Considerações sobre a utilização de contactores de derivação com variadores de frequência (VFD)

Os técnicos da indústria estão continuamente a encontrar aplicações que beneficiam dos variadores de frequência (VFD), que permitem aos utilizadores adaptar ou alterar o seu processo para obter um resultado mais eficiente, geralmente em termos de produção.

Por exemplo, considere uma simples correia transportadora que transporta um produto para uma máquina de embalagem ou paletizador. Sem variadores de frequência, este processo será dedicado à velocidade de base predeterminada definida pelas RPM do motor, pela relação da caixa de velocidades e pelo diâmetro das rodas dentadas accionadas. Imagine o que aconteceria se a velocidade de todos os motores pudesse ser aumentada em 10% ou ajustada para cima ou para baixo para satisfazer as restrições do equipamento a jusante.

Noutra aplicação, um processo dependente da pressão ou do caudal pode exigir que um operador observe os manómetros para arrancar e parar uma máquina e evitar condições de velocidade insuficiente que afectem negativamente a eficiência global. Um variador de frequência ligado a um transdutor utilizado para feedback PID (proporcional, integral, derivativo) ajustaria a sua própria velocidade de acordo com pontos de regulação predefinidos.

Além disso, uma unidade de frequência variável pode proporcionar os benefícios de um arranque suave, utilizando um período de aceleração desde a velocidade zero até à gama alvo que diminui os danos no equipamento mecânico, como caixas de velocidades e correntes. Se um funcionário estiver doente ou a trabalhar noutra linha, toda a máquina pode ser abrandada para acomodar as limitações da restante força de trabalho.

No entanto, ao considerar se e como implementar variadores de frequência (VFDs), é também fundamental considerar o papel do contactor de bypass. Estes contactores asseguram que o funcionamento do motor continua à velocidade máxima em caso de falha do VFD ou de serviço de emergência. Este artigo aborda os factores envolvidos para determinar se uma fábrica deve (a) mudar completamente de contactores de arranque direto para variadores de frequência, ou (b) manter ambos os sistemas, proporcionando assim um sistema de reserva que evite uma paragem total da produção.

Implementação de variadores de frequência e escolha do sistema de reserva

Um dos primeiros passos na implementação de VFDs é fazer uma lista do equipamento existente que é alimentado por motores eléctricos. De seguida, trabalhando com o departamento de manutenção e produção, identifique qual o equipamento que beneficiaria da velocidade variável. Note-se que uma linha de produção com vários motores pode necessitar de um variador de velocidade em cada um deles. O aumento da produção, a eficiência e a disponibilidade de feedback do motor relativamente à corrente, velocidade e outros elementos também trarão benefícios.

Quando os VFDs estiverem instalados e a funcionar, pode ser desejável ter um sistema de reserva para motores e processos que possam ter problemas se pararem completa e inesperadamente. Para motores que anteriormente funcionavam apenas com contactores, o sistema de controlo antigo pode ser mantido em caso de falha do VFD. Para novos sistemas, pode ser necessário um estudo para determinar quais os VFDs críticos para um funcionamento correto e o melhor sistema de reserva para cada VFD.

De seguida, devem ser definidos parâmetros sobre como e quando permitir a comutação do modo VFD para o modo bypass e vice-versa. Isto pode ser tão simples como ligar uma transferência automática a um relé de avaria no VFD. Uma opção alternativa seria ligar o relé de avaria da VFD ou os transdutores a um PLC, onde parâmetros predefinidos ditarão quando e onde efetuar esta mudança.

Melhorar a operacionalidade com accionamentos de frequência variável e sistemas de reserva eficientes

No caso de uma comutação automática do variador de frequência (VFD) para contactores de arranque direto, essa comutação pode causar problemas na qualidade do produto e até pôr em risco a segurança do operador. Uma ferramenta útil nestes casos seria a instalação de luzes piloto que podem indicar que um VFD detectou um problema e se desligou. Uma vez alertado pela luz piloto, um operador ou técnico de manutenção pode analisar a situação, determinar se é seguro e necessário continuar e transferir manualmente o funcionamento do variador para o modo de derivação.

A mudança para contactores de bypass também pode resultar numa interrupção dos processos de produção normais, o que afectaria a qualidade do produto. Nestes casos, os engenheiros da fábrica devem predefinir os níveis de tolerância do processo para um produto acabado aceitável. Também pode ser importante para os operadores, pessoal de manutenção ou engenharia saber que o VFD mudou para o modo de bypass, para que a causa da mudança possa ser investigada ou corrigida. Isto pode ser conseguido através de luzes piloto no armário do variador, pop-ups num ecrã de interface da máquina (HMI) ou notificações através de telemóveis.

Em alguns casos, uma comutação automática do variador de frequência para os contactores de arranque direto pode causar problemas de qualidade ou mesmo pôr em perigo a segurança do operador. Nestes casos, as luzes piloto podem indicar que um inversor detectou um problema e se desligou. Estes cenários podem exigir que um operador ou pessoal de manutenção analise a situação, determine se é seguro e necessário continuar e transfira manualmente o funcionamento do variador para o modo de bypass.

