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XVI Seminário Ibero-Americano sobre Sistemas de Abastecimento e Drenagem 1 ANÁLISE ENERGÉTICA DO CONTROLE DE PRESSÕES COM O USO DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA Kamilla Henrique Mendonça 1 , Heber Pimentel Gomes 2 , Mauricio Villanueva 2 , Saulo de Tarso Marques Bezerra 3 , Simplício Arnaud da Silva 2 1 Universidade Federal da Paraíba/Aluna de Doutorado (PPGEM-UFPB). Cidade Universitária, s/n Campus I, João Pessoa PB CEP: 58059-900. Brasil. 2 Universidade Federal da Paraíba/Professor (UFPB). Cidade Universitária, s/n, Campus I. João Pessoa Brasil. 3 Universidade Federal de Pernambuco/Professor (UFPE), Caruaru Pernambuco Brasil. 1 [email protected] RESUMO A redução dos consumos de água e energia elétrica é condição imperativa para a diminuição dos custos operacionais dos sistemas pressurizados de abastecimento de água, em todo o mundo. Este artigo tem como objetivo demonstrar a importância da aplicação de técnicas de automação na operação de sistemas de abastecimento, com o uso de inversores de frequência, com vistas à redução do consumo de energia elétrica e de perdas de água nas redes de tubulações. A metodologia empregada partiu da obtenção de dados coletados em uma bancada experimental, dotada de medidores de grandezas hidráulicas e elétricas. Foram realizados testes para diversas condições de operação da rede, com a variação da rotação do conjunto motobomba, por meio de um inversor de frequência, visando garantir o controle de pressão do sistema. Os resultados alcançados demonstraram que houve uma redução de 48,6% no gasto energético das bombas, em comparação com esse mesmo sistema operando sem a intervenção do inversor de frequência. Com a aplicação do inversor de frequência, foi possível constatar, também, a atuação eficente no controle da pressão na rede, sem que houvesse prejuízo no rendimento do conjunto motobomba. Palavras-Chave Automação, Sistemas de abastecimento de água, Inversor de frequência.

ANÁLISE ENERGÉTICA DO CONTROLE DE PRESSÕES COM O USO … · 2019-07-24 · XVI Seminário Ibero-Americano sobre Sistemas de Abastecimento e Drenagem 1 ANÁLISE ENERGÉTICA DO CONTROLE

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XVI Seminário Ibero-Americano sobre Sistemas de Abastecimento e Drenagem

1

ANÁLISE ENERGÉTICA DO CONTROLE DE

PRESSÕES COM O USO DE INVERSORES DE

FREQUÊNCIA

Kamilla Henrique Mendonça1, Heber Pimentel Gomes

2, Mauricio

Villanueva2, Saulo de Tarso Marques Bezerra

3, Simplício Arnaud da Silva

2

1Universidade Federal da Paraíba/Aluna de Doutorado (PPGEM-UFPB). Cidade

Universitária, s/n – Campus I, João Pessoa – PB – CEP: 58059-900. Brasil. 2Universidade Federal da Paraíba/Professor (UFPB). Cidade Universitária, s/n,

Campus I. João Pessoa Brasil. 3Universidade Federal de Pernambuco/Professor (UFPE), Caruaru – Pernambuco –

Brasil. [email protected]

RESUMO

A redução dos consumos de água e energia elétrica é condição imperativa para a

diminuição dos custos operacionais dos sistemas pressurizados de abastecimento de água,

em todo o mundo. Este artigo tem como objetivo demonstrar a importância da aplicação

de técnicas de automação na operação de sistemas de abastecimento, com o uso de

inversores de frequência, com vistas à redução do consumo de energia elétrica e de

perdas de água nas redes de tubulações. A metodologia empregada partiu da obtenção de

dados coletados em uma bancada experimental, dotada de medidores de grandezas

hidráulicas e elétricas. Foram realizados testes para diversas condições de operação da

rede, com a variação da rotação do conjunto motobomba, por meio de um inversor de

frequência, visando garantir o controle de pressão do sistema. Os resultados alcançados

demonstraram que houve uma redução de 48,6% no gasto energético das bombas, em

comparação com esse mesmo sistema operando sem a intervenção do inversor de

frequência. Com a aplicação do inversor de frequência, foi possível constatar, também, a

atuação eficente no controle da pressão na rede, sem que houvesse prejuízo no

rendimento do conjunto motobomba.

Palavras-Chave

Automação, Sistemas de abastecimento de água, Inversor de frequência.

