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INTRODUÇÃO Inversores de freqüência são equipamentos de baixo custo para o controle da velocidade de motores de indução trifásicos, o que gera uma economia de energia sem prejudicar a qualidade final do sistema. Pode-se notar que o sistema de refrigeração utiliza basicamente motores elétricos e controladores. Nos sistemas convencionais os controladores de vazão, pressão e temperatura comandam válvulas e/ou dampers de estrangulamento, desperdiçando a energia elétrica. Nos sistemas atuais, as válvulas de estrangulamento estão sendo substituídas por Inversores de frequência, acionando os motores principais. A grande vantagem de utilização de inversores é que além de gerar economia de energia também reduz o custo de instalação do sistema. Os inversores variam as velocidades dos motores de acordo com a maior ou menor necessidade de vazão ou pressão ou temperatura de cada zona de controle. Ao diminuir a velocidade, os inversores proporcionam grande economia de energia. Tal efeito não ocorre com as válvulas tradicionais onde a vazão é reduzida, porém, o motor continua operando na mesma velocidade - pressionando o fluído sobre a entrada da válvula, absorvendo a mesma potência. Outra vantagem que se pode obter utilizando inversores de freqüência é a possibilidade de redução dos custos de manutenção. Os inversores possibilitam que os motores sejam

Inversores de Freqüência

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Inversores de Freqüência

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Page 1: Inversores de Freqüência

INTRODUÇÃO

Inversores de freqüência são equipamentos de baixo custo para o controle da

velocidade de motores de indução trifásicos, o que gera uma economia de

energia sem prejudicar a qualidade final do sistema.

Pode-se notar que o sistema de refrigeração utiliza basicamente motores

elétricos e controladores. Nos sistemas convencionais os controladores de

vazão, pressão e temperatura comandam válvulas e/ou dampers de

estrangulamento, desperdiçando a energia elétrica. Nos sistemas atuais, as

válvulas de estrangulamento estão sendo substituídas por Inversores de

frequência, acionando os motores principais. A grande vantagem de utilização

de inversores é que além de gerar economia de energia também reduz o

custo de instalação do sistema. Os inversores variam as velocidades dos

motores de acordo com a maior ou menor necessidade de vazão ou pressão

ou temperatura de cada zona de controle. Ao diminuir a velocidade, os

inversores proporcionam grande economia de energia. Tal efeito não ocorre

com as válvulas tradicionais onde a vazão é reduzida, porém, o motor continua

operando na mesma velocidade - pressionando o fluído sobre a entrada da

válvula, absorvendo a mesma potência.

Outra vantagem que se pode obter utilizando inversores de freqüência é a

possibilidade de redução dos custos de manutenção. Os inversores

possibilitam que os motores sejam acionados suavemente, sem trancos. Com

isso, reduz-se a quebra de elementos de transmissão como correntes e rodas

dentadas, ocorrências freqüentes em virtude do esforço adicional provocado

pelos motores com partida direta. 

 

Page 2: Inversores de Freqüência

CARACTERÍSTICAS

Para entender o funcionamento de um inversor de freqüência, é necessário,

antes de mais nada, saber a função de cada bloco que o constitui. Ele é ligado

na rede, podendo ser monofásica ou trifásica, e  em sua saída há uma carga

que necessita de uma frequência diferente da rede. Para tanto, o inversor tem

como primeiro estágio, um circuito retificador, responsável por transformar a

tensão alternada em contínua, após isso a um segundo estágio capaz de

realizar o inverso, ou seja, de CC para CA (conversor), e com a frequência

desejada pela carga.  

Figura 1 : Diagrama de Blocos de um inversor de frequência       

 

Figura 2 : Esquema do inversor IGBT 

 

Os inversores de frequência podem ser divididos em três categorias: 

Inversores PWM ( Pulse-width Modulated Inverters ) : Nesses inversores, a

tensão de entrada do conversor (CC CA) é mantida constante por um

retificador a diodo, por exemplo, e o inversor controla a magnitude e a

frequência da tensão de saída através de um PWM.

