João Pratas1 David Braga2 Departamento de Engenharia, Departamento de Serviços
1
DOSSIER
2
SEW-EURODRIVE PORTUGAL Tel.: +351 231 209 670 · Fax: +351 231 203 685 infosew@sew-eurodrive.pt · www.sew-eurodrive.pt
ECONOMIA DE CUSTOS ATRAVÉS DA UTILIZAÇÃO DE CONVERSORES DE FREQUÊNCIA INTELIGENTES AUMENTO DO PREÇO DA ENERGIA E AUMENTO DA RESPONSABILIDADE COM O AMBIENTE E COM O CLIMA
Conduzidos pelo aumento crescente dos preços da energia e pela pressão política, os industriais estão a focar-se cada vez mais na eficiência energética dos accionamentos. Os fabricantes, por seu lado, estão a responder a estes desenvolvimentos, esforçando-se por melhorar a eficiência global. Os Conversores de Frequência (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 seleccionar a curva de carga mais adequada à aplicação. Se a curva de carga seleccionada for a correcta, estas aplicações podem conseguir economias de energia consideráveis, mantendo as características de controlo adequadas. No entanto, e na prática, a função seleccionada 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 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 accionamentos que movimentam cargas parciais, por exemplo transportadores de objectos 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 activar através do ajuste de um único parâmetro.
INTRODUÇÃO O aumento galopante do preço da energia eléctrica, 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 accionamentos, 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 accionamentos energeticamente eficientes, não só traz vantagens para o clima e meio ambiente, mas também têm uma palavra bastante significativa na factura eléctrica. Os custos de energia constituem, geralmente mais de 90% dos custos do ciclo de vida de um accionamento. Consequentemente, aumentar a eficiência energética tem um impacto directo nos custos do ciclo de vida do accionamento. Existe um potencial de economia identificado, associado à utilização de componentes de alto rendimento, em sistemas de accionamento: — 10% Aumento da utilização de motores de alto rendimento — 30% Utilização de controlo electrónico de velocidade — 60% Optimização dos sistemas mecânicos Muitos países, estão a estimular cada vez mais os consumidores para 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 accionamentos, 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
[48]
robótica
energia na ordem dos 50% a 70% podem ser conseguidas mediante a optimização de processos (como por exemplo ajuste da velocidade) através da utilização de um 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, o qual tem um papel preponderante para melhorar o consumo energético. A optimização do sistema mecânico oferece 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 accionamentos podem oferecer o seu contributo para que cada vez mais se utilizem equipamentos eficientes. Quanto à variação electrónica 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 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,
DOSSIER INDÚSTRIA DO PROCESSO DA ÁGUA
Como as perdas do estator e no rotor são dependentes da corrente e da tensão, estas podem ser minimizadas para cada ponto de carga controlando o MA. Resumindo: (Fórmula 3)
Usar o controlador de velocidade em associação com a função FEE reduz as propriedades dinâmicas do accionamento, 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 factor decisivo. Adicionalmente, esta solução selecciona sempre o ponto de operação ideal em termos de critérios energéticos.
1.7. Método O método de controlo da corrente de magnetização reduzida é explicado neste ponto de um modo simplificado, definindo apenas o seu princípio funcional. O gráfico seguinte mostra a evolução qualitativa do binário e da velocidade em operação nominal e em submagetização. Se um método de controlo não for usado para intervir no processo de submagnetização, o MA não terá capacidade de resposta quando o binário solicitado for superior ao binário máximo suportado pela submagnetização (Mkred).
Figura 12 . Comparação das perdas individuais a 15% da carga e à velocidade nominal.
A Fig. 8 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 do escorregamento, 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 activação da “Função Economia de Energia” a 1750 rpm. Figura 11 . Curva Binário / Velocidade com binário limitado.
Para neutralizar este efeito, deve ser definido um valor limite de binário abaixo do binário máximo. O binário não cai abaixo deste valor quando a corrente da magnetização é reduzida. O valor limite de binário é mostrado pela curva vermelha. Situa-se na transição entre a gama de trabalho e a gama máxima. Como a corrente de saída do CF e o binário exigido no veio do MA são proporcionais, numa primeira aproximação, o binário limite e a corrente do limite podem ser calculadas utilizando a fórmula abaixo.
(Fórmula 4) Figura 13 . Potência consumida com alteração de velocidade e 15% da carga nominal
O binário limite (MGr) é definido para o funcionamento do MA ligado à rede, o que significa que se pode igualmente determinar através desta fórmula a corrente limite (IGrN) e a corrente da magnetização (idN). Esta informação é utilizada para ajustar em conformidade a corrente da magnetização (id). Se se colocar uma forma de controlo apropriada a corrente limite (IGr) e consequentemente, o binário limite (MGr) podem ser ajustados de uma forma dinâmica, para irem ao encontro das exigências da aplicação e impedir assim que o MA falhe. O escorregamento crescente é controlado usando uma compensação do escorregamento. Desta maneira, a queda da velocidade causada pelo submagnetização é compensada novamente e a velocidade é ajustada mesmo em caso de uma reduzida magnetização. robótica [51]