e partida com aceleração controlada e/ou frenagem rápida; (v) partida com motor já em movimento; (vi) utilização de velocidades já pré-selecionadas; (vii) controle da corrente de partida e regulação de velocidades; e (viii) baixo consumo de potência reativa, (SCHNEIDER, 1999; YASKAWA, 1997). Estas características, portanto, fazem dos inversores de freqüência um dispositivo com grande potencial de conservar energia elétrica por meio do controle da freqüência de alimentação de motores, adequando a mesma à solicitação de carga.
O presente trabalho, tem como objetivo, simular a operação de motores elétricos utilizados para recalque d'água em sistemas de irrigação mecanizado tipo pivô central, utilizando ou não inversores de freqüência, de forma a testar a viabilidade técnica da utilização deste equipamento. Foram avaliados os seguintes parâmetros elétricos e hidráulicos em função da inclinação (declividade do terreno) e da posição do sistema de irrigação: (i) rotação da bomba centrífuga; (ii) índice de carregamento (percentagem de carga), (iii) fator de potência; (iv) rendimento dos motores; e (v) altura manométrica total.
MATERIAL E MÉTODOS
Para a simulação do comportamento de motores elétricos em sistemas de irrigação por aspersão do tipo pivô central utilizando inversores de freqüência, desenvolveu-se um modelo computacional utilizando-se o software MATLAB em ambiente Windows versão 5.1. (MATLAB, 1994).
Em primeiro lugar, simulou-se os requisitos mínimos de pressão no início da linha lateral do pivô central para cada condição de altura geométrica do sistema de irrigação ao longo do círculo irrigado. Em seguida, de posse das alturas manométricas totais para cada grau de inclinação do sistema, determinou-se os seguintes parâmetros elétricos: potência mecânica requerida no eixo, rendimento, rotação e índice de carregamento do motor elétrico.
Com o intuito de facilitar o entendimento da estrutura da simulação foram agrupados os parâmetros de entrada e saída do programa computacional.
Parâmetros de entrada
• declividade média do terreno
• diâmetro da tubulação de recalque
• diâmetro da tubulação de sucção
• diâmetro da linha lateral
• espaçamento entre aspersores
• desníveis máximos das tubulações de sucção e recalque
• comprimento do tubo de descida para aspersor
• pressão e vazão dos aspersores
• comprimento das tubulações de sução e recalque
Parâmetros de saída (para cada grau de inclinação do pivô central)
• variação da altura manométrica total para cada posição da linha lateral ao longo do círculo irrigado
• rotação do motor elétrico quando se utiliza ou não inversores de freqüência
• variação da potência mecânica no eixo do motor elétrico (índice de carregamento) quando se utiliza ou não inversores de freqüência
• melhoria do fator de potência quando se utiliza o inversor de freqüência
• ganho de rendimento no motor elétrico quando se utiliza o inversor de freqüência
DEFINIÇÃO DOS SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO UTILIZADO
Para a simulação dos parâmetros elétricos e hidráulicos quando se utiliza ou não inversores de freqüência utilizou-se um pivô central de baixa pressão. Para a obtenção dos parâmetros de entrada do programa computacional utilizou-se o Modelo para Dimensionamento e Avaliação de Sistemas de Irrigação por Pivô Central – desenvolvido no Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa, (RODRIQUES, 1999).
A seguir serão descritos alguns índices elétricos e hidráulicos referentes ao conjunto motobomba, bem como alguns termos componentes da altura manométrica de projeto, do sistema de irrigação em estudo, Quadro 1.
