EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
ACIONAMENTO ELETRÔNICO
Marcio Americo
ELETROBRÁS – Centrais Elétricas Brasileiras S.A.
www.eletrobras.com
PROCEL – Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica
www.eletrobras.com/procel
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Ligação gratuita 0800 560 506
PROCEL INDÚSTRIA – EFICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
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Ligação gratuita 0800 560 506
Trabalho elaborado no âmbito do PROCEL INDÚSTRIA
Acionamento Eletrônico – Rio de Janeiro, dezembro/2004
1. Marcio Americo
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de qualquer forma ou por qualquer meio. A violação dos direitos de autor (Lei nº
9.610/98) é crime estabelecido pelo artigo 184 do Código Penal.
1.
INTRODUÇÃO
1
2.
O QUE É UM ACIONAMENTO ELETRÔNICO?
3
3.
A IMPORTÂNCIA DA VARIAÇÃO DA VELOCIDADE E DO TORQUE
5
4.
CHAVES ELETRÔNICAS
7
4.1.
Diodo
11
4.2.
Tiristor
14
4.3.
GTO (Gate Turn-Off Thyristor)
16
4.4.
Transistor Bipolar – BJT (Bipolar Junction Transistor)
16
4.5.
FET (Field Effect Transistor)
17
4.6.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
18
4.7.
Comparação entre as chaves eletrônicas
18
TIPOS DE ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS
21
5.1.
Acionamentos eletrônicos para motores CC
22
5.1.1.
Retificador a tiristores (CA-CC)
22
5.1.2.
Chopper (CC-CC)
22
5.2.
Acionamentos eletrônicos para motores CA com malha intermediária 24
5.2.1.
5.2.2.
6.
Acionamentos com malha intermediária Fonte de Tensão (VSI) 25
5.2.1.1Acionamento VSI-PAM
26
5.2.1.2Acionamento VSI-PWM
27
Acionamentos com malha intermediária Fonte de Corrente (CSI) 28
5.3.
Acionamentos sem malha intermediária (Cicloconversor)
29
5.4.
Efeitos adversos dos acionamentos eletrônicos
32
CARGAS CENTRÍFUGAS
33
6.1.
Generalidades
33
6.1.1.
Máquinas de deslocamento positivo
34
6.1.2.
Máquinas de deslocamento dinâmico
34
6.2.
3
Características das bombas
35
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
5.
Acionamento Eletrônico
SUMÁRIO
Acionamento Eletrônico
7.
6.3.
Características do sistema
35
6.4.
Ponto de operação
37
6.5.
Controle de vazão
38
6.5.1.
Generalidades
38
6.5.2.
Liga-desliga (on-off)
on-off
on-off)
39
6.5.3.
By-pass (desvio)
39
6.5.4.
Válvula de estrangulamento
39
6.5.5.
Acionamento eletrônico
41
6.6.
Leis de afinidade
42
6.7.
Aplicações típicas em bombas, ventiladores e compressores
44
6.7.1.
Bombas
44
6.7.2.
Ventiladores
45
6.7.3.
Compressores
45
FUNDAMENTOS PARA APLICAÇÕES DE ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS 47
7.1.
4
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
7.2.
7.3.
Considerações para o motor
47
7.1.1.
Motores ligados em paralelo
47
7.1.2.
Dados especiais do motor
47
7.1.3.
Desgaste do isolamento do motor
48
7.1.4.
Ruído no motor
48
7.1.5.
Aquecimento do motor
48
Considerações para o acionamento eletrônico
49
7.2.1.
Acionamento eletrônico com proteção contra curto-circuito 49
7.2.2.
Acionamento CSI em condição de circuito aberto
49
7.2.3.
Acionamentos eletrônicos com reatores
49
7.2.4.
Ruído no acionamento eletrônico
49
7.2.5.
Eficiência do acionamento eletrônico
50
7.2.6.
Fator de potência do acionamento eletrônico
50
Considerações para a carga
50
7.3.1.
Cargas em baixas velocidades
50
7.3.2.
Regeneração de energia
51
7.3.3.
Perfil torque de carga x velocidade
51
7.3.3.1.Torque constante
51
7.3.3.2.Potência constante
52
9.
10.
11.
APLICAÇÕES COMERCIAIS DE ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS
55
8.1.
Economia de Energia
55
8.2.
Conforto dos ocupantes
56
8.3.
Melhoria no método de controle
56
8.4.
Redução de demanda
56
8.5.
Diminuição de nível de ruído
56
APLICAÇÕES INDUSTRIAIS DE ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS
57
9.1.
Alumínio
57
9.2.
Química
57
9.3.
Alimentícia
57
9.4.
Fornecimento de gás
58
9.5.
Mineração
58
9.6.
Petróleo
58
9.7.
Papel
58
9.8.
Borracha e plásticos
58
9.9.
Aço
59
9.10.
Transporte de massa
59
9.11.
