UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPRITO SANTO CENTRO TECNOLGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA PROJETO DE GRADUAO

CONTROLE DE UM MOTOR DE INDUO TRIFSICO ATRAVS DE UM INVERSOR ESTTICO DE FREQUNCIA

RGER PUZIOL AMARAL

VITRIA ES 02/2009 RGER PUZIOL AMARAL

PROJETO DE GRADUAO

Parte manuscrita do Projeto de Graduao do aluno Rger Puziol Amaral, apresentado ao Departamento de Engenharia Eltrica do Centro Tecnolgico da Universidade Federal do Esprito Santo, para obteno do grau de Engenheiro Eletricista.

VITRIA ES 02/2009 RGER PUZIOL AMARAL

PROJETO DE GRADUAO

COMISSO EXAMINADORA:

___________________________________ Prof. Dr. Jos Denti Filho Orientador

___________________________________ MsC. Jair Adriano Lima Silva Examinador

___________________________________ Msc. Rogrio Oliveira de Aguiar Examinador

Vitria - ES, 2 de fevereiro de 2009

DEDICATRIA

Aos meus pais e irmos, que me apoiaram e incentivaram a execuo desse projeto em todas as suas etapas.

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AGRADECIMENTOS Agradeo imensamente a empresa AR VIX COMRCIO E SERVIOS LTDA pelo apoio financeiro e profissional fornecido elaborao desse projeto. Ao meu amigo Jair, pelas dicas e informaes de grande valia na formulao dos textos. Ao meu professor e orientador Jos Denti Filho, pelos ensinamentos, dedicao e pacincia fornecidos para a implementao de todo o sistema.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Sistema condicionador de ar, do tipo expanso indireta, condensao ar.16 Figura 2 Esquemtico simplificado da estrutura do Fancoil a ser analisado. ...........17 Figura 3 Configurao do processo a ser controlado. ..............................................18 Figura 4 Representao grfica da Primeira Lei dos Ventiladores. .........................22 Figura 5 Caracterstica Tenso x Freqncia............................................................25 Figura 6 Caracterstica Torque x Freqncia............................................................26 Figura 7 Caracterstica Potncia x Freqncia. ........................................................26 Figura 8 Esquema de um inversor de freqncia trifsico. ......................................27 Figura 9 Esquema de um inversor (monofsico) de freqncia. ..............................28 Figura 10 (a) Sentido da corrente de A para B. (b) Sentido da corrente de B para A...................................................................................................................................28 Figura 11 Formas de onda da tenso. .......................................................................30 Figura 12 Formao de uma onda PWM. (a) Em tenso de sada mxima. (b) Em tenso de sida reduzida. (c) Em metade da tenso e metade da freqncia............31 Figura 13 Justificativa sobre o uso de onda triangular na gerao PWM. ...............31 Figura 14 Diagrama de blocos de um inversor de freqncia. .................................33 Figura 15 - Esquemtico de incluso de um banco de reatncia entre inversor e motor. ...........................................................................................................................38 Figura 16 Caminho da corrente parasita circulante. .................................................39 Figura 17 Consequncia do desequilbrio da malha de terra no circuito de controle.40 Figura 18 a) Esquemtico de uma montagem de um toride. b) Efeito na corrente parasita. ........................................................................................................................40 Figura 19 Curto circuito instantneo durante o chaveamento de um diodo para outro. ............................................................................................................................41 Figura 20 Esquemtico de instalao de reatncia de rede na entrada do circuito de alimentao do inversor de frequncia. .......................................................................42 Figura 21 Controle PID atuando simultaneamente...................................................48 Figura 22 Exemplo da passos programados para a funo jog.................................49 iii

Figura 23 Exemplo do cabo de potncia utiizado para alimentao do motor de induo e inversor de frequncia ACS35***. .............................................................53 Figura 24 Exemplo do cabo de controle utilizado para ligao dispositivos de sinais analgicos e e inversor de frequncia ACS35***. ............................................54 Figura 25 Exemplo de disjuntores utilizados para proteo eltrica do sistema. a) Circuito de comando. b) Circuito de potncia. ..................................................56 Figura 26 Exemplo de contatora auxiliar utilizada para automao do sistema. .....57 Figura 27 Exemplo de contatora de potncia utilizada para energizao do sistema.57 Figura 28 Exemplo de rel de proteo trmica utilizado no projeto. ......................58 Figura 29 Transdutor de presso ACI/LP Series. a) Vista lateral esquerda. b) Vista inferior.c) Vista superior. .............................................................................................59 Figura 30 Estrutura do inversor de frequncia ACS350***.....................................60 Figura 31 Diagrama geral das ligaes do inversor ACS350***. ............................61 Figura 32 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle Standard ABB. .............................................................................................................62 Figura 33 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle 3 Fios...............................................................................................................................63 Figura 34 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle Alternar. .......................................................................................................................64 Figura 35 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle Pot Motor. ..........................................................................................................................65 Figura 36 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle Manual / Automtico. ..................................................................................................66 Figura 37 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle PID.67 Figura 38 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle Binrio. ........................................................................................................................68 Figura 39 Console de programao bsico. ..............................................................69 Figura 40 Esquemtico do adaptador fieldbus do inversor de freqncia ACS350***. .................................................................................................................73

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Figura 41 Terminais de potncia de entrada e sada do inversor de freqncia ACS350***. .................................................................................................................76 Figura 42 Terminais para entrada e sada dos sinais de comando. ...........................77 Figura 43 Configurao de S1 para valores diferentes entre as entradas analgicas.77 Figura 44 Esquema de interligao de potncia e comando utilizada. .....................78 Figura 45 Instalao fsica real de potncia e comando utilizada no projeto. ...........80 Figura 46 Exemplo da divergncia entre pulsos de tenso entre condutores adjacentes devido ao rise time. a) Terminal do motor. b) Puso de tenso na primeira espira. c) Pulso de tenso atrasado nas espiras subjacentes. d) Tenso entre condutores adjacentes. .................................................................................................85 Figura 47 Divergncias nas definies de rise time: a) NEMA. b) IEC. .................86 Figura 48 Referncias normativas IEC 60034. .........................................................87 Figura 49 Decibilmetro utilizado para medio do nvel de rudo na casa de mquinas do equipamento. ..........................................................................................90 Figura 50 Caracterstica Tenso x Frequncia fornecidas ao motor pelo inversor de frequncia.....................................................................................................................93 Figura 51 Comparao entre o custo energtico mensal para funcionamento do motor com inversor de frequncia e partida direta. .....................................................97

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LISTA DE TABELA

Tabela 1- Distribuio de tenses nas trs fases do motor. .........................................30 Tabela 2 Combinaes para execues de diferentes velocidades pr-definidas pelos inversores de frequncia. ....................................................................................49 Tabela 3 Parmetros e valores utilizados para a configurao do inversor de freqncia ACS350***. ...............................................................................................82 Tabela 4 Parmetros e valores utilizados para a configurao do inversor de freqncia ACS350*** - Continuao. .......................................................................83 Tabela 5 Referncias normativas NEMA MG1 Partes 30 e 31. ............................87 Tabela 6 Regras sugeridas para a utilizao de filtros entre motor e inversor de freqncia.....................................................................................................................88 Tabela 7 Parmetros eltricos medidos em uma variao da rotao do inversor de freqncia.....................................................................................................................91 Tabela 8 Parmetros eltricos medidos em uma variao da rotao do inversor de freqncia. Continuao. .............................................................................................92 Tabela 9 Potncias e demandas obtidas para acionamento direto e com inversor de frequncia.....................................................................................................................95 Tabela 10 Custo dirio e mensal para acionamento do motor de induo trifsico, acionamentos direto e com inversor de frequncia. ....................................................96 Tabela 11 Relao dos dispositivos utilizados para a execuo do projeto, incluindo o custo total para implantao do sistema. ..................................................97

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SIMBOLOGIA Q1: Vazo na condio operacional 1 N1: Rotao na condio operacional 1 H1: Altura de elevao na condio operacional 1 P1: Potncia requerida na condio operacional 1 1: Peso especfico do fluido na condio operacional 1 Q2: Vazo na condio operacional 2 N2: Rotao na condio operacional 2 H2: Altura de elevao na condio operacional 2 P2: Potncia requerida na condio operacional 2 2: Peso especfico do fluido na condio operacional 2 ptotal1: Presso total do fluido na condio operacional 1 ptotal2: Presso total do fluido na condio operacional 2 n: Velocidade de rotao mecnica f1: Freqncia fundamental da tenso de alimentao eltrica p: Nmero de plos s: Escorregamento T: Torque ou conjugado disponvel na ponta do eixo K1: Constante depende do material e do projeto da mquina m: Fluxo de magnetizao I2: Corrente rotrica K2: Constante depende do material e do projeto da mquina nominal nominal nominal nominal V1: Tenso rotrica fb: Freqncia base Vb: Tenso base Tb: Torque base Pb: Potncia base

P: Potncia til do motor R: Resistncia equivalente total do cabo

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: Resistividade do material utilizado L: Comprimento total do cabo S: rea da seo transversal do cabo PMX: Potncia do resistor r VCC: Tenso do circuito intermedirio r: Valor do resistor P3: Potncia trifsica instantnea consumida pelo motor VL: Tenso de linha eficaz fornecida ao motor IL: Corrente de linha eficaz consumida pelo motor THP: Total de horas do ms em horrio de ponta hp: Horas de funcionamento dirio em horrio de ponta D: Dias teis do ms THFP: Total de horas do ms fora do horrio de ponta hfp: Horas de funcionamento dirio fora do horrio de ponta M: Dias do ms CT: Custo total aplicado na implantao do projeto rc: Reduo no custo energtico mensal RT: Retorno do investimento inicial

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SUMRIO

DEDICATRIA........................................................................................................... I AGRADECIMENTOS ...............................................................................................II LISTA DE FIGURAS ............................................................................................... III LISTA DE TABELA ................................................................................................ VI SIMBOLOGIA .........................................................................................................VII SUMRIO ................................................................................................................. IX RESUMO ................................................................................................................ XIII 1 EFICINCIA ENERGTICA ......................................................................14 1.1 Introduo .........................................................................................................14 1.2 Concluses ........................................................................................................15 2 APLICAO DO SISTEMA ........................................................................16 2.1 Introduo .........................................................................................................16 2.2 Descrio do sistema condicionador de ar ........................................................16 2.3 Concluses ........................................................................................................18 3 ANLISE MECNICA DO SISTEMA .......................................................19 3.1 Introduo .........................................................................................................19 3.2 Lei dos Ventiladores .........................................................................................19 Percebe-se ento uma relao direta entre presso e vazo nos ventiladores, o que facilita na anlise do ponto de operao timo para o sistema. ..............................22 3.3 Concluses ........................................................................................................22 4 INVERSORES DE FREQUNCIA .............................................................23 4.1 Introduo .........................................................................................................23 4.2 Caractersticas gerais ........................................................................................23 4.3 Variao da velocidade em motores de induo trifsicos ...............................23 4.4 Circuito interno .................................................................................................27 4.5 Diagrama de blocos...........................................................................................32 4.6 Modos de controle.............................................................................................34 4.6.1 Controle escalar .......................................................................................34 ix