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1. INTRODUÇÃO

Normalmente, devido às restrições impostas pela topografia da região a ser abastecida, a

garantia do abastecimento de água aos pontos de consumo só é possível com a pressurização

da rede de tubulações a partir de sistemas de bombeamentos. Esses bombeamentos são

responsáveis por mais de 90% do consumo de energia elétrica dos sistemas de

abastecimento de água, SAA, tendo em vista que, muitas vezes, é necessário transportar

grandes vazões ao longo das redes de tubulações, com acentuados desníveis topográficos,

resultando na utilização de bombas com potências elevadas. O conjunto motobomba

(CMB) tem o seu rendimento reduzido em decorrência do funcionamento ao longo da sua

vida útil. Dessa forma, é essencial que sejam realizadas análises do rendimento do conjunto

de modo a se obter a manutenção do seu funcionamento de maneira satisfatória durante

esse período.

Os sistemas de bombeamento empregados em SAA operam, às vezes, com velocidades

fixas de rotação, produzindo elevadas alturas manométricas nas horas de baixa demanda de

água, ocasionando consumo desnecessário de energia elétrica. Além disso, essas elevadas

alturas manométricas geram pressões elevadas nas redes, o que contribui para o aumento

das perdas de água nas tubulações. Ou seja, mesmo nos períodos de menores demandas de

água, onde não se verifica uma maior necessidade de pressão, o sistema opera com sua

máxima capacidade de carga hidráulica. Essa modalidade de operação não reduz,

significativamente, a potência requerida pelo sistema de bombeamento, o que induz a um

gasto energético desnecessário de energia.

Durante o dia e ao longo do ano, as vazões demandadas de um SAA variam em função dos

hábitos de consumo da população, de fatores climáticos, econômicos, dentre outros. Dessa

forma, torna-se necessária a otimização das vazões e pressões fornecidas às redes de

abastecimento. Essa otimização pode ser alcançada por meio da operação de sistemas

automatizados, com a utilização de dispositivos que permitam o controle operacional

compatível com as demandadas.

Os SAA automatizados são aqueles que utilizam dispositivos que permitam o

monitoramento e controle remotos da rede em tempo real, permitindo um gerenciamento

mais eficiente do sistema, possibilitando, ao operador, o controle maior do sistema e das

perdas de água e de energia. Dentre as principais aplicações da automação em SAA estão o

monitoramento da qualidade e controle de bombeamento da água bruta, controle de

bombeamento da água tratada e automação das estações de tratamento de água.

A automação do SAA proporciona uma diminuição dos custos com pessoal, redução do

consumo de produtos químicos, melhoria na eficiência dos processos e aumento na

segurança de operação do sistema [1].

Dentre as ações para a redução dos custos operacionais em SAA pode-se citar, além da

automação, a redução do consumo de energia elétrica por meio da variação da rotação de

bombas proporcionada por inversores de frequência. Os inversores de frequência são

dispositivos que, quando associados ao equipamento eletrobomba, regulam a vazão e a

pressão fornecida, por meio da variação da rotação do CMB, mediante a variação da

frequência de acionamento do motor elétrico. O uso desses dispositivos é ideal para

sistemas pressurizados diretamente pelos CMB e que há a necessidade de operação com

vazões diferentes da vazão nominal de projeto. Dessa forma, tais dispositivos podem ser

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utilizados nos SAA para promover a redução do consumo de energia e, consequentemente,

contribuir para uma maior eficiência energética desses sistemas.

O uso de inversores de frequência proporciona vantagens hidráulicas, elétricas e

econômicas, dentre elas: redução da pressão na tubulação, diminuição de transientes

hidráulicos e elétricos, melhoria no fator de potência, redução na corrente de partida,

possibilidade de integração com sistemas de automação, redução no consumo e,

consequentemente, no custo de energia elétrica [3]. Além disso, os inversores de frequência

dispensam a utilização de múltiplos motores ou sistemas mecânicos de variação de

velocidade, que introduzem perdas adicionais de energia [4].

No entanto, o uso dos inversores de frequência deve ser operado de maneira adequada.

É preciso que se considere as reduções de rendimento que podem ocorrer no motor, para

faixas de frequências inferiores a 30 Hz. Testes realizados em CMB com o intuito de se

verificar a variação do rendimento destes, associado ao inversor de frequência, mostraram

que para uma faixa de frequência de 30 Hz a 60 Hz houve uma variação de 82% a 76% do

rendimento do motor [5]. Cabe ressaltar que esses testes não contemplaram a análise do

rendimento do conjunto motobomba, que associa a potência elétrica de saída do motor com

a potência hidráulica fornecida ao sistema.