Conclusão
60
CONFIABILIDADE DOS ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS
61
10.1.
Generalidades
61
10.2.
Confiabilidade dos acionamentos eletrônicos de baixa tensão
62
10.2.1. Efeitos dos transitórios de sobretensão
62
10.2.2. Efeitos das subtensões e interrupções momentâneas
64
EXERCÍCIO PROPOSTO
67
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
71
5
Acionamento Eletrônico
8.
52
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
7.3.3.3 Potência e torque variável
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
6
1 INTRODUÇÃO
Uma aplicação com um potencial significativo de conservação de energia
é a utilização de acionamentos eletrônicos para o controle de vazão em
processos de bombeamento, substituindo os controles tradicionais, tais
como a válvula de controle, controle by-pass, sistema on-off etc.. Esses
processos, muito comuns nas indústrias, apresentam um potencial
teórico de economia de energia da ordem de 30 %. Além disso, estudos
já realizados mostram que quando são usados acionamentos eletrônicos
em processos com bombas centrífugas de aproximadamente 50 hp,
o tempo de retorno do investimento apresenta-se bastante reduzido,
considerando apenas a energia elétrica não consumida.
» descrever as possíveis aplicações
do acionamento eletrônico;
» difundir as vantagens e desvantagens
desse tipo de aplicação.
1
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
» apresentar informações técnicas
sobre o acionamento eletrônico;
Acionamento Eletrônico
Com isso, os objetivos principais deste manual são:
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
2
2 O QUE É UM ACIONAMENTO ELETRÔNICO?
Chamamos de acionamento eletrônico a alimentação de motores
elétricos através de conversores eletrônicos.
Existem vários tipos de acionamento eletrônico, como apresentaremos
nas seções seguintes.
3
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
O acionamento eletrônico permite que uma rede de tensão e/ou
freqüência fixas se transforme numa rede de tensão e/ou freqüência
variáveis, como ilustrado na figura 2.1. Em outras palavras, o
acionamento eletrônico é um conjunto de equipamentos que permite
o controle de velocidade e/ou torque de um motor elétrico através da
variação da tensão e/ou da freqüência de alimentação do motor.
Acionamento Eletrônico
Figura 2.1 - Rede de alimentação
tradicional e com acionamento
eletrônico.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
4
3 A IMPORTÂNCIA DA VARIAÇÃO
DA VELOCIDADE E DO TORQUE
O motor elétrico atende satisfatoriamente às exigências das aplicações a
velocidade constante. No entanto, muitas aplicações de motores requerem
velocidade variável, como em um ventilador de várias velocidades, ou
mesmo com uma faixa de velocidades continuamente ajustável.
Basicamente, existem três tipos de controle de velocidade: controle
mecânico, controle elétrico e o controle eletrônico (em ordem
cronológica crescente).
O controle mecânico de velocidade do motor pode ser conseguido
através do uso de polias e engrenagens. O maior inconveniente nesse
tipo de controle é que só se conseguem alguns valores de velocidade,
dependendo da relação das engrenagens ou das polias.
Na categoria de controle elétrico se destaca o tradicional
sistema Ward-Leonard, mostrado na figura 3.1, onde a variação
da resistência de campo do gerador faz com que o motor seja
alimentado por uma tensão variável.
5
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Entretanto, em muitos casos, os motores são providos de equipamentos
de controle capazes de modificar suas características de funcionamento
para adequá-los melhor às necessidades da carga. O controle mais
comum é o da velocidade do motor, mas o torque, a aceleração e a
posição angular também podem ser controlados.
Acionamento Eletrônico
Na maioria das aplicações, os motores são ligados diretamente a
uma rede de alimentação (CCM – Centro de Controle de Motores) e
funcionam de acordo com as suas próprias características de torquevelocidade. O ponto de operação (velocidade/torque) é simplesmente
determinado pela carga mecânica acoplada ao eixo do motor.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
Figura 3.1 - Sistema de controle WardLeonard tradicional.
Já o controle eletrônico é caracterizado pelo uso de chaves eletrônicas
no controle. Com esse tipo de controle foi possível melhorar
significativamente a qualidade do acionamento, que além de mais
eficiente, requer o emprego de menos matéria-prima. Um exemplo é o
sistema Ward-Leonard estático, mostrado na figura 3.2, que substituiu
o grupo motor-gerador do sistema Ward-Leonard tradicional por um
retificador controlado a tiristores.
6
Figura 3.2 - Sistema de controle WardLeonard estático.
4 CHAVES ELETRÔNICAS
Os acionamentos eletrônicos são compostos por chaves eletrônicas
(dispositivos semicondutores), que, quando controladas, permitem a
conversão de tensão contínua em tensão alternada e vice-versa.
Em circuitos onde a potência é elevada, é importante que os dispositivos
usados tenham perdas bastante reduzidas. Por essa razão é que essas
chaves eletrônicas devem operar preferencialmente em estado de
bloqueio