Inversores de onda quadrada : Nesses inversores a tensão CC de entrada

do conversor é controlada de forma a controlar a magnitude  da tensão CA de

saída. Desta forma o conversor tem que controlar apenas a frequência da

tensão de saída. A onda de saída tem a forma similar a uma onda quadrada,

daí o seu nome.

Page 3: Inversores de Freqüência

INVERSORES MONOFÁSICOS COM CANCELAMENTO DE voltagem :  Em

sistemas monofásicos é possível controlar a magnitude e a frequência da

tensão CA da saída, mesmo sem PWM. Vale notar que essa técnica de

cancelamento de tensão funciona apenas para sistemas monofásicos. 

 

 

Figura 3 : Onda da Saída (sem filtro) 

 

PRODUTOS COMERCIAIS:

 

Os Inversores de Freqüência existem tanto em indústrias de processo quanto

em manufaturas, tais como linhas de montagem, automobilísticas, bebidas e

alimentícias, papel e celulose e petroquímicas.

Existem várias empresas que fabricam inversores de freqüências, que

apresentam características e funcionamento semelhantes, mas que podem

variar de acordo com a faixa de atuação, tanto da frequência quanto da

potência.

Alguns exemplos de empresas fabricantes são: Weg, Mitsubishi Electric,

Siemens, Hitachi, Fuji Electric, General Electrics, dentre várias outras.

A Mitsubishi Eletric fabrica inversores de frequência que operam com tensão

de entrada de 200 – 480V e 50/60 Hz, saída de 0,2 – 630 KW e  frequência de

saída de  0,2 – 400 Hz.

A Weg também possui uma vasta linha de inversores de frequência, que

operam com tensões de entrada de 200 – 480V, frequência de saída de até

10KHz e uma corrente de sobrecarga de até 150%.

Page 4: Inversores de Freqüência

Quase todos fabricantes fazem seus inversores com um resistor de freio

dinâmico, que dissipa a energia produzida pelo motor quando esse encontra-se

freando. O resistor de freio dinâmico é conectado no bloco DC e pode chegar a

receber tensões de até 800V durante o processo de frenagem.

Uma solução inovadora para eliminar a necessidade de freios a resistor,

utilizada pela Weg, é o Optimal Braking™ , que no entanto não é mostrada

nem explicada pelo fabricante.

Um software proposto pela Yaskawa Electric América com o nome de High-Slip

Braking (HSB) produz uma drástica redução no tempo de parada de cargas

rotativas (motores elétricos) e também elimina a necessidade de resistores

externos para freio. Esse software foi projetado para aplicações que se

beneficiam de paradas rápidas, podendo até ter parada de emergência. 

A nova série RC5 também da Yaskawa Electric, combina a capacidade de

frenagem e regeneração de energia a rede em uma única unidade. São

dimensionados para regenerar a energia de frenagem da carga em ciclos

repetitivos, funcionam em conjunto com barramento CC acessível. A energia

regenerada durante a frenagem é direcionada ao barramento CC do inversor e

enviada em forma de corrente contínua a entrada do modulo RC5 o qual

transforma a mesma em corrente alternada trifásica, devolvendo-a a rede com

a mesma fase e freqüência. 

O QUE SÃO INVERSORES DE FREQÜÊNCIA?

São dispositivos eletrônicos que convertem a tensão da rede alternada (CA),

em tensão contínua (CC) de amplitude e freqüência constantes, e finalmente

converte esta última, numa tensão de amplitude e freqüência variáveis (CA).

Page 5: Inversores de Freqüência

Conversores de freqüência ou inversores de frequencia são equipamentos

destinados a controlar e variar a velocidade de motores elétricos de indução

trifásicos. São equipamentos microprocessados, totalmente digitalizados,

disponíveis com controle escalar ou controle vetorial e utilizam transistores de

tecnologia IGBT para chaveamento em alta freqüência.

