Exemplos de aplicações com variadores de velocidade em instalações industriais

Os variadores de velocidade são considerados o estado da arte no controlo de processos em instalações industriais, mas é importante compreender que podem não ser a resposta para todos os problemas de controlo de processos. Os utilizadores finais têm de compreender os requisitos das diferentes aplicações de variadores de velocidade e as limitações mecânicas e eléctricas do sistema para garantir que um variador de frequência é a solução certa e, acima de tudo, para o especificar corretamente. Neste artigo, resumimos algumas das principais características do processo e da carga que devem ser consideradas antes de especificar um variador de velocidade.

Factores de processo que afectam a aplicação de variadores de velocidade

A necessidade de velocidade com maior controlo

Muitos processos industriais podem beneficiar da capacidade de reduzir a produção de forma periódica ou contínua, reduzindo a velocidade do equipamento acionado. Por exemplo, os sistemas de tubagem são frequentemente "sobredimensionados" para acomodar uma futura expansão ou simplesmente para proporcionar alguma margem de funcionamento. Se o acionamento do motor à velocidade máxima resultar numa saída que tem de ser "reduzida", por exemplo através de válvulas de controlo, existe a possibilidade de aumentar a eficiência global do sistema e reduzir o consumo de energia utilizando um variador de velocidade. Dado que os custos de capital tendem a ser mais elevados para a utilização de variadores de velocidade, é importante determinar a percentagem de redução de tempo e caudal necessária e, em seguida, utilizar essa informação para estimar a redução da potência do motor que pode ser tolerada. Considerando um exemplo de aplicação de acionamento de velocidade variável com bombas centrífugas, a potência do motor varia com o cubo da velocidade. Como resultado, uma redução na velocidade do motor de apenas 15 % pode reduzir a potência necessária (e, portanto, o kW consumido) em quase 40 % (0,853 = 0,61).

Por outro lado, alguns sistemas são projectados de tal forma que a redução da velocidade não proporciona qualquer benefício operacional. Um exemplo para explicar este ponto é o caso dos sistemas de tubagens hermeticamente concebidos com muita pressão estática disponível, caso em que o caudal do sistema tende a ser controlado de forma mais eficiente com válvulas, especialmente quando são tidos em conta os custos dos variadores de velocidade.

Muitos processos podem beneficiar da utilização de tensões reduzidas durante o arranque, mesmo que não seja necessário o controlo da velocidade. Nesses casos, pode ser utilizado um arrancador de tensão reduzida (ou seja, "suave"). O arrancador suave reduzirá normalmente a corrente de arranque, o que, por sua vez, reduz as tensões mecânicas e eléctricas no equipamento acionado. Embora a aplicação de um variador de velocidade também possa fornecer esta função de "rampa para cima/rampa para baixo", pode ser excessiva (acrescentando custos e complexidade desnecessários) se não for necessária uma velocidade de processo variável.

Binário de carga em aplicações de acionamento de velocidade variável

Os variadores de velocidade são dimensionados diretamente pela saída de amperagem contínua e não pela potência. Embora esta última possa ser utilizada para aproximar o tamanho do variador de velocidade, é a quantidade de corrente necessária em condições de estado estacionário e de sobrecarga que determina o variador correto a especificar. O binário necessário para fazer funcionar a carga accionada afecta a amperagem necessária. As cargas com um binário constante ou um perfil de potência constante requerem uma maior quantidade de binário durante o arranque, o que coloca exigências de amperagem mais elevadas ao variador de velocidade no arranque. Por isso, é importante compreender os perfis de binário da carga para saber qual a classificação de amperagem do variador e a capacidade de sobrecarga a selecionar.

• Binário variável: Este perfil é típico de bombas centrífugas e ventiladores centrífugos. O binário aumenta à medida que a velocidade da carga aumenta, o que resulta numa menor exigência do conversor de frequência no arranque. O binário aumenta com o quadrado do aumento da velocidade.
• Binário constante: Típico de equipamento de transporte, bombas/compressores de deslocamento positivo e alimentadores de parafuso, este perfil é caraterístico de uma carga que requer efetivamente o mesmo binário a qualquer velocidade dentro da gama de funcionamento.
• Potência constante: Neste perfil, típico das aplicações de máquinas-ferramentas, bobinadoras e alguns transportadores accionados por carga, o binário necessário varia inversamente com a velocidade (diminuindo com o aumento da velocidade).

