Variable Frequency Drives (VFDs) are utilized in commercial and industrial facilities to improve motor efficiency and provide process flexibility. VFDs are nonlinear loads that inject harmonic currents into the power system, and result in harmonic voltages across the system impedance. This harmonic distortion can negatively impact the performance of other sensitive loads in the system. If a VFD serves a critical function, it may be necessary to supply the VFD from a Diesel Generator or Uninterruptible Power Supply (UPS). These sources have relatively high impedance when compared to a standard utility source, and will result in greater harmonic voltage distortion. This increases the likelihood of equipment failure due to harmonics. The full extent of the impact, however, is typically unknown until an extensive harmonic analysis is performed or the system is installed and tested. This thesis evaluates the impact that source impedance has on the harmonic voltage distortion that is produced by nonlinear loads such as VFDs. An ideal system of varying source types (Utility, Generator and UPS) and varying VFD rectifier technologies (6-Pulse, 12-Pulse and 18-Pulse) is created to perform this analysis and plot the results. The main output of this thesis is a simplified methodology for harmonic analysis that can be implemented when designing a power system with a VFD serving a critical function and a high impedance source like a generator or UPS. Performing this analysis will help to ensure that other sensitive loads will operate properly in the system. / Master of Science

This study examines five potential improvement projects that could be implemented at the Continental Tire manufacturing plant located in Mount Vernon, IL. The study looks at insulating of tire molds, installation of variable frequency drives on circulating pumps, pressure reduction turbines, waste heat utilization used for absorption cooling, and cogeneration using a gas turbine cycle. A feasibility study and cost analysis was performed for each project to determine recommendation for implementation. The two most appealing projects are the insulation addition and the installation of variable frequency drives. Adding insulation would produce energy savings in the range of 908 kJ/s (3,097 Btu/hr) to 989 kJ/s (3,374 Btu/hr) and annual savings between $13,390 and $14,591. Installation of variable frequency drives on two 200 hp circulating pumps would produce energy savings between 74.6 kW (100 hp) and (104.6 kW (140.2 hp) with annual monetary savings in the range of $41,646 to $58,384.

