Variadores electrónicos de velocidade: análise técnico-económica

ARTIGO TÉCNICO 12

revista técnico-profissional

o electricista

Fernando J. T. Estêvão Ferreira, Instituto de Sistemas e Robótica - UC, Dep.to de Eng.ª Electrotécnica - ISEC Jorge M. L. Rodrigues de Almeida, Instituto de Sistemas e Robótica - Universidade de Coimbra

variadores electrónicos de velocidade

{ANÁLISE TÉCNICO-ECONÓMICA}

Os variadores electrónicos de velocidade com inversor por fonte de tensão e modulação por largura de impulso (VEV) têm vindo a revelar-se como dispositivos de eleição para o controlo de velocidade em motores de indução (MI). Neste artigo, analisa-se o impacto dos VEV na rede e a variação do desempenho do sistema MI+VEV em função da carga, e de que forma estes factores influem na avaliação das poupanças energéticas associadas a determinadas cargas, tais como bombas e ventiladores centrífugos.

SUMÁRIO

Variador Electrónico de Velocidade, Inversor, Motor de Indução, Distorção Harmónica, Rendimento, Factor de Potência.

PALAVRAS CHAVE

1› INTRODUÇÃO O controlo da velocidade em motores de indução tem-se manifestado muito vantajoso na maioria das aplicações de força motriz na indústria. Ventiladores, compressores, bombas, moinhos, gruas, elevadores, transportadores e serras, são alguns exemplos de aplicações para as quais a variação da velocidade toma uma importância considerável ao nível técnico e energético [1].

Actualmente, a competitividade das empresas industriais esta fortemente dependente da sua eficiência energética global. Em cargas como ventiladores e bombas centrifugas, em que a potencia consumida e sensivelmente proporcional ao cubo da velocidade de rotação, os potenciais de poupança energética associados assumem valores bastante significativos [1]. Nestes casos, a alteração do controlo de caudal por estrangulamento para controlo de caudal por variação de velocidade pode traduzir-se numa substancial redução do consumo energético.

E também frequente encontrarem-se ventiladores a trabalhar desnecessariamente a plena carga durante longos períodos do dia. Se for possível efectuar um ajuste contínuo do caudal de ar em função das necessidades efectivas do local, as poupanças energéticas que dai advém atingirão certamente valores muito significativos.

No caso das bombas centrífugas para enchimento de depósitos de armazenamento de líquidos, podem-se obter poupanças se for possível reduzir o caudal (sem tornar incompatível a capacidade de elevação) e dilatar o período de funcionamento.

De entre os vários métodos de variação de velocidade, os variadores electrónicos de velocidade são dos que mais se tem evidenciado pelo rigor e precisão de que geralmente são dotados. Possuem uma forma de controlo bastante eficaz, actuando tipicamente sobre a frequência (f) e tensão de alimentação do motor M. O variador electrónico de velocidade com inversor por fonte de tensão e modulação por largura de impulso (VEV) e 0 que mais se utiliza para motores de indução trifásicos. 0 seu modo de funcionamento assenta na comutação de uma tensão continua a frequências da ordem dos kHz, resultando a saída três formas de onda (sistema trifásico) compostas por vários impulsos de diferentes larguras.

Apresenta um rendimento bastante satisfatório (95% - 98%), uma distorção harmónica a saída relativamente reduzida e um bom factor de potência, quando comparado com outro tipo de inversores [2].

Para alem do controlo de velocidade, os VEV podem permitir, entre outras funcionalidades, arranques e paragens suaves, protecção térmica do motor e travagens regenerativas.

2› ENSAIOS LABORATORIAIS 2.1› BANCO DE ENSAIOS Com o intuito de determinar o impacto que os VEVs podem produzir nos motores de indução trifásicos com rotor em gaiola de esquilo (MIs), foram realizados vários ensaios laboratoriais. Para a realização dos ensaios foram utilizados dez MIs, com potências nominais com-

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(3) S - Poupanças anuais [€/ano] ηMI - Rendimento do MI [decimal] ηMI+VEV - Rendimento do conjunto MI + VEV [decimal] PMI - Potência mecânica do MI s/ VEV [kW] PMI+VEV - Potência mecânica do MI c/ VEV [kW] h - Períodos de funcionamento [horas] C - Custo médio do kWh para h [€] i - Regime de carga Para uma melhor compreensão da Eq. 3 considere-se por exemplo uma bomba (acoplada a um MI com uma PN de 5 kW) a funcionar cinco dias por semana com três períodos de funcionamento diários distintos (1º: 7h a 40 % do fluxo; 2º: 6h a 60 % do fluxo; 3º: 8h a 85 % do fluxo), e controlo de fluxo por estrangulamento à saída.