4.6.2 Controle vetorial ......................................................................................34 4.7 Vantagens na utilizao de um inversor de freqncia.....................................35 4.8 Cuidados na utilizao de um inversor de freqncia ......................................36 4.8.1 Corrente de fuga nos cabos .....................................................................37 4.8.2 Interferncia eletromagntica EMC .....................................................39 4.8.3 Harmnicos: anlise do impacto do inversor de freqncia na instalao eltrica ..............................................................................................................41 4.9 Parmetros: entendendo o sistema e a utilizao ..............................................43 4.9.1 Ajuste de parmetros ...............................................................................44 4.9.2 Parmetros avanados .............................................................................47 4.10 Concluso ........................................................................................................51 5 DISPOSITIVOS UTILIZADOS ...................................................................52 5.1 Introduo .........................................................................................................52 5.2 Motor de induo trifsico ................................................................................52 5.3 Cabos de potncia .............................................................................................52 5.4 Cabos de comando ............................................................................................54 5.5 Disjuntores ........................................................................................................55 5.6 Contatores .........................................................................................................56 5.6.1 Contatora de comando .............................................................................57 5.6.2 Contatora de potncia ..............................................................................57 5.7 Rels de sobrecarga...........................................................................................58 5.8 Transdutor de presso .......................................................................................59 5.9 Inversor de freqncia ACS350*** ..................................................................60 5.9.1 Modos de aplicao do inversor de freqncia ACS350*** ..................61 5.9.1.1 Standard BB ...............................................................................62 5.9.1.2 Trs Fios .....................................................................................62 5.9.1.3 Alternar.......................................................................................63 5.9.1.4 Pot Motor....................................................................................64 5.9.1.5 Manual / Auto.............................................................................65 5.9.1.6 Controle PID ..............................................................................66 x

5.9.1.7 Controle de Binrio ....................................................................67 5.9.2 Dispositivos e funes opcionais do inversor de freqncia ACS350***68 5.9.2.1 Interface Homem-Mquina - IHM .............................................69 5.9.2.2 Adaptador de fieldbus ................................................................73 5.9.2.3 Resistncias de frenagem ...........................................................74 5.10 Concluses ......................................................................................................75 6 INSTALAO E MODO DE CONTROLE DO SISTEMA .....................76 6.1 Introduo .........................................................................................................76 6.2 Terminas de entrada e sada do inversor de freqncia ACS350*** ...............76 6.3 Modo de controle: anlise e configurao de comando e potncia ..................77 6.4 Configurao dos parmetros utilizados ...........................................................80 6.5 Concluso ..........................................................................................................83 7 ANLISE DO SISTEMA ..............................................................................84 7.1 Introduo .........................................................................................................84 7.2 Influncia do inversor de frequncia no sistema isolante do motor .................84 7.2.1 Rise time ..................................................................................................85 7.2.1.1 Consideraes normativas sobre o rise time ..............................86 7.2.1.2 Anlise do rise time ....................................................................87 7.2.2 Comprimento do cabo .............................................................................88 7.2.3 Mnimo tempo entre pulsos .....................................................................89 7.2.4 Frequncia de chaveamento ....................................................................89 7.2.5 Funcionamento com multi-motores ........................................................90 7.3 Relao custo x benefcio .................................................................................91 7.4 Concluso ..........................................................................................................98 8 CONCLUSO ................................................................................................99 APNDICE A ...........................................................................................................100 APNDICE B ...........................................................................................................101 APNDICE C ...........................................................................................................103 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS...................................................................108

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RESUMO Com o intuito de se reduzir o consumo de energia eltrica em um sistema, proposto, utilizando-se de um inversor de frequncia, o controle da velocidade de rotao de um ventilador centrfugo pertencente a um equipamento condicionador de ar, do tipo Fancoil, cuja fora motriz de potncia e torque um motor de induo trifsico. So definidas as caractersticas do sistema, identificando todos os dispositivos utilizados e necessrios implementao do projeto. Paralelamente, avaliada a relao custo/benefcio para a aplicao, aliada ao ganho de preciso no tempo de utilizao de uma unidade de filtragem, pertencente ao processo de qualidade do ar interior, tambm do sistema. Uma anlise quantitativa da influncia do inversor ao motor realizada, destacando e comparando os parmetros mnimos exigidos pelas normatizaes e regulamentaes vigentes com os adquiridos em medies em campo.

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EFICINCIA ENERGTICA

1.1 Introduo H muito se falava na reduo do consumo de energia eltrica no pas, mais precisamente daquela proveniente de usinas hidreltricas. Entretanto, a conscientizao da populao brasileira a respeito dessa necessidade obteve maior interesse partir do ano de 2001, quando a escassez de recursos hdricos, aliada com a falta de investimentos nos setores de gerao, transmisso e distribuio de energia, proporcionaram o que j havia sido alertado, sem contudo ter sido levado com a devida ateno: a falta de energia eltrica, evidenciada ainda mais com o advento do Apago [1]. A palavra de ordem foi a racionalizao do consumo desse bem, at ento tido como inesgotvel. Alm da necessidade de se adquirir novos hbitos que reduzissem o consumo de energia, houve um interesse em adquirir tecnologias que auxiliassem ainda mais nessa reduo. E no apenas a procura por produtos energeticamente eficientes foi intensificada. O resultado financeiro obtido com a implantao de estudos e medidas de diminuio do dispndio de energia mostrou-se muito eficaz em diversos tipos de processos. A rea de automao encontrou, portanto, possibilidade de se desenvolver ainda mais, em diversos tipos de aplicaes. Levando em considerao a necessidade de se reduzir o consumo de energia eltrica, este projeto prope a aplicao de um inversor de freqncia para controle da velocidade de rotao de um motor de induo trifsico, que faz parte de um sistema condicionador de ar, do tipo central, cujas condies de trabalho so ininterruptas, visto que atende ao centro cirrgico do hospital CIAS Centro Integrado de Ateno Sade. A reduo de energia baseada nas relaes de similaridade do sistema de ventilao mecnica do sistema e no princpio de funcionamento de um inversor de frequncia, propiciando um controle preciso e otimizado na velocidade de rotao do motor de induo trifsico na aplicao do processo alvo.

15 1.2 Concluses Nesse captulo foi apresentada uma nova concepo do consumo de energia eltrica no pas, e o que o projeto em questo prope para a reduo na utilizao desse bem.

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APLICAO DO SISTEMA

2.1 Introduo Neste captulo ser apresentada uma breve descrio do sistema condicionador de ar, do tipo central, responsvel pela climatizao ambiente e qualidade do ar interior do hospital Unimed CIAS, diferenciando os principais componentes do ciclo de refrigerao e o objetivo na aplicao do projeto propriamente dito. 2.2 Descrio do sistema condicionador de ar O sistema a ser analisado do tipo expanso indireta [2]. Trata-se de uma unidade central, responsvel por todo o ciclo frigorgeno, normalmente chamada de URL Unidade Resfriadora de Lquidos. Nesse sistema, ao invs do fluido refrigerante participar diretamente do processo de retirada de calor do local de interesse, esse resfria um fluido, geralmente a gua, que circulando atravs de tubulaes, geralmente de ao galvanizado, PAD (Polmero de Alta Densidade) ou PEX (Polietileno Reticulado), prprios para o tipo de utilizao, realizam a troca trmica entre o ambiente propriamente dito, por meio de serpentinas na unidade final do sistema, chamados de Fancoils [2]. Essa unidade composta por sistemas de climatizao e tratamento do ar ambiente, com ndices de temperatura, qualidade do ar e umidade controlados. A Figura 1 mostra um esquemtico simplificado do funcionamento do sistema.

Figura 1 - Sistema condicionador de ar, do tipo expanso indireta, condensao ar.

17 O Fancoil a ser analisado composto basicamente de um ventilador centrfugo, responsvel pela entrada e sada do ar na unidade, serpentina de cobre, por onde circula a gua gelada e, de filtros, responsveis pela qualidade do ar interior do local. Acoplado ao ventilador centrfugo, por meio de correias, est um motor de induo trifsico, que a fora motriz que o far movimentar-se. A Figura 2 exemplifica a estrutura propriamente dita.

Figura 2 Esquemtico simplificado da estrutura do Fancoil a ser analisado.

Como observado na Figura 2, medida que o ar do ambiente passa pelo filtro, impulsionado pelo ventilador centrfugo, vai eliminando impurezas. Parte dessas impurezas se prendem ao elemento filtrante, o que dificulta o escoamento do fluido, aumentando dessa forma a presso diferencial que o ar tem que vencer para ultrapassar o filtro. A idia do projeto baseia-se no controle da rotao do motor de induo trifsico utilizando-se um inversor de frequncia, considerando o ventilador centrfugo como uma bomba de ar [3] e obedecendo-se sua caracterstica Presso x Vazo, aliada a anlise da presso diferencial sobre o filtro. Com isso, alm da economia de energia, devido menor rotao do motor quando o filtro for novo, ser tambm aplicado um melhor aproveitamento da vida til desse elemento, com preciso do tempo de sua utilizao. O diagrama de blocos da Figura 3 mostra a configurao do processo a ser controlado.

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Figura 3 Configurao do processo a ser controlado.

A caracterstica principal do inversor de frequncia utilizado no projeto a capacidade de variar a velocidade do motor de induo trifsico mantendo o torque nominal. O modo como o inversor de freqncia, aqui tambm chamado de conversor de freqncia, possui a capacidade de variar a velocidade de um motor de induo trifsico ser analisado em captulos posteriores. 2.3 Concluses Neste captulo apresentou-se a estrutura bsica do sistema condicionador de ar a ser submetido o projeto, relatando paralelamente os objetivos e benefcios a serem alcanados em sua aplicao.