Estes equipamentos controlam totalmente a velocidade do motor de zero até a

freqüência máxima nominal ou superiores. Existem inversores que podem

gerar uma tensão alternada (CA) de até 7200Hz para alimentar motores

especiais. Os drives têm a habilidade de atuar como dispositivos de proteção

para os mais variados problemas de rede elétrica que se pode ocorrer, como a

falta de desequilíbrio das tensões entre fases, falta de fase, sobretensões,

subtensões, sobrecarga, queda de tensão, etc.

Estes equipamentos são usados em motores elétricos de indução substituindo

os rudimentares sistemas de variação de velocidades mecânicos, tais como

polias, variadores eletromagnéticos e variadores hidráulicos, bem como os

custosos motores de corrente contínua pelo conjunto motor assíncrono e

inversor, mais barato, de manutenção mais simples e fácil reposição.

DEFINIÇÕES

Antes de iniciar uma explanação mais ampla sobre a aplicação dos

conversores de freqüência, devem ser tomados conhecimento de algumas

definições sobre as partes integrantes do sistema a ser acionado, que são:

motor: os motores a serem acionados neste trabalho são motores de corrente

alternada (CA) de indução trifásicos, assíncronos, com rotor tipo gaiola de

esquilo, salvo algumas exceções.

acionamento: o conjunto compreendido pelo motor e seu sistema de partida,

mais qualquer aparelho eletrônico envolvido;

carga: o conjunto de componentes da máquina, iniciando pela ponta de eixo do

motor;

Page 6: Inversores de Freqüência

torque: o torque pode ser definido como “a força necessária para se girar um

eixo”. Ele é dado pelo produto da força tangencial pela distância do centro do

eixo até o ponto de aplicação desta força.

APLICAÇÕES

Os inversores de freqüência têm uma vasta aplicação na indústria de máquinas

e processos em geral. Com a capacidade inerente de variar a velocidade ou

controlar o toque de motores elétricos trifásicos CA permitem aos projetistas,

desenvolver máquinas que sem os mesmos, seriam praticamente impossíveis

de serem fabricadas. Alguns exemplos de aplicações para a utilização com

eficiência dos drives são: pontes rolantes, elevadores, escadas rolantes,

ventiladores, bombas, sistemas de ar-condicionado (HVAC), extrusoras,

bobinadoras, guindastes, compressores, cortadeiras, dobradeiras, etc...

BENEFÍCIOS DOS INVERSORES DE FREQÜÊNCIA

Os inversores de freqüência controlam a rotação e a velocidade do motor

elétrico para prover as reais demandas do processo sem perdas, propiciando

uma considerável economia de energia. Além disso, reduz as cargas nas redes

de alimentação e o stress mecânico nas máquinas durante a partida do motor,

principalmente nos acoplamentos e caixas de redução.

Essas funcionalidades também podem ser realizadas com métodos de controle

simples, por exemplo com válvulas ou controle por bypass, controles por

sistemas liga/desliga. Porém esses métodos consomem muita energia, além do

custo total ser maior do que a solução com inversores de freqüência. Além

disso, ainda tem o efeito ambiental, pois aumentam a emissão de CO2 em

plantas de geração de energia. Desta forma os custos totais do investimento

com métodos de controle simples são muito maiores do que com inversores de

freqüência.

Ainda, existem vários outros retornos de investimento na aquisição de drivers.

Por exemplo, a capacidade de otimizar o processo, o qual nos dê melhor

qualidade e melhores índices de produção, é muito difícil de se atingir com os

Page 7: Inversores de Freqüência

métodos de controle simples. Um eventual aumento na capacidade de

produção normalmente requer a reconstrução de todo o sistema.

Aplicação de inversores de freqüência em compressores

Este trabalho propõe a otimização das linhas de ar

comprimido, modulando a operação dos

compressores de ar tipo parafuso com o uso de

inversores de freqüência para acionamento dos

motores de indução trifásicos e utilizando

transdutores de pressão junto com um CLP para a

automação do sistema.

