FAPEN ON-LINE. Ano 1, Volume 9, Série 19/09, 2020.
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Prof. Esp. Marcos Fernandes de Souza.
Graduado em Engenharis de Controle e Automação - UNIABC.
Gradiado em Mecatrônica Industrial - SENAI.
Especialista em Docência do Ensino Superior - SENAI.
Orientador e Líder do Projeto. |
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Prof. Esp. Vlamir Belfante.
Bhacharel em Direito - UNIA.
Graduado em Tecnologia em Microprocessadores e Automação Industrial - UNIA.
Especialista em Sodtwares de Microcomputadores.
Coorientador do Projeto. |
AUTORES: Azevedo, B., Aparecido, B., Almeida, B., Sousa, D., Patrocínio,
E., Dias, E., Silva, J., Hashimoto, F., Costa, F., Oliveira, R., Escarazatti, B.,
Belfante, V., Souza, M.
RESUMO: O
presente artigo visa apresentar a aplicação do conceito de eficiência energética
em ambiente industrial por meio da utilização de inversor de frequência para
economia de energia na produção de ar comprimido dentro de indústria
automotiva. Grande parte dos processos produtivos utilizam ar comprimido para
funcionamento de apertadeiras manuais, movimento de cilindros pneumáticos em máquinas
e outros diversos equipamentos. Apesar de muito eficiente, a produção de ar
comprimido demanda uma grande quantidade de energia elétrica consumida pelo
compressor; o ligamento e desligamento do compressor é feito por meio de um
pressostato a plena carga, não contribuindo, dessa forma, para um melhor
aproveitamento da potência do motor. O estudo realizado neste trabalho emprega
um inversor de frequência para otimizar um controle de velocidade do motor do
compressor. O inversor de frequência é utilizado para melhorar o desempenho de
máquinas e equipamentos porque é por meio dele ser possível controlar a velocidade
do motor, estabilizar a tensão e evitar picos de corrente de partida. Para
verificar a eficiência, analisou-se a produção de energia e eficiência do
compressor Atlas-Copco ZR315 com inversor ABB ACS800-04M-0550-05 trabalhando 24
horas por dia com pressão mínima de 3Kgf/cm² e pressão máxima de 8Kgf/cm², com sua
atividade máxima atingida durante parte do período produtivo. Por meio da
análise do consumo de energia constatou-se que o aproveitamento máximo de
energia pode ser atingido, evitando o desperdício do fator de potência e
superdimensionamento do equipamento por conta do percentual significativo de
aproveitamento do rendimento do equipamento e da sua produção de ar comprimido.
PALAVRAS-CHAVE: eficiência energética, compressores, inversor de frequência.
ABSTRACT: This article aims to present the application of the
energy efficiency concept in an industrial environment by using frequency
inverters for energy saving in the compressed air production within automotive
industry. Production processes uses widely compressed air for manual clamps
operation, pneumatic cylinders movement in machines and others sorts of equipment.
Although very efficient, compressed air production requires a large amount of
electrical energy consumed by the compressor. The compressor is also switched
on and off by means of a pressure switch at full load, thus not contributing to
a better use of the engine power. The study carried out in this work employs a
frequency inverter to optimize the speed control of the compressor motor. The
frequency inverter is used to improve the performance of machines and equipment
because it allows to control the motor speed, stabilize voltage, and avoid
peaks of starting current. In this work, energy production and efficiency of an
Atlas-Copco ZR315 compressor with ABB inverter ACS800-04M-0550-05 was
evaluated, considering minimum pressure of 3Kgf / cm² and maximum pressure of
8Kgf / cm² by 24 hours a day, reaching its maximum activity during part of the
productive period. Through the analysis of energy consumption, it was noted
that the maximum use of energy can be achieved, avoiding the waste of the power
factor and over-dimensioning of the equipment due to the significant percentage
of use of the equipment's performance and its compressed air production.
KEYWORDS: energy efficiency, compressors,
frequency inverter.
1. INTRODUÇÃO.
Indústrias ao redor do mundo têm
como objetivo a eliminação de desperdício dentro do conjunto dos seus valores
e, em sua grande maioria, buscam pela eficiência energética de seus processos.