Figura 13 . Potência requerida para diferentes métodos de controlo do fluxo (ou

peratura e da ocorrência de descargas parciais nos MIs e, consequentemente, à degradação precoce do seu sistema de isolamento [3].

Todavia nos MIs mais recentes predestinados a serem alimentados por VEVs o sistema de isolamento é reforçado, tornando-os mais tolerantes aos referidos fenómenos [3]. A fiabilidade do MI pode ainda ser significativamente afectada pela degradação dos rolamentos devido às correntes que neles podem circular quando alimentados por VEVs [3].

5› CONCLUSÕES Antes da inclusão de um VEV devem ser analisados vários factores. Em primeiro lugar, é necessário ter em atenção a idade do MI, pois MIs muito antigos, com o sistema de isolamento enfraquecido, podem falhar em pouco tempo quando são alimentados por VEVs. Em segundo lugar, tem que se garantir que, para velocidades diferentes da nominal não se excede o binário máximo associado ao limite de dissipação térmica do MI, para que a sua temperatura de funcionamento se mantenha dentro do valor nominal. Em terceiro, lugar o VEV deve ser bem dimensionado para o MI, uma vez que o seu sobredimensionamento leva a uma diminuição do rendimento e do factor de potência do sistema, bem como ao aumento do THD da corrente à entrada.

Os ensaios realizados mostraram que a utilização dos VEVs melhora significativamente o factor de potência embora para factores de carga reduzidos este continue a ser reduzido e, mesmo para a carga nominal, o factor de potência nunca atinge os 0.93.

Não obstante serem introduzidas perdas adicionais com a inclusão dos VEVs nos sistemas de força motriz, as poupanças energéticas obtidas em cargas cujo binário é proporcional ao cubo ou ao quadrado da velocidade sobrepõem-se largamente às perdas adicionais introduzidas, tornando-os técnica e economicamente vantajosos.

caudal) para uma bomba centrífuga.

6› AGRADECIMENTOS Através das curvas representadas na Fig. 12 obtém-se os resultados expostos na Tab. 1.

Os autores agradecem à SEW-Eurodrive e ao Dinis Lima pelo seu contributo.

7› REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] "VSDs for Electric Motor Systems", ISR-University of Coimbra, European Commission, DGTE, SAVE II Programme 2000, 2001; [2] Almeida, A.; Fonseca, P.; Ferreira, F.: "Força Motriz", DEEC, Universidade de Coimbra, Maio 1999; Tabela 1 . Potência eléctrica activa consumida numa bomba centrifuga com três

[3] Ferreira, Fernando: "Métodos Avançados de Manutenção Curativa e

períodos de funcionamento.

Reabilitação de Motores de Indução Trifásicos de Baixa Tensão", ISR, DEEC Universidade de Coimbra, 2002;

Considerando 0.06 €/kWh e 260 dias de funcionamento por ano as poupanças anuais podem ser obtidas através da Eq. 3:

O tempo de retorno do investimento para o exemplo apresentado será inferior a 15 meses4. Refira-se que uma análise económica mais cuidadosa deverá considerar a eventual melhoria do factor de potência e o impacto dos VEVs na fiabilidade dos MIs. Apesar do VEV permitir a realização de arranques suaves, aumentando nestes casos o tempo de vida útil dos MIs, convém não esquecer que conduzem ao aumento da tem-

[4] Almeida, J.; Lima, D.: "Análise e Ensaios Comparativos de Diversos Tipos de Motores Industriais", DEEC - Universidade de Coimbra, 2003;

1 Institute of Electrical and Electronic Engineers 2 Todos os MIs foram colocados a funcionar a 75% da carga nominal, por um período nunca inferior a 30 minutos, considerando-se que a estabilidade térmica é atingida quando a variação da temperatura é inferior ou igual a 0.1ºC/min.

3 Segundo o fabricante, para 70% da carga nominal o rendimento é de, aproximadamente, 97%.

4 Assumindo que o custo de um VEV de 5 kW é de 1000 €.