Todos os sistemas modificados para incluir um modo de bypass também devem ser testados para garantir que o maior número possível de modos de falha possa ser identificado. Devem também garantir que o que acontece quando o VFD é desligado e substituído por contactores é claramente definido e compreendido.

Quando os contactores de bypass são utilizados em aplicações multi-motor em conjunto com variadores de frequência (VFDs), determinados parâmetros definem frequentemente os modos de comutação. Por exemplo, se os pontos de ajuste não forem avaliados corretamente num sistema AVAC relacionado com a pressão, os contactores do motor podem ligar-se e desligar-se, mesmo quando o VFD está a funcionar. Cada vez que um contactor do motor se desliga, ocorre uma sobretensão na linha de alimentação, que pode danificar os transístores de saída do VFD e provocar uma falha prematura. Quando o mesmo contactor que foi subitamente desligado é ligado novamente e a VFD está a funcionar a uma frequência mais elevada e mais próxima do nível de tensão máxima, a corrente instantânea gerada devido ao arranque pode resultar numa sobrecarga ou numa proteção de corrente elevada.

Independentemente do tipo de bypass implementado, todos os sistemas modificados para incluir um modo de bypass também devem ser testados para garantir que o maior número possível de modos de falha possa ser identificado. Devem também garantir que o que acontece quando o VFD é desligado e substituído por contactores é claramente definido e compreendido.

Além disso, em geral, não é uma boa ideia ligar e desligar os contactores enquanto o(s) motor(es) está(ão) a ser controlado(s) e está(ão) em linha com um VFD. Os VFDs modernos podem ter uma função de "binário seguro" (STO) ou uma entrada de ativação que pode ser ligada a um contacto auxiliar no contactor de bypass ou outro dispositivo. Quando estes contactores são activados, ou quando um interrutor de desconexão é desligado, o circuito STO ou de ativação no VFD muda de estado e permite a desativação adequada necessária para evitar disparos falsos ou proporcionar segurança eléctrica ao pessoal. O "binário de segurança" e a ativação podem ser definidos de forma diferente por cada fabricante de VFD, pelo que é importante ler o manual de instruções e compreender o funcionamento correto e as limitações de cada um.

Considerações operacionais para a utilização de contactores de derivação

O primeiro ponto-chave para garantir o bom funcionamento do sistema VFD/backup é efetuar uma avaliação exaustiva para determinar se os motores alvo requerem direcções (velocidade) de avanço e de recuo. Um VFD requer apenas uma entrada para selecionar o funcionamento para a frente ou para trás. No caso de componentes de arranque direto, o modo de bypass requer contactores de avanço/retrocesso e ainda mais cablagem de controlo.

Em seguida, identifique os ciclos de ativação e desativação previstos dos contactores de bypass. Pode ser necessário utilizar contactores sobredimensionados para permitir o número máximo de ciclos, de modo a manter as expectativas de produção e a qualidade do produto. O ciclo de ligar e desligar os contactores do motor pode permitir que a produção seja retomada, mas a uma velocidade inferior ou a um nível de eficiência inferior ao desejado. Durante os procedimentos de teste, certifique-se de que os motores rodam na direção desejada para cada seleção. É possível que um motor ligado a um VFD acabe por rodar no sentido inverso ao ligado a um motor de arranque direto.

Algumas cargas não beneficiariam dos contactores de derivação simplesmente devido à física. Se a carga for extremamente pesada, ou seja, com uma inércia elevada, a utilização de um contactor ou de um arrancador de arranque direto pode provocar o deslizamento das correias ou sobrecargas de corrente. Para estas cargas, pode ser utilizado um dispositivo de arranque suave em vez de um contactor para ajudar a restringir o fluxo de corrente, mas não permitirá uma velocidade variável. Mais uma vez, o desafio consiste em fornecer um sistema de reserva adequado para o seu VFD, compreendendo ao mesmo tempo as limitações que daí podem resultar.

Muitas vezes, um único VFD é utilizado para vários motores e uma estratégia de controlo em modo de derivação para esta aplicação pode utilizar um único contactor para cada motor. A velocidade relativa de cada um dos motores será determinada pela saída em volts e hertz (V/Hz) do VFD. Uma vez que todos os motores estão ligados a um único VFD, este V/Hz será o mesmo para cada motor. Por conseguinte, uma VFD que produza 50% de V/Hz irá gerar 50% da velocidade de base de cada motor. Assim, é importante notar que um motor com uma velocidade de base de 1800 rpm funcionará a cerca de 900 rpm, enquanto um motor com uma velocidade de base de 1200 rpm funcionará a cerca de 600 rpm. No caso de uma falha do VFD, o sistema pode ser operado por um sistema de controlo chamado "escalonamento". Utilizando o escalonamento, um único motor ou vários accionamentos podem ser colocados em linha ou fora de linha para ajudar a manter o ponto de regulação ou funcionamento desejado. Isto pode não ser tão produtivo como a velocidade variável fornecida pelo VFD, mas é frequentemente melhor do que não funcionar de todo. Note-se que é necessário um planeamento cuidadoso para garantir que os motores não são ligados e desligados demasiadas vezes para evitar o sobreaquecimento e a falha prematura.