Considerando que as perdas Joule representem as maiores perdas no motor, então, para

baixas frequências, espera-se um menor rendimento do motor. Em ensaios experimentais,

realizados pela fabricante de motores WEG, para baixas frequências, registram-se os

menores rendimentos. No entanto, em algumas considerações normativas feitas acerca do

rendimento do motor associado ao uso de inversores de frequência, o rendimento global do

sistema baseia-se nas perdas totais do motor, do controle e de qualquer equipamento

auxiliar. O uso de inversores frequentemente aumenta o rendimento do sistema, se

comparado com os métodos tradicionais de variação de velocidade (como engrenagens e

correias) e de ajuste de carga (como válvulas e amortecedores) [6].

Para se analisar o rendimento do conjunto motobomba com o uso de inversores de

frequência aplicado a redes pressurizadas, um estudo foi realizado no Laboratório de

Hidráulica na Universidade Federal de Viçosa. O objetivo do estudo era analisar a redução

do custo da energia elétrica para irrigação com a utilização de inversores de frequência sem

comunicação digital, o inversor era acionado manualmente, sem qualquer técnica de

controle aplicada. Um microcontrolador foi instalado no inversor de frequência de modo

que, ao receber os dados de pressão obtidos em campo, pudesse agir na regulação da

velocidade de rotação, variando o volume de vazão bombeado. Os autores também

avaliaram as três curvas de rendimento da bomba: a informada pelo fabricante, com rotação

fixa e com o inversor de frequência, os resultados obtidos mostraram que não há perdas no

rendimento do conjunto motor bomba ao se utilizar um inversor [7].

O uso dos inversores de frequência associados a conjuntos motobomba aplicado a sistemas

hidráulicos gera economias aos gestores de forma a justificar sua implantação, bem como o

aprofundamento de estudos e pesquisas que corroborem seu uso. As diferentes dinâmicas

de operação que estão presentes nos sistemas de abastecimento de água podem gerar

configurações diferenciadas na operação da rede, adequando a potência da bomba a altura manométrica solicitada pelo sistema.

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O indicador de eficiência energética mais empregado nos sistemas de abastecimento é o

consumo específico de energia elétrica, CE, que representa o consumo de energia gasto

pelo sistema para transportar um metro cúbico de água, expresso em kWh/m³. Porém,

apenas esse indicador não é suficiente para caracterizar a eficiência do sistema como um

todo. Um indicador complementar é o consumo de energia normalizado (CEN), proposto

pela International Water Association (IWA). No entanto, o mesmo não é particularizado

para sistemas de bombeamento com inversores de frequência [8,9].

O uso associado de inversores de frequência na operação de CMB garante uma redução no

consumo energético, visto que o sistema só irá operar nas máximas frequências, quando a

rede estiver em seu período de máxima demanda hídrica. Além da redução do consumo

energético, associado ao uso de inversores, há também que se considerar a redução de

perdas que ocorrem ao longo dos SAA, a partir do controle das pressões. Em geral, uma

diminuição de 10% na pressão na rede de tubulações resulta em uma redução, aproximada,

de 12% no volume perdido por vazamentos [10].

O objetivo do presente trabalho é demonstrar a importância do uso de inversores de

frequência, associado a um conjunto motobomba, na operação automatizada de um sistema

pressurizado de distribuição de água, com intuito de controlar as pressões nas tubulações

das redes.

2. METODOLOGIA

A metodologia deste trabalho se fundamentou na verificação, através de uma bancada

experimental automatizada, do comportamento hidráulico e energético de uma rede de

abastecimento de água pressurizada diretamente por um conjunto motobomba. A bancada

experimental empregada é denominada de Sistema Piloto de Distribuição de Água (SPDA),

pertencente ao Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento da

Universidade Federal da Paraíba – LENHS/UFPB, localizado na cidade de João Pessoa,

Brasil. O SPDA é totalmente instrumentalizado e automatizado, possibilitando o

desenvolvimento de estudos e pesquisas em redes hidráulicas, voltadas, primordialmente,

para a eficiência energética e hidráulica em sistemas pressurizados de distribuição de água.

A Figura 1 mostra uma disposição espacial do LENHS UFPB.

