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INTRODUÇÃO
Inversores de freqüência são equipamentos de baixo custo para o controle da
velocidade de motores de indução trifásicos, o que gera uma economia de
energia sem prejudicar a qualidade final do sistema.
Pode-se notar que o sistema de refrigeração utiliza basicamente motores
elétricos e controladores. Nos sistemas convencionais os controladores de
vazão, pressão e temperatura comandam válvulas e/ou dampers de
estrangulamento, desperdiçando a energia elétrica. Nos sistemas atuais, as
válvulas de estrangulamento estão sendo substituídas por Inversores de
frequência, acionando os motores principais. A grande vantagem de utilização
de inversores é que além de gerar economia de energia também reduz o
custo de instalação do sistema. Os inversores variam as velocidades dos
motores de acordo com a maior ou menor necessidade de vazão ou pressão
ou temperatura de cada zona de controle. Ao diminuir a velocidade, os
inversores proporcionam grande economia de energia. Tal efeito não ocorre
com as válvulas tradicionais onde a vazão é reduzida, porém, o motor continua
operando na mesma velocidade - pressionando o fluído sobre a entrada da
válvula, absorvendo a mesma potência.
Outra vantagem que se pode obter utilizando inversores de freqüência é a
possibilidade de redução dos custos de manutenção. Os inversores
possibilitam que os motores sejam acionados suavemente, sem trancos. Com
isso, reduz-se a quebra de elementos de transmissão como correntes e rodas
dentadas, ocorrências freqüentes em virtude do esforço adicional provocado
pelos motores com partida direta.
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CARACTERÍSTICAS
Para entender o funcionamento de um inversor de freqüência, é necessário,
antes de mais nada, saber a função de cada bloco que o constitui. Ele é ligado
na rede, podendo ser monofásica ou trifásica, e em sua saída há uma carga
que necessita de uma frequência diferente da rede. Para tanto, o inversor tem
como primeiro estágio, um circuito retificador, responsável por transformar a
tensão alternada em contínua, após isso a um segundo estágio capaz de
realizar o inverso, ou seja, de CC para CA (conversor), e com a frequência
desejada pela carga.
Figura 1 : Diagrama de Blocos de um inversor de frequência
Figura 2 : Esquema do inversor IGBT
Os inversores de frequência podem ser divididos em três categorias:
Inversores PWM ( Pulse-width Modulated Inverters ) : Nesses inversores, a
tensão de entrada do conversor (CC CA) é mantida constante por um
retificador a diodo, por exemplo, e o inversor controla a magnitude e a
frequência da tensão de saída através de um PWM.
Inversores de onda quadrada : Nesses inversores a tensão CC de entrada
do conversor é controlada de forma a controlar a magnitude da tensão CA de
saída. Desta forma o conversor tem que controlar apenas a frequência da
tensão de saída. A onda de saída tem a forma similar a uma onda quadrada,
daí o seu nome.
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INVERSORES MONOFÁSICOS COM CANCELAMENTO DE voltagem : Em
sistemas monofásicos é possível controlar a magnitude e a frequência da
tensão CA da saída, mesmo sem PWM. Vale notar que essa técnica de
cancelamento de tensão funciona apenas para sistemas monofásicos.
Figura 3 : Onda da Saída (sem filtro)
PRODUTOS COMERCIAIS:
Os Inversores de Freqüência existem tanto em indústrias de processo quanto
em manufaturas, tais como linhas de montagem, automobilísticas, bebidas e
alimentícias, papel e celulose e petroquímicas.
Existem várias empresas que fabricam inversores de freqüências, que
apresentam características e funcionamento semelhantes, mas que podem
variar de acordo com a faixa de atuação, tanto da frequência quanto da
potência.
Alguns exemplos de empresas fabricantes são: Weg, Mitsubishi Electric,
Siemens, Hitachi, Fuji Electric, General Electrics, dentre várias outras.
A Mitsubishi Eletric fabrica inversores de frequência que operam com tensão
de entrada de 200 – 480V e 50/60 Hz, saída de 0,2 – 630 KW e frequência de
saída de 0,2 – 400 Hz.
A Weg também possui uma vasta linha de inversores de frequência, que
operam com tensões de entrada de 200 – 480V, frequência de saída de até
10KHz e uma corrente de sobrecarga de até 150%.
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Quase todos fabricantes fazem seus inversores com um resistor de freio
dinâmico, que dissipa a energia produzida pelo motor quando esse encontra-se
freando. O resistor de freio dinâmico é conectado no bloco DC e pode chegar a
receber tensões de até 800V durante o processo de frenagem.
