Frenagem Regenerativa: Reaproveitamento de Energia Eltrica

Este artigo tem por objetivo apresentar tcnicas de frenagem de motores utilizadas em inversores de freqncia, e demonstrar que dependendo das caractersticas da carga acionada, a substituio de um sistema de frenagem dissipativa por um sistema regenerativo, torna-se uma opo muito interessante e com retorno relativamente rpido de investimento.Tratando-se de inversores de freqncia no controle de velocidade de motores, aes do tipo: desacelerar, parar e mudar de rotao, requerem antes de tudo um mecanismo de frenagem eficiente.Frenagem, nada mais do que a remoo da energia absorvida pelo motor durante o processo de acelerao. [1]Partindo da rotao zero, o eixo encontra-se obviamente parado e por inrcia tende a ficar assim. Para romper esta barreira e elevar a rotao at um valor desejado, o inversor entrega determinada quantia de energia eltrica, que ento convertida em energia mecnica no eixo do motor. Produzindo assim a rotao desejada.Uma vez acionado, para o motor retornar ao repouso preciso frenar o eixo. No momento da frenagem, parte da energia entregue - que agora se encontra na forma de energia mecnica - ou convertida em calor ou se transforma novamente em eletricidade e devolvida para o inversor.Quando o rotor de um motor a induo gira com velocidade menor que a freqncia aplicada, ele transforma energia eltrica em energia mecnica, A este processo denomina-se motorizao. Quando o rotor gira mais rpido que a velocidade de sincronismo definida pelo inversor - durante uma rampa, o motor passa ento a transformar a energia mecnica absorvida em energia eltrica [2].Em funo deste comportamento - que depende das caractersticas da carga e do tipo de frenagem escolhido - necessitamos de um dispositivo ou tcnica que seja capaz, para quando necessrio, desviar a energia excedente e impedir a sobretenso no barramento CC do inversor. A este procedimento damos o nome de frenagem.Sobre o ato de frenar, duas consideraes importantes precisam ser feitas: Como remover esta energia? E o que fazer com ela?Podemos desvi-la de maneira mecnica ou eltrica, podendo ser diretamente convertida em calor, ou reaproveitada em equipamentos especficos para regenerao de energia.

FORMAS DE DESVIODesvio MecnicoAtravs de um dispositivo mecnico, composto por um atuador e pastilhas de freio, sempre que for necessrio parar o eixo do motor, as pastilhas so acionadas, e toda a energia mecnica do eixo se converte em calor nas pastilhas.Desvio EltricoNeste caso, a energia mecnica contida no motor convertida em energia eltrica, e nesta condio, ou dissipada em forma de calor sobre resistores especiais e tambm no prprio motor, ou regenerada e devolvida para a rede de alimentao C.A.Desta forma se diz que quando o resultado da frenagem convertido em calor, o mtodo empregado do tipo dissipativo; e quando o seu resultado a gerao de energia eltrica, o mtodo do tipo regenerativo. [3]

FATORES A SEREM OBSERVADOS NA ESCOLHA DE UM MTODO DE FRENAGEM.Primeiramente devemos salientar que na escolha de um inversor de freqncia para controle de um motor de induo, e por conseqncia, na escolha do mtodo de frenagem, o foco principal deve ser exclusivamente as exigncias requeridas pela aplicao em que o motor ser utilizado. Ficando, portanto em segundo plano, observar se existe ou no possibilidade de reaproveitar parte da energia entregue ao conjunto inversor/motor/carga.Considerando isto, os principais fatores a serem observados so:a)Quantidade de frenagem necessria em cada ciclo de operao;b)Qualidade do controle da frenagem exigida; e por ltimo,c)Tempo de resposta entre uma ao e outra.Assumindo que a frenagem do tipo mecnica no oferece outra opo seno converter esta energia em calor, vamos nos limitar em estudar somente a respeito da frenagem eltrica.

FRENAGEM ELTRICAFrenagem por injeo de CC (DC injection braking)Atravs da injeo de corrente contnua no estator do motor, um campo magntico fixo criado. Este se ope ao movimento do eixo, que por sua vez tende a diminuir a sua rotao. Este procedimento resulta em calor, que ento dissipado pelo prprio motor.Deve portanto, ser utilizado de maneira intermitente, e com um rigoroso controle do tempo de insero da corrente, afim de no danificar precocemente o motor. Como vantagem, dispena a aquisio de hardware adicional.