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Figura 1. Bancada SPDA

A bancada experimental possui 155 metros de extensão com tubulações de PVC (DN 50 e

DN 100) e ferro dúctil (DN 100), além de conexões e elementos hidráulicos e

eletromecânicos de controle. O sistema é automatizado, dotado de medidores de vazão,

transdutores de pressão, medidores de nível de água e válvulas de controle de pressão e

vazão. O SPDA é pressurizado por meio de um bombeamento direto, dotado de um

inversor de frequência, com um conjunto motobomba de 5 cv, cuja vazão nominal é de

15 L/s e a altura manométrica de 17 mca. A comunicação entre os sensores e atuadores é

realizada via cabeamento, através de um Controlador Lógico Programável (CLP).

As configurações hidráulicas do SPDA são bastante flexíveis, podendo trabalhar com

diversos esquemas de distribuição de água. Para o desenvolvimento deste trabalho, foi

analisada a operação de apenas uma saída de água, das quatro existentes na rede. Além dos

sensores e atuadores descritos acima, o SPDA também é composto por painéis de controle e

acionamentos elétricos, que operam em conformidade com o sistema de automação

implantado. Sua função é permitir a interface entre os instrumentos da rede de distribuição

de água e o sistema supervisório, além de servir de painel de comando e proteção aos

motores e equipamentos eletroeletrônicos. Através da interface homem-máquina (IHM),

existente no painel frontal do controlador lógico programável (CLP), é possível realizar as

leituras dos parâmetros elétricos e hidráulicos, obtidos pelos sensores e atuadores instalados

na planta. A Figura 2 mostra um layout simplificado do sistema supervisório utilizado na

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plataforma LabVIEW®

, dando um enfoque no CMB, em vermelho, e nas quatro saídas de

água existentes na rede. A saída 6, destacada com um retângulo com bordas na cor verde, é

a que foi adotada para o controle de pressão deste trabalho.

Figura 2. Layout da rede no Labview®

A planta representada na Figura 2 possui quatro saídas totalmente monitoráveis com

medidores de vazão, pressão e válvulas de controle. O sistema é do tipo bombeamento

direto, onde a pressurização de toda a rede ocorre através do sistema de impulsão destacado

acima. Com três saídas fechadas, o sistema opera de maneira superdimensionada, com

pressões excessivas em sua única saída operável.

A partir do sistema supervisório, é possível enviar comandos e obter informações dos

sensores e atuadores presentes na rede de distribuição de água. O programa supervisório foi

desenvolvido no ambiente do LabVIEW®, que permite a realização de todos os

procedimentos necessários para que o experimento seja operado, bem como a introdução de

controladores, baseados em diversas lógicas de programação.

Com o intuito de se atingir o objetivo proposto, criou-se um cenário de operação, com três

das quatro saídas de água fechadas. O inversor de frequência teria que operar no controle da

pressão de 8 mca na saída 6. Para validar o uso de inversor, optou-se por criar as curvas

caraterísticas da bomba para sete cenários de frequência, entre 30 Hz e 60 Hz. Para o

levantamento das curvas características da bomba, os dados necessários foram as pressões,

a jusante e a montante do CMB, e a vazão na saída da bomba.

Além das curvas características da bomba, também foram levantadas as curvas de

rendimento do CMB para o cenário proposto com a saída 6 em operação. Para as curvas de

rendimento (ver Equação 1), foi necessário realizar o levantamento da potência hidráulica

(dada pela Equação 2) e da potência elétrica.

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= 𝑃ℎ𝑖𝑑

𝑃𝑒𝑙 (1)

Onde:

– rendimento do conjunto motobomba (%);

Phid – potência hidráulica (kW);

Pele – potência elétrica (kW).

𝑃ℎ𝑖𝑑 = 𝐻𝑚𝑎𝑛 × 𝑄 × 9,81 (2)

Onde:

Phid – potência hidráulica (kW);

Hman – altura manométrica dada pela diferença de pressão medida a jusante e a montante da

bomba (mca);

Q – vazão bombeada (m³/s).

3. RESULTADOS

Para atingir o objetivo proposto neste trabalho, foi estabelecido um cenário de operação

com o intuito de manter a pressão de 8 mca em uma das quatro saídas (saída 6 da Figura 2),

com as demais fechadas, exercendo esse controle, em malha aberta, através da alteração da

rotação do CMB, com o uso de um inversor de frequência.