Os variadores de velocidade classificados para aplicações de binário variável têm potências nominais de amperagem contínua mais elevadas porque não estão a ser aplicados tanto no arranque ou quando precisam de responder a cargas variáveis. Por exemplo, um variador de velocidade classificado para uma aplicação de binário variável de 20 HP, capaz de fornecer 31 amperes contínuos a 480 volts, seria classificado apenas para uma aplicação de binário constante de 15 HP, fornecendo 23 amperes contínuos. Isto é feito para evitar que a eletrónica do variador de velocidade seja sobrecarregada quando confrontada com a necessidade de manter o binário em aplicações industriais pesadas.

Considerações sobre o lado da linha de alimentação eléctrica para aplicações de variadores de velocidade em processos industriais

Vimos que definir a aplicação do variador de velocidade e as características específicas é fundamental para garantir uma instalação económica e bem sucedida com a utilização do variador de velocidade. Para além das considerações mecânicas vistas até agora neste artigo, há várias questões relacionadas com a linha de alimentação e o lado da carga que devem ser tidas em conta ao decidir sobre a aplicação correcta do variador de velocidade (ou nenhum variador) para o processo industrial específico que pretende controlar.

Considerações sobre o lado da linha de alimentação eléctrica

• Tensão: Os accionamentos de frequência variável (para aplicações de motores CA) estão classificados para aceitar uma tensão nominal com uma tolerância padrão de +10/-10%. Fora deste intervalo, os variadores são geralmente desligados para se protegerem. No caso de uma condição de sobretensão, o risco é para o barramento CC, que geralmente funciona a cerca de 1,2 vezes o nível de tensão de entrada. Quando esse nível excede aproximadamente 1,4x o limite superior da gama de tensão de entrada, a unidade desliga-se (note que, ao contrário dos variadores de CA, devido à natureza da sua eletrónica de saída, os variadores de CC até 500V podem funcionar com tensões de entrada mais baixas; no entanto, a sua tensão de saída é reduzida em conformidade).
• Fase: Quase todos os variadores de velocidade fornecem uma saída trifásica, na maioria das vezes alimentada por uma fonte trifásica. Mas os variadores também são especificados pela sua capacidade de converter tensão monofásica em trifásica, muitas vezes em vez de conversores de fase rotativos ou electrónicos. No entanto, fazem-no a um custo mais elevado, uma vez que a sua eletrónica CC tem de ser reforçada para lidar com a entrada monofásica. Essencialmente, isto deve-se ao facto de os condensadores de ligação CC carregarem apenas 1/3 do tempo que carregariam se fossem alimentados com 3 fases, pelo que, para suavizar a ondulação do barramento CC e fornecer ao inversor o nível de tensão adequado, têm de ter uma capacitância mais elevada. Além disso, a fase única resulta em correntes de linha mais elevadas, pelo que é necessária uma maior capacidade de acionamento.

Normalmente, um variador de velocidade CA que funcione em fase única terá de ser reduzido em cerca de 50 % da sua capacidade trifásica, duplicando efetivamente o tamanho do variador de velocidade necessário. Encontrará variadores de velocidade CA de menor potência classificados como "prontos a usar" para entrada monofásica; são simplesmente unidades construídas para lidar com a capacidade mais elevada. Estas unidades são difíceis de encontrar em potências superiores a 3 kW.

Impedância: Nos casos em que a impedância da linha a montante é demasiado baixa, como no caso de um sistema de acionamento ligado muito próximo de um quadro de distribuição principal, pode ser necessário aumentar a impedância para reduzir as tensões nos componentes electrónicos do acionamento causadas pela elevada taxa de variação da corrente. Isto é frequentemente conseguido através da inserção de reactores de linha para proteger os accionamentos e os motores na linha CA ou bobinas no barramento DC.

Muitos variadores de velocidade vêm equipados com reactores de linha, que normalmente fornecem uma impedância de 3 %; se for necessário mais, estão disponíveis reactores opcionais. O aplicações de reactores de linha para accionamentos têm a vantagem adicional de reduzir os harmónicos da linha de alimentação, cuja geração é inerente à maioria dos modelos de acionamento e que pode causar problemas de funcionamento a equipamentos sensíveis a montante.