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ANLISE MECNICA DO SISTEMA

3.1 Introduo Antes de entrar em detalhes sobre tipos e princpio de funcionamento de um inversor de freqncia, analisar-se-o as leis de semelhana fsica que regem o sistema alvo. 3.2 Lei dos Ventiladores Os ventiladores de sistemas de ventilao aplicados no condicionamento de ar (refrigerao, aquecimento, exausto, filtragem, renovao, diluio de poluentes, etc.) so, geralmente, de baixa presso, isto , no transferem energia suficiente para impor uma variao aprecivel de densidade do fluido de trabalho (o gs) [3]. Alm disso, o fluxo nesses sistemas tem velocidade relativamente baixa. Conseqentemente, o escoamento do ar (e outros gases) pode ser tratado como se fosse o de um fluido incompressvel, o que facilita sobremaneira a anlise e a torna similar ao de lquidos em tubulaes. Para diferenciarmos entre escoamentos compressveis e incompressveis, so tomados como referncia os valores de 500 mmCA para a energia especfica transferida e, 100 m/s para a velocidade de desacelerao at a estagnao do fluido [3]. Os ventiladores de sistemas de ventilao aplicados no condicionamento de ar possuem valores abaixo dessas referncias. As relaes de similaridade das mquinas de fluxo para um mesmo equipamento (operando em rotaes distintas, com fluidos de pesos especficos distintos) so escritas como:Q1 N 1 = Q2 N 2H 1 N 12 = 2 H2 N2 P1 1 N 13 = . 3 P2 2 N 2

(1)

(2)

(3)

Onde: Q1: Vazo na condio operacional 1;

20 N1: Rotao na condio operacional 1; H1: Altura de elevao na condio operacional 1; P1: Potncia requerida na condio operacional 1; 1 : Peso especfico do fluido na condio operacional 1;

Q2: Vazo na condio operacional 2; N2: Rotao na condio operacional 2; H2: Altura de elevao na condio operacional 2; P2 Potncia requerida na condio operacional 2 2 : Peso especfico do fluido na condio operacional 2

Entretanto, a altura de elevao no o conceito usual para representar a energia transferida por ventiladores. necessrio reescrever as relaes de similaridade em termos de presso total, assim chamadas de as Leis dos Ventiladores [4]. So elas: Primeira Lei dos Ventiladores: A primeira lei dos ventiladores tem por objetivo a determinao da nova curva caracterstica (presso total x vazo) quando a rotao do ventilador varia (N1N2), mas o peso especfico padro se mantm ( 1 = 2 ). Assim, se a rotao varia, variar-se-o a vazo, a presso total e a potncia . Segunda Lei dos Ventiladores: A segunda lei dos ventiladores tem por objetivo a determinao da nova curva caracterstica (presso total x vazo) quando o peso especfico do fluido de trabalho diferente do pado ( 1 2 ), mas a vazo constante a referncia no procedimento (Q1=Q2). Se a vazo deve ser constante, a relao de similaridade imposta por (1) estabelece que a rotao tambm constante (N1=N2). Da mesma forma, se a rotao constante, a relao vale tambm para a altura de elevao (H1=H2) . Terceira Lei dos Ventiladores: A terceira lei dos ventiladores tem por objetivo a determinao da nova curva caracterstica (presso total x vazo)

21 quando o peso especfico do fluido de trabalho diferente do padro ( 1 2 ), mas a presso total constante a referncia no procedimento. Das trs leis apresentadas, a que se que se relaciona ao estudo do presente trabalho a primeira, razo pela qual sero mostradas suas relaes de similaridade. Assim, de (1), a nova vazo dada por:Q2 = Q1 . N2 N1

(4)

A nova relao para a presso total resultar da similaridade para a altura de elevao. Da similaridade (2), sabe-se que:H 2 = H1.2 N2 N 12

(5)

Usando a definio de altura de elevao e de presso total [4], lembrando-se para o referido caso que 1 = 2 = e, a relao de similaridade para vazo (1), chega-se a similaridade:2 N2 ptotal 2 = ptotal1 . 2 N1

(6)

Onde: ptotal1: presso total do fluido na condio operacional 1; ptotal2: presso total do fluido na condio operacional 2; Para a potncia, tem-se:P2 = P1 .3 N2 N 13

(7)

A representao grfica da primeira lei dos ventiladores est mostrada na curva caractersica da Figura 4. Considera-se o ponto de operao de referncia, sobre a curva caracterstica para a rotao N1 e, a curva de eficincia e2. Se a rotao aumenta para N2 (N2>N1), o deslocamento ocorrer com uma eficincia constante e2 para o ponto II. A vazo Q2, a presso total ptotal2 e a potncia P2 sero calculadas pelas

22 relaes acima apresentadas, (4), (6) e (7), respectivamente. Da mesma forma ocorrer se a rotao diminuir de N1 para N3 (N3 10 M ; 11. Torque de aperto: 0,8...1,3 N.m. 5.6.2 Contatora de potncia 10 A;

Figura 27 Exemplo de contatora de potncia utilizada para energizao do sistema.

1. Modelo: LC1-K09013;; 2. Tenso nominal de emprego (Ue): At 690 V;

58 3. Tenso nominal de isolao (Ui): At 750 V; 4. Corrente trmica convencional (Uth): Temperatura ambiente 50 C 5. Frequncia de corrente de emprego: At 400 Hz; 6. Poder de comutao mnima: 17 V / 5 mA; 7. Corrente de sobrecarga: a. Durante 1s: 80 A; b. Durante 100 ms: 110 A; 8. Potncia: 4,5 VA; 9. Temperatura ambiente: c. Para estocagem: -50 C...80 C; d. Em funcionamento: -25 c...50 C; 10. Resistncia de isolao: > 10 M ; 11. Torque de aperto: 0,8...1,3 N.m. 5.7 Rels de sobrecarga Foi utilizado um rel de proteo eltrica da Telemecanique, marca da Schneider Electric para Automao e Controle Industrial. A Figura 28 mostra um exemplo de rel utilizado no projeto em questo. 10 A;

Figura 28 Exemplo de rel de proteo trmica utilizado no projeto.

1. Modelo: LR2-K0312; 2. Regulagem de corrente: 3,7 A...5,5 A; 3. Tenso nominal de emprego (Ue): At 690 V; 4. Limites de frequncia da corrente de emprego: At 400 Hz; 5. Potncia dissipada por plo: 2 W; 6. Rearme: Manual ou automtico; 7. Nmero de plos: 3; 8. Temperatura ambiente: a. Para estocagem: -40 C...70 C;

59 b. Para funcionamento normal: -20 C...55 C; 9. Potncia mxima nas bobinas das contatoras: 600 VA; 10. Torque de aperto: 0,8 N.m. 5.8 Transdutor de presso O transdutor de presso foi escolhido analisando-se as caractersticas e necessidades de controle, com prioridade para o tipo 2-Fios. De todos os fabricantes existentes no mercado, optou-se pelo ACI/LP Series, cuja relao custo/benefcio foi a melhor encontrada. Este transdutor de presso incorpora em seu micro-circuito elementos de silicone e piezoresistivos, que melhoram consideravelmente as medidas a baixas presses. Uma compensao de temperatura por offset integrada ao circuito, alm do desempenho na amplitude de calibrao com o intuito de se aumentar a preciso. A Figura 29 mostra a vista superior, inferior e lateral esquerda desse dispositivo, aliado s caractersticas tcnicas.

Figura 29 Transdutor de presso ACI/LP Series. a) Vista lateral esquerda. b) Vista inferior.c) Vista superior.

1. Tenso de alimentao: 24...36 VDC / 24 VAC ( 10%); 2. Faixa de temperatura: -13...185F (0 50 C); 3. Sada: 2-Fios / 4 20 mA; 4. Corrente mxima: 23 mA; 5. Preciso: 1,1 %; 6. Aplicao: Gases inertes.

60 5.9 Inversor de freqncia ACS350*** O inversor de frequncia foi escolhido observando-se as exigncias de controle e potncia requisitadas para o correto funcionamento do sistema. Dentre os diversos fabricantes existentes no atual mercado, a cada dia mais competitivo e repletos de inovaes para as mais variadas situaes, a que se destacou entre certas caractersticas utilizadas como parmetros de classificao foi a ABB S.A. uma empresa multinacional com grande destaque na tecnologia de potncia na performance, aliada a reduo de impactos ambientais. Dentre os diversos modelos por ela fabricados, escolheu-se o ACS350-***, baseandose na capacidade do motor de induo trifsico a ser controlado, aliado aos tipos e modos de controle por ele oferecidos. Trata-se de um dispositivo bastante prtico, para montagem em armrio ou mural, no qual observa-se na Figura 30 e Tabela 2 suas principais estruturas e descries, respectivamente. e de automao, proporcionando a diversos setores industriais e concessionrias a melhoria

Figura 30 Estrutura do inversor de frequncia ACS350***.ITEM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DESCRIO Sada de refrigerao pela tampa superior. Furos de montagem. (a) Tampa da IHM / (b) IHM bsica / (c) IHM assistente. Tampa dos terminais (ou unidade de potencimetro opcional MPOT-01. Conexo daIHM. Ligao de dispositivos opcionais. Ligao FlashDrop. LEDs de POWER (em funcionamento) e FAULT (falha). Parafuso de ligao terra do filtro EMC. Parafuso de ligao terra do varistor (VAR).

61

ITEM 11 12 13 14 15 16

DESCRIO Ligao do adaptador de fieldbus (mdulo de comunicao srie). Ligaes de E/S. Ligao da alimentao de entrada (U1, V1, W1); Ligao da resistncia de travagem (BRK +, BRK -); Ligao do motor (U2, V2, W2). Placa de fixao de E/S. Placa de fixao. Abraadeiras.

Tabela 2 Descrio das principais estruturas do inversor de frequncia ACS350-***

Internamente, o inversor ACS350*** composto basicamente por uma ponte retificadora de onda completa trifsica, capacitores de filtro, transistores IGBTs e uma unidade central utilizada para controle, em que pode-se tomar como base o pricpio de funcionamento descrito em 4.4 e 4.5. O diagrama da Figura 31 um esquema geral de todas as ligaes, parametrizveis ou no, suportadas por esse dispositivo.

Figura 31 Diagrama geral das ligaes do inversor ACS350***.

5.9.1 Modos de aplicao do inversor de freqncia ACS350*** O inversor de frequncia ACS350*** possui 7 (sete) modos de aplicaes para o controle da velocidade do motor de induo trifsico, de acordo com a necessidade de utilizao. Para cada modo, selecionado um grupo de parmetros, que devem ser programados e definido valores buscando a melhor eficincia no sistema. So eles:

62 5.9.1.1 Standard BB Este o modo de controle definido por padro para o conversor de frequncia ACS350***. utilizado em aplicaes tpicas de controle de velocidade onde so usadas zero, uma, duas ou trs velocidades constantes. O arranque e paragem controlado com uma entrada digital (nvel arrancar e parar), alm de ser possvel alternar entre dois tempos de acelerao e desacelerao. A Figura 32 mostra os esquemas de ligaes de entrada e sada de fbrica, alm das configuraes para seleo das diferentes velocidades e modos de acelerao e desacelerao exigidos.

Figura 32 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle Standard ABB.

5.9.1.2 Trs Fios Este modo de controle utilizado em aplicaes tpicas de controle de velocidade onde so usadas zero, uma, duas ou trs velocidades constantes. O arranque e a paragem do conversor de frequncia executado utilizando-se de botoneiras, atravs de entradas

63 digitais especficas. A Figura 33 mostra os esquemas de ligaes de entrada e sada de fbrica, alm das configuraes para seleo das diferentes velocidades configurveis.

Figura 33 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle 3 - Fios.