Frenagem por Fluxo (Flux Braking)Nesta tcnica a corrente de fluxo elevada quase ao valor da corrente nominal, aumentando assim as perdas no motor. Da mesma maneira que na injeo de CC, a energia do eixo convertida em calor e dissipada pelo prprio motor. De mesmo modo, requer cautela e uso intermitente para no danificar o motor, e sua vantagem tambm reside no fato de no exigir hardware adicional.Frenagem Dissipativa (Dinmica)Assim que o inversor comear a diminuir a velocidade do motor, por inrcia imposta pela carga, o eixo tende a continuar na mesma rotao. Em funo disto, o motor se comporta como um pequeno gerador devolvendo energia eltrica ao inversor.A magnitude desta energia diretamente proporcional derivada da desacelerao do eixo que, por sua vez, est intimamente ligada com a inrcia e energia mecnica (cintica) armazenada pelo conjunto carga/motor.Este processo faz com que a tenso do barramento CC do inversor suba, e possa assumir valores acima do limite de segurana suportado pelo inversor. Em funo disto, o inversor monitora o valor da tenso do barramento CC e sempre que esta ultrapassar os valores pr-definidos, ele gera um comando para um mdulo extra, comumente chamado de Braking Unit. Este tem por funo comutar em paralelo com os capacitores do barramento CC, um resistor especial. Desta forma, toda energia extra por ele desviada, e dissipada por efeito Joule.Esta tcnica muito eficiente, consegue atingir elevados torques de frenagem, e apesar de ser uma soluo simples, sua resposta dinmica muito satisfatria.Em contrapartida, existe o custo adicional para compra e instalao dos dois dispositivos necessrios: o mdulo de comutao (braking unit) e o resistor de dissipao. E alm de toda a energia mecnica ser dissipada em forma de calor - sem nenhum benefcio, a quantidade de frenagem em ciclo contnuo limitada em funo da capacidade de dissipao do resistor.

Frenagem RegenerativaNesta configurao, toda a energia gerada pelo motor no momento da frenagem, tambm desviada para um mdulo extra. Neste, a energia recebida regenerada, sincronizada e devolvida para a rede de alimentao principal.Este sistema de frenagem , sem dvida, o mais caro se comparado somente o custo de aquisio e instalao perante aos demais. Porm, altamente eficiente e alm de ser a melhor soluo para ciclos de frenagem contnua, ele proporciona economia de energia eltrica.Entretanto, seu emprego somente se torna vivel quando instalado em cargas que tenham caractersticas regenerativas considerveis.

CARGAS REGENERATIVASTeoricamente, a grande maioria das cargas acionadas por motores de induo comandados por inversores de freqncia, formam um conjunto com caractersticas regenerativas que, em maior ou menor magnitude, devolvem energia para o inversor no momento da desacelerao.Como a magnitude desta energia devolvida diretamente proporcional energia mecnica (cintica) absorvida pelo conjunto carga/motor, somente cargas com grande potencial de absoro desta energia, so consideradas como cargas regenerativas. E, portanto, aplicaes onde a possibilidade de um sistema de frenagem regenerativa se torna tanto economicamente como tecnicamente vivel.Exemplos de cargas que podem ser regenerativas so:a)Elevadores de grande porte;b)Bomba centrfuga;c)Pontes rolantes;d)Esteiras de transportes;e)Grandes mquinas de usinagem.De modo geral, aplicaes que requerem a elevao, transporte de cargas pesadas, ou processos de relativa inrcia com taxas de frenagem bruscas, so fortes candidatas a serem regenerativas. [4]

FRENAGEM DISSIPATIVA X REGENERATIVAComo exemplo, vamos utilizar uma determinada aplicao onde a potncia mdia manipulada pelo conjunto inversor/motor/carga da ordem de 75kW/h.O processo consiste em elevar cargas extremamente pesadas a certa altura por uma ponte rolante, e reposicion-las em lugares diferentes. Sendo, portanto um exemplo clssico de carga regenerativa.No momento da desacelerao, observou-se que era requerido 80% do torque mximo, durante 20% do ciclo de operao. Neste caso, a soluo tradicional seria utilizar um freio dissipativo e desviar toda a energia devolvida pelo motor no momento da desacelerao em um resistor.Entretanto, face ao grande potencial regenerativo e a considervel potncia manipulada, a substituio do sistema tradicional por um sistema de frenagem regenerativa, pode reaproveitar parte da energia consumida pelo inversor/motor e tornar-se uma proposta interessante.SOLUO POR FRENAGEM DISSIPATIVA (DINMICA)Juntando os dados de placa do motor com a inrcia da carga, relao da caixa redutora, perfil de velocidade, torque, potncia total da aplicao e ciclo de frenagem requerido, calcula-se a inrcia total do sistema.Atravs deste parmetro, chega-se ao valor do pico mximo de potncia devolvida ao inversor no momento da frenagem. Este valor servir de base para determinar o valor hmico do resistor de freio, bem como a capacidade de comutao do mdulo de chaveamento (braking unit).Em seguida, deve-se ajustar no inversor, o parmetro que define o mximo percentual de sobre-passagem do valor nominal da tenso do barramento CC.Feito isso, sempre que a tenso no barramento exceder o limite ajustado - em funo de uma frenagem - um comando gerado, e o mdulo de frenagem comutar o resistor calculado, em paralelo como os capacitores do barramento CC. Com isso toda a energia extra ser dissipada em forma de calor - devido ao efeito Joule-, evitando assim danos ao inversor.