Uma solução inovadora para eliminar a necessidade de freios a resistor,
utilizada pela Weg, é o Optimal Braking™ , que no entanto não é mostrada
nem explicada pelo fabricante.
Um software proposto pela Yaskawa Electric América com o nome de High-Slip
Braking (HSB) produz uma drástica redução no tempo de parada de cargas
rotativas (motores elétricos) e também elimina a necessidade de resistores
externos para freio. Esse software foi projetado para aplicações que se
beneficiam de paradas rápidas, podendo até ter parada de emergência.
A nova série RC5 também da Yaskawa Electric, combina a capacidade de
frenagem e regeneração de energia a rede em uma única unidade. São
dimensionados para regenerar a energia de frenagem da carga em ciclos
repetitivos, funcionam em conjunto com barramento CC acessível. A energia
regenerada durante a frenagem é direcionada ao barramento CC do inversor e
enviada em forma de corrente contínua a entrada do modulo RC5 o qual
transforma a mesma em corrente alternada trifásica, devolvendo-a a rede com
a mesma fase e freqüência.
O QUE SÃO INVERSORES DE FREQÜÊNCIA?
São dispositivos eletrônicos que convertem a tensão da rede alternada (CA),
em tensão contínua (CC) de amplitude e freqüência constantes, e finalmente
converte esta última, numa tensão de amplitude e freqüência variáveis (CA).
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Conversores de freqüência ou inversores de frequencia são equipamentos
destinados a controlar e variar a velocidade de motores elétricos de indução
trifásicos. São equipamentos microprocessados, totalmente digitalizados,
disponíveis com controle escalar ou controle vetorial e utilizam transistores de
tecnologia IGBT para chaveamento em alta freqüência.
Estes equipamentos controlam totalmente a velocidade do motor de zero até a
freqüência máxima nominal ou superiores. Existem inversores que podem
gerar uma tensão alternada (CA) de até 7200Hz para alimentar motores
especiais. Os drives têm a habilidade de atuar como dispositivos de proteção
para os mais variados problemas de rede elétrica que se pode ocorrer, como a
falta de desequilíbrio das tensões entre fases, falta de fase, sobretensões,
subtensões, sobrecarga, queda de tensão, etc.
Estes equipamentos são usados em motores elétricos de indução substituindo
os rudimentares sistemas de variação de velocidades mecânicos, tais como
polias, variadores eletromagnéticos e variadores hidráulicos, bem como os
custosos motores de corrente contínua pelo conjunto motor assíncrono e
inversor, mais barato, de manutenção mais simples e fácil reposição.
DEFINIÇÕES
Antes de iniciar uma explanação mais ampla sobre a aplicação dos
conversores de freqüência, devem ser tomados conhecimento de algumas
definições sobre as partes integrantes do sistema a ser acionado, que são:
motor: os motores a serem acionados neste trabalho são motores de corrente
alternada (CA) de indução trifásicos, assíncronos, com rotor tipo gaiola de
esquilo, salvo algumas exceções.
acionamento: o conjunto compreendido pelo motor e seu sistema de partida,
mais qualquer aparelho eletrônico envolvido;
carga: o conjunto de componentes da máquina, iniciando pela ponta de eixo do
motor;
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torque: o torque pode ser definido como “a força necessária para se girar um
eixo”. Ele é dado pelo produto da força tangencial pela distância do centro do
eixo até o ponto de aplicação desta força.
APLICAÇÕES
Os inversores de freqüência têm uma vasta aplicação na indústria de máquinas
e processos em geral. Com a capacidade inerente de variar a velocidade ou
controlar o toque de motores elétricos trifásicos CA permitem aos projetistas,
desenvolver máquinas que sem os mesmos, seriam praticamente impossíveis
de serem fabricadas. Alguns exemplos de aplicações para a utilização com
eficiência dos drives são: pontes rolantes, elevadores, escadas rolantes,
ventiladores, bombas, sistemas de ar-condicionado (HVAC), extrusoras,
bobinadoras, guindastes, compressores, cortadeiras, dobradeiras, etc...
BENEFÍCIOS DOS INVERSORES DE FREQÜÊNCIA
Os inversores de freqüência controlam a rotação e a velocidade do motor
elétrico para prover as reais demandas do processo sem perdas, propiciando
uma considerável economia de energia. Além disso, reduz as cargas nas redes
de alimentação e o stress mecânico nas máquinas durante a partida do motor,
principalmente nos acoplamentos e caixas de redução.