5.9.1.3 Alternar Este modo de controle utilizado em aplicaes tpicas de controle de velocidade onde so usadas zero, uma, udas ou trs velocidades constantes. Oferece uma configurao de E/S adaptada a uma sequncia de sinais de controle das entradas digitais usadas quando se altera o sentido de rotao do conversor, ou seja, o arranque, a paragem e o sentido de rotao so controlados por duas entradas digitais, em que a combinao dos estados da entrada determina a operao. A Figura 34 mostra os esquemas de ligaes de entrada e sada desse tipo de controle, alm das configuraes para seleo das diferentes velocidades, arranque, paragem e sentido de rotao exigidos.

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Figura 34 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle Alternar.

5.9.1.4 Pot Motor Este modo de controle utilizado em aplicaes de controle de velocidade onde so usadas zero ou uma velocidade constante. Fornece uma interface efetiva para aplicao de PLC (Programmer Logic Controler) [13], que varia a velocidade do conversor utilizando-se de sinais digitais atravs de duas entradas, sendo aumentar, diminuir ou manter. A Figura 35 mostra os esquemas de ligaes de entrada e sada desse tipo de controle, alm das configuraes para seleo da velocidade, arranque, paragem e sentido de rotao exigidos.

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Figura 35 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle Pot Motor.

5.9.1.5 Manual / Auto Este modo de controle utilizado em aplicaes de controle de velocidade onde necessrio alternar entre dois dispositivos de controle. Alguns terminais do sinal de controle so reservados para um dos dispositivos e o resto para outro. A seleo entre os modos em uso realizada atravs de uma entrada digital. A Figura 36 mostra os esquemas de ligaes de entrada e sada de fbrica, alm das configuraes para seleo entre os modos de controle, arranque, paragem e sentido de rotao exigidos.

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Figura 36 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle Manual / Automtico.

5.9.1.6 Controle PID Este modo de controle utilizado em aplicaes de controle de processo, como por exemplo sistemas malha fechada de controle de presso e controle de nvel e de fluxo. O controle tambm pode ser comutado ao controle de velocidade atravs de uma entrada digital. Alguns terminais do sinal de comando so reservados para controle de processo, outros para controle de velocidade. A Figura 37 mostra os esquemas de ligaes de entrada e sada de fbrica, alm das configuraes para seleo dos modos de controle de processo ou velocidade exigidos.

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Figura 37 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle PID.

5.9.1.7 Controle de Binrio Este modo de controle utilizado em aplicaes que necessitem de controle de binrio do motor. O controle tambm pode ser comutado ao controle de velocidade atravs de uma entrada digial. Alguns terminais do sinal de comando so reservados para o controle de binrio, outros para controle de velocidade. A Figura 38 mostra os esquemas de ligaes de entrada e sada de fbrica, alm das configuraes para seleo dos modos de controle de binrio ou velocidade exigidos.

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Figura 38 Esquema de ligao para as entradas e sadas do modo de controle Binrio.

Como pde ser observado, para cada modo de controle, as entradas e sadas do inversor de frequncia ACS350*** comportam-se de maneiras especficas aplicao. Um resumo das caractersticas de todas as ligaes mostrado no Apndice A. 5.9.2 Dispositivos e funes opcionais do inversor de freqncia ACS350*** O inversor de frequncia ACS350*** inclui uma srie de dispositivos e funes opcionais, especficos para algumas aplicaes e que ajudam a maximizar a eficincia e o funcionamento do conjunto de controle. Entretanto, apesar de possuirem o ttulo de opcionais, so impressindveis a certos processos e nveis de automao, onde a utilizao torna-se quase que obrigatria. Nesse captulo ser exposto um resumo geral das caractersticas de cada tem.

69 5.9.2.1 Interface Homem-Mquina - IHM So oferecidos 02 (dois) tipos de inteface para controle do inversor de frequncia ACS350***, tambm chamado aqui de console de programao. Com elas possvel controlar o ACS350, ler dados de estado e ajustar parmetros. Console Bsico: Este console inclui as ferramentas bsicas para a introduo manual dos valores dos parmetros. Console Assistente: Este console inclui assistentes pr-programados para automatizar as configuraes dos parmetros mais comuns, alm de fornecer suporte de idiomas. Em uma anlise custo/benefcio para execuo do projeto em questo optou-se pelo console bsico, razo pela qual ser realizado um resumo de suas principais caractersticas. O detalhamento de todas as caractersticas de funcionamento do console assistente encontram-se no manual do fabricante [24]. O console de programao bsico dividido em 09 (nove) reas, como pode ser observado na Figura 39. Cada uma desempenha uma funo caracterstica, seja de visualizao, seja de acesso aos parmetros, que resulta em controle e anlise de todo o funcionamento do conversor. A seguir detalhes para cada rea.

Figura 39 Console de programao bsico.

70 rea 1 LCD O LCD pode ser divido em 05 (cinco) reas: 1a) Superior esquerda: Local de controle. LOC: Controle local, ou seja, a partir do console de programao. REM: Controle remoto, tal como as entradas e sadas do conversor. 1b) Superior direita: Unidade do valor apresentado. 1c) Centro: Varivel. Em geral, exibe valores de parmetros, sinais, menus ou listas. Apresenta tambm cdigos de falha e alarmes. 1d) Inferior esquerda e centro: Estado de funcionamento do console. OUTPUT: Modo sada. PAR: Modo parmetro. MENU: Menu principal. FAULT: Modo falha. 1e) Inferior direita: Indicadores. FWD (direto) / REV (inverso) Sentido de rotao do motor, onde: o Quando piscar lentamente: motor parado; o Quando piscar rapidamente: funcionando, mas ainda no est no setpoint programado; o Fixa: funcionando no setpoint programado. SET: O valor exibido pode ser modificado (nos modos Parmetros e Referncia). rea 2 RESET/EXIT Essa tecla sai para o prximo nvel do menu superior sem guardar os valores alterados. Tambm rearma as falhas nos modos Sada e Falha.

71 rea 3 MENU/ENTER Essa tecla permite aprofundar no nvel do menu. No modo Parmetros, guarda o valor visualizado como um novo ajuste. rea 4 Tecla ACIMA Percorre um menu ou lista para cima; Aumenta um valor se for selecionado um parmetro; Aumenta a referncia quando a operao em modo Referncia; Mantendo a tecla pressionada, altera-se o valor mais rapidamente. rea 5 Tecla ABAIXO Percorre um menu ou lista para baixo; Diminui um valor se for selecionado um parmetro; Diminui a referncia quando a operao em modo Referncia; Mantendo a tecla pressionada, altera-se o valor mais rapidamente. REA 6 LOC/REM Alterna entre modo de controle local e remoto. rea 7 DIR Altera o sentido de rotao do motor: sentido direto ou sentido inverso. rea 8 STOP Para o conversor quando est em modo de controle local. rea 9 START Arranca o conversor quando est em modo de controle local. Funcionamento O console bsico funciona com menus e teclas. O utilizador seleciona uma opo (como por exemplo: modo de operao ou parmetro) percorrendo os menus/listas

72 com as teclas ACIMA e ABAIXO at a opo pretendida estar visivel no LCD, pressionando depois a tecla MENU/ENTER. Pressionando a tecla RESET/EXIT, pode-se voltar para o nvel de operao anterior sem guardar as alteraes efetuadas. O console bsico possui cinco modos de operao: Sada, Referncia, Parmetro, Cpia e Falha. Quando ocorre uma falha ou um alarme, o console passa automaticamente para o modo Falha e apresenta o cdigo de falha ou alarme, que tambm pode ser restaurada no modo Sada ou Falha. Ao ligar a alimentao eltrica, o console estar em modo Sada, no qual o utilizador poder arrancar, parar, alterar o sentido de rotao do motor, alternar entre o controle local e remoto e supervisionar valores atuais, at trs sinais do grupo 01 (DADOS DE OPERAO), sendo um sinal de cada vez. Seleciona-se o modo Sada pressionando a tecla RESET/EXIT at que no LCD apresente-se o texo OUTPUT na parte esquerda inferior. Para realizar outras tarefas, deve-se passar para o Menu principal e selecionar o modo correspondente. No modo Referncia, possvel ajustar a referncia de velocidade, frequncia ou binrio, alm de poder arrancar, parar, alterar o sentido de rotao do motor e alternar entre controle local e remoto. Para selecionar esse modo, inicialmente passa-se para o Menu principal pressionando a tecla MENU/ENTER se estiver no modo Sada, ou ento pressionando a tecla RESET/EXIT repedidamente at aparecer MENU na parte inferior. Se o console no estiver em modo Referncia (rEF no visvel), pressionase a tecla ACIMA ou a tecla ABAIXO at aparecer rEF e depois a tecla ENTER/RESET. Nesse momento o LCD exibe o valor de referncia atual com SET por baixo do valor. No modo Parmetros, possvel visualizar e alterar valores de parmetros, selecionar e modificar os sinais apresentados no modo Sada, arrancar, parar, alterar o sentido de rotao do motor e alternar entre controle local e remoto. Para selecionar esse modo, inicialmente passa-se para o Menu pricipal pressionando a tecla MENUT/ENTER se estiver no modo Sada, ou ento pressionando a tecla RESET/EXIT repetidamente at aparecer MENU na parte inferior. Se o console no estiver em modo Parmetro (Par

73 no visvel), pressiona-se a tecla ACIMA ou a tecla ABAIXO at aparecer Par e depois a tecla ENTER/RESET. Nesse momento o LCD apresenta o nmero de um dos grupos de parmetros oferecidos pelo inversor de frequncia. No modo Cpia, o console bsico pode armazenar um conjunto completo de parmetros do conversor e at trs conjuntos de parmetros do utilizador, sendo que a memria do console permanente. Nesse modo, possvel copiar todos os parmetros do conversor para o console. Isso inclui todos os conjutos de parmetros definidos pelo utilizador e os parmetros internos gerados automaticamente pelo conversor. Tambm possvel restaurar o conjunto completo de parmetros do console para ouutro conversor compatvel com o anterior. Esse processo guarda todos os parmetros, incluindo os parmetros internos gerados automaticamente pelo conversor, entretanto, no inclui os conjuntos de parmetros do utilizador. 5.9.2.2 Adaptador de fieldbus O inversor de freqncia ACS350*** pode ser ligado a um sistema de controle externo ao longo de uma rede de comunicao utilizando-se de um adaptador fieldbus. Tal dispositivo ligado ao terminal X3 do conversor, como pode ser observado na Figura 40.

Figura 40 Esquemtico do adaptador fieldbus do inversor de freqncia ACS350***.