Os procedimentos e equações utilizados para a determinação do comportamento de motores elétricos em sistemas de irrigação por aspersão do tipo pivô central utilizando inversores de freqüência (KELLER, 1990; DENÍCULLI, 1994; BENITO, 1995) foram:
DETERMINAÇÃO DA PERDA DE CARGA DO SISTEMA DEVIDO A FRICÇÃO E PEÇAS ESPECIAIS
a) Tubulações de sucção e recalque: a partir dos dados de entrada referentes à comprimento e diâmetro das tubulações de sucção e recalque calculou-se a perda de carga ao longo da tubulação até o ponto pivô. Para tal utilizou-se a equação de Darcy-Weisbach, para aço galvanizado novo, equação (2);
b) Tubo de descida para aspersor: caso esteja em uso, o programa determina a perda de carga do sistema devido a existência de haste de descida para aspersor, equação (2);
c) Linha lateral: a partir dos dados de entrada referentes a comprimento e diâmetro das tubulações da linha lateral calculou-se a perda de carga entre cada trecho de tubulação entre aspersores, equação (2); e
d) Perdas localizadas na sucção e recalque: a perda de carga do sistema devido a existência de peças especiais foi calculada considerando-se um acréscimo de 3% na perda de carga da tubulação de recalque;
sendo
em que
DHi = perda de carga por fricção nas tubulações de sucção, recalque e entre aspersores na linha lateral, mca;
g = aceleração da gravidade,m s-1;
Li = comprimento das tubulações de sucção, recalque e entre aspersoresna linha lateral, mca;
Qt = vazão total nas tubulações de sucção,recalque e entre aspersores na linhalateral, m3 s-1;
Di = diâmetro interno das tubulações desucção, recalque e entre aspersoresna linha lateral , m;
fi = fator de atrito da fórmula deDarcy-Weisbach, adimensional;
Rei = número de Reynolds,adimensional
e = rugosidade equivalente, m; e
n = coeficiente de viscosidadecinemática, m2 s-1.
DETERMINAÇÃO DAS IRREGULARIDADES DO TERRENO E DESNÍVEL ENTRE ASPERSORES AO LONGO DO CÍRCULO IRRIGADO.
Para melhor caracterização de uma situação prática, simulou-se para cada grau de inclinação do pivô, os desníveis entre aspersores ao longo da linha lateral na área irrigada, devido as irregularidades do terreno, expressão (7). Para todas as análises utilizou-se uma variável aleatória randômica de até 1,25% acima e 3,14% abaixo da declividade média.
Dna(j) = desnível do terreno entre aspersores ao longo da linha lateral, m;
Rand = número randômico simulador das irregularidades do terreno decimal, adimensional;
Lasp(j) = espaçamento entre aspersores ao longo da linha lateral, m;
PPAT = posição do pivô ao longo do círculo irrigado, m;
J = número total de espaçamentos entre aspersores ao longo da linha lateral do sistema de irrigação (m);
Im = declividade média do terreno, decimal; e
q = grau de inclinação do pivô ao longo do círculo irrigado, graus.
CÁLCULO DA PRESSÃO DE INÍCIO DA LINHA LATERAL
Para determinação das mínimas pressões de início da linha lateral, capaz de fornecer a cultura a lâmina d'água de projeto, procedeu-se da seguinte forma: primeiramente, para cada grau de inclinação determinou-se as pressões na base de cada aspersores ao longo da linha lateral, expressão (9). Em seguida, identificou-se a posição ao longo da linha lateral onde ocorria a pressão mínima. Partindo com a pressão mínima necessária nesta posição determinou-se a pressão necessária no início da linha lateral para cada grau de inclinação ao longo da área irrigada, calculou-se as pressões de início da linha lateral efetivamente necessárias aos aspersores, expressão (10).