Ao longo do estudo, foi preciso traçar as curvas da bomba para análise da vazão e pressão

em diferentes faixas de operação de frequência, conforme ilustrado nos gráficos mostrados

na Figura 3. Além destas curvas, para diferentes faixas de frequência, constatou-se a

necessidade em se traçar as curvas de rendimento do CMB, visto que a pesquisa tem como

finalidade alterar a frequência de acionamento do motor para que o sistema se ajuste às

novas demandas de pressão e vazão da rede de distribuição de água. Para que esse

procedimento se mostre viável, ao se alterar as frequências de rotação do motor, o

rendimento não deve apresentar oscilações significativas. Assim, fez-se necessário o

levantamento das curvas de rendimento para a mesma faixa de operação do sistema,

conforme ilustrado nos gráficos mostrados na Figura 4.

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Figura 3. Curvas da bomba para cenários de frequência

Figura 4. Curvas de rendimento do CMB

Ao analisar a Figura 4 observa-se que os maiores rendimentos encontrados estão nas faixas

de frequência de 30 Hz e de 35 Hz. Com o sistema operando a 30 Hz, o valor máximo do

rendimento encontrado foi de 73%, e para o sistema operando a 35 Hz, seu máximo valor

registrado foi de 65%. A partir de 40 Hz, os máximos rendimentos registrados variaram de

58 a 55 Hz; enquanto os menores rendimentos encontrados foram de 35% para 50 Hz e

36% para o inversor operando em sua frequência nominal de 60 Hz.

Esperava-se registrar menores rendimentos para as menores faixas de frequência, conforme

ressaltado em testes realizados com a associação de motores e inversores de frequência; no

entanto, cabe ressaltar que a bancada experimental está operando de forma

superdimensionada, ou seja, com três de suas quatro saídas fechadas, resultando em uma

vazão muito baixa, comparada à vazão nominal do CMB (60 Hz). Além disso, para as

frequências de 40 Hz, 45 Hz, 50 Hz, 55 Hz e 60 Hz há uma variação mínima de

rendimento, tanto para seus máximos quanto para seus mínimos valores.

A Tabela 1 apresenta os valores utilizados para a obtenção das curvas de rendimento para

as sete faixas de frequências analisadas (ver Figura 4), onde a frequência F é dada em Hz, a

vazão Q em L/s e o rendimento η em %.

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Tabela 1. Análise do rendimento para diferentes faixas de frequência

F (Hz) Q (L/s) η (%) F (Hz) Q (L/s) η (%) F (Hz) Q (L/s) η (%) F (Hz) Q (L/s) η (%)

30

3,7 50

35

3,7 47

40

3,7 40

45

3,7 37

4,5 58 5,0 55 4,8 49 4,7 44

5,9 73 6,4 65 6,5 58 6,8 57

5,9 68 6,4 64 6,6 57 7,0 56

50

3,7 35

55

4,2 37

60

4,2 36

5,4 47 5,1 41 5,3 42

7,2 56 7,7 55 7,8 55

7,5 56 7,9 55 8,0 55

Após o levantamento das curvas de rendimento e sua posterior análise, o passo seguinte foi

verificar o comportamento das pressões na saída 6 com o uso do inversor de frequência.

A Figura 5 apresenta as pressões conforme a variação da frequência, onde se observa que o

sistema atingiu sua pressão de referência 80 segundos após o acionamento do inversor de

frequência.

Figura 5. Resultados do controle da pressão com o uso de inversor de frequência

Pela Figura 6 pode-se observar a variação da frequência do CMB, a cada 5 Hz, juntamente

com o aumento da potência elétrica do inversor. A frequência obtida para que a rede

encontrasse sua pressão de referência de 8 mca, foi de 44 Hz.

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Pre

ssão (

mca

)

Tempo (s)

Pressão (mca)

Refrência (mca)

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Figura 6. Variação da frequência com o uso do inversor

A Tabela 2 apresenta o valor das potências do motor elétrico, obtida pela IHM do painel do

inversor, dadas para as sete faixas de variação do CMB.

Tabela 2. Variação da potência elétrica com a frequência

Frequência (Hz) Potência elétrica (W)

30 403,0

35 587,0

40 807,9

45 1090,0

50 1430,0

55 1830,0

60 2010,0

Conforme dados da Tabela 2, para uma frequência de 44 Hz, por interpolação, a potência

do motor foi de 1033,58 W. Esse valor representa uma redução de 48,6% na potência do

motor, quando comparada com a obtida com a máquina operando na sua frequência

nominal, de 60 Hz.