Atualmente, os compressores de parafuso instalados na maioria das indústrias

trabalham em regime intermitente, ou seja, alternando seu funcionamento ora

em carga e ora em alívio. Entretanto, quando em alívio esses compressores

estão apenas consumindo energia elétrica e contribuindo para baixar o fator de

potência das instalações industriais, além de estarem acelerando seu desgaste

mecânico, reduzindo sua vida útil e aumentando os custos de manutenção do

equipamento.

Com a automatização do acionamento dessas máquinas e das linhas de ar

comprimido, haverá uma economia significativa de energia elétrica e dos

custos de manutenção.

Ar comprimido é um insumo, ou forma de energia, de ampla utilização e está

presente nas mais diversas aplicações: Acionamentos e controles industriais;

Processos produtivos; Processos automotivos; Consultórios médicos;

Construção civil; entre outros. As vantagens são evidentes: é fácil de ser

conduzido; não apresenta risco de incêndio; os equipamentos são compactos;

não gera resíduos; etc. Entretanto, seu custo é alto e a maior parte da energia

gasta na compressão do ar é perdida na forma de calor. Estudos

realizados demonstraram que a energia elétrica consumida para a geração de

ar comprimido representa cerca de 70% dos custos de um ciclo de vida do

compressor.

Page 8: Inversores de Freqüência

Portanto, em especial na indústria, o uso do ar comprimido deve ser

estritamente monitorado. A operação e a manutenção dos sistemas devem

procurar sempre a maximização da eficiência. Pensando nisso e considerando

que o consumo de energia elétrica representa grande parcela nos custos de

alguns segmentos industriais (Siderurgia, Alumínio, Bebidas, Vidro, entre

outros), é proposto neste trabalho a otimização das linhas de ar comprimido,

modulando a operação dos compressores de ar tipo parafuso com o uso de

inversores de freqüência para acionamento dos motores de indução trifásicos

(MIT) e utilizando transdutores de pressão junto com um controlador lógico

programável (CLP) para a automação do sistema.

OBJETIVO

A maioria das indústrias têm um perfil de demanda de ar característico, com

flutuações de acordo com a hora do dia ou com o dia da semana.

Compressores com sistemas de regulagem tradicional não conseguem

acompanhar com precisão essas variações de demanda. Como resultado, se

tem o desperdício de energia.

O objetivo aqui é desenvolver um projeto de automatização para linhas de ar

comprimido alimentadas por compressores tipo parafuso, evitando operações

em vazio do referido equipamento e conseqüentemente, economizando energia

elétrica e reduzindo os custos de manutenção fabril. Serão instalados os

conversores de freqüência para acionamento dos compressores de ar

comprimido e modulado o funcionamento através de transdutores de pressão

instalados nas linhas de ar comprimido, como mostra a figura 1 com um perfil

típico de demanda de ar médio durante a semana.

Page 9: Inversores de Freqüência

F1.Perfil típico de demanda de ar na industria.

Compressores de Ar tipo Parafuso

Os compressores são equipamentos que elevam a pressão do ar através de

sistemas mecânicos, em geral, são acionados por motores elétricos ou de

combustão interna. Basicamente os compressores se classificam em dois

grupos distintos: de deslocamento positivo; e os dinâmicos.

COMPRESSORES DE DESLOCAMENTO POSITIVO

Nesse tipo de compressor o aumento de pressão é obtido quando se encerra o

volume de um gás num espaço fechado, onde posteriormente o volume é

reduzido por ação mecânica. Os tipos mais conhecidos são os compressores

alternativos de pistão e os compressores rotativos de parafuso, conforme

ilustram as figuras 2 e 3. A capacidade não é afetada pela pressão de

trabalho, exceto pelas alterações de vazamento interno e na eficiência

volumétrica.

Page 10: Inversores de Freqüência

F2.Compressor de parafuso            F3.Ciclo do Compressor 

Compressores dinâmicos

Nesse tipo de compressor o aumento da pressão é obtido imprimindo-se

energia cinética ao gás que tem um fluxo contínuo e convertendo-se essa

energia em pressão através de um difusor. Como exemplos desse tipo de

compressores tem-se os ejetores, os centrífugos e os axiais.

