Utilização de variadores de frequência para poupança de energia em aplicações industriais

A utilização de variadores de frequência pode proporcionar poupanças de energia significativas e aumentar a eficiência global do processo de produção ou do sistema a otimizar, fazendo corresponder eficazmente a potência aplicada ao nível exigido pelo processo.

Ao controlar a velocidade do motor, as alterações nas exigências de carga podem ser rápida e automaticamente ajustadas para manter as condições ideais do processo. Além disso, a energia necessária para o motor de acionamento começar a rodar, que se manifesta como uma elevada amperagem normalmente conhecida como corrente de "arranque", pode ser aumentada lentamente para acelerar o motor, minimizando o consumo de corrente.

Na utilização de variadores de frequência na indústria, é comum o equipamento ter esta funcionalidade de arranque suave com o arrancador de tensão reduzida, muitas vezes referido como arrancador suave, mas vai mais longe ao permitir um controlo de velocidade ajustável.

Vamos examinar neste artigo estas duas características na utilização de variadores de frequência (controlo de velocidade e arranque/paragem controlados) para compreender como se obtêm poupanças de energia e outros benefícios em termos de custos.

O conversor de frequência controla a velocidade do motor comparando um sinal de referência com um valor predefinido. O sinal de referência pode ser gerado externamente, por exemplo, através de um ponto de ajuste do processo, ou internamente pelo próprio conversor, utilizando software para modelar os parâmetros do motor. Este último é conseguido pela maioria dos inversores no mercado através do processo de sintonização automática durante a configuração inicial do conversor. A frequência e a tensão são então ajustadas para corresponder ao sinal de referência, o que por sua vez resulta em ajustes à velocidade do motor: a frequência e a velocidade são diretamente proporcionais. Se o sinal de referência indicar que o motor não precisa de funcionar à velocidade máxima (base), o conversor reduz a velocidade em conformidade. Para cargas de binário variável, tais como bombas centrífugas e ventiladores, a potência é produzida relativamente ao cubo da velocidade, por isso, se a velocidade for reduzida em apenas 10 %, a potência é reduzida em (10 %) ao cubo, ou aproximadamente 27 % (0,903) = 0,73). Embora as economias de carga de binário constante não sejam idênticas, são também significativas.

O debate continua sobre as poupanças geradas pela redução da velocidade do motor em algumas aplicações industriais versus o custo de capital da atualização para variadores de frequência. Essencialmente, se o processo estiver significativamente sobredimensionado ou for dominado por perdas por fricção, então vale a pena reduzir a velocidade do fluxo do processo. Existem várias ferramentas online para ajudar a determinar as potenciais poupanças de energia; por exemplo, alguns fabricantes de variadores de frequência têm ligações para essas ferramentas nos seus sites corporativos. Note também que se deve ter mais cuidado ao avaliar processos que requerem um binário elevado ou constante, uma vez que, em geral, as poupanças através da utilização de variadores de frequência nesses sistemas não são assim tão grandes.

Durante o arranque do motor, tem de ser fornecida uma corrente significativa aos enrolamentos do motor para superar a inércia da carga e a massa da armadura do motor. Quando os motores são iniciados "através da linha", o consumo de corrente resultante pode ser 6 a 12 vezes a amperagem de carga total e pode colocar uma grande tensão no equipamento acionado.

Nos casos em que as cargas do motor constituem uma parte significativa da procura total de eletricidade, a corrente de arranque pode gerar picos eléctricos elevados e, consequentemente, custos de energia mais elevados. Uma função de arranque suave, como a fornecida pela aceleração lenta de um motor através da utilização de um variador de frequência, pode reduzir a corrente de arranque em 3 a 6 vezes a amperagem de carga total, reduzindo o pico de procura. Além disso, os custos de manutenção preventiva de acoplamentos, veios e outros componentes accionados são reduzidos porque não estão sujeitos às tensões mais elevadas causadas pelo arranque a tensão total.