Resumo: Em sistemas de bombeamento, a vazão solicitada à bomba nem sempre é constante, normalmente as bombas operam em rotação constante e para obter a variação da vazão, utilizam-se válvulas de estrangulamento na saída. Outro método utilizado é controlar a velocidade do motor através de inversores de freqüência, pois, a variação da vazão é diretamente proporcional à rotação do motor, proporcionando uma maior facilidade de controle e economia de energia, porém, interferindo na qualidade de energia elétrica. Neste contexto, a finalidade deste trabalho foi a comparação do consumo de energia elétrica para dois tipos de controle de vazão em sistemas de bombeamento: por válvula de estrangulamento ou por inversor de freqüência para dois tipos de motores: padrão e de alto rendimento. Comprovou-se que a simples troca de um motor padrão por um motor de alto rendimento gera uma redução de consumo de energia elétrica entre 32,45% a 33,42%, no caso estudado. A substituição do controle de vazão, da válvula de estrangulamento para o controle pelo inversor de freqüência trouxe uma economia de energia elétrica entre 47,18% a 52,22% em determinadas faixas. A substituição do controle de vazão pela válvula e motor padrão para o controle de vazão pelo inversor e motor de alto rendimento gerou uma economia de 67,03%. Para avaliar a influência dos programas de eficiência energética na qualidade da energia foram mensurados valores do fator de potência e dos níveis de distorção harmônica total de corrente e de tensão gerados através de três tipos de acionamento do motor trifásico: partida direta, partida suave e partida com inversor de freqüência, comparando-os com valores da norma brasileira (ANEEL) e de norma internacional (IEC). / Abstract: In pumping systems the flow requested of the pump is not always constant, normally the pumps operate in constant rotation and bottleneck valves are used in order to obtain the flow variation. Controlling the motor speed through variable frequency drives is another used method since the flow variation is directly proporcional to the motor rotation. In this report it was carried out a comparisson of electric power consumption in a pumping system with the flow control by bottleneck valve and by variable frequency drives in order to identify an economically viable range of use. The technical and economical viability of substituting a standard motor for a highperformance motor one was also analysed. It proved that the simple exchange of a standard motor for a high performance one, generates a reduction of electric power consumption between 32.45% a 33.42%, in the studied case. The replacement of the flow control of the bottleneck valve to the variable frequency drives brought a saving of electric power between 47.18% a 52.22% in certain ranges. The replacement of the flow control by the valve and standard motor for the variable frequency drives and the high performance motor generated an economy of 67.03%. It was mensuremented values of power factor and total harmonic distortion of current and voltage generated by three diferent types of starts: direct start, soft-start and variable speed drives start and compared with values of the Brazilian norm (ANEEL) and International norm (IEC) to appraise its influency in energy efficiency programs. / Orientador: Teófilo Miguel de Souza / Coorientador: Pedro Magalhães Sobrinho / Banca: Rubens Alves Dias / Banca: Jamil Haddad / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:10Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-07-07Bitstream added on 2014-06-13T20:20:27Z : No. of bitstreams: 1 mesquita_rp_me_guara.pdf: 1170750 bytes, checksum: fa765b6e1b242ea2391a24aa47efeb14 (MD5) / Eletrobras / Em sistemas de bombeamento, a vazão solicitada à bomba nem sempre é constante, normalmente as bombas operam em rotação constante e para obter a variação da vazão, utilizam-se válvulas de estrangulamento na saída. Outro método utilizado é controlar a velocidade do motor através de inversores de freqüência, pois, a variação da vazão é diretamente proporcional à rotação do motor, proporcionando uma maior facilidade de controle e economia de energia, porém, interferindo na qualidade de energia elétrica. Neste contexto, a finalidade deste trabalho foi a comparação do consumo de energia elétrica para dois tipos de controle de vazão em sistemas de bombeamento: por válvula de estrangulamento ou por inversor de freqüência para dois tipos de motores: padrão e de alto rendimento. Comprovou-se que a simples troca de um motor padrão por um motor de alto rendimento gera uma redução de consumo de energia elétrica entre 32,45% a 33,42%, no caso estudado. A substituição do controle de vazão, da válvula de estrangulamento para o controle pelo inversor de freqüência trouxe uma economia de energia elétrica entre 47,18% a 52,22% em determinadas faixas. A substituição do controle de vazão pela válvula e motor padrão para o controle de vazão pelo inversor e motor de alto rendimento gerou uma economia de 67,03%. Para avaliar a influência dos programas de eficiência energética na qualidade da energia foram mensurados valores do fator de potência e dos níveis de distorção harmônica total de corrente e de tensão gerados através de três tipos de acionamento do motor trifásico: partida direta, partida suave e partida com inversor de freqüência, comparando-os com valores da norma brasileira (ANEEL) e de norma internacional (IEC). / In pumping systems the flow requested of the pump is not always constant, normally the pumps operate in constant rotation and bottleneck valves are used in order to obtain the flow variation. Controlling the motor speed through variable frequency drives is another used method since the flow variation is directly proporcional to the motor rotation. In this report it was carried out a comparisson of electric power consumption in a pumping system with the flow control by bottleneck valve and by variable frequency drives in order to identify an economically viable range of use. The technical and economical viability of substituting a standard motor for a highperformance motor one was also analysed. It proved that the simple exchange of a standard motor for a high performance one, generates a reduction of electric power consumption between 32.45% a 33.42%, in the studied case. The replacement of the flow control of the bottleneck valve to the variable frequency drives brought a saving of electric power between 47.18% a 52.22% in certain ranges. The replacement of the flow control by the valve and standard motor for the variable frequency drives and the high performance motor generated an economy of 67.03%. It was mensuremented values of power factor and total harmonic distortion of current and voltage generated by three diferent types of starts: direct start, soft-start and variable speed drives start and compared with values of the Brazilian norm (ANEEL) and International norm (IEC) to appraise its influency in energy efficiency programs.