Essas funcionalidades também podem ser realizadas com métodos de controle
simples, por exemplo com válvulas ou controle por bypass, controles por
sistemas liga/desliga. Porém esses métodos consomem muita energia, além do
custo total ser maior do que a solução com inversores de freqüência. Além
disso, ainda tem o efeito ambiental, pois aumentam a emissão de CO2 em
plantas de geração de energia. Desta forma os custos totais do investimento
com métodos de controle simples são muito maiores do que com inversores de
freqüência.
Ainda, existem vários outros retornos de investimento na aquisição de drivers.
Por exemplo, a capacidade de otimizar o processo, o qual nos dê melhor
qualidade e melhores índices de produção, é muito difícil de se atingir com os
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métodos de controle simples. Um eventual aumento na capacidade de
produção normalmente requer a reconstrução de todo o sistema.
Aplicação de inversores de freqüência em compressores
Este trabalho propõe a otimização das linhas de ar
comprimido, modulando a operação dos
compressores de ar tipo parafuso com o uso de
inversores de freqüência para acionamento dos
motores de indução trifásicos e utilizando
transdutores de pressão junto com um CLP para a
automação do sistema.
Atualmente, os compressores de parafuso instalados na maioria das indústrias
trabalham em regime intermitente, ou seja, alternando seu funcionamento ora
em carga e ora em alívio. Entretanto, quando em alívio esses compressores
estão apenas consumindo energia elétrica e contribuindo para baixar o fator de
potência das instalações industriais, além de estarem acelerando seu desgaste
mecânico, reduzindo sua vida útil e aumentando os custos de manutenção do
equipamento.
Com a automatização do acionamento dessas máquinas e das linhas de ar
comprimido, haverá uma economia significativa de energia elétrica e dos
custos de manutenção.
Ar comprimido é um insumo, ou forma de energia, de ampla utilização e está
presente nas mais diversas aplicações: Acionamentos e controles industriais;
Processos produtivos; Processos automotivos; Consultórios médicos;
Construção civil; entre outros. As vantagens são evidentes: é fácil de ser
conduzido; não apresenta risco de incêndio; os equipamentos são compactos;
não gera resíduos; etc. Entretanto, seu custo é alto e a maior parte da energia
gasta na compressão do ar é perdida na forma de calor. Estudos
realizados demonstraram que a energia elétrica consumida para a geração de
ar comprimido representa cerca de 70% dos custos de um ciclo de vida do
compressor.
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Portanto, em especial na indústria, o uso do ar comprimido deve ser
estritamente monitorado. A operação e a manutenção dos sistemas devem
procurar sempre a maximização da eficiência. Pensando nisso e considerando
que o consumo de energia elétrica representa grande parcela nos custos de
alguns segmentos industriais (Siderurgia, Alumínio, Bebidas, Vidro, entre
outros), é proposto neste trabalho a otimização das linhas de ar comprimido,
modulando a operação dos compressores de ar tipo parafuso com o uso de
inversores de freqüência para acionamento dos motores de indução trifásicos
(MIT) e utilizando transdutores de pressão junto com um controlador lógico
programável (CLP) para a automação do sistema.
OBJETIVO
A maioria das indústrias têm um perfil de demanda de ar característico, com
flutuações de acordo com a hora do dia ou com o dia da semana.
Compressores com sistemas de regulagem tradicional não conseguem
acompanhar com precisão essas variações de demanda. Como resultado, se
tem o desperdício de energia.
O objetivo aqui é desenvolver um projeto de automatização para linhas de ar
comprimido alimentadas por compressores tipo parafuso, evitando operações
em vazio do referido equipamento e conseqüentemente, economizando energia
elétrica e reduzindo os custos de manutenção fabril. Serão instalados os
conversores de freqüência para acionamento dos compressores de ar
comprimido e modulado o funcionamento através de transdutores de pressão
instalados nas linhas de ar comprimido, como mostra a figura 1 com um perfil
típico de demanda de ar médio durante a semana.
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F1.Perfil típico de demanda de ar na industria.
Compressores de Ar tipo Parafuso
Os compressores são equipamentos que elevam a pressão do ar através de
sistemas mecânicos, em geral, são acionados por motores elétricos ou de
combustão interna. Basicamente os compressores se classificam em dois
grupos distintos: de deslocamento positivo; e os dinâmicos.
