robótica
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João Pratas (Departamento de Engenharia da SEW-EURODRIVE PORTUGAL) SEW-EURODRIVE PORTUGAL Tel.: +351 231 209 670 · Fax: +351 231 203 685 infosew@sew-eurodrive.pt · www.sew-eurodrive.pt
Dossier . MÁQUINAS-FERRAMENTA E SEGURANÇA MÁQUINA
Conversores de Frequência inteligentes A economia de custos INTRODUÇÃO O aumento galopante do preço da energia elétrica, preocupações com condições ambientais e questões políticas, estão a obrigar a indústria a repensar a sua estratégia. Conduzido por considerações políticas e, pela identificação dos potenciais componentes causadores do maior consumo energético, a indústria centra cada vez mais a sua atenção na eficiência energética, debruçando-se essencialmente na tecnologia dos acionamentos, a qual, é responsável por cerca de 70% da energia total consumida em ambientes industriais. Os stakeholders das empresas devem ter em mente que, a utilização de acionamentos energeticamente eficientes, não só traz vantagens para o clima e meio ambiente, mas também têm uma palavra bastante significativa na fatura elétrica. Os custos de energia constituem geralmente, mais de 90% dos custos do ciclo de vida de um acionamento. Consequentemente, aumentar a eficiência energética tem um impacto direto nos custos do ciclo de vida do acionamento. Existe um potencial de economia identificado, associado à utilização de compo-
nentes de alto rendimento, em sistemas de acionamento: › 10% de aumento da utilização de motores de alto rendimento; › 30% de utilização de controlo eletrónico de velocidade; › 60% de otimização dos sistemas mecânicos. Muitos países estão a estimular cada vez mais os consumidores a utilizarem produtos energeticamente eficientes, nomeadamente através de legislação que obriga à utilização de motores de elevada eficiência e/ou através da concessão de benefícios fiscais para a implementação de sistemas industriais eficientes. Entretanto, no campo da engenharia de acionamentos, podem ser realizadas economias de energia, para além das conseguidas, única e exclusivamente pela utilização de motores de alto rendimento. Dependendo da aplicação em questão, economias de energia na ordem dos 50% a 70% podem ser conseguidas mediante a otimização de processos (como por exemplo, ajuste da velocidade) através da utilização de um Conversor de Frequência (CF). Bombas e aplicações de controlo de fluxo, que regulam a capacidade através de alhetas e válvulas, são exemplos clássicos das aplicações, cujo consumo de energia pode ser reduzido consideravelmente pelo controlo de velocidade. Para transportadores e aplicações semelhantes, onde o grau de complexidade do controlo é reduzido, a nota dominante passa pelos arranques/paragens, e pela configuração do perfil de carga apropriado para a aplicação, e que tem um papel preponderante para melhorar o consumo energético. A otimização do sistema mecânico oferece um grande potencial de poupança energética. A solução neste caso é executar medidas que ajudem
a reduzir as perdas por atrito. Focando assim as questões ambientais, e a redução dos custos de ciclo de vida, os fabricantes de acionamentos podem oferecer o seu contributo para que cada vez mais se utilizem equipamentos eficientes. Quanto à variação eletrónica de velocidade, podem ser implementadas medidas, para que os CF tenham um papel crucial no sentido de tornar as aplicações mais eficientes, nomeadamente aplicações com requisitos especiais, tais como, bombas, ventiladores, entre outros, onde funções economizadoras de energia poderão contribuir para a obtenção de elevados ganhos para o consumidor.
1. DIFERENTES FILOSOFIAS DE FUNÇÕES ECONOMIZADORAS DE ENERGIA 1.1. Solução especial Muitos fabricantes de CF oferecem funções economizadoras de energia nos seus CF. Há um sem número de maneiras de executar este tipo de função. Uma das filosofias existentes para implementar este tipo de função passa por adaptar a corrente da magnetização do Motor Assíncrono (MA) à aplicação em causa. Aplicações típicas, onde é aconselhável a utilização deste tipo de função, são bom-
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trolador de velocidade em associação com a função FEE reduz as propriedades dinâmicas do acionamento, isto é, será necessário mais tempo para compensar alterações de carga. A maior vantagem desta função, face a outras soluções existentes, é que pode ser utilizada em todo o tipo de aplicação, desde que as propriedades dinâmicas não sejam um fator decisivo para a aplicação. Adicionalmente, esta solução seleciona sempre o ponto de operação ideal em termos de critérios energéticos.
1.8. Potencial de economia As funções de economia de energia acima mencionadas minimizam as perdas, quer no CF quer no MA, reduzindo assim a potência total consumida. O gráfico seguinte fornece uma vista geral da redução das perdas para o CF e o MA. Este exemplo é baseado numa carga a 15% da potência e velocidade nominais.
Perdas individuais
% Total de perdas sem FEE activa
35 30 25 20 15 10 5 0 PFuC
PFuI
PCu1
PFe
Sem FEE
PCu2
PR
Com FEE
Figura 9. Comparação das perdas individuais a 15% da carga e à velocidade nominal.
Potência consumida com alteração de velocidade e 15% da carga nominal 120
Potência em %
100 80 Sem FEE 60
Com FEE
40 20 0 300
500
750
1000 1250 1500 1750 rpm
Figura 10. Potência consumida com alteração de velocidade e 15% da carga nominal.
A Figura 9 mostra uma redução clara nas perdas totais. As perdas do CF e as perdas por atrito não se alteram, reduzindo a magnetização. No entanto, minimiza as perdas dependentes da corrente e, sobretudo, as perdas no ferro. Apenas as
perdas no cobre do rotor aumentam. Isto é causado pelo aumento dos escorregamentos, que aumenta a corrente no rotor, e causa, consequentemente, maiores perdas no rotor. A curva seguinte é válida para um MA de 4 pólos a 15% da carga nominal na gama de velocidade apresentada. O valor de referência é o consumo de potência sem ativação da “Função Economia de Energia” a 1750 rpm.
SUMÁRIO Conduzidos pelo aumento crescente dos preços da energia e pela pressão política, os utilizadores industriais estão a focar-se cada vez mais na eficiência energética dos acionamentos. Os fabricantes, por seu lado, estão a responder a estes desenvolvimentos, esforçando-se por melhorar a eficiência dos conceitos globais da suas tecnologias de acionamento. Os CF podem, assim, ter um papel chave nesta matéria, pois oferecem grande potencial de economia de energia. Os utilizadores são confrontados, frequentemente, com aplicações especiais, ou, funções específicas de bombas e ventiladores, nos quais têm de selecionar a curva de carga mais adequada à aplicação. Se a curva de carga selecionada for a correta, estas aplicações podem conseguir economias de energia consideráveis, mantendo as caraterísticas de controlo adequadas. No entanto e, na prática, a função selecionada raramente combina na perfeição com a exigência específica da aplicação. Este facto tem um impacto negativo no controlo e uso eficiente da energia. Por seu lado, e ao invés de se centrar num campo de aplicações específico, os CF que utilizam a FEE tornam-se extremamente flexíveis e, eficazes em aplicações em que não seja exigido um elevado dinamismo. Este método baseia-se em adaptar o fluxo magnético e o binário às exigências concretas da aplicação. A “Função Economia de Energia” é ideal para acionamentos que movimentam cargas parciais, por exemplo transportadores de objetos isolados ou a granel, escadas rolantes, bombas e ventiladores. Dependendo da carga, o consumo de energia pode ser reduzido até 30%. Para concluir, informa-se que esta função é fácil de ativar através da ativação de um único parâmetro.