Este trabalho avalia a aplicação de inversores de freqüência realizada em estações elevatórias de água tratada da cidade de São José dos Campos que são monitoradas pelo Centro de Controle Operacional da Sabesp. Foram estudadas as características técnicas de quatro sistemas de bombeamento que operam com velocidade variável. O trabalho apresenta uma proposta de metodologia para a seleção de inversores de freqüência, com base na metodologia recomendada pelo EUROPUMP e HYDRAULIC INSTITUTE (2004) aplicada em quatro sistemas da cidade de São José dos Campos. Essa proposta de metodologia foi executada através da avaliação seqüencial de um fluxograma e da análise gráfica das informações instantâneas e históricas dos parâmetros de vazão, pressão e freqüência de rotação, existentes no banco de dados dos servidores de supervisão e controle do Centro de Controle Operacional de São José dos Campos. Após a aplicação dessa metodologia, conclui-se que, a aplicação de inversores de freqüência nos sistemas estudados estava adequada e recomenda-se a sua aplicação em sistemas de bombeamento semelhantes. / The main purpose of this work is to evaluate the application of Variable Frequency Drives ? VFD, carried out in water pumping stations managed by SABESP ? Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo, located in the city of Sâo José dos Campos that are monitored by the Operational Control Center ? O.C.C. Technical characteristics of four pumping systems were studied, mainly those operating with fixed or changeable speed. It proposes a new methodology for VFD selection, based on the methodology recommended by EUROPUMP and HYDRAULIC INSTITUTE (2004), used on the systems mentioned before. This proposal of methodology were done using instantaneous and historical information of flow, pressure and rotation frequency parameters stored on data base installed on supervision and control servers installed. After this application, we also concluded that the use of VFD on the evaluated systems was correct and through this we recommend its use on similar pumping systems.

Variable frequency drives (VFD) and subsea (umbilical) cables are frequently used in electrical submersible pump (ESP) systems for offshore platforms. There are two basic system configurations for ESP systems; VFD can be installed on the platform and the motor is connected to it through an umbilical cable, and VFD and the motor are installed closely and they are connected to the system through an umbilical cable. In this thesis, the pros and cons of each configuration are mentioned, but the focus is on the system with a VFD controlled motor through a long umbilical cable. A 36-pulse VFD is studied. Since multilevel VFDs have high frequency harmonics, high frequency modeling of the umbilical cable is used, and skin effect is also taken into consideration in the cable. The effect of the interactions between the umbilical cable and high frequency harmonics on the motor terminal voltage is explored.

This study incorporates the potential use of Variable Frequency Drives on various motors as well as areas of improved heat transfer in an older, mid-sized coal fired power plant. In power plants, fluid flow rates are often controlled using dampers or valves while the motors that power the pumps stay at full speed resulting in a significant amount of wasted electrical power; energy is also lost due to poor heat recovery prior to gases leaving the system. By examining pump usage as well as additional heat available for recovery, potential energy savings will be determined. Preliminary results of five motors suggested for variable frequency drive application show annual savings that total 31.1 GWh, resulting in a 1.66% increase in overall plant efficiency. Total project costs are near $2 million resulting in a simple payback period of less than two years assuming 0.04 $/kWh. For every degree reduction of the flue gas temperature by means of heat recovery that is reused elsewhere in the cycle, 2 Billion BTU of coal would be saved annually. One realistic scenario suggested heat recovery resulting in a 120°F degree reduction of flue gas temperature amounting to a 2.54% increase in cycle efficiency.

Este trabalho avalia a aplicação de inversores de freqüência realizada em estações elevatórias de água tratada da cidade de São José dos Campos que são monitoradas pelo Centro de Controle Operacional da Sabesp. Foram estudadas as características técnicas de quatro sistemas de bombeamento que operam com velocidade variável. O trabalho apresenta uma proposta de metodologia para a seleção de inversores de freqüência, com base na metodologia recomendada pelo EUROPUMP e HYDRAULIC INSTITUTE (2004) aplicada em quatro sistemas da cidade de São José dos Campos. Essa proposta de metodologia foi executada através da avaliação seqüencial de um fluxograma e da análise gráfica das informações instantâneas e históricas dos parâmetros de vazão, pressão e freqüência de rotação, existentes no banco de dados dos servidores de supervisão e controle do Centro de Controle Operacional de São José dos Campos. Após a aplicação dessa metodologia, conclui-se que, a aplicação de inversores de freqüência nos sistemas estudados estava adequada e recomenda-se a sua aplicação em sistemas de bombeamento semelhantes. / The main purpose of this work is to evaluate the application of Variable Frequency Drives ? VFD, carried out in water pumping stations managed by SABESP ? Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo, located in the city of Sâo José dos Campos that are monitored by the Operational Control Center ? O.C.C. Technical characteristics of four pumping systems were studied, mainly those operating with fixed or changeable speed. It proposes a new methodology for VFD selection, based on the methodology recommended by EUROPUMP and HYDRAULIC INSTITUTE (2004), used on the systems mentioned before. This proposal of methodology were done using instantaneous and historical information of flow, pressure and rotation frequency parameters stored on data base installed on supervision and control servers installed. After this application, we also concluded that the use of VFD on the evaluated systems was correct and through this we recommend its use on similar pumping systems.