Algumas
empresas mantêm no seu parque industrial equipamentos mais antigos, porém por
serem de boa qualidade construtiva e porque sua substituição não se
justificaria pelo alto custo, é de interesse manter essas máquinas funcionando.
Mesmo equipamentos mais recentes utilizam tecnologia tradicionais baseadas
apenas em ligações convencionais por meio de contatores para sua partida.
Tecnologias
mais novas trazem componentes que contribuem para uma melhor eficiência de
manobras e controle de motores elétricos, onde um desses componentes é o
inversor de frequência, que pode proporcionar uma economia de energia por
controlar o motor em várias velocidades.
Dessa forma, permite a utilização
máxima da potência de maquinários por meio de um controle mais eficiente de
partida e regulação da potência dos motores instalados.
O Inversor de frequência é um
dispositivo eletrônico e programável que, dependendo da aplicação, pode ser adaptado por meio de software às
características do compressor.
Motores muito robustos demandam uma
corrente elétrica muito alta e sua partida, quando feita sem cuidados, pode
comprometer o motor a longo prazo.
O controle precisa de velocidade e torque,
pois evita picos de correntes e permite uma partida suave e sem sobrecargas.
Sem esses problemas é possível aproveitar o máximo de energia com segurança e
sem desperdícios.
Na grande maioria das vezes é utilizado um motor assíncrono
de corrente alternada para girar o compressor, pois apresenta algumas vantagens
já consagradas como robustez, baixa manutenção, partidas eficazes e custo mais
reduzido em comparação a outros motores.
O inversor possibilita variar a
velocidade e a rotação desse motor através do aumento da frequência.
A primeira
etapa é formada por uma ponte retificadora e capacitores de filtro, conforme a figura 1.
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| Figura 1 - Apresentação dos elementos da retificação e filtro, de forma simplificada. Os retificadores (diodos) e filtro capacitivo (capacitor). Nessa figura há ainda um elemento piloto que consiste no resistor R1, de 10K Ohm em série com o led D5. |
Se incluirmos os elementos da figura 1, já para a rede trifásica, teremos os diodos
retificadores, agora montados com 6 elementos, dado pela indicação (1) e o
filtro capacitivo mostrado em (4), da figura 2.
A
tensão alternada é retificada e cria o “barramento DC”, funcionando
como liga e desliga nos transistores.
Esses transistores IGBT’s (5) conduzem a
corrente que circula pelo motor e geram pulsos que são interpretados como
sinais senoidais pela carga indutiva.
A tensão contínua agora passa a ser uma
tensão trifásica que alimenta o motor.
A forma de onda é quase senoidal e,
através dos IGBT’s que funcionam como chaveamento serão determinadas a
velocidade a potência aplicada ao motor.
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| Figura 2 - Diagrama esquemático simplificado de um inversor de frequência. |
O
dimensionamento do inversor é feito por informações de potência do motor,
corrente nominal e fator de potência (FRANCHI, 2008).
A potência do inversor
precisa ser maior que a potência do compressor para não comprometer seu funcionamento.
A escolha certa do inversor trás benefícios na economia de energia consumida
por kWh.
Assim, o objetivo do presente artigo é apresentar os benefícios e a
eficiência energética do uso do inversor de frequência aplicado ao compressor
de ar comprimido.
2. DESENVOLVIMENTO.
De acordo com Teixeira (2016), nos
processos industriais existe geralmente a necessidade de se controlar a
velocidade de um determinado tipo de equipamento que, por exemplo, resultaria
em uma maior qualidade de certo produto ou, até mesmo em redução do consumo de
energia elétrica, demandando somente o necessário à aplicação.
Dentro dessa
linha, as empresas de desenvolvimento de novas técnicas de acionamentos de
máquinas rotativas, criaram um equipamento capaz de realizar esse controle de
velocidade agregado a diversas aplicações comumente exigidas.
Esse equipamento
versátil e dinâmico é conhecido como Inversor de frequência.
2.1 TIPOS DE INVERSORES.
2.1.1Inversores
com circuitos intermediários.
O inversor de frequência é utilizado para o controle de
velocidade em motores de indução e é constituído basicamente dos seguintes
estágios: retificador, filtro e inversor ou barramento CC, conforme mostrado nas
figuras 2 e 3.
É projetado para variação contínua de velocidade, proporcionando
uma economia de energia e melhorando o desempenho de máquinas e equipamentos,
devido ao controle da velocidade nos processos com redução de frequência e
eliminação do pico de corrente na partida do motor.
O inversor tem como princípio de funcionamento uma ponte retificadora
CA/CC composta por diodos, um circuito intermediário em corrente contínua com
um banco de capacitores para estabilizar a tensão CC e uma ponte inversora transistorizada
do tipo Bipolar de Porta Isolada (IGBT),
para criar a forma de onda com tensão e frequência variável na saída para o
motor (Figura 2).
Outros tipos de semicondutores podem ser utilizados também,
tais como GTO, BJT, Mosfet, entre outros (Figuras 4 e 5).
No
inversor de frequência, caso a rotação aplicada ao motor seja menor que sua
rotação nominal, sua corrente de entrada será menor que a corrente aplicada ao
motor (TEIXEIRA, 2014).
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| Figura 4 - Comparativo entre os principais dispositivos de chaveamento utilizados na eletrônica de potência. |
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| Figura 5 – Mostra física de um transistor IGBT. |
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| Figura 6 – Circuito equivalente de um transistor IGBT. |
2.1.2 Inversores Reguladores Diretos.
Os inversores reguladores diretos,
também conhecidos como “ciclo conversores”, são reguladores cuja tensão de
comutação é fornecida diretamente pela rede de alimentação.
São compostos de 6
pontes trifásicas (Figura 6) que aos pares, alimentam cada uma das fases das
cargas.
Cada par de pontes, em cada fase, opera em configuração antiparalela,
onde uma ponte fornece a corrente positiva e a outra, a corrente negativa do
meio ciclo de uma fase do motor (Figura 4).
O controle dos pulsos da tensão
secundária do transformador determina a tensão de saída, enquanto a frequência
é determinada pelos intervalos de mudança da ponte direta para a ponte reversa.
Este tipo de acionamento é utilizado principalmente onde baixas frequências (0
a 20Hz) são ajustadas continuamente em acionamentos de grandes potências (TEIXEIRA,
2014).
2.1.3 Inversores com modulação por largura de
pulsos (PWM).
Segundo Teixeira (2014), o
inversor de modulação é usado para se obter uma amostra de sinais a partir de
uma onda qualquer.
Na modulação por largura de pulso (PWM), temos um sinal que
consiste em amostras representadas por pulsos de amplitudes fixas e largura
proporcional à tensão do sinal no instante da amostragem.
Basicamente os
inversores de frequência que possuem esse tipo de controle podem ser
representados da seguinte forma (Figura 7):
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| Figura 7: Diagrama de blocos do inversor tipo PWM. |
Onde:
I – Ponte retificadora (diodos)
de alimentação monofásica ou trifásica.
II – Filtro capacitivo
(Elo CC).
III – Inversor
constituído de transistores de potência.
Na figura 8 pode-se verificar o
funcionamento do circuito PWM com a largura do pulso e não no controle da
amplitude, como em outros sistemas (FRANCHI, 2008).
É aproveitada a máxima
potência de acordo com a solicitação da operação.
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| Figura 8 – Formas de ondas de um circuito PWM. |
2.1.4 Inversores de controle
escalar.
O funcionamento dos inversores com
controle escalar se baseia em equações de regime permanente, que utilizam a
manutenção da relação U/f constante como lógica de controle.
Apresentam um
desempenho dinâmico limitado e usualmente são empregados em tarefas simples,
como controle da partida e da parada e a manutenção da velocidade em um valor
constante (regulação).
No controle escalar é possível uma precisão de
velocidade da ordem de até 0.5% da rotação nominal sem variação de carga, e de
3 a 5% com variação de carga de 0 a 100% do torque nominal.
O principio de
funcionamento e aplicação, são utilizados na maioria das vezes motores de
indução convencionais sem nenhum sistema de realimentação de velocidade em
malha fechada.
A faixa de variação de velocidade é pequena e da ordem de 1:10
(TEIXEIRA, 2014).
2.1.5 Inversores de controle vetorial.
De acordo com Teixeira (2014), os inversores de controle
vetorial se baseiam em equações dinâmicas do motor e possuem como ideia central
realizar o desacoplamento entre o controle do fluxo e o controle da velocidade
por meio de transformações de variáveis.
Esta técnica de controle permite aos
inversores serem empregados em atividades complexas que exigem grande precisão
e rápidas dinâmicas do ponto de vista de controle (OGATA, 2003).
Nas aplicações
de controle vetorial orientado ao fluxo estatórico (sem encoder – sersorless) o
valor da velocidade necessário para a regulação em malha fechada será estimado
pelo inversor através dos parâmetros do motor.
Baseado nestes valores,
calcula-se o fluxo do estator e estima-se o fluxo do rotor.
2.1.5 A diferença entre os
tipos de inversores.
Nos inversores de frequência escalar e vetorial, o tipo
escalar é usado em tarefas mais simples e tem a lógica do controle de
velocidade regulada pela relação tensão-frequência constante, enquanto o tipo
vetorial é mais complexo, contando com algoritmos inseridos no software de
controle que irão alterar a relação entre tensão e frequência para ajustar o
torque, conforme a necessidade.
Portanto, o principal ponto de diferença entre
inversor de frequência escalar e vetorial é a capacidade de inversão e, por
isso, o inversor de frequência vetorial é usado em aplicações que exigem grande
nível de precisão (DE VRIES,1999).
3. SISTEMAS DE COMPRESSÃO.
Segundo Silva Filho (2011), o ar comprimido é utilizado
com certa frequência na indústria para suprir sistemas pneumáticos em geral.
Sua produção é simples, porém tem um custo muito alto, pois demanda o uso de
energia elétrica.
Na indústria, os compressores são responsáveis pela geração
de ar comprimido para suprimento de alguns equipamentos e tem resultado em uma
excelente fonte para impulsionar motores a ar e martelos pneumáticos, além de
puxar ou empurrar materiais ao mesmo tempo de forma eficiente e controlada.
O princípio de funcionamento de um compressor depende da
sua característica construtiva.
Assim, eles podem ser volumétricos e dinâmicos.
Pode-se dizer que os compressores de maior
utilização na indústria são os alternativos, de palheta, de parafuso, de
lóbulos, centrífugos e axiais, todos do tipo volumétrico.
Outros compressores são
classificados como dinâmicos ou turbocompressores, que tem como característica
principal a presença de dois componentes: impelidor e difusor.
O impelidor é um
componente rotativo onde as pás transferem a energia recebida por um acionador
ao gás, possuindo uma componente de transferência de energia na forma de
pressão e a outra na forma de velocidade.
As máquinas volumétricas efetuam o
processo de maneira contínua (Figura 9).
O compressor de acionamento
mecânico, também conhecido por Compressor Volumétrico, é usado há muito tempo;
a Volkswagen já utilizava um compressor centrífugo inventado em França em 1905,
a Ford e Toyota usaram um compressor inventado em 1854.
O compressor
volumétrico esteve em desuso comercialmente até que ao final da década de 80 houve
um novo impulso por fabricantes como Lancia e Volkswagen, que iniciaram sua
aplicação em modelos de grande produção em série.
Os compressores volumétricos
funcionam praticamente do mesmo modo de um Turbo, com uma grande diferença que em
Turbo aproveita-se os gases de escape para movimentar a pá do compressor,
enquanto compressores volumétricos são acionados por uma correia.
Portanto, através do acionamento
da correia o compressor comprime o ar proveniente do “intercooler” (um sistema que faz o resfriamento do ar por meio de dutos ou serpentinas) e
introduz esse ar comprimido no interior do cilindro do motor.
Este mecanismo
aumenta significativamente o rendimento do motor.
Como ocorre com os alternadores, os
compressores volumétricos são acionados pelo movimento natural do motor,
geralmente por uma correia, em outras ocasiões, por uma corrente ou conjunto de
engrenagens.
Giram a uma velocidade de 10.000 a 15.000 rpm, pelo que são muito
mais lentos que os turbos.
A pressão de sobrealimentação está limitada pela
velocidade do motor (não é necessária válvula de descarga como nos turbos).
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| Figura 9: Classificação geral dos compressores. |
4. EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE INVERSORES DE
FREQUÊNCIA.
Diante da competitividade e demanda com excelência de
qualidade, associados a otimização dos custos operacionais, a indústria foi
impelida a aperfeiçoar seu processo produtivo (SILVA FILHO, 2011).
Neste
contexto, inversores de frequência foram incrementados ao processo de variação
de velocidade com a função de manter a operação em níveis necessários ao pleno
atendimento das demandas, permitindo evitar desperdícios e proporcionando melhor
aproveitamento operacional (ROCHA, 2005).
O uso do inversor de frequência ACS
800 se justifica por representar o percentual mais significativo de economia de
energia, aproximadamente 30%, e contribuindo para a redução do desgaste
mecânico e da demanda de energia, além da melhoria do fator de potência e
automatização do sistema para empresas que buscam um fluxo de caixa com folga,
conforme gráfico apresentado na Figura 10, (OLIVEIRA et al., 2016).
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| Figura 10: Percentual econômico. |
5. CONSIDERAÇÕES
FINAIS.
Em virtude dos dados apresentados, este
artigo destaca que a implantação de um inversor de frequência contribui
significativamente para a redução do consumo de energia, com excelente
aproveitamento da capacidade dos equipamentos de determinada indústria e evitando
picos de corrente na partida dos motores.
Constatou-se também que a economia
pode ser de até 30%, segundo OLIVEIRA et al (2016), quando
utilizado o inversor de frequência na indústria junto ao sistema de compressor
de ar.
Tendo em vista o momento atual, grande parte das empresas, buscam fazer um
bom aproveitamento dos seus maquinários e também garantir a eficiência
energética de todos eles diante um período de crise, para que dessa forma
retorne uma margem de investimento maior para melhorias internas.
6. REFERÊNCIAS.
BRANDÃO, V. P.; PONTES, R. S; MOREIRA, A. B.; SCHMIDLIN JR, C. R. Simulação do Percentual
de Eficiência Energética em um Sistema de Ar Comprimido com acionamento a
velocidade variável. Vitória: Anais II Congresso da ABEE 2007 em Vitória - ES,
Brasil ABEE e CBEE.
DEL TORO, Vincet. Fundamentos
de máquinas elétricas. Rio de Janeiro: LTC, 1999.
DE VRIES, I. D. High power and high frequency class-DE inverters.. Cidade do Cabo: Tese de Doutorado. UNIVERSITY OF CAPE TOWN, 1999.
FRANCHI, Claiton
M. Inversor de frequência: teoria e aplicações. São Paulo: Érica, 2008.
OGATA, K. Engenharia
de Controle Moderno. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2003.
OLIVEIRA, Elizangela
M.; ALVES, Eric F. I.; ARAÚJO, Flávio M.; SEIXAS, Thiago G.; COELHO, Marcel T.; QUINTINO, Luís F.; PIAZZA,
Cesar. Eficiência energética em compressor com o uso de inversor. Uberlância: Universidade Federal de Uberlândia, 2016.
ROCHA, N. R. Eficiência Energética em Sistemas de Ar
Comprimido. Rio de Janeiro: Manual Prático; Eletrobrás; Procel, 2005.
SILVA FILHO,
Francisco L.B. da. Estudo da Eficiência
energética no sistema de ar comprimido da unidade V da vicunha. Fortaleza: Monografia de graduação em
Engenharia Elétrica. Universidade Federal do Ceará, 2011.
TEIXEIRA, Aldrin. Aplicabilidade
e diferenças entre conversores e inversores de frequência em plantas
industriais com controle de velocidade. Belo Horizonte: Trabalho de conclusão de
curso. Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais,
2014.