Na determinação das mínimas pressões de início da linha lateral considerou-se a área irrigada dividida em duas situações: acima e abaixo da referência. Para todas as análises tomou-se como eixo de referência a reta transversal a declividade média pertencente ao plano do pivô sob o ponto pivô. Desta forma, do grau zero a 180 o sistema de irrigação se encontra acima da referência. Já no restante do arco trigonométrico o pivô se encontra abaixo da referência Figura 1,
em que
PLL(q) = mínima pressão de serviço no início da linha lateral para cada grau de inclinação do pivô, mca;
Os = pressão de serviço do último aspersor da linha lateral, mca;
HVRP = perda de carga nas válvulas reguladoras de pressão, mca;
LTD = comprimento do tubo de descida para aspersores, m
HTD(ntto-j) = perda de carga nos tubos de descida ao longo da linha lateral, mca;
Dna(ntto-j) = desnível do terreno entre aspersores, m;
DH(ntto-j) = perda de carga entre aspersores ao longo da linha lateral, mca;
Ntto = número total de torres do sistema de irrigação, inteiro;
pmin = posição de ocorrência da menor diferença entre a pressão na laterale a do aspersor, inteiro; e
q = grau de inclinação do pivô ao longo do círculo irrigado, graus;
DETERMINAÇÃO DAS ALTURAS MANOMÉTRICAS DO SISTEMA DE IRRIGAÇÃO PARA CADA GRAU DE INCLINAÇÃO AO LONGO DO CÍRCULO IRRIGADO
As diferentes alturas manométricas para cada grau de inclinação do sistema de irrigação ao longo do círculo irrigado foram calculadas pelo somatório dos seguintes itens: (i) mínimas pressões de início da linha lateral necessárias para o funcionamento correto dos aspersores; (ii) desníveis das tubulações de sucção e recalque; e (iii) perdas de carga nas tubulações e peças especiais de sucção e recalque.
SIMULAÇÃO DA POTÊNCIA ELÉTRICA, ROTAÇÃO, FATOR DE POTÊNCIA, ÍNDICE DE CARREGAMENTO E RENDIMENTO DOS MOTORES ELÉTRICOS
Para determinação das rotações, índices de carregamento e rendimentos no eixo dos motores elétricos considerou-se ou não a utilização de inversores de freqüência para o controle de velocidade dos motores. Em todas as análises, considerou-se como fator limitante de projeto a mínima altura manométrica a ser vencida pelo conjunto motobomba a fim de suprir a lâmina d'água de projeto. Cabe ressaltar que, para todas as análises, a lâmina d'água aplicada à cultura permaneceu inalterável. A seguir serão apresentados os procedimentos para aquisição dos dados para o cálculo desses parâmetros.
Para as vazões de projeto calculou-se as expressões que relacionam as rotações das bombas centrífugas e as potências dos motores elétricos em função da altura manométrica. Estas expressões foram traçadas mantendo-se constante as vazões de projeto e variando a altura manométrica total. O que facilitou o traçado destas curvas, para uma determinada bomba centrífuga, é a relação de linearidade existente entre as variações de rotação e das potências requeridas pelas bombas para cada decréscimo unitário na altura manométrica, quando se mantém constante a vazão de projeto (MAXBOMBAS, 1997).
Os índices de carregamento dos motores elétricos foram calculados pelos quocientes entre as potências mecânicas simuladas (calculadas no item anterior) para cada posição do sistema e a potência mecânica nominal de cada projeto.
Já os ganhos de rendimento e a melhoria do fator de potência nos motores elétricos para as diferentes condições de altura manométrica total, quando se utiliza inversores de freqüência, foram quantificados em função dos diferentes índices de carregamento (calculados no item anterior). Para tal, foram obtidas expressões de rendimento e fator de potência por meio da digitalização das curvas de desempenho dos motores elétricos. Utilizou-se o software SACRID, que é específico para a obtenção de coordenadas reais de imagens digitais (SANTOS & RAMOS, 1997; WEG 1999; EBERLE 1999; KOHLBACH 1999).
O ganho de rendimento no motor foi calculado pela diferença entre o rendimento nominal do motor e o rendimento em função do carregamento calculado. Sendo o carregamento função da posição do pivô. Já o ganho no fator de potência foi calculado levando-se em consideração o fator de potência calculado em função do carregamento e o fator de potência unitário.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os diferentes requisitos de altura manométrica ao longo do círculo irrigado, a serem vencidos pelo conjunto motobomba, no sistema de irrigação em estudo é apresentado na Figura 2. Cabe ressaltar que: os valores foram obtidos por meio da simulação das mínimas pressões de início da linha lateral, necessárias para o fornecimento da lâmina d'água de projeto a cultura.
Em todas as análises, na parte descendente do terreno, i. e. linha lateral situada abaixo da reta transversal à declividade média pertencente ao plano do pivô, ocorrem os mínimos requisitos de altura manométrica, note que os valores se mantém constantes durante grande parte do círculo irrigado. Este fato se atribui ao incremento de energia gravitacional advinda do desnível descendente do terreno.