CONTROLE DE CAPACIDADE DE COMPRESSORES

A capacidade de um compressor deve ser regulada para se adaptar ao sistema

de demanda real. Usualmente, a pressão de descarga é a variável de controle.

O tipo de controle depende da característica do compressor, do acionador e da

rede de distribuição, e pode ser dividido em contínuo (variação da velocidade,

estrangulamento da admissão) ou descontínuo (liga – desliga).

Neste projeto é utilizado controle contínuo, com variação de velocidade de

acionamento, usando como variável de controle a pressão da rede de

distribuição. O alívio do compressor na partida deve ser providenciado

naqueles casos onde o torque do acionador disponível não é suficiente para

acelerar o compressor sob carga. Existem vários métodos de alívio ao qual

apenas abordaremos para o referido caso citado.

Page 11: Inversores de Freqüência

Variação da velocidade do acionador

A vazão de ar do compressor é diretamente proporcional à velocidade do

acionador, dessa forma, pode-se controlar a vazão de acordo com a demanda

de ar. Esse método pode ser utilizado em compressores acionados por

motores elétricos ou a combustão interna e apresenta uma grande vantagem

que é a economia de energia, além da redução dos custos de manutenção e

prolongamento da vida útil do equipamento.

ANÁLISE ECONÔMICA

Para exemplificar iremos citar um caso qualquer de uma indústria que por meio

de medições realizadas, foi determinado o consumo médio de ar da mesma

ficou , estimado em 58,22 m3/min, por exemplo.

Com o consumo médio medido, chegou-se à conclusão de que a melhor

formatação para economia de energia seria:

Compressor ZR 3 - 16,0 m3/min - (70% em carga)

Compressor ZR 4 - 21,0 m3/min - Modulando (70% - 100%)

Compressor ZR 250 - 22,5 m3/min - Modulando (70% - 100%)

Total de ar gerado - 59,50 m3/min

Para estimar o consumo de energia elétrica nas máquinas maiores, foram

feitos ensaios com um compressor menor (5 CV; 380 V; 60 Hz; 7,97 A; 3450

rpm), com as mesmas características de acionamento e condições de trabalho

dos compressores maiores. A tabela 1 relaciona os parâmetros e seus valores

para o ensaio proposto. O resultado do ensaio está ilustrado na Figura 4.

T1.Dados do ensaio

Page 12: Inversores de Freqüência

F4.Curva Potência x Freqüência

Utilizando o gráfico da figura 4, é visto que trata-se de uma carga de torque

constante e potência linearmente crescente.

Analisando a planilha de dados do ensaio, verifica-se que para uma redução de

30% na freqüência (em 42 Hz) a potência caiu aproximadamente 30%, nesse

caso, generalizando para os compressores maiores, tem-se a tabela 2.

T2.Estimativa de valores para os compressores maiores a partir dos

ensaios realizados

A economia de energia estimada é de 407.045 kWh/ano que representa

valores próximos a R$100.255,00/ano, conforme ilustrado na tabela 2.

Conforme demonstrado, é viável fazer as alterações nos compressores atuais

Page 13: Inversores de Freqüência

contrapondo a aquisição das novas máquinas. O retorno do investimento é de

20 meses e será pago com a economia de energia elétrica obtida na geração

do ar comprimido

CONCLUSÕES

Foi possível observar que a automatização trará ganhos com o uso racional de

energia elétrica para a geração de ar comprimido, fazendo com que os

compressores trabalhem exatamente o necessário de acordo com a demanda

da fábrica.

Com a implementação proposta, ter-se-á uma economia anual de 407.045

kWh, significando uma economia de R$ 100.255/ano, que como demonstrado

anteriormente, viabiliza os investimentos no projeto.

Além dos ganhos financeiros, ter-se-á alguns ganhos com relação ao processo,

pois a variação de pressão na linha será significativamente reduzida, pois não

haverá flutuações entre carga e alívio.