Figura 1- Estrutura de um inversor com frenagem dissipativa.

Custo de instalaoSem considerar os gastos com mo-de-obra, para implementar esta soluo, necessrio a aquisio de dois equipamentos adicionais: O mdulo de chaveamento (braking unit) e o resistor de dissipao.De acordo com atabela 1, o custo total - valores cotados em outubro de 2005, j acrescidos os impostos - de equipamentos adicionais para esta soluo de R$ 12.480,00.DescrioPreo Unitrio

Mdulo de chaveamentoR$ 7.280,00

Resistor de dissipaoR$ 5.200,00

TotalR$ 12.480,00

Tabela 1 Custo de aquisio frenagem dinmica

SOLUO POR FRENAGEM REGENERATIVANa frenagem regenerativa, conforme figura 2, toda a energia devolvida ao inversor pelo motor desviada para um mdulo especial, onde ser condicionada - sincronizada e nos mesmos padres da rede eltrica que ser devolvida. - e devolvida para a rede de alimentao principal.

Figura 2- Ligao genrica de uma unidade regenerativa

Custo de instalaoNeste caso, no so necessrios o mdulo de chaveamento e nem o resistor de dissipao. Em troca deles, utilizamos uma unidade de frenagem regenerativa e um reator, que conforme atabela 2tem um custo total de R$ 29.350,00.DescrioPreo Unitrio

Unidade de frenagem regenerativaR$ 26.500,00

ReatorR$ 2.850,00

TotalR$ 29.350,00

Tabela 2 Custo de aquisio frenagem regenerativaCOMPROVAO DA VIABILIDADEDe acordo com as tabelas 1 e 2, a diferena no valor de investimento entre um sistema de frenagem dissipativa e um regenerativo, de aproximadamente R$ 16.870,00.Conforme a aplicao descrita no item 4.0,No momento da desacelerao, observou-se que era requerido 80% do torque mximo de frenagem, durante 20% do ciclo de operao.Segundo CASTRO, a potncia mdia desperdiada aproximada pode ser calculada da seguinte forma:

Onde:= quilowatt manipulado

= % do torque mximo

= % do ciclo de operao

= quilowatt regenerado

Sendo assim:Assumindo o ciclo de trabalho de 24 horas por dia, 30 dias no ms:

Temos um total mensal de energia eltrica economizada de 8.640 kilowatts.Sem levar em considerao as variaes do custo do kilowatt-hora (kW/h) devido sazonalidade, horrio de ponta, estao seca e mida, o valor mdio (consulta realizada em outubro de 2005 no site www.celesc.com.br) do kW/h fica em torno de R$ 0,12.Se multiplicarmos o total de energia regenerada, calculada na frmula (3), pelo valor unitrio do kW/h, obtemos uma economia mensal de R$ 1.036,80.Ao dividirmos a diferena do investimento, que de R$ 16.780,00, pela economia mensal calculada, chegamos a um ndice de aproximadamente 16; que representa o nmero de meses necessrios para pagar o custo investimento.

CONCLUSESO emprego de frenagens regenerativas ainda algo novo, ficando por vezes fora de cogitao nas indstrias de pequeno porte. Entretanto torna-se, em muitos casos, uma opo altamente vivel.No exemplo deste artigo ficou evidente que o custo de investimento baixo, se comparado economia de energia que o mesmo representa.Sua eficincia est na razo direta de cargas com grande inrcia.Metrs, trens, elevadores, entre muitas outras aplicaes, so exemplos onde o emprego de uma unidade de frenagem regenerativa pode se tornar altamente lucrativo.Deste modo, conclui-se que uma vez identificado uma aplicao desta natureza, o investimento na instalao de uma unidade de frenagem regenerativa no lugar de uma dissipativa, torna-se a mdio longo prazo, uma opo muito interessante.*Originalmente publicado na revista Mecatrnica Atual - Ano 4 - Edio 25 - Dez - 2005/Jan - 2006