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 componentes de alto rendimento em sistemas de acionamento:
- 10% aumento da utilização de motores de alto rendimento;
- 30% utilização do controlo eletrónico de velocidade;
- 60% 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 a 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 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 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 bombas, ventiladores e compressores. Nestas aplicações, o binário exigido aumenta com o quadrado da velocidade. Sendo o binário e o fluxo magnético proporcionais, o fluxo magnético diminui linearmente na curva de carga a velocidades baixas. Devido a esta redução no fluxo, o binário resultante é apenas o suficiente para acionar a aplicação.
Com esta aproximação, o MA é controlado de acordo com curvas de carga conhecidas que asseguram o controlo otimizado, de acordo com a necessidade da carga.
Figura 1. Curvas de carga para bombas e ventiladores.
Figura 2. Curvas de controlo V/f K2, K3, K4, ligação Y UN = 400 V.
Contudo, na prática, as condições de funcionamento de qualquer aplicação mudam frequentemente, e a curva anteriormente utilizada/parametrizada deixará de corresponder às exigências reais da aplicação. Dependendo do tipo de aplicação, o CF deverá ter capacidade para, dinamicamente, encontrar o ponto ótimo de funcionamento, sem ter a obrigatoriedade de se vincular única e exclusivamente a um perfil de carga. Caso contrário, este tipo de função economizadora de energia deixará de trabalhar no ponto ótimo e poderá levar a problemas em funcionamento ou no arranque da aplicação.
1.2. Uma função de poupança de energia para todas as aplicações
O conceito acima conduz frequentemente a especificações especiais, exigindo inclusivamente a utilização de bombas e ventiladores com requisitos especiais. Contudo, o objetivo não é o de fornecer soluções para aplicações específicas, mas oferecer uma solução generalizada, perfeitamente flexível, sem descurar o tópico da eficiência energética. O desenvolvimento e implementação da solução patenteada “Função Economia de Energia” (FEE) é um exemplo de como uma empresa, neste caso a SEW-EURODRIVE, se preocupa com questões relacionadas com o consumo de energia, nomeadamente no desenvolvimento de produtos energeticamente eficientes de forma a diminuir os custos de ciclo de vida, poupança de energia e proteção do ambiente.
1.3. Utilização eficiente de energia com a Função de Economia de Energia
Faz todo o sentido utilizar a FEE quando a aplicação está sujeita apenas a uma carga parcial e quando o dinamismo na alteração do tipo de carga não é um fator fundamental. Dependendo do ponto de funcionamento, a FEE pode ser usada para reduzir o consumo de energia até 30% comparativamente à operação normal via CF. Esta função é ideal para aplicações onde existam diferentes modos de funcionamento da máquina e consequentemente deslocações sucessivas do ponto ótimo de funcionamento. As aplicações típicas incluem transportadores de objetos isolados ou a granel a funcionarem com carga parcial (como transportadores de minério), escadas rolantes, bombas e ventiladores. O princípio básico deste conceito reside no facto de que para cada relação de V/f há uma carga para a qual a eficiência é maximizada. Este modo de controlo usa a relação V/f para otimizar a magnetização, para que esta fique situada no ponto de funcionamento ótimo, e disponibilize apenas o binário que a aplicação exige, sendo que a otimização da eficiência neste caso, limita a corrente de saída do CF.
1.4. Descrição do Motor Assíncrono
Estudando o modelo de um MA verifica-se que existe uma relação entre a tensão de alimentação (u1) e a corrente da magnetização (id).
Figura 3. Circuito equivalente do MA (monofásico).
A uma frequência constante (f1) há uma proporcionalidade entre a tensão (u1) e a corrente da magnetização (id). Se a corrente da magnetização (id) puder ser mantida durante a gama de controlo básica, o comportamento do acionamento será similar para esta gama de controlo, ao resultante da operação do MA quando alimentado diretamente da rede com frequência de 50 Hertz. A tensão (u1) apenas é dependente da frequência (f1), o que significa que a tensão (u1) na gama de controlo básico altera-se de uma forma praticamente proporcional à frequência (f1).
1.5. Submagnetização
Quando o MA é controlado usando o CF com uma relação constante entre a frequência e a tensão, o MA pode ser operado com binário constante desde a velocidade = 0 até ao seu ponto de funcionamento, o que equivale então ao binário nominal. O diagrama seguinte mostra uma curva típica do controlo.
Figura 4. Curva de controlo do CF.
Se o MA é operado numa fase submagnetizada, isto é, o fluxo magnético no MA é mais baixo do que o seu fluxo nominal, o MA deixa de funcionar na curva de controlo mostrada acima e comprime a curva da velocidade/binário. Durante a submagnetização, a relação entre a tensão e a frequência não é constante, como é geralmente no caso de operação com CF. Em vez disso, a tensão é reduzida com maior severidade relativamente do que em V/f.
Figura 5. Curva M/N durante a magnetização.
Figura 6. Curva M/N durante a submagnetização.
Esta operação torna o acionamento mais suave devido ao processo de submagnetização
a que o MA está sujeito. Significa que a queda de velocidade no MA durante a submagnetização é maior do que a queda de velocidade durante a magnetização quando o mesmo binário de trabalho (Mp) é solicitado no veio. Um aumento da queda de velocidade conduz igualmente a um aumento do deslizamento. Sabendo a curva de M/n para a magnetização pode-se então calcular a corrente de magnetização, ou a tensão e o binário exigido pela aplicação utilizando as seguintes fórmulas.
Fórmula 1
Fórmula 2
MPred: Binário de trabalho com corrente de magnetização reduzida
MPN: Binário de trabalho com corrente de magnetização
u1red: Tensão de alimentação com corrente de magnetização reduzida
u1N: Tensão de alimentação com corrente de magnetização
idred: Corrente de magnetização reduzida
idN: Corrente de magnetização nominal
1.6. Redução das Perdas
Segundo as indicações do diagrama de fluxo de potência abaixo, as perdas dos MA’s podem, de uma forma geral, ser divididas em perdas do estator e do rotor.
PNetz Potência ativa na entrada
PFuC Perdas no CF (constantes)
PFuI Perdas no CF (dependentes da corrente)
P1 Potência de entrada MA
PCu1 Perdas no cobre/estator
PFe Perdas no ferro
PZus Perdas adicionais
Pδ Perdas no entreferro
PCu2 Perdas no cobre/rotor
PR Perdas por atrito
P2 Output shaft power
Figura 7. Diagrama de fluxo de potência de MA + CF.
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
1.7. Método
O método de controlo de uma 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 8. 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
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 deslizamento crescente é controlado usando uma compensação do deslizamento. Desta maneira, a queda da velocidade causada pelo submagnetização é compensada novamente e a velocidade é ajustada mesmo no caso de uma reduzida magnetização. Usar o controlador 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.
Figura 9. Comparação das perdas individuais a 15% da carga e à velocidade nominal.
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.
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.
Figura 10. Potência consumida com alteração de velocidade e 15% da carga nominal.
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 um 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 indicada 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.
Departamento de Engenharia
SEW-EURODRIVE Portugal