O conversor pode ser ajustado para receber toda a informao de controle atravs da interface de fieldbus, ou o controle pode ser distribudo entre a interface de fieldbus e

74 outras fontes disponveis, como entradas digitais e analgicas. Essa comunicao realizada utilizando-se um dos seguintes protocolos de comunicao srie: PROFIBUS-DP (adaptador FPBA-01); CANopen (adaptador FCAN-01); DeviceNet (adaptador FDNA-01); Modbus RTU (adaptador FMBA-01). O conversor detecta automaticamente qual o adaptador de fieldbus que est ligado ao seu terminal X3, sendo que o perfil DCU [24] sempre usado na comunicao entre inversor e adaptador. Os ajustes de fbrica para cada perfil dependem do protocolo utilizado. No o foco do projeto em questo a conexo e controle do inversor de freqncia por uma rede integrada, sendo, portanto, no necessria a aquisio de tal adaptador. 5.9.2.3 Resistncias de frenagem Em algumas aplicaes, no basta apenas a atuao de rampas de desacelerao para a parada do inversor. No momento da parada, no h a imediata extino do campo girante do motor [9], fazendo com que o rotor continue cortando as linhas de campo. Por um curto perodo de tempo, o motor se comporta como um gerador. Alm disso, no circuito intermedirio h um aumento no nvel de tenso eficaz. Para que ocorra uma frenagem em tempo menor, conveniente a dissipao de energia o mais rpido possvel. Excetuando-se uma regenerao de energia de frenagem [9], a frenagem dissipativa ou reosttica bastante eficiente para a aplicao. Uma dificuldade que pode ser encontrada est em se calcular qual o melhor resistor a ser empregado. Esse valor sempre depender de quanto tempo se deseja para uma frenagem, quantas vezes em um perodo se utilizada, e qual a potncia do motor a ser atendida. Vrios fabricantes possuem tabelas especficas contemplando qual o melhor valor para resistor de frenagem. Quando necessrio um valor mais preciso, utilizada a relao

75PMX =2 VCC r

(14)

Onde, PMX: Potncia do resistor r, em Watts; VCC: Tenso do circuito intermedirio; r: Valor do resistor, em Ohm. No projeto em questo, a parada do motor de induo trifsico realizada por inrcia, sendo, portanto, desnecessria a utilizao de um resistor de frenagem. 5.10 Concluses Nesse captulo foram apresentados todos os dispositivos utilizados na realizao do projeto em questo, incluindo dados tcnicos, construtivos e de aplicao. Realizou-se uma maior nfase para o inversor de frequncia ACS350, onde foram discutidos os diagramas internos de ligaes, modos de aplicao, dispositivos opcionais e obrigatrios para um perfeito funcionamento do sistema.

76

6

INSTALAO E MODO DE CONTROLE DO SISTEMA

6.1 Introduo Neste captulo ser apresentada a instalao fsica de comando e potncia executada no projeto em questo, bem como o modo de operao escolhido para realizar a automao no controle de velocidade do motor de induo trifsico. O controle ser feito de acordo com a presso diferencial existente entre o filtro de ar do equipamento, conforme metodologia explicada em captulos anteriores. 6.2 Terminas de entrada e sada do inversor de freqncia ACS350*** A Figura 41 mostra um esquemtico dos terminais de ligao dos cabos de potncia utilizados para energizao do inversor e alimentao do motor de induo trifsico. Os terminais L1, L2, L3 so reservados para a alimentao trifsica da rede de energia eltrica, e U2, V2, W2 para a alimentao do motor com tenso PWM imposta pelo inversor. Os terminais BRK- e BRK+ so reservados para a instalao da resistncia de frenagem, dispositivo opcional, conforme utilidade descrita em 5.9.2.3. O cabo de ligao terra instalado junto ao painel.

Figura 41 Terminais de potncia de entrada e sada do inversor de freqncia ACS350***.

A Figura 42 representa os terminais de entrada e sada para as ligaes de comando do inversor. Para cada modo de aplicao, utilizado um diagrama de conexo, conforme descrito em 5.9.1. O interruptor S1 seleciona o tipo de tenso e corrente utilizados para as entradas analgicas EA1 e EA2, respectivamente. Os ajustes de fbrica so a tenso unipolar para EA1 (0...10V) e a corrente unipolar para EA2 (4...20 mA), que

77 correspondem aos valores utilizados por padro aos modos de aplicao. Caso seja necessria a utilizao das entradas analgicas com valores diferentes dos apresentados, necessrio configurar S1 de acordo com a Figura 43.

Figura 42 Terminais para entrada e sada dos sinais de comando.

Figura 43 Configurao de S1 para valores diferentes entre as entradas analgicas.

6.3 Modo de controle: anlise e configurao de comando e potncia A idia geral do sistema resume-se no controle de velocidade de um motor eltrico baseando-se no diferencial de presso do filtro de ar, procurando otimizar o consumo de energia do trocador de calor, tipo Fancoil. As opes para o controle sero duas: do tipo automtico, onde o usurio se utilizar de uma interface (IHM) para acesso aos parmetros de sada e referncia do sistema, quando em modo local, aliada ao acesso remoto onde o inversor atuar no motor utilizando-se como referncia de velocidade o sinal analgico (4 20 mA) proveniente do transdutor de presso ACI-LP, quando em modo remoto. No modo manual, o utilizador poder realizar o acionamento do motor em partida direta. Analisando essas caractersticas a serem atendidas, aliadas s vantagens e opes de cada modo de controle oferecido pelo inversor de freqncia ACS350***, escolheu-se o controle Manual/Auto, que satisfazem todas as condies necessrias a aplicao do projeto. O circuito da Figura 44 representa a topologia utilizada para interligao de potncia e comando entre os bornes do inversor de freqncia e o sistema a ser controlado.

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Figura 44 Esquema de interligao de potncia e comando utilizada.

79 De acordo com a Figura 44, uma chave de controle do tipo ON/OFF, representada por S2, realiza a opo entre controle automtico e manual. A chave de controle S3 realiza a seleo entre partida direta do motor, quando a chave S2 em modo manual, e o controle do motor atravs do inversor de freqncia, quando a chave S2 em modo automtico. O sistema de proteo, quando do acionamento mtuo entre modo manual e automtico, seja de maneira acidental ou por avaria do dispositivo, realizado atravs do inter-travamento oferecido pela contatora auxiliar RA1, participante do sistema de comando para acionamento de K1 e K2, contatoras essas pertencentes aos sistemas de potncia dos modos de operao manual e automtico, respectivamente. A proteo eltrica do sistema de alimentao do circuito de comando, no que diz respeito aos quesitos de sobretenso, sobrecorrente, falta de fases e curto-circuito oferecida pelo disjuntor Q2, aliado ao rel trmico F1. A proteo para o sistema de potncia realizada pelo disjuntor Q1. O conversor de freqncia disponibiliza proteo eltrica a si mesmo e para o motor. Entretanto, quando no modo manual, isso realizado pelo rel trmico F1. Quando S2 em modo automtico, os contatos auxiliares de K2 realizam o fechamento entre os terminais de comando 9 14 e 9 16 do inversor, comandos necessrios para inform-lo sobre a seleo do controle (manual ou automtico) e acionamento do motor (arranque ou parada). Os terminais 5 e 6 foram utilizados para ligao do transdutor de presso diferencial ACI-LP, em srie com o transformador 220/24 VAC , como pode ser observado no esquemtico das ligaes de comando e potncia da Figura 44. A Figura 45 mostra a instalao fsica real de potncia e comando utilizada no projeto, bem como a fixao do inversor e transdutor de presso.

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Figura 45 Instalao fsica real de potncia e comando utilizada no projeto.

6.4 Configurao dos parmetros utilizados Verificados os pontos de segurana da instalao eltrica e mecnica de todo o sistema, realizou-se a energizao e parametrizao do inversor de freqncia. O procedimento de arranque depende do tipo de console utilizado. Como optou-se pelo bsico, ser realizada uma descrio dos principais pontos para esse dispositivo. Informaes sobre outros meios de partida do inversor encontram-se em [24]. Energizado o inversor de freqncia, um LED verde ir acender, indicando que ele encontra-se pronto para iniciar a parametrizao. Um LED vermelho aceso indica erro, e uma inspeo em todos os pontos de ligaes mecnica, comando e potncia dever ser executada, a fim de se regularizar a no-conformidade e prosseguir com a parametrizao do inversor de freqncia. Com o inversor energizado e nenhuma falha apresentada, o console bsico apresenta diretamente o Modo de Sada com controle local (LOC), ou seja, atravs da IHM. Deve-se selecionar o modo de aplicao a ser utilizado, atravs do parmetro 9902. O

81 valor de fbrica apresentado 1, que representa o modo STANDARD ABB. Para o propsito do projeto, deve-se alter-lo para 5, que representa o modo MANUAL/AUTO. Seguir para o parmetro 9904, que representa o modo de controle do motor, sendo 1 para controle vetorial, 2 para controle binrio e 3 para controle escalar. A diferena entre cada tipo foi descrita em 4.6, a exceo para controle de binrio, cuja aplicabilidade encontra-se em [24]. Para a implantao do sistema, alterase esse parmetro para 1. A seguir necessrio introduzir os dados de placa do motor a ser controlado, referenciando cada valor com um parmetro caracterstico. Para a tenso nominal do motor, utilizar o parmetro 9905. Para a corrente nominal do motor, utilizar o parmetro 9906. Para a freqncia nominal do motor, utilizar o parmetro 9907. Para a velocidade nominal do motor, utilizar o parmetro 9908 e, por fim, para a potncia nominal do motor, utilizar o parmetro 9909. O prximo passo refere-se ao tipo de identificao do modelo do motor a ser utilizado pelo inversor de freqncia, chamado aqui de ID RUN [24], referenciado pelo parmetro 9910. Existem 02 (dois) tipos de algoritmos utilizados pelo conversor de freqncia ACS***. Um utilizado para a maioria das aplicaes, sendo configurado o parmetro para 0. Outro utilizado quando o ponto de operao estiver prximo da velocidade zero, e/ou for necessrio o funcionamento em uma gama de binrio acima do nominal do motor ao longo de uma ampla gama de velocidades sem que seja necessrio feedback da velocidade medida. selecionado configurando o parmetro para 1. No caso do projeto apresentado, escolheu-se para o tipo de identificao o valor referenciado com 0, visto que o que se enquadra s caractersticas gerais do sistema a ser controlado. Escolhido o algoritmo, realiza-se a identificao do modelo de motor pressionando a tecla START do console bsico. Ele calculado atravs da magnetizao dos enrolamentos do motor durante um intervalo de tempo de 10 15 segundos velocidade zero.