COMPRESSORES DE DESLOCAMENTO POSITIVO
Nesse tipo de compressor o aumento de pressão é obtido quando se encerra o
volume de um gás num espaço fechado, onde posteriormente o volume é
reduzido por ação mecânica. Os tipos mais conhecidos são os compressores
alternativos de pistão e os compressores rotativos de parafuso, conforme
ilustram as figuras 2 e 3. A capacidade não é afetada pela pressão de
trabalho, exceto pelas alterações de vazamento interno e na eficiência
volumétrica.
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F2.Compressor de parafuso F3.Ciclo do Compressor
Compressores dinâmicos
Nesse tipo de compressor o aumento da pressão é obtido imprimindo-se
energia cinética ao gás que tem um fluxo contínuo e convertendo-se essa
energia em pressão através de um difusor. Como exemplos desse tipo de
compressores tem-se os ejetores, os centrífugos e os axiais.
CONTROLE DE CAPACIDADE DE COMPRESSORES
A capacidade de um compressor deve ser regulada para se adaptar ao sistema
de demanda real. Usualmente, a pressão de descarga é a variável de controle.
O tipo de controle depende da característica do compressor, do acionador e da
rede de distribuição, e pode ser dividido em contínuo (variação da velocidade,
estrangulamento da admissão) ou descontínuo (liga – desliga).
Neste projeto é utilizado controle contínuo, com variação de velocidade de
acionamento, usando como variável de controle a pressão da rede de
distribuição. O alívio do compressor na partida deve ser providenciado
naqueles casos onde o torque do acionador disponível não é suficiente para
acelerar o compressor sob carga. Existem vários métodos de alívio ao qual
apenas abordaremos para o referido caso citado.
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Variação da velocidade do acionador
A vazão de ar do compressor é diretamente proporcional à velocidade do
acionador, dessa forma, pode-se controlar a vazão de acordo com a demanda
de ar. Esse método pode ser utilizado em compressores acionados por
motores elétricos ou a combustão interna e apresenta uma grande vantagem
que é a economia de energia, além da redução dos custos de manutenção e
prolongamento da vida útil do equipamento.
ANÁLISE ECONÔMICA
Para exemplificar iremos citar um caso qualquer de uma indústria que por meio
de medições realizadas, foi determinado o consumo médio de ar da mesma
ficou , estimado em 58,22 m3/min, por exemplo.
Com o consumo médio medido, chegou-se à conclusão de que a melhor
formatação para economia de energia seria:
Compressor ZR 3 - 16,0 m3/min - (70% em carga)
Compressor ZR 4 - 21,0 m3/min - Modulando (70% - 100%)
Compressor ZR 250 - 22,5 m3/min - Modulando (70% - 100%)
Total de ar gerado - 59,50 m3/min
Para estimar o consumo de energia elétrica nas máquinas maiores, foram
feitos ensaios com um compressor menor (5 CV; 380 V; 60 Hz; 7,97 A; 3450
rpm), com as mesmas características de acionamento e condições de trabalho
dos compressores maiores. A tabela 1 relaciona os parâmetros e seus valores
para o ensaio proposto. O resultado do ensaio está ilustrado na Figura 4.
T1.Dados do ensaio
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F4.Curva Potência x Freqüência
Utilizando o gráfico da figura 4, é visto que trata-se de uma carga de torque
constante e potência linearmente crescente.
Analisando a planilha de dados do ensaio, verifica-se que para uma redução de
30% na freqüência (em 42 Hz) a potência caiu aproximadamente 30%, nesse
caso, generalizando para os compressores maiores, tem-se a tabela 2.
T2.Estimativa de valores para os compressores maiores a partir dos
ensaios realizados
A economia de energia estimada é de 407.045 kWh/ano que representa
valores próximos a R$100.255,00/ano, conforme ilustrado na tabela 2.
Conforme demonstrado, é viável fazer as alterações nos compressores atuais
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contrapondo a aquisição das novas máquinas. O retorno do investimento é de
20 meses e será pago com a economia de energia elétrica obtida na geração
do ar comprimido
CONCLUSÕES
Foi possível observar que a automatização trará ganhos com o uso racional de
energia elétrica para a geração de ar comprimido, fazendo com que os
compressores trabalhem exatamente o necessário de acordo com a demanda
da fábrica.
Com a implementação proposta, ter-se-á uma economia anual de 407.045
kWh, significando uma economia de R$ 100.255/ano, que como demonstrado
anteriormente, viabiliza os investimentos no projeto.
Além dos ganhos financeiros, ter-se-á alguns ganhos com relação ao processo,
pois a variação de pressão na linha será significativamente reduzida, pois não
haverá flutuações entre carga e alívio.