4. CONCLUSÕES

O uso de inversores de frequência mostra-se bastante eficiente para a obtenção das

melhores condições de operação hidráulica e energética em redes de abastecimento de água

pressurizadas por bombeamento direto. Além de permitir o controle das pressões, dentro

das faixas de valores propostos em projetos de redes de abastecimento, também propicia

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Potê

nci

a E

létr

ica (

W)

Fre

qu

ênci

a (

Hz)

Tempo (s)

Frequência (Hz)

Potência Elétrica (W)

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uma redução no consumo de energia elétrica. Com o controle das pressões, limitam-se as

perdas de água ocasionadas por cargas hidráulicas excessivas nas redes de tubulações.

Após a análise do gráfico do comportamento das pressões deste experimento, conclui-se

que o uso de inversores de frequência se mostrou bastante eficiente no controle das

pressões. Para o experimento analisado, o tempo necessário para o equipamento controlar a

pressão no ponto de medição foi de 1 minuto de 20 segundos, resultando em uma

frequência de acionamento de 44 Hz. Ao diminuir a frequência de rotação do conjunto

motobomba (CMB), também há uma indução ao menor consumo energético.

Os resultados alcançados neste trabalho demonstraram que houve uma redução de 48,6%

no gasto energético do conjunto motobomba, em comparação com esse mesmo sistema

operando sem a intervenção do inversor de frequência. Com a aplicação do inversor de

frequência, foi possível constatar, também, a atuação eficiente no controle da pressão na

rede, sem que houvesse prejuízo significativo do rendimento do conjunto motobomba.

AGRADECIMENTOS

Ao laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento (LENHS) e ao

programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (PPGEM) da Universidade Federal

da Paraíba (UFPB) e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

(CAPES).

REFERÊNCIAS

[1] MOURA, G. N. P. A relação entre água e energia: gestão energética nos sistemas de

abastecimento de água das companhias de saneamento básico do Brasil. Rio de Janeiro,

2010. Dissertação de mestrado-Programa de Planejamento Energético -Universidade

Federal do Rio de Janeiro, 2010.

[2] GOMES, H. P. Sistemas de Irrigação Eficiência Energética. Editora da UFPB. João

Pessoa, 2013. Universidade Federal da Paraíba, 2013.

[3] CHEREM, L. B. Avaliação do uso de inversor de frequência em estação elevatória

de água. Palmas, 2016. Dissertação de mestrado- Universidade Federal do Tocantins, 2016.

[4] MESQUITA, R. P. Análise de viabilidade técnica-econômica para a aplicação de

inversores de frequência em sistemas de bombeamento de baixa potência. Guaratinguetá,

2009. Dissertação de mestrado-Faculdade de Engenharia do campus de Guaratinguetá-

Universidade Estadual Paulista, 2009.

[5] BEZERRA, S.T.M. SILVA, S.A. CARVALHO, P.S.O. Automação e Controle. In:

Heber Pimentel Gomes (Organizador). Sistemas de Bombeamento: Eficiência Energética. 1

ed. João Pessoa: Editora Universitária da Universidade Federal, 203-253p. 2012.

[6] WEG, Guia Técnico: Motores de indução alimentados por inversores de frequência

PWM. Santa Catarina, 2016.

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XVI Seminário Ibero-Americano sobre Sistemas de Abastecimento e Drenagem | SEREA2019

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[7] MORAES, M.J. OLIVEIRA FILHO, D. MANTOVANI, E.C. MONTEIRO, P.M.B.

MENDES, A.L.C. DAMIÃO, J.H.A.C. Automação em Sistema de Irrigação Tipo Pivô

Central para Economia de Energia Elétrica. Eng. Agríc., Jaboticabal. V34, n6, p. 1075-

1088, 2014.

[8] CAMPONOGARA, G., KURITZA, J., CASTIGLIO, G, FERLA, R., MARQUES,

M.G., TEIXEIRA, E.D., DE BORJA, J. Indicadores de referência hidroenergéticos em

sistemas de abastecimento de água. 13 Simpósio de Hidráulica e Recursos Hídricos dos

Países de Língua Portuguesa, FEUP, Porto, 13-15 set. 2017.

[9] TARDELLI FILHO, J. Aspectos relevantes do controle de perdas em sistemas

públicos de abastecimento de água. Revista DAE (Brasil), v., n., p.6-20, Jan.-Abr. 2016.

[10] BEZERRA, S.T.M. CHEUNG, P.B. Perdas de Água – Tecnologias de Controle. 1

ed. João Pessoa: Editora Universitária da Universidade Federal, 220p. ISBN:

9788523707019.