82 Aps esse procedimento, necessrio verificar se o sentido de rotao do motor est de acordo com as exigncias do sistema. Atravs do console bsico, em modo local, segui-se para o Menu Principal e, atravs das teclas ACIMA ou ABAIXO, selecionase o modo rEF. Incrementa-se a referncia de zero para um valor superior e em seguida pressiona-se a tecla START para arrancar o motor. Nesse procedimento, analisa-se se o sentido de rotao do motor o mesmo que o indicado do LCD do console, ou seja, FWD para sentido direto e REV para sentido inverso. Caso hajam discordncias entre as rotaes, necessrio desligar a alimentao do inversor e aguardar cerca de 5 minutos at que os capacitores do circuito intermedirio descarreguem, e realiza-se a inverso de dois condutores de fase do cabo de motor nos terminais de sada do conversor ou na caixa de ligaes do motor. Em seguida, realiza-se novamente o teste de sentido de rotao descrito anteriormente e confirmam-se as rotaes. Com os sentidos corretos, realiza-se a configurao dos limites de velocidades e rampas de acelerao e desacelerao. O ajuste de velocidade mnima realizado atravs do parmetro 2001, o ajuste de velocidade mxima atravs do parmetro 2002. Os tempos de acelerao e desacelerao so configurados atravs dos parmetros 2202 e 2203, respectivamente. Ao final de todos os procedimentos descritos anteriormente, se no existirem falhas ou alarmes visveis no LCD da IHM, o inversor encontra-se apto para o funcionamento. Os valores de todos os parmetros utilizados na configurao do inversor de freqncia encontram-se descritos na Tabela 4.PARMETRO 9902 9905 9906 9907 9908 9909 9910 2001 DESCRIO Modo de controle do motor Tenso nominal do motor Corrente nominal do motor Freqncia nominal do motor Velocidade nominal do motor Potncia nominal do motor Modelo de motor Velocidade mnima UNIDADE Vetorial V A Hz rpm KW ID Run rpm VALOR 5 220 3,3 60 3400 0,75 0 2900

Tabela 3 Parmetros e valores utilizados para a configurao do inversor de freqncia ACS350***.

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PARMETRO 2002 2202 2203

DESCRIO Velocidade mxima Rampa de acelerao Rampa de desaceleraoContinuao.

UNIDADE rpm s s

VALOR 3400 5 5

Tabela 4 Parmetros e valores utilizados para a configurao do inversor de freqncia ACS350*** -

Ressalta-se que o inversor de freqncia ACS350*** composto de inmeros parmetros que no foram citados, visto que so utilizados apenas em aplicaes especficas, o que seria invivel ao projeto proposto. Entretanto, uma descrio completa de todos disponibilizada em [24]. 6.5 Concluso Nesse captulo foram apresentados todos os circuitos de comando e potncia utilizados no projeto, bem como os terminais de entrada e sada pertencentes ao inversor de frequncia ACS350***. Uma anlise detalhada do funcionamento desses circuitos foi realizada, incluindo o modo de controle utilizado, configuraes dos parmetros selecionados e definies dos valores introduzidos.

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7

ANLISE DO SISTEMA

7.1 Introduo Nesse captulo ser exposta uma anlise da influncia de um inversor de freqncia no sistema isolante do motor, comparando os dados coletados em campo com as recomendaes e normatizaes vigentes para um funcionamento correto de todo o sistema. Ser dada tambm uma anlise entre o investimento financeiro inicial e retorno (Payback) [26] para a aplicao do projeto proposto. 7.2 Influncia do inversor de frequncia no sistema isolante do motor A evoluo dos semicondutores de potncia tem levado criao de chaves mais eficientes, porm, mais rpidas. As elevadas freqncias de chaveamento das chaves eletrnicas empregadas nos conversores atuais (transistores IGBT) acarretam algumas conseqncias indesejveis, tais como o aumento de emisso eletromagntica e a provvel incidncia de picos de tenso, bem como elevados valores de dV/dt (taxa de variao da tenso no tempo), nos terminais dos motores alimentados por conversores, como visto em captulos anteriores. Dependendo das caractersticas de controle (resistores de gate, capacitores, tenses de comando, etc.) e da modulao PWM adotada, quando esses inversores so utilizados em conjunto com um motor de induo gaiola, os pulsos, em combinao com as impedncias do cabo e do motor, podem gerar, de maneira repetitiva, sobretenses nos terminais do motor. Esses trens de pulsos podem reduzir a vida do motor pela degradao do seu sistema de isolamento. O cabo e o motor podem ser considerados um circuito ressonante excitado pelos pulsos retangulares do conversor. Quando os valores de R, L e C so tais que a tenso de pico atinge valores acima da tenso da fonte (VDC 1,35 Vnom), a resposta do circuito a essa excitao considerada um overshoot [12]. Os overshoots afetam especialmente o isolamento entre espiras de enrolamentos randmicos e seu valor determinado, basicamente, pelos seguintes fatores: tempo de subida do pulso de tenso (rise time), comprimento do cabo, mnimo tempo entre pulsos, frequncia de chaveamento e o uso de motores mltiplos.

85 7.2.1 Rise time Para transitar do seu valor mnimo at o seu valor mximo, a tenso PWM requer certo tempo, denominado rise time. Devido grande velocidade de chaveamento dos IGBTs dos inversores, o crescimento da frente de onda de tenso acontece muito rapidamente e, com o avano da eletrnica de potncia, esses tempos de transio tendem a diminuir ainda mais. Com a grande velocidade do crescimento do pulso de tenso (dV/dt) emitido pelo conversor ao motor, a(s) primeira(s) espira(s) da primeira bobina de uma dada fase fica(m) submetida(s) a um alto valor de tenso. Devido s caractersticas indutivas e capacitivas do enrolamento do motor [7] [11] [14], ocorre amortecimento do pulso nas bobinas subseqentes. A Figura 46 exemplifica a divergncia entre os pulsos de tenso entre condutores adjacentes para uma mesma bobina.

Figura 46 Exemplo da divergncia entre pulsos de tenso entre condutores adjacentes devido ao rise time. a) Terminal do motor. b) Puso de tenso na primeira espira. c) Pulso de tenso atrasado nas espiras subjacentes. d) Tenso entre condutores adjacentes.

Com isso, o rise time (tr) influencia diretamente o tempo de vida til do isolamento, pois quanto menor for o tempo de crescimento do pulso, maior ser a taxa de variao no tempo (dV/dt), originando maior diferena de potencial entre espiras e degradando mais rapidamente o sistema isolante do motor. Devido aos altos gradientes de tenso a que o isolamento submetido quando da operao com conversores, ele deve possuir caractersticas dieltricas superiores para essas aplicaes.

86 7.2.1.1 Consideraes normativas sobre o rise time As definies de rise time (tr) dadas pela NEMA [23] e pela IEC [22] diferem, conforme mostrado na Figura 48, dando margem a divergncia de interpretao e conflitos entre fabricantes e consumidores de motores e conversores de frequncia.

Figura 47 Divergncias nas definies de rise time: a) NEMA. b) IEC.

Devido s diferenas existentes entre as definies de rise time da NEMA e IEC, ocorrem frequentemente confuses no clculo do dV/dt. Pelo critrio NEMA, deve-se tomar o valor da tenso do link DC ( 1,41 Vrede) como referncia de 100% de tenso para a determinao do rise time (informado pelo fabricante do conversor). J pelo critrio IEC, o valor de pico da tenso nos terminais do motor que deve ser usado como referncia. Por efeito do cabo [11] [14], o rise time a ser considerado no critrio IEC ser normalmente maior do que o considerado no critrio NEMA (que o valor informado pelo fabricante do conversor). Assim, percebe-se que dependendo do critrio utilizado no clculo, podem ser considerados valores de dV/dt bastante distintos para uma mesma situao. Os valores a serem utilizados como referncias para os critrios NEMA e IEC so descritos a seguir: NEMA MG1 Se a tenso de entrada do conversor no exceder a tenso nominal do motor e nos terminais do motor forem observados valores de tenso

87 dentro dos limites estipulados na Tabela 5, assume-se que no haver significativa reduo na vida til do isolamento por stress de tenso.PARTE 30 MOTORES NORMAISPara tenso 600 V: Vpico 1 KV Rise time 2 s

PARTE 31 MOTORES DE USO ESPECFICOPara tenso 600 V: Vpico 3,1 Vnom Rise time 0,1 s

Para tenso > 600 V: Vpico 2,04 Vnom Para tenso > 600 V: Vpico 2,04 Vnom Rise time 1 s Rise time 1 s Tabela 5 Referncias normativas NEMA MG1 Partes 30 e 31.

IEC 60034 Para motores at 500 V o sistema de isolamento deve suportar os nveis de Vpico, mostrados na Figura 49. Acima de 500 V, o sistema isolante deve ser reforado ou filtros devem ser instalados na sada do conversor, para aumentar o rise time/limitar as tenses de pico.

Figura 48 Referncias normativas IEC 60034.

7.2.1.2 Anlise do rise time No projeto em questo foi utilizado o critrio NEMA para determinao do rise time no sistema implantado, por parecer adequado em considerar apenas a regio linear da curva na aproximao da derivada (dV/dt V/t). O critrio IEC considera a tenso de pico nos terminais do motor, o que necessita da medio do pulso de tenso na entrada do motor atravs de um osciloscpio de boa resoluo. Entretanto, devido imprevistos de natureza tcnica, no foi possvel a utilizao de tal instrumento. De acordo com os critrios NEMA, e aplicando os valores fornecidos pelo fabricante, foram obtidos os valores de rise time para o sistema proposto: Tenso do motor: Vnom = 220 V.

88 Time rise: t = 0,6 s; VDC 1,41.Vnom VDC 1,41.220 VDC 310,20 V x = 0,90.310,20 x = 279,18 V y = 0,10.310,20 y = 31,02 V V = x y V = 279,18 31,02 V = 248,16 V Como,dV V = dt t

(14) (15) (16) (17) (18) (19)

Considerando x como 90% de VDC, e y como 10% de VDC, obtm-se:

(20)

Substituindo os valores aos parmetros correspondentes, obtm-se:dV 248,16 dV = = 413,60 V/s 6 dt 0,6.10 dt

(21)

Segundo a norma NEMA MG1 parte 30 (Tabela 5), os motores normais com tenso 600 V (que o caso do projeto em questo) devem suportar em seus terminais picos de tenso de at 1KV para um rise time maior ou igual 2 s. Analisando o resultado fornecido em (21), observa-se que mesmo com um rise time menor (0,6 s fornecido pelo fabricante), o nvel de tenso entre os terminais do motor est dentro da faixa assegurada pelo motor utilizado, o que valida a aplicao na avaliao desse quesito. 7.2.2 Comprimento do cabo Conforme discutido em captulos anteriores, o mximo pico de tenso incidindo nos terminais do motor alimentado por conversores de frequncia depende de vrios fatores, dentre os quais o mais importante o comprimento do cabo. De acordo com estudos entre diversos fabricantes, so sugeridas regras prticas para a avaliao da necessidade de utilizao de filtros entre o motor e o conversor, como pode ser observado na Tabela 6.COMPRIMENTO DE CABO FILTROS DE SADA L 100 m No so necessrios 100 m < L 300 m Necessria a reatncia de sada (2% de queda de tenso mnima) L > 300 m Necessrios filtros especiais (consultar fabricante) Tabela 6 Regras sugeridas para a utilizao de filtros entre motor e inversor de freqncia.