Proteção contra sobrecorrente: Os variadores de velocidade fornecem uma proteção extensiva do motor programável pelo utilizador. No entanto, têm uma proteção incorporada limitada para os seus componentes electrónicos, e uma instalação adequada requer a utilização de uma proteção contra sobreintensidades de alta velocidade e baixo "I-square". Normalmente, os fusíveis de classe J/gG são especificados para limitar a corrente e removê-la muito rapidamente, antes que os componentes electrónicos sensíveis sejam danificados. Em alguns casos, os fabricantes de variadores de velocidade testaram e aprovaram disjuntores para este fim. No entanto, estes tendem a oferecer uma resposta menos rápida, uma coordenação mais difícil com outros dispositivos de proteção e, se forem ajustados de forma demasiado apertada, trocam os disparos incómodos pela conveniência de não ter de substituir a unidade depois de disparada. Em qualquer caso, recomenda-se sempre a utilização dos dispositivos e classificações recomendados pelo fabricante.

Considerações do lado da carga em aplicações de acionamento de velocidade variável

• Amperagem do motor: as unidades são corretamente dimensionadas por amperagem e não por potência. Para assegurar uma capacidade de saída adequada, deve ser conhecida a amperagem de carga total da placa de identificação do motor acionado. É importante notar que o dimensionamento da unidade pela amperagem de carga total não é simplesmente conservador. Partindo do pressuposto de que o motor está dimensionado corretamente para o binário de carga necessário, o dimensionamento de um variador de velocidade apenas para o que o motor irá consumir em condições de carga "normais" (ou seja, sem picos) pode não fornecer binário suficiente para acionar o processo em condições de carga pesada.

  Um exemplo de uma aplicação de variadores de velocidade para explicar este ponto é o caso de um variador de velocidade de 460 volts adequado para um motor de 75 CV que, em condições de binário variável, pode gerar 96 amperes continuamente; em condições de binário constante (também conhecido como carga pesada), esse mesmo variador só seria adequado para 60 CV e 77 amperes. Isto deve-se ao facto de, em condições de carga pesada, os componentes electrónicos de saída (normalmente IGBTs ou "transístores bipolares de porta isolada") terem de disparar durante períodos mais longos e estarem mais sujeitos a sobreaquecimento, pelo que as classificações são reduzidas para os proteger.

• Frequência e magnitude da tensão: estes mesmos IGBTs são controlados pelo circuito de acionamento para disparar (ligar e desligar) a altas frequências, tipicamente 2 kHz a 16 kHz, criando transientes de tensão de alta frequência na saída do acionamento. E ao contrário de uma onda sinusoidal trifásica pura e bem equilibrada, os transientes não se cancelam uns aos outros. Como resultado, podem gerar tensões nos terminais do motor de 2 a 3 vezes ou mais a tensão de alimentação de entrada. Este efeito é grandemente exacerbado pelo longo comprimento do cabo do motor. Os motores de eficiência superior, particularmente os que cumprem as normas NEMA MG-1, são construídos para suportar estes transientes, até certo ponto. Quando os comprimentos dos cabos do motor se tornam excessivos (dependendo do fabricante e da agência de testes, talvez a partir de 100 pés ou mais), recomenda-se a utilização de filtros de saída.
• Idade/condição do motor: Em grande parte devido aos factores mencionados acima, deve ter-se cuidado ao tentar controlar um motor mais antigo ou com um sistema de isolamento marginal com um variador de frequência. Os transientes de tensão de alta frequência podem gerar muita tensão no isolamento dos enrolamentos do motor, causando eventualmente a rutura do dielétrico e um curto-circuito nos enrolamentos. Além disso, o ruído de modo comum (ou seja, da linha para a "terra") gerado pela eletrónica do variador pode provocar correntes na estrutura do motor, no veio e nos rolamentos; estas correntes procuram um caminho para a terra, resultando frequentemente em corrosão dos rolamentos e das pistas. Isto não é normalmente um fator importante para motores de estrutura mais pequena (digamos, menos de 500 NEMA/315 IEC), mas os motores maiores requerem frequentemente rolamentos isolados e ligação à terra do veio para evitar o desgaste prematuro dos componentes dos rolamentos.
• Cablagem: Para que o variador de velocidade funcione de forma limpa e com o mínimo de problemas, devem ser seguidas as boas práticas de cablagem: separar as ligações de alimentação (linha e carga) umas das outras e da cablagem de controlo é uma boa prática; utilizar cabos blindados e devidamente ligados à terra quando susceptíveis a ruído de modo comum; fornecer condutas metálicas sempre que possível; e assegurar que os condutores são dimensionados adequadamente para a corrente de saída do variador de velocidade, sendo fundamental um condutor de ligação à terra de tamanho adequado. Recomendamos que consulte os códigos eléctricos locais/regionais actuais para obter informações adicionais.

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