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Luís Reis Neves Departamento de Engenharia da SEW-EURODRIVE Portugal
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Utilização de conversores de frequência no tratamento de água Oxigenador de águas residuais 1. INTRODUÇÃO Se no passado, o motor e o redutor se confundiam com acionamentos, essa abordagem é atualmente bastante limitada. O acionamento deixou de ser o músculo desprovido de inteligência que agia cegamente às ordens de um controlador de nível superior. Os acionamentos emergiram para um nível superior impulsionados pelas exigências da engenharia moderna. Os componentes anteriormente mencionados são complementados com poderosos, compactos e versáteis conversores de frequência (frequentemente também designados por Variadores Eletrónicos de Velocidade), controladores, monitores de segurança e amigáveis interfaces Homem-Máquina. A polivalência requer uma adaptação constante às necessidades de produção e reação imediata à informação provida por outros atuadores e sensores. Como tal, os acionamentos têm que falar entre si e com outros dispositivos criando uma teia de comunicação e sendo, consequentemente, integrados em redes de bus de campo. Por outros termos, os acionamentos são a combinação harmoniosa da mecânica, eletricidade, eletrónica, informática e automação. Ou, numa palavra: mecatrónica. Os controladores de alto nível (normalmente PLC ou PCi) confiam, cada vez mais, o controlo do movimento e ações de automação aos acionamentos, verificando-se uma migração da inteligência, ou seja, descentralização. Cada vez mais os acionamentos são independentes na geração e monitorização do movimento, analisando sinais periféricos, dialogando entre si e com os operadores de forma direta. Ao tradicional controlador de nível superior é dado o papel de supervisor. Do anterior exposto resulta, de forma incontestável, que os acionamentos assumem um papel fulcral no universo da movimentação. Consequentemente,
a sua especificação tem de ser bastante criteriosa não apenas em termos técnicos, mas também em termos económicos. É da análise das várias alternativas que surge uma solução melhorada. As exigências técnicas e o custo do investimento são apenas algumas das variáveis da complexa equação de que resulta o acionamento ideal. Terá que ser feita uma abordagem considerando o ciclo de vida completo, tendo em conta também a instalação, formação, operação, manutenção (sem descorar a manutebilidade) e encaminhamento do produto no seu final de vida.
2. OS CONVERSORES DE FREQUÊNCIA Os conversores de frequência estão fortemente implantados em ambiente industrial. A sua utilização enobrece o uso dos motores, possibilitando o controlo da velocidade, do binário e da posição. Oferecem outras vantagens técnicas
como, por exemplo, suavização de paragens e arranques, adaptação do acionamento à carga, otimização dos ciclos de funcionamento às necessidades de produção, implementação rápida de elevados níveis de proteção, otimização do fator de potência, poupança de energia, entre outros. Podem ser controlados e monitorizados através de entradas e saídas “físicas” ou via bus de campo. São de fácil utilização e possuem sistemas intuitivos de parametrização, programação e diagnóstico, podendo estes ser executados através de consolas ou, frequentemente, por PC, existindo para o efeito suites de aplicações específicas. 2.1. Constituição e princípio de funcionamento de um conversor de frequência Em todos os conversores de frequência é possível identificar inequivocamente duas secções: a secção de potência e a secção de controlo.
Figura 1. Conversores de Frequência MOVITRAC® LTP-B da SEW-EURODRIVE.
Seletor Físico
Local
Operação Manual Botão Start Setpoint Velocidade via Potenciómetro
Remoto
Controlo PID Botão Start Setpoint PIDvia Potenciómetro
Operação Manual Bit Start Setpoint Velocidade via BUS
Controlo PID Bit Start Setpoint via BUS
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Figura 5. Requisitos de controlo.
vada entre duas medições consecutivas do erro medido. Este ganho origina variações muito bruscas em casos de resposta a degrau. Para além da bombagem, o tratamento de águas residuais envolve ainda a sua oxigenação. O processo de oxigenação deste tipo de líquidos é feito com recurso a um acionamento eletromecânico cujo consumo energético se pode considerar elevado. Assim, a seleção e dimensionamento corretos deste tipo de acionamentos torna-se um aspeto de extrema relevância num projeto de tratamento de águas residuais. Na Secção 3.1 será feita uma descrição do sistema implementado pela SIMRIA na ETAR SUL. 3.1. Oxigenador de águas residuais Na Figura 4 é apresentado um oxigenador de águas residuais. O princípio subjacente a estas máquinas consiste na injeção de oxigénio de forma homogénea,
recorrendo a uma turbina acionada por um motorredutor. Foram especificadas duas localizações de comando distintas (local e remota) e para cada uma destas, dois modos de operação: controlo PI e operação manual. A Figura 5 sintetiza estes requisitos. O componente principal do quadro elétrico (Figura 6) é um conversor de frequência MOVITRAC® LTP-B com IP55, complementado por um microPLC que faz a interface com o sistema de comando central, dialogando em PROFIBUS. O controlo local ou remoto é especificado junto do equipamento através de um seletor físico. O modo de controlo remoto faz uso da rede de bus de campo. No modo manual o conversor fica configurado para trabalhar em controlo de velocidade, sendo que os comandos enviados são a ordem de marcha/paragem e o valor de velocidade, podendo
Figura 6. Quadro elétrico e detalhe do painel de comando local.
este ser definido localmente por potenciómetro ou recebido via bus. No modo automático o conversor é configurado para trabalhar em modo de controlo PID (integrado no conversor de frequência), sendo que os comandos enviados são a ordem de marcha/paragem, e o valor de referência de oxigénio pretendido na água. Deste modo, o nível de oxigénio atual é fornecido através de uma sonda submersa na água, a qual envia um sinal a um transdutor que converte o valor do oxigénio num sinal analógico de 4-20 mA, sendo este usado pelo conversor como feedback do processo (ver Figura 3). O conversor de frequência auto-ajusta a velocidade da turbina fazendo com que o oxigénio na água seja igual ao pretendido.
4. CONCLUSÃO A principal função de um conversor de frequência é ajustar a rotação do acionamento às efetivas necessidades da aplicação, sendo que para isso produz uma tensão e frequência variáveis em função do setpoint previamente especificado. Os conversores de frequência são um excelente veículo para agilizar, flexibilizar e otimizar processos e sistemas. Podem assumir a dianteira e o protagonismo, mas é necessária uma abordagem global para se erguerem as melhores soluções, que se exigem viáveis não só do ponto de vista técnico, mas também económico. A sua aplicação está generalizada a praticamente todo o tecido industrial incluindo, naturalmente, a movimentação e tratamento de água. No presente artigo descreve-se um oxigenador de águas residuais, sendo por demais evidente o desempenho dos conversores de frequência no que concerne à flexibilização na operação e no controlo. A SIMRIA destaca a redução do consumo energético, a estabilidade do teor de oxigénio e a redução do número de arranques e paragens como as principais vantagens do sistema implementado. Mais do que variar a velocidade dos motores, assumem uma lógica de aplicação e de gestão de processos, podendo localmente ser complementados com micro-controladores, frequentemente integrados diretamente nas próprias unidades.