89 Para a aplicao do projeto foram utilizados 2,0 m de cabo de ligao entre conversor de frequncia e motor, o que dispensa a necessidade de instalao de filtros supressores de corrente de fuga, que fluem da sada do conversor para a terra. 7.2.3 Mnimo tempo entre pulsos Na utilizao de motores de induo trifsicos de baixa tenso SIEMENS com conversores de freqncia, devem ser obedecidos como critrio de avaliao valores de tempo dentre pulsos 6s [27]. Como descrito anteriormente, devido impossibilidade de utilizao de um osciloscpio, esse parmetro necessrio anlise no sistema de isolamento do motor no pode ser verificado. Entretanto, os dados tcnicos fornecidos pelo fabricante do conversor de freqncia ACS350*** garantem um faixa de tempo entre pulsos aceitveis para uma vasta gama de motores de induo trifsicos existentes no mercado, incluindo o da aplicao. 7.2.4 Frequncia de chaveamento Associada aos efeitos originados do rise time e do mnimo tempo entre pulsos consecutivos, est a freqncia como que os mesmos so produzidos. Ao contrrio dos eventuais impulsos provenientes de manobras de rede, neste caso trata-se de um trem de pulsos mantido numa determinada freqncia. Em funo da rpida evoluo da eletrnica de potncia, essa freqncia atualmente atinge valores da ordem de 20 KHz e, quanto maior for a freqncia de chaveamento do inversor, mais rpida ser a degradao do sistema isolante. Estudos indicam que a dependncia do tempo de vida til do isolamento em funo da frequncia de chaveamento no uma relao simples [28], porm, experincias realizadas nesse sentido mostram que para valores 5 KHz a probabilidade de falha do isolamento diretamente proporcional freqncia, alm de limitar as perdas de chaveamento (rise time) e diminuir a interferncia de alta freqncia, dispensando a utilizao de filtros supressores. Entretanto, perde-se na qualidade sonora, visto que o rudo acstico no motor torna-se um fator desagradvel. Para frequncias de chaveamento > 5 KHz, a probabilidade de falha do isolamento diretamente proporcional ao quadrado da frequncia de chaveamento. Entretanto, o aumento

90 melhora a srie de Fourier da tenso injetada no motor [29], tendendo, dessa forma, melhorar o desempenho em termos de temperatura e rudo. Analisando-se as caractersticas de aplicao do sistema, levando-se em considerao a qualidade acstica em nveis permitidos ao local [30] [31], e as recomendaes fornecidas pelo manual de instalao, operao e manuteno do conversor, fixou-se a frequncia de chaveamento em 4,0 KHz, Referncia NBR7256: 50 dB(A); Rudo medido na casa de mquina: 48,2 dB(A). baseando-se em comparaes entre os valores de rudo medidos e aceitveis pelas normatizaes e legislaes vigentes.

Figura 49 Decibilmetro utilizado para medio do nvel de rudo na casa de mquinas do equipamento.

7.2.5 Funcionamento com multi-motores Em aplicaes com mltiplos motores podem ocorrer overshoots devido reflexo entre cada unidade. Essa situao pior quanto maior for o comprimento do cabo entre conversor e o ponto comum de conexo dos motores. O cabo atua como um desacoplador entre conversor e motor. Como resultado, reflexes que seriam absorvidos pela baixa impedncia de sada do conversor podem ser carregadas para outro motor, amplificando assim o overshoot incidente nos seus terminais.

91 Devido s caractersticas do projeto (controle somente de um motor), esse parmetro no pde ser avaliado, alm de poder ser desconsiderada a sua influncia. 7.3 Relao custo x benefcio Alm da caracterstica positiva no controle e preciso da velocidade de rotao do motor, aliada a otimizao do elemento filtrante e melhoria na eficincia energtica, importante analisar o custo vinculado ao investimento inicial para implantao do sistema. Foi discutido em captulos anteriores que o projeto baseia-se no controle da rotao de um motor de induo trifsico atravs da anlise da presso diferencial por sobre o agente filtrante. De acordo com levantamento do histrico das manutenes preventivas realizadas no equipamento utilizado1, a frequncia de substituies dos filtros necessrios ao controle da qualidade do ar interior do ambiente climatizado , na mdia, a cada 30 (trinta) dias. Tomando-se como base esse valor e, considerando que o inversor de frequncia foi configurado com limites de rotao mnima e mxima de 3.000 e 3.400 rpm (P2001 e P2002, respectivamente), foram obtidos valores de nveis de tenso, corrente e frequncias das tenses PWM referenciadas a uma variao de 10 rpm na frequncia de rotao entre esse intervalo. As Tabelas 7 e 8 mostram os valores obtidos das medies realizadas aleatoriamente entre os dias 1 a 30 de outubro de 2008.ITEM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 TENSO [V] 187 188 189 189 190 190 191 192 193 193 194 194 FREQUNCIA [Hz] 51,5 51,7 51,9 52,0 52,2 52,4 52,6 52,7 52,9 53,1 53,3 53,4 CORRENTE [A] 2,4 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 R0TAO [rpm] 3000 3010 3020 3030 3040 3050 3060 3070 3080 3090 3100 3110

Tabela 7 Parmetros eltricos medidos em uma variao da rotao do inversor de freqncia.1

Informaes fornecidas pelo Departamento de Manuteno do Hospital Unimed CIAS.

92ITEM 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 TENSO [V] 195 196 196 197 198 198 199 199 200 201 201 202 203 203 204 205 206 206 207 208 208 209 209 210 212 212 213 214 213 FREQUNCIA [Hz] 53,6 53,8 53,9 54,1 54,3 54,5 54,6 54,8 55,0 55,1 55,3 55,5 55,7 55,9 56,0 56,2 56,4 56,6 56,7 56,9 57,1 57,2 57,4 57,6 57,8 58,0 58,2 58,3 58,5 CORRENTE [A] 2,5 2,5 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,8 2,8 2,8 2,8 R0TAO [rpm] 3120 3130 3140 3150 3160 3170 3180 3190 3200 3210 3220 3230 3240 3250 3260 3270 3280 3290 3300 3310 3320 3330 3340 3350 3360 3370 3380 3390 3400

Tabela 8 Parmetros eltricos medidos em uma variao da rotao do inversor de freqncia. Continuao.

Considerando-se um aumento dirio linear na presso diferencial do filtro, devido ao acmulo de impurezas e demais poluentes, e diretamente o aumento linear na velocidade de rotao do motor, foram obtidos por interpolao [32] dos valores da Tabela 6, os nveis dirios de tenso, corrente e frequncias das tenses PWM fornecidas ao motor pelo inversor de frequncia. Percebe-se que a relao V/f mantida constante, como pode ser observado na curva caracterstica da Figura 50. Isso resultado direto da aplicao da equao (11), o que prova um fornecimento constante de torque carga (no caso, um ventilador centrfugo) em toda faixa de frequncia utilizada. Foram tambm medidos nveis de tenso e corrente quando do funcionamento com alimentao trifsica direta da rede de energia eltrica. A potncia instantnea fornecida a uma carga trifsica obtida atravs da relao:

93P3 = 3.V L .I L

(22)

Onde, P3 = Potncia trifsica instantnea consumida pelo motor [W]. VL = Tenso de linha eficaz fornecida ao motor [V]. IL = Corrente de linha eficaz consumida pelo motor [A].

Figura 50 Caracterstica Tenso x Frequncia fornecidas ao motor pelo inversor de frequncia.

Utilizando-se da relao (22), obteve-se a potncia instantnea diria fornecida ao motor de induo trifsico, tanto para funcionamento com o inversor de frequncia, como tambm em acionamento com partida direta na rede de energia eltrica. O custo para o fornecimento de energia eltrica do hospital CIAS regido, segundo o sistema tarifrio brasileiro [33], pela tarifa Horo-Sazonal Verde. Neste segmento, so estipulados valores especficos para consumo energtico em Horrio de Ponta e Horrio Fora de Ponta [33]. Para horrio de ponta, so escolhidas trs horas compreendidas no intervalo das 17:00 s 22:00 hs, dos dias teis. De acordo com o perfil de carga fornecido pela concessionria, as faixas consideradas para horrio de ponta e horrio fora de ponta do hospital CIAS so: Horrio de ponta: 18:00 s 21:00 hs; Horrio fora de ponta: 0:00 s 18:00 hs e 21:00 s 0:00 hs.

94 O regime de trabalho do equipamento condicionador de ar analisado de 24 hs (vinte e quatro horas) dirias, sendo que no ms de outubro de 2008 foram contabilizados 23 (vinte e trs) dias teis. Diante dessas imposies, calcularam-se os totais de horas em funcionamento do equipamento nas faixas compreendidas entre os horrios de ponta e fora de ponta no ms analisado. Horrio de ponta THP = hp.D Onde, THP = Total de horas do ms em horrio de ponta. hp = Horas de funcionamento dirio em horrio de ponta. D = Dias teis do ms. Sendo hp = 3 e D = 23, substituindo-se esses valores na expresso (23), obteve-se: THP = 3.23 THP = 69 horas Horrio fora de ponta THFP = hfp.M - THP Onde, THFP = Total de horas do ms fora do horrio de ponta. hfp = Horas de funcionamento dirio fora do horrio de ponta. M = Dias do ms. Sendo hfp = 24 e M = 30, substituindo-se esses valores na expresso (26), obteve-se: THFP = 24.30 - 69 THFP = 651 horas (27) (28) (26) (24) (25) (23)

Ou seja, entre o ms referente s medies de tenso e corrente trifsicas fornecidas ao motor pela rede de energia eltrica e pelo inversor de frequncia, foram contabilizadas 69 (sessenta e nove) horas de funcionamento em horrio de ponta, e 651 (seiscentos e cinquenta e uma) horas em horrio fora de ponta.