Considerações de segurança e cablagem de controlo para contactores de bypass

Vejamos alguns dos problemas de cablagem de controlo com contactores de derivação. A maioria dos VFDs não tolera que a tensão de linha seja reaplicada à sua saída, onde se encontram os transístores sensíveis. Por esta razão, o contactor de saída do VFD e o contactor de bypass devem ser ligados e controlados para evitar que isto aconteça. A forma mais simples de o conseguir é através de bobinas interligadas eletricamente (ver Figura). Ao utilizar contactos auxiliares normalmente fechados em cada contactor, a tensão de controlo para a bobina de um contactor específico tem de passar primeiro pelo outro contactor. Desta forma, apenas um contactor desligado ou "fora" fornecerá um caminho elétrico completo para que a tensão de controlo chegue à bobina do outro contactor.

É importante notar que os contactores de diferentes fabricantes se ligam e desligam (também conhecido como colapso) a ritmos diferentes. Embora estes tempos se situem na gama dos milissegundos, uma sobreposição em que ambos os contactores tenham contactos fechados simultaneamente pode danificar a saída do VFD. Para evitar danos devido a diferentes taxas de colapso, apenas devem ser utilizados circuitos do mesmo fabricante e família ou tipo de modelo para estes contactores.

Uma camada adicional de proteção é a utilização de encravamentos mecânicos. Esta opção é tipicamente um pequeno dispositivo mecânico colocado entre contactores emparelhados que impede fisicamente que um contactor se ligue ou seja ativado quando o outro contactor já está sob tensão ou ainda não foi desenergizado. Na maioria das vezes, estes dois contactores são o contactor de saída do VFD e o contactor de bypass. Uma vez que a saída de ambos os contactores conduz ao(s) motor(es), os terminais de saída estão frequentemente ligados entre si por barras ou fios de ligação em ponte. Por conseguinte, se ambos os contactores forem activados ao mesmo tempo, mesmo que por breves instantes, a potência bruta fluirá através do contactor de derivação, para o contactor de saída do VFD e de volta para a saída do VFD. O encravamento mecânico foi concebido para evitar esta situação e proporciona outro nível de proteção para o dispendioso VFD.

Utilizar ou não utilizar contactores de derivação?

Os variadores de frequência podem fazer um trabalho notável no aumento da produção, melhorando a eficiência e poupando energia. No entanto, são frequentemente os primeiros dispositivos a serem culpados se algo correr mal. Além disso, se um sistema funcionou bem durante anos com uma conceção mecânica simples, constituída por contactores e lógica de ligar/desligar, por vezes, acrescentar um dispositivo eletrónico de velocidade variável pode ser um desafio para os actuais operadores de máquinas.

O sucesso da adição de VFDs a estes sistemas reside na incorporação do novo com o antigo, ao mesmo tempo que se antecipa a forma como ambos podem ser constantemente melhorados para a máxima segurança e produção. O facto de os contactores terem sido utilizados anteriormente não significa que devam ser completamente eliminados na nova conceção. Eles podem ser combinados com VFDs para continuar a fornecer um sistema de bypass funcional que pode ser usado quando necessário. Uma das melhores estratégias de prevenção é a formação do pessoal de manutenção, incluindo os operadores, sobre a gestão correcta dos dispositivos e os modos de falha mais comuns. Se o pessoal da sua fábrica estiver limitado no tempo ou no âmbito, ou se estiver relutante em aceitar o desafio de conceber e incorporar VFDs nos seus sistemas actuais, contacte integradores terceiros ou engenheiros de automação para obter assistência.

Preparação para os cenários de falha mais graves em Accionamentos de Frequência Variável

Qualquer sistema que necessite de um VFD e de um sistema de contactores de reserva para o modo de bypass requer a consideração dos cenários de falha mais graves. Se o VFD tiver uma avaria, por exemplo, e o sistema mudar para contactores de bypass, o utilizador pode criar um procedimento que permita ao pessoal de manutenção remover o conversor para reparação sem desligar completamente todo o sistema. Um sistema de três contactores inclui normalmente um contactor de entrada VFD (que pode ser substituído por um interrutor de corte), um contactor de saída VFD e um contactor de bypass.

Nesta altura, a análise da avaria é fundamental, uma vez que muitas pessoas serão tentadas a apontar o hardware mais complicado como o culpado: o VFD. Os códigos de avaria fornecidos pelo VFD fornecerão informações úteis sobre a causa do problema. Certifique-se de que o seu pessoal de manutenção sabe quais os parâmetros que incluem o historial de falhas, para que possam procurar padrões ou identificar o que o último código de erro indicou, caso tenha sido reposto por um operador ou técnico antes da chegada do pessoal de manutenção.