Observa-se que, em média, ocorrem variações nos requisitos de altura manométrica ao longo do círculo irrigado da ordem de 60,5 mca. Isto se deve as diferentes declividades e conseqüentemente diferentes desníveis geométricos da linha lateral em relação ao eixo transversal a declividade média, situado no ponto pivô.
Os diferentes índices de carregamento e fatores de potência dos motores elétricos em função das diferentes potências solicitadas ao conjunto motobomba ao longo do círculo irrigado são apresentados nas Figuras 3 e 4.
A análise das Figuras 3 e 4 permite afirmar que:
(i) No sistema de irrigação tipo pivô central em estudo quando não se utiliza o inversor de freqüência para o controle de velocidade dos motores elétricos os diferentes requisitos de potência mecânica no eixo do motor, decorrentes das diferentes alturas manométricas ao longo do círculo irrigado, acarretam variações nos parâmetros elétricos em estudo;
(ii) Em média ao longo do círculo irrigado, os diferentes requisitos de altura manométrica ao longo do círculo irrigado quando se desconsidera a perda de carga variável nas válvulas reguladoras de pressão proporcionam variações no índice de carregamentos dos motores elétricos de até 58%;
(iii) Quando não se utiliza o inversor de freqüência quanto maior o índice de carregamento, maior será o fator de potência. Por outro lado, quanto menor o índice de carregamento, menor o fator de potência. Em todos os casos em estudo a utilização de inversores de freqüência propicia fatores de potência próximos a unidade, valores superiores aos exigidos pela legislação (0,92), Portaria número 1569 do Departamento Nacional de Águas e Energia. Desta forma, a utilização destes equipamentos torna desnecessária a implementação de outras alternativas como a utilização de bancos de capacitores para correção do fator de potência (PROCEL 1998).
Os rendimentos dos motores elétricos em função das diferentes potências solicitadas ao conjunto motobomba, quando se utiliza ou não inversores de freqüência, bem como as rotações ideais dos motores para cada grau de inclinação do pivô ao longo do círculo irrigado a serem controladas pelos variador de freqüência são apresentados nas Figuras 5 e 6.
A análise das Figuras 5 e 6 permite afirmar que:
(i) Para todos os casos em estudo, quando não se utiliza o inversor de freqüência para o controle de velocidade dos motores elétricos as diferentes solicitações de carga no eixo do motor, função dos diferentes requisitos de altura manométrica ao longo do círculo irrigado afetam o rendimento do motor elétrico. Observe que, neste caso, quanto menor o índice de carregamento (Figura 3), menor será o rendimento. Por outro lado, quanto maior a demanda maior o rendimento do motor;
(ii) Quando se utiliza inversor de freqüência para o controle da rotação dos motores elétricos, ocorrem acréscimos no rendimento (quando o pivô se encontra na situação de declive máximo), da ordem de 6,0%; e
(iii) A velocidade de rotação do motor elétrico a ser controlada pelo variador de freqüência (Figura 6) deve levar em consideração os diferentes requisitos de altura manométrica ao longo do círculo irrigado (Figura 1).
CONCLUSÃO
Da análise dos resultados obtidos conclui-se que:
• Os diferentes requisitos de altura manométrica fazem com que, os motores elétricos utilizados nos sistemas de bombeamento estejam em grande parte do círculo irrigado com índices de carregamento, rendimentos e fatores de potência inferiores aos nominais, nas simulações sem variador de freqüência;
• Quando não se utiliza o inversor de freqüência as variações de requisitos de potência ao longo da área irrigada provocam alterações tanto do índice de carregamento, quanto no rendimento dos motores elétricos;
• Com a utilização do inversor o rendimento apresenta valor nominal, quaisquer que sejam as solicitações de carga ao longo do círculo irrigado. Já o fator de potência pode ser corrigido a valores próximos a unidade. Desta forma a utilização deste equipamento se apresenta como forte alternativa para a racionalização do uso da energia elétrica em sistemas de irrigação tipo pivô central.
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Endereço para correspondência
Oliveira Filho D.
delly@mail.ufv.br
Campana S.
saulocampana@escelsa.com.br