95 A Tabela 9 mostra os valores obtidos para a potncia instantnea, demanda diria e consumo mensal para acionamento com inversor de frequncia e partida direta, compreendido entre os dias 1 a 30 de outubro de 2008.DIAS MS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 SEMANA Quarta-Feira Quinta-Feira Sexta-Feira Sbado Domingo Segunda-Feira Tera-Feira Quarta-Feira Quinta-Feira Sexta-Feira Sbado Domingo Segunda-Feira Tera-Feira Quarta-Feira Quinta-Feira Sexta-Feira Sbado Domingo Segunda-Feira Tera-Feira Quarta-Feira Quinta-Feira Sexta-Feira Sbado Domingo Segunda-Feira Tera-Feira Quarta-Feira Quinta-Feira POTNCIA INSTANTNEA [KW] INVERSOR 0,7773 0,8161 0,8148 0,8227 0,8244 0,8309 0,8357 0,8389 0,8401 0,8466 0,8789 0,8880 0,8917 0,8961 0,8969 0,9044 0,9052 0,9122 0,9142 0,9550 0,9621 0,9634 0,9700 0,9727 0,9774 0,9789 0,9910 1,0286 1,0360 1,0427 DIRETO 1,1806 1,1383 1,2175 1,1861 1,1383 1,1172 1,0850 1,1172 1,1490 1,1806 1,2117 1,2175 1,2232 1,1806 1,1383 1,1120 1,1172 1,2117 1,2731 1,2670 1,2731 1,1695 1,1750 1,2232 1,2175 1,1544 1,1544 1,1120 1,1806 1,2117 SUB TOTAIS CONSUMO MENSAL DEMANDA DIRIA [KW.h] INVERSOR HR NORMAL 16,3233 17,1381 17,1108 19,7448 19,7856 17,4489 17,5497 17,6169 17,6421 17,7786 21,0936 21,3120 18,7257 18,8181 18,8349 18,9924 19,0092 21,8928 21,9408 20,0550 20,2041 20,2314 20,3700 20,4267 23,4576 23,4936 20,8110 21,6006 21,7560 21,8967 593,061 653,1096 HR ESPECIAL 2,3319 2,4483 2,4444 0,0000 0,0000 2,4927 2,5071 2,5167 2,5203 2,5398 0,0000 0,0000 2,6751 2,6883 2,6907 2,7132 2,7156 0,0000 0,0000 2,8650 2,8863 2,8902 2,9100 2,9181 0,0000 0,0000 2,9730 3,0858 3,1080 3,1281 60,0486 CONSUMO MENSAL 24,7926 23,9043 25,5675 28,4664 27,3192 23,4612 22,7850 23,4612 24,1290 24,7926 29,0808 29,2200 25,6872 24,7926 23,9043 23,3520 23,4612 29,0808 30,5544 26,6070 26,7351 24,5595 24,6750 25,6872 29,2200 27,7056 24,2424 23,3520 24,7926 25,4457 770,8344 848,004 DIRETO HR NORMAL HR ESPECIAL 3,5418 3,4149 3,6525 0,0000 0,0000 3,3516 3,2550 3,3516 3,4470 3,5418 0,0000 0,0000 3,6696 3,5418 3,4149 3,3360 3,3516 0,0000 0,0000 3,8010 3,8193 3,5085 3,5250 3,6696 0,0000 0,0000 3,4632 3,3360 3,5418 3,6351 77,1696

Tabela 9 Potncias e demandas obtidas para acionamento direto e com inversor de frequncia.

Os valores estabelecidos pela concessionria, referentes aos custos do KW.h para os horrios de ponta e fora de ponta ao ms analisado foram considerados como: Horrio de ponta: 1,8040 R$/KW.h; Horrio fora de ponta: 0,1720 R$/KW.h;

96 Baseando-se nesses valores, foi obtido o custo dirio e mensal de funcionamento do motor de induo trifsico analisado, tanto para acionamento do motor com inversor de frequncia, como tambm para partida direta. Na elaborao desses resultados, foram utilizados valores de tenso e corrente da Tabela 8 e a relao descrita em (22). A Tabela 10 mostra o resultado.

DIAS MS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 SEMANA Quarta-Feira Quinta-Feira Sexta-Feira Sbado Domingo Segunda-Feira Tera-Feira Quarta-Feira Quinta-Feira Sexta-Feira Sbado Domingo Segunda-Feira Tera-Feira Quarta-Feira Quinta-Feira Sexta-Feira Sbado Domingo Segunda-Feira Tera-Feira Quarta-Feira Quinta-Feira Sexta-Feira Sbado Domingo Segunda-Feira Tera-Feira Quarta-Feira Quinta-Feira CUSTO MENSAL

CUSTO DIRIO [R$] INVERSOR HR NORMAL 2,8076 2,9478 2,9431 3,3961 3,4031 3,0012 3,0185 3,0301 3,0344 3,0579 3,6281 3,6657 3,2208 3,2367 3,2396 3,2667 3,2696 3,7656 3,7738 3,4495 3,4751 3,4798 3,5036 3,5134 4,0347 4,0409 3,5795 3,7153 3,7420 3,7662 102,0065 210,3342 HR ESPECIAL 4,2067 4,4167 4,4097 0,0000 0,0000 4,4968 4,5228 4,5401 4,5466 4,5818 0,0000 0,0000 4,8259 4,8497 4,8540 4,8946 4,8989 0,0000 0,0000 5,1685 5,2069 5,2139 5,2496 5,2643 0,0000 0,0000 5,3633 5,5668 5,6068 5,6431 108,3277 CUSTO MENSAL 4,2643 4,1115 4,3976 4,8962 4,6989 4,0353 3,9190 4,0353 4,1502 4,2643 5,0019 5,0258 4,4182 4,2643 4,1115 4,0165 4,0353 5,0019 5,2554 4,5764 4,5984 4,2242 4,2441 4,4182 5,0258 4,7654 4,1697 4,0165 4,2643 4,3767 132,5835 271,7975 DIRETO HR NORMAL HR ESPECIAL 6,3894 6,1605 6,5891 0,0000 0,0000 6,0463 5,8720 6,0463 6,2184 6,3894 0,0000 0,0000 6,6200 6,3894 6,1605 6,0181 6,0463 0,0000 0,0000 6,8570 6,8900 6,3293 6,3591 6,6200 0,0000 0,0000 6,2476 6,0181 6,3894 6,5577 139,2140

Tabela 10 Custo dirio e mensal para acionamento do motor de induo trifsico, acionamentos direto e com inversor de frequncia.

Diante desses valores, percebe-se uma reduo de 22,61% no custo energtico para uma aplicao mensal com conversor de frequncia, comparando-se com acionamento

97 direto da rede de energia eltrica. Tal resultado pode ser observado na caracterstica da Figura 51.

Figura 51 Comparao entre o custo energtico mensal para funcionamento do motor com inversor de frequncia e partida direta.

Isso demonstra uma otimizao dos recursos energticos disponveis, aliado ao melhor aproveitamento do elemento filtrante devido ao controle de rotao do motor. A Tabela 11 mostra a relao de todos os dispositivos utilizados na execuo do projeto, incluindo o custo de mercado para cada elemento2.ITEM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 DESCRIO Cabo PP 3x2,5 mm2 Cabo blindado 2x1,5 mm2 Disjuntor bifsico 10 A Disjuntor trifsico 10 A Contatora auxiliar Telemecanique. Modelo: CAC2-KN223. Bobina 220 V Contatora potncia Telemecanique. Modelo: LC1-K09013. Bobina 220 V Rel trmico Telemecanique. Modelo: LR2-K0312. Regulagem: 3,7...5,5 A. Transdutor de presso ACI/LP. Faixa: 0...2". Inversor de frequncia ACS350*** QUANTIDADE 3 3 1 1 1 1 1 1 1 UNIDADE M M P P P P P P P VALOR UNITRIO [R$] 3,00 2,50 26,00 29,00 41,00 69,00 58,40 286,37 701,82 TOTAL VALOR TOTAL [R$] 9,00 7,50 26,00 29,00 41,00 69,00 58,40 286,37 701,82 1.228,09

Tabela 11 Relao dos dispositivos utilizados para a execuo do projeto, incluindo o custo total para implantao do sistema.

Considerando CT como o custo total aplicado na implantao do projeto e, rc como sendo a reduo no custo energtico mensal com aplicao do conversor de2

Todos os valores referentes aos custos desses dispositivos so provenientes do ms 03/04/2008, fornecedor

FRAVEN Vitria/ES.

98 frequncia, foi estipulado o retorno para o investimento inicial na execuo do sistema proposto. Sendo CT = R$1.228,06 e rc = R$61,46 e utilizando-se da relao:RT = CT rc

(29)

Onde, RT = Retorno do investimento inicial [meses]. Substituindo os valores de CT e rc e, resolvendo a equao (29), obteve-se:RT =

1.228,06 RT 20 (vinte) meses 61,46

(30)

Ou seja, com um investimento inicial de R$1.228,06 aps um perodo de 20 meses possvel reaver todo o capital inicial utilizado no projeto. importante salientar que no foram considerados ndices de depreciao nos valores monetrios. Entretanto, as relaes mostram uma considervel vantagem financeira na implantao do projeto proposto. 7.4 Concluso Nesse captulo foram discutidos todos os parmetros utilizados em uma anlise na influncia de um inversor de frequncia no sistema isolante do motor, aliada aos fatores de interferncia eletromagntica. A aplicao mostrou-se positiva em todos os aspectos, dispensando o uso de filtros supressores e/ou atenuadores de rudo acstico. Mostrou-se tambm positiva no que se refere ao tempo de retorno do investimento inicial, o que indica um processo benfico em tempo hbil para a aplicao realizada.

99

8

CONCLUSO

Esse projeto mostrou-se positivo no que diz respeito eficincia energtica e automao do sistema proposto. A necessidade de se preservar energia foi despertada aliada ao retorno financeiro proporcionado ao cliente final. O investimento inicial nessa aplicao proporcionou um retorno financeiro satisfatrio, alm do social e ecolgico. Alm do fator econmico, o aumento da vida til do elemento filtrante foi facilmente obtido atravs do equipamento operando de modo seguro e eficiente. Como processo de melhoria e aperfeioamento do sistema, pode-se configurar o inversor de frequncia de tal modo que quando o motor de induo trifsico em operao velocidade nominal (condio que subentende-se saturao mxima do elemento filtrante), as sadas rels do conversor acionem um alarme sonoro e/ou luminoso, desde que mantidas as caractersticas eltricas. Outro fator de destaque que no devem ser menosprezados os resultados positivos que o meio ambiente sofreria. Ao mesmo tempo em que o desenvolvimento da tecnologia tem proporcionado conforto e satisfao, inmeros efeitos nocivos ao meio ambiente tambm so provocados. Mudanas climticas, desmatamento, poluio de rios e mares, emisso de poluentes e escassez de fontes energticas so problemas que podem ser minimizados com um bom uso da energia primria. Mesmo que a eficincia energtica tenha sido colocada em segundo plano pelo governo, perceptvel que esta postura dever ser corrigida rapidamente. Ao contrario de muitos pases mais desenvolvidos, o Brasil no tem ainda como uma das prioridades principais o meio ambiente. A implantao de uma poltica energtica necessria para obter dados concretos do perfil do consumidor do pas e, a partir destes dados, traar planos e metas para obter maior eficincia no que diz respeito ao uso da energia.

100 APNDICE AENTRADA/ SADA STANDARD ABB EA1 (0...10 V) EA2 (0.20 mA) SA ED1 ED2 ED3 Ref. Frequncia Freq. Sida Parar / Arranc. Dir / Inv Veloc. Const. Entrada 1 Veloc. Const. Entrada 2 Seleo Rampa Falha (-1) Falha (-1)

MODO DE APLICAO3-FIOS Ref. Frequ