Made available in DSpace on 2014-07-29T14:52:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese Antonio Marcos 25022010.pdf: 1893079 bytes, checksum: 7678a19648ddfd55dd2c6b7a3ecaa4fd (MD5) Previous issue date: 2010-02-26 / It has been noticed lately that some regions of Brazil has presented lower supplying of water and energy. It has occurred mainly during the period of the year when it is higher the need for irrigation water. It is necessary to recognize the possibility of negative impacts of irrigation, to analyze them and present solutions so as to improve the irrigation systems. The aim of this study is the estimation by one system of irrigating the central pivot, breaking from the characteristics of this systems and considering the analyzed of varies combinations of pipes for water main and lateral line, choice of the set motor pump with major yield, utilization and comparison among motor standard and of high yield after the selection from best option in diameter from water main and lateral line, analyze the system using a variable frequency drives. The result with the calculations performed was an energy saving of 25% considering the use of the diameter for the two economic systems adopted. For analysis using a frequency inverter with resulted in a saving of 9.23% for center pivot irrigation system exists, and for the new center pivot irrigation system resulted in savings of 10.6%. The analysis of return on investment considering the use of the system with variable frequency drive was a rate of return on investment of 6.52% pa, center pivot irrigation system for existing and center pivot irrigation system was again 9.48 % pa. The project's return, more long-term, or feasible in the short term, considering the benchmark interest rate to 12.25% pa. The results presented in the study show that there is great potential for power savings, and economic analysis showed the feasibility of the system with return on invested capital. The calculation used for determining the center pivot irrigation system reduces the cost and time to obtain data that make analysis of the potential of saving electricity. / Ultimamente vem percebendo com mais intensidade, a escassez de água e energia elétrica em algumas regiões do país. Esta observação ocorreu justamente no período do ano quando existe a maior necessidade de demanda de água das culturas irrigadas. A necessidade de reconhecer a possibilidade de ocorrência de impactos negativos do uso da irrigação, avaliando-os e desenvolvendo soluções tecnológicas que provoquem melhorias, viabilizando a atividade agrícola irrigada, de forma adequada. Este trabalho teve por objetivo a otimização de um sistema de irrigação pivô central, partindo das características desse sistema e considerando a análise de várias combinações de tubos para a adutora e linha lateral; escolha do conjunto motobomba com maior rendimento; utilização e comparação entre motor padrão e de alto rendimento, após a escolha da melhor opção de diâmetro da adutora e linha lateral, aná lise do sistema utilizando inversor de frequência. A metodologia adotada consistiu na otimização de dois sistemas de irrigação pivô central um existente no local e outro considerando um sistema de irrigação pivô central novo projetado para atender determinada lamina d água. Para os dois sistema de irrigação pivô central foi considerando a análise econômica do diâmetro das tubulações que compõem o sistema de irrigação a pivô central, analisando varias configurações de diâmetros diferentes, rotações do conjunto moto bomba, utilização de motores de alto rendimento e padrão, uso do inversor de freqüência. O resultado com os cálculos realizados foi uma economia de energia elétrica de 25% considerando o uso do diâmetro econômico para os dois sistemas adotados. Para análise com uso inversor de frequência com, resultou em uma economia de 9,23% para o sistema de irrigação pivô central existente, e para o novo sistema de irrigação pivô central resultou em uma economia de 10,6%. A análise do retorno do investimento considerando o uso do sistema com inversor de frequência foi de uma taxa de retorno do investimento de 6,52% a.a, sistema de irrigação pivô central existente e para o sistema de irrigação pivô central novo foi de 9,48% a.a. O projeto tem retorno, mas de longo prazo, ou seja, inviável em curto prazo, considerando a taxa básica de juro com 12,25% a.a. Os resultados apresentados no trabalho mostram que há um grande potencial de economia de energia elétrica, e a análise econômica mostrou a viabilidade do sistema com retorno do capital investido. O cálculo utilizado para a determinação do sistema de irrigação pivô central diminui o custo e o tempo para obtenção de dados que compõem a análise do potencial de economia de energia elétrica.