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.
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.
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.
2.1.1Inversores
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.
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| Figura 3: Funcionamento do inversor de frequência. |
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)[1], 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).
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. |
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.