Otimização do caudal e do controlo do caudal através de conversores de frequência

Controlo do fluxo com a utilização de variadores de frequência em equipamentos rotativos

Bombas, ventiladores, sopradores e compressores que utilizam controlo mecânico do fluxo são excelentes aplicações para variadores de frequência. Até 40% de toda a eletricidade utilizada atualmente na indústria é consumida por sistemas como bombas e ventiladores. Este facto faz com que a utilização de variadores de frequência, bem como de outros sistemas de controlo de caudal, sejam alvos privilegiados para instalações que pretendam ser energeticamente eficientes.

Tradicionalmente, o caudal de ar, líquido ou gás é controlado através da utilização de válvulas, estranguladores, palhetas ou outros dispositivos mecânicos. Restringir ou reduzir o caudal com dispositivos mecânicos significa que o motor que suporta o sistema funciona a 100% da velocidade, apesar de não ser necessário um caudal de 100%. O resultado é óbvio: desperdício de energia.

Além disso, não só se desperdiça energia, como o controlo mecânico do fluxo pode causar tensões indevidas e temperaturas elevadas nos componentes do sistema, resultando numa falha prematura do sistema.

Leis de afinidade: a base da poupança. As leis de afinidade são utilizadas em hidráulica para exprimir a relação matemática entre as diversas variáveis, como a altura manométrica (pressão), o caudal volumétrico, a velocidade e a potência envolvidas no desempenho de bombas e ventiladores.

As leis da afinidade dizem:

• O caudal é proporcional à velocidade do veio.

• A cabeça (pressão) é proporcional ao quadrado da velocidade do veio.

• A potência é proporcional ao cubo da velocidade do veio.

Recuperação da energia desperdiçada com a utilização de conversores de frequência

Duas áreas gerais em que os variadores de frequência podem recuperar a energia desperdiçada: (aplicações regenerativas) são:

• Aplicações cíclicas.

• Aplicações de travagem.

Aplicações cíclicas: Neste contexto, o termo cíclico refere-se a aplicações em que a máquina é composta por uma grande carga de inércia (por exemplo, centrifugadoras e máquinas de perfuração com grandes volantes). Estes mecanismos são obrigados a deslizar a uma determinada velocidade ou a regressar a um estado definido. Durante o deslizamento ou o regresso ao estado definido, uma grande quantidade de energia de inércia gerada é simplesmente desperdiçada. Com um inversor de frequência regenerativo, esta energia pode ser recuperada e devolvida à rede eléctrica da instalação para ser utilizada noutras áreas.

Aplicações de travagem: A travagem refere-se aqui à travagem eléctrica, mais vulgarmente conhecida por travagem dinâmica. Este tipo de aplicações é conhecido como aplicações de binário de retenção. Tal como a palavra "travagem" implica, a carga é abrandada para manter uma determinada velocidade ou completamente parada. Por exemplo, na indústria mineira, os transportadores em descida têm de ter algum método para manter a sua velocidade, por razões óbvias. Uma escada rolante é um tipo de aplicação semelhante.

Travagem com conversores de frequência

Uma vez que é gerada energia ao abrandar ou parar a carga, esta deve ser dissipada de alguma forma ou o conversor de frequência será danificado e todo o controlo será perdido. Normalmente, isto é feito com um chopper de travagem (normalmente parte do conversor de frequência) e um grande banco de resistências.

Como seria de esperar, o banco de resistências é simplesmente uma forma de dissipar energia, mas esta é desperdiçada sob a forma de calor. Essencialmente, o banco de resistências é um enorme aquecedor elétrico.

No entanto, com a utilização de um inversor de frequência regenerativo, esta energia pode ser captada e devolvida à rede eléctrica da instalação para ser utilizada noutras áreas. Além disso, o banco de resistências deixa de ser necessário.

Em alguns casos, o método de travagem também tem de ser arrefecido. Isto é normalmente feito através de um sistema de arrefecimento que utiliza bombas e torres de arrefecimento. A utilização de conversores de frequência elimina completamente a necessidade de um sistema de arrefecimento que seria necessário em tais aplicações.

Para além do apoio disponível da maioria dos fabricantes de variadores de frequência, aqui na Technology for Industry podemos ajudá-lo a determinar se um variador de frequência é adequado para uma aplicação industrial específica. Entre em contacto connosco ou subscreva a nossa newsletter e saiba mais sobre os configuração e colocação em funcionamento de conversores de frequência.