uma abordagem utilizando controladores lógicos programáveis

SCE/004
21 a 26 de Outubro de 2001
Campinas - São Paulo - Brasil
STE II
SESSÃO TÉCNICA ESPECIAL DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM EDIFICAÇÕES –
UTILIZANDO CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS
R. C. G. Teive
UNIVALI
S. H. Vilvert
RESUMO
No novo panorama mundial do setor de energia
elétrica, cada vez mais se investe em políticas de
conservação de energia elétrica. Estes investimentos
vêm não somente do governo, mais também das
próprias empresas concessionárias de energia elétrica,
preocupadas
com o atendimento
dos seus
consumidores e com suas capacidades de geração.
Dentro das várias modalidades de conservação de
energia, o gerenciamento pelo lado da demanda tem
sido uma alternativa bastante utilizada. Este trabalho
propõe a utilização de um Controlador Lógico
Programável para realizar o gerenciamento do
consumo de energia em uma edificação, atuando
diretamente sobre a carga. A metodologia tem sido
aplicada para as instalações de um campus
universitário, contudo a sua utilização poderá ser
extrapolada para qualquer edificação.
PALAVRAS-CHAVE : Conservação de Energia
Elétrica, GLD, CLP
1.0 INTRODUÇÃO
O novo modelo do setor elétrico brasileiro em vigência
tem como consequência direta a introdução de
competição
nos
segmentos
de
geração
e
comercialização de energia elétrica. Com relação à
atividade de geração de energia elétrica, as empresas
deste setor tenderão a praticar tarifas mais baixas como
forma de atrair novos consumidores (clientes),
aumentando o seu ‘market share’ e como meta final,
vender mais energia.
Universidade do Vale do Itajai – UNIVALI – São José
UMA
ABORDAGEM
C. C. B. Camargo
UFSC
Entretanto, é importante salientar que as capacidades
de geração destas usinas são limitadas, bem como os
combustíveis das usinas termelétricas (carvão, óleo e
gás natural) são não-renováveis, como conseqüência
são finitos e ainda poluem o meio-ambiente. Da mesma
forma, a água dos reservatórios das usinas
hidrelétricas, dependendo de condições climáticas,
também é finita.
Assim, o uso da conservação de energia elétrica,
mesmo que teoricamente sendo contrária ao princípio
básico de busca de lucro sob quaisquer condições, será
uma prática não somente adotada pelos consumidores,
mas também estimulada pelas próprias empresas do
setor, visando a manutenção e atendimento dos seus
mercados.
Além disto, neste novo modelo, o papel do governo
ainda é importante, na medida que ele será responsável
pela regulamentação, fiscalização e formulação de
políticas para o setor elétrico. Desta forma, o PROCEL
deve continuar incentivando políticas de conservação
de energia,
financiando também campanhas de
conscientização dos consumidores da necessidade do
uso racional de energia e de se evitar desperdícios.
A cultura do desperdício ainda é muito forte no Brasil,
especificamente quando se trata de energia elétrica.
Atualmente, o desperdício de energia elétrica vem
preocupando não somente o governo, mas também
empresas do setor de energia elétrica. Isto pode ser
comprovado pelo o que foi publicado em (1] e (2].
Conforme é colocado em (1], o investimento de
dezessete distribuidoras de energia elétrica em
conservação de energia superaram as expectativas,
alcançando o montante de R$ 196 milhões no primeiro
ano, o que acarretou o deslocamento de 250 MW da
carga na ponta para um horário fora da ponta, onde o
preço da geração é mais baixo.
Outro exemplo do sucesso da aplicação da política de
conservação de energia, é colocado em (3], que é o
caso da empresa norte-americana Carolina Power and
Light. Com a economia de energia advinda da política
de conservação de energia adotada, a empresa evitou
implantar duas usinas nucleares, num total de 1750
MW.
Um ponto importante a ser mudado se refere a idéia de
que existe uma relação direta entre o aumento do
consumo de energia e o crescimento do PIB, conforme
observado em (3]. Ou seja, deve-se procurar freiar o
consumo de energia mesmo com o PIB em
crescimento. Em países desenvolvidos, como os EUA e
Japão, o crescimento de energia elétrica se dá a níveis
inferiores aos do PIB, face as medidas de conservação
de energia, incluindo aí eliminação de desperdícios e
busca de equipamentos energeticamente mais
eficientes.
Do lado do consumidor, o que se tem falado muito
ultimamente com relação a políticas de conservação
de energia elétrica, se refere ao que se chama da prática
do Gerenciamento do Lado da Demanda (GLD), ou
seja, o consumidor gerenciando a sua própria carga ou
consumo, para evitar desperdícios ou mesmo conseguir
incentivos da concessionária a nível de redução de
tarifas.
Esta idéia é atrativa na medida que com a implantação
de programas de incentivo aos pequenos consumidores
à utilização do GLD, as concessionárias de energia
podem controlar diretamente a carga de seus
consumidores. Os consumidores ganham com uma
redução da tarifa, enquanto que a empresa ganha com a
modulação da carga e deslocamento da ponta, podendo
evitar assim possíveis cortes de carga e consumidores
descontentes.
Este trabalho propõe a utilização de um Controlador
Lógico Programável (CLP) para realizar o
gerenciamento do consumo de energia em uma
edificação, atuando diretamente sobre a carga. A
metodologia tem sido aplicada para as instalações de
um campus universitário, contudo a sua utilização
poderá ser extrapolada para qualquer edificação.
O CLP controla o consumo (magnitude e horário) das
principais cargas, incluindo condicionadores de ar,
iluminação, computadores e ventilação, buscando o
uso mais econômico e racional de energia elétrica,
reduzindo-se desperdícios e sobrecargas causadas pelo
uso demasiado da energia em horários de maior
consumo.
O CLP tem como entradas os sinais provenientes dos
sensores (iluminação e temperatura), as metas de
consumo de energia e ponta tratadas com a
concessionária e os horários de consumo. Como saídas
o CLP envia sinais para as chaves que acionam os
circuitos correspondentes.
2.0 CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
No novo panorama mundial do setor de energia
elétrica, cada vez mais se investe em políticas de
conservação de energia elétrica. Estes investimentos
vêm não somente do governo, mais também das
próprias empresas concessionárias de energia elétrica,
preocupadas com o
atendimento
dos
seus
consumidores e com suas capacidades de geração.
A conservação de energia passa por uma mudança
cultural e de hábitos de consumo, que cada vez mais é
exigida pelas sociedades desenvolvidas, preocupadas
com os níveis de poluição crescentes, limites de fontes
de energéticos e capacidades das linhas de transmissão
e distribuição de energia elétrica.
Desta forma, o incentivo ao uso racional de energia
leva a políticas de conservação de energia e a
mecanismos de GLD, os quais têm se mostrados cada
vez são mais necessários para evitar futuros deficits ,
black-outs e racionamentos de energia, bem como a
construção em série de novas usinas.
A prática do GLD esta sendo muito estudada e aplicada
com objetivo do próprio consumidor controlar a sua
carga, como pode ser vistos pelos trabalhos (4], [5] e
(6].
Devido a problemas culturais, para o sucesso de
políticas de GLD, seria mais interessante a adoção, por
parte das concessionárias de energia, de métodos
incentivados para a prática de GLD.
Neste sentido, é apresentado em (4] o caso de empresas
concessionárias de energia elétrica européia, onde foi
instituído incentivos a nível de redução de tarifas para
o consumidores que permitissem a implantação de
equipamentos para executar o GLD, especificamente
para deslocar o consumo de energia elétrica da ponta
(modulação de carga).
No período de consumo na ponta, praticamente todas
as usinas do sistema ficam gerando nas suas
capacidades máximas, deixando o sistema mais sujeito
a falhas. O objetivo da modulação da curva de carga é
deslocar a ponta para horários onde a energia é mais
barata, ou seja, em períodos onde os sistemas de
geração possuem mais folga.
No caso particular da aplicação de políticas de
conservação de energia em campus universitárias,
alguns trabalhos têm sido apresentados visando a busca
do uso mais racional de energia, conforme apresentado
em (7].
Especificamente, com relação a aplicação de GLD em
edificações universitárias, o trabalho (8] apresenta um
estudo de gerenciamento energético de cargas de um
campus, buscando o uso racional de energia, atuando
principalmente nas cargas dos condicionadores de ar,
iluminação e aquecimento de água. No caso de cargas
de condicionadores de ar, por exemplo, o controle é
feito através de um sistema de relés.
3.0 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
3.1 Histórico
módulos de entrada e saída. Todas as funções
disponíveis devem ser programadas em uma memória
interna e o hardware deve ser universal, podendo ser
aplicado a todos os tipos de processos.
Os CLP’s atuais são baseados em microprocessadores
e microcontroladores. O princípio de funcionamento é
idêntico para todos os fabricantes , ou seja, para
exercer suas funções, um CLP processa sinais de
entrada provenientes de botoeiras, chaves e sensores
diversos e fornece sinais de saída que atuam sobre a
máquina ou processo em questão. O esquema de
controle de um CLP é apresentado na FIGURA 1,
mostrada abaixo, a qual é baseada de
Os CLPs foram originalmente inventados com a
intenção de substituir lógicas de comando
implementadas por meio de réles. Estes equipamentos
foram
inicialmente
aplicados
na
indústria
automobilística, passando mais tarde a ter larga
aplicação em todos os setores industriais.
O interesse inicial da indústria automobilística se
deveu ao grande investimento que era necessário para a
alteração da lógica de comando das linhas de
montagem, implementadas com réles a cada modelo de
carro fabricado. A partir do final dos anos 70 os CLPs
começaram a ganhar larga aceitação industrial.
A partir daí ocorreu a evolução dos CLP’s,
aproveitando a tecnologia
então emergente dos
microprocessadores. Estes equipamentos, em pouco
tempo dominaram o mercado dos controlares
industriais, multiplicando-se as suas aplicações e os
fabricantes no mundo inteiro (9].
Entretanto, conforme colocado em (9], os CLP´s
demoraram muito para serem empregados no controle
de usinas elétricas e nos sistemas de intertravamento de
subestações, principalmente devido ao excesso de zelo
dos engenheiros e técnicos responsáveis, que temiam
as operações intempestivas dos microprocessadores em
casos de surtos de tensão nas subestações.
Contudo, nos últimos anos tem-se observado que estas
desconfianças com relação aos CLP’s têm sido
superadas, e estes equipamentos tem sido cada vez
mais utilizado em problemas envolvendo energia
elétrica. Como exemplo desta afirmação, em (10] é
apresentado uma matéria onde é mostrado que CLP’s
estão sendo instalados nas subestações de Brasília, para
controle da operação e manobras em subestações.
3.2 OPERAÇÃO BÁSICA
Define-se como CLP , um equipamento eletrônico
digital que tem como objetivo implementar funções
específicas de controle e monitoração sobre variáveis
de uma máquina ou processo, por intermédio de
FIGURA 1 – Configuração Básica de um CLP
A vantagem de se utilizar um CLP é exatamente que
ele substituirá o sistema de lógica a réles de tempo e
contactores eletro-mecânicos, o qual normalmente é
utilizado para fazer os acionamentos resultantes das
ações de controle necessárias sobre uma planta ou
processo. Além disto, os CLPs possuem funções
envolvendo seqüenciamento, intertravamento elétrico,
temporização (relógio de tempo real e contadores
rápidos),
controle
PID
(Proporcional-IntegralDerivativo), contagem e operações matemáticas
básicas.
As principais vantagens dos CLPs sobre a lógica de
réles tradicional são:
Redução do tempo de implementação e
alteração de lógicas de controle e
intertravamento, devido a facilidade de
programação e reprogramação;
Elevada confiabilidade;
Pequenas dimensões e peso reduzido;
Capacidade
de
comunicação
com
computadores e outros sistemas inteligentes
(integração);
Construção robusta, adequada a ambientes
industriais;
Projeto modular, de fácil expansão.
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