Grundfos SPE + RSI:
a bombagem solar de velocidade variável
Um conjunto Grundfos SPE comandado por um variador RSI tem a sua própria lógica de dimensionamento: um limiar de arranque, um caudal mínimo contínuo e três acessórios indispensáveis. Eis o seu funcionamento, números de apoio, e o método para o dimensionar.
Uma hidráulica, um motor de ímanes, um variador
Um sistema SPE é constituído por três componentes especificamente concebidos para funcionar de forma integrada. A parte hidráulica assenta nas bombas submersíveis da gama SP, reconhecidas há muitos anos pela sua fiabilidade e pelo seu desempenho. O acionamento é assegurado por um motor síncrono de ímanes permanentes MS6000P, de conceção de quatro polos, capaz de atingir uma velocidade máxima de 3.000 tr/min a 100 Hz, alimentado em trifásico 3 × 350 V. O conjunto é comandado pelo variador RSI, que converte diretamente a energia em corrente contínua proveniente do campo fotovoltaico em alimentação trifásica e adapta continuamente a velocidade de rotação do motor em função da potência solar disponível, de modo a otimizar o funcionamento da bomba em toda a gama de insolação.
O rendimento constitui a principal vantagem do motor de ímanes permanentes. A ausência de correntes induzidas no rotor limita o aquecimento do motor e reduz a quantidade de calor transmitida ao líquido bombeado, dois fatores que condicionam diretamente a vida útil do conjunto submerso. A Grundfos anuncia um ganho de 8 a 10 pontos de rendimento em relação a um motor assíncrono de potência equivalente, e publica o detalhe destes valores a 50, 75 e 100 % de carga.
O limiar de arranque, ou porque razão uma bomba pode rodar sem debitar água
Uma bomba centrífuga só desenvolve uma altura manométrica útil a partir de uma velocidade de rotação mínima. Abaixo deste limiar, embora o motor acione o impulsor e consuma energia, a altura gerada permanece insuficiente para vencer a carga estática do circuito: nenhum caudal é então debitado à saída. As leis de afinidade das bombas centrífugas, publicadas nomeadamente pela Grundfos na sua documentação técnica, permitem determinar esta velocidade crítica a partir da qual a água começa efetivamente a ser debitada.
A altura a caudal nulo é o topo da curva caudal-altura, à velocidade máxima. Uma bomba que sobe a 189 m a caudal nulo e trabalha a 75 m arranca a √(75/189), ou seja, 63 % da sua velocidade. Abaixo desta velocidade, a bomba consome energia sem debitar caudal, ao passo que acima dela o caudal cresce rapidamente com a velocidade de rotação. Quanto mais baixo for este rácio, mais o período horário durante o qual a bomba funciona se estende ao longo do dia.
Uma SPE 77-9 a 75 metros
Tomemos um exemplo: 75 metros de altura manométrica total, com um objetivo de caudal da ordem dos 100 m³/h. A SPE 77-9 responde a este ponto: nove estágios, motor de 37 kW, altura a caudal nulo de 189 metros. A bomba atinge o limiar de arranque aos 63 % da velocidade: começa a trabalhar cedo de manhã e para tarde à noite. Eis o seu dia, para um campo fotovoltaico de 47 kWp e um rendimento de sistema de 0,80.
| Insolação | Potência à entrada do variador | Caudal | O que acontece |
|---|---|---|---|
| 150 W/m² | 5,6 kW | 0 m³/h | abaixo do limiar: a bomba não debita |
| 197 W/m² | 7,3 kW | arranque | a água começa a subir |
| 300 W/m² | 11,2 kW | 32 m³/h | já um terço do caudal máximo |
| 500 W/m² | 18,7 kW | 61 m³/h | regime de meio da manhã |
| 700 W/m² | 26,1 kW | 80 m³/h | |
| 900 W/m² | 33,6 kW | 95 m³/h | |
| 1.000 W/m² | 37,3 kW | 101 m³/h | velocidade máxima, o variador limita |
Uma janela de 5 para 1 corresponde a uma gama de funcionamento alargada. Numa bomba cuja relação altura sobre altura a caudal nulo fosse de 0,85, o arranque subiria a 92 % da velocidade e a janela cairia para 1,3 para 1: a mesma instalação só trabalharia nas horas de maior insolação. Este é o primeiro ponto que o dimensionamento deve verificar, antes mesmo da potência do campo fotovoltaico.
O que o RSI impõe ao campo fotovoltaico
O RSI está disponível em duas gamas de tensão, e esta escolha compromete todo o gerador fotovoltaico, uma vez que determina a arquitetura das cadeias de painéis. A gama 3 × 380-440 V cobre de 2,2 a 250 kW, enquanto a gama 3 × 208-240 V se estende até 15 kW e funciona a tensões contínuas mais baixas.
| Gama do variador | Tensão MPP mínima | Tensão MPP recomendada | Tensão de entrada máxima | Potência |
|---|---|---|---|---|
| 3 × 380-440 V | 450 V | 530 a 615 V | 800 V | 2,2 a 250 kW |
| 3 × 208-240 V | 230 V | 290 a 336 V | 400 V | 1,5 a 15 kW |
Daqui decorrem duas regras de dimensionamento da cablagem. A cadeia deve manter-se acima de 450 volts no ponto de potência máxima mesmo em caso de forte calor, quando a tensão dos painéis se reduz, e abaixo de 800 volts em circuito aberto em caso de grande frio, quando esta atinge o máximo. A faixa recomendada entre os dois valores tem uma razão física: é necessária tensão contínua suficiente para que o variador restitua a tensão plena do motor à sua frequência nominal.
Os três indispensáveis
Três equipamentos acompanham o conjunto e protegem o motor ao longo do tempo: o filtro sinusoidal, a camisa de refrigeração e a sonda de temperatura.
O filtro sinusoidal
Um variador não fornece uma sinusoide mas sim uma sucessão de impulsos, e os picos de tensão daí resultantes fadigam o isolamento dos enrolamentos, tanto mais quanto mais longo for o cabo de descida. O manual das bombas SP fixa limites claros: para um motor MS6000 alimentado por um variador solar, sem filtro, a tensão contínua do campo em circuito aberto está limitada a 400 volts e o cabo não blindado a 300 metros; com um filtro sinusoidal, estes limites passam para 800 volts e 500 metros.
A gama 3 × 380-440 V requer uma tensão mínima de 450 volts no ponto de potência máxima e, por conseguinte, uma tensão em circuito aberto ainda mais elevada, pelo que não pode em caso algum respeitar o limite de 400 volts. Nesta gama, o filtro sinusoidal é obrigatório. A gama 3 × 208-240 V, cuja entrada está limitada a 400 volts, foi concebida para prescindir dele.
Num motor a 3.000 tr/min alimentado a 100 Hz, o filtro escolhe-se na coluna 100 Hz do catálogo. A corrente admissível de um filtro é cerca de um quarto mais baixa a 100 Hz do que a 50 Hz: um motor que consome 85,6 A a 100 Hz exige um filtro dado para cerca de 112 A a 50 Hz.
A camisa de refrigeração
Um motor submersível arrefece através da água que o percorre; a Grundfos exige uma velocidade de pelo menos 0,15 m/s ao longo do motor, e fornece a fórmula para a verificar:
Num furo largo, a água abranda em torno do motor e arrefece-o menos. A camisa, um simples tubo colocado à volta do motor, restabelece a velocidade de escoamento; a Grundfos recomenda-a também na presença de areia.
Na SPE 77-9 do exemplo, torna-se útil a partir de cerca de 190 mm de diâmetro de furo; o limiar depende da bomba.
A sonda de temperatura
Os motores submersíveis Grundfos podem receber um sensor de temperatura integrado, e o livreto técnico indica sem ambiguidade que estes sensores são incompatíveis com um variador de frequência. Um fusível interno ao transmissor funde-se logo que é colocado sob variador e o sensor perde-se definitivamente. A Grundfos recomenda instalar em seu lugar uma sonda Pt100 ou Pt1000 externa.
A sonda externa é a única proteção térmica do conjunto. O variador protege o motor contra a sobrecarga elétrica; a temperatura, essa, depende inteiramente da sonda: o manual precisa que o variador não a mede.
A gama de funcionamento a respeitar
O dimensionamento deve garantir que a bomba funciona permanentemente dentro do seu domínio de utilização, sejam quais forem as condições climáticas e as condicionantes do local.
| Limite | Valor | Porquê |
|---|---|---|
| Caudal mínimo contínuo | 0,1 × o caudal nominal | abaixo deste valor, a água já não circula o suficiente para arrefecer o motor |
| Caudal máximo contínuo | 1,3 × o caudal nominal | risco de impulso axial invertido e de cavitação |
| Funcionamento com válvula fechada | 30 segundos no máximo | o líquido aquece localmente |
| Sobrevelocidade | desaconselhada | o fabricante desaconselha ultrapassar a frequência nominal |
| Rampas de aceleração | 3 segundos no máximo | proteção dos casquilhos e do empanque |
| Número de arranques | 120 por hora, 360 por dia | útil verificar num local com passagens de nuvens frequentes |
Solarizar uma bomba SP já instalada
O RSI comanda igualmente os motores assíncronos clássicos que equipam as bombas submersíveis da gama SP. Uma bomba já instalada num furo pode assim ser convertida ao funcionamento solar sem alteração da hidráulica, conservando o mesmo variador e o mesmo método de dimensionamento.
| SP + RSI (motor assíncrono) | SPE + RSI (ímanes permanentes) | |
|---|---|---|
| Rendimento do motor | da ordem dos 82 % | 92,4 % a plena carga |
| Rendimento a carga parcial | raramente publicado | 90,6 % a meia carga |
| Velocidade nominal | 2.900 tr/min a 50 Hz | 3.000 tr/min a 100 Hz |
| Ligação direta à rede | possível | impossível, variador obrigatório |
| Filtro sinusoidal na gama 400 V | obrigatório | sistematicamente incluído |
| Caso de utilização | solarização de uma bomba já instalada | instalação nova, procura do melhor rendimento |
Com um campo fotovoltaico igual, o motor de ímanes permanentes dispõe de mais potência no veio: arranca mais cedo de manhã e debita um volume de água superior ao longo do dia inteiro. Uma diferença de dez pontos de rendimento traduz-se assim diretamente por um volume produzido superior.
O que o LE LAB faz com tudo isto
O dimensionamento de um sistema de bombagem de velocidade variável começa pela determinação do limiar de arranque hidráulico. Importa em primeiro lugar verificar que este limiar permite dispor de uma gama de funcionamento explorável nas condições reais de insolação. É depois necessário garantir que o caudal requerido permanece superior ao caudal mínimo de funcionamento contínuo da bomba, e em seguida verificar que o gerador fotovoltaico respeita a janela de tensão admissível pelo variador, tanto na tensão máxima por baixas temperaturas como na tensão mínima por fortes calores. Só após a validação destas condições de funcionamento é que a avaliação da produção de água, mês a mês, pode ser realizada.
No dimensionamento, o LE LAB compara sistematicamente os conjuntos SPE associados a um variador RSI com as soluções de bombagem com controlador integrado. Quando várias arquiteturas permitem atingir o ponto de funcionamento requerido, a aplicação propõe prioritariamente a solução mais simples, de modo a limitar a complexidade da instalação, reduzir os custos e facilitar a implementação, bem como a manutenção.
De onde vêm estes números
- Livreto técnico SPE 3.000 tr/min, Grundfos: descrição da gama, motores MS6000P, rendimentos e fatores de potência, seleção dos filtros sinusoidais, condições de funcionamento, leis de afinidade, diâmetros de furo recomendados.
- Manual de instalação e funcionamento SP e SPE, Grundfos: funcionamento com variador de frequência, limites de tensão e de comprimento de cabo com e sem filtro, velocidade de escoamento mínima ao longo do motor, sensores de temperatura.
- Manual de instalação e funcionamento RSI 1,5 a 250 kW, Grundfos: tensões no ponto de potência máxima, tensão de entrada máxima, gama de frequência, tamanhos e intensidades de saída, regulação da frequência mínima de compressão, códigos de falha.
- Manual RSI AC Drives, Grundfos: características técnicas do variador, tipos de motores comandados, gamas de temperatura e desclassificações.
- Curvas caudal-altura e curvas de potência das fichas de produto Grundfos Product Centre para a bomba citada como exemplo.
Números e condicionantes obtidos na documentação oficial Grundfos, versões em vigor à data de publicação; o manual do fabricante continua a ser a referência. Uma página editada pela SINES, distribuidor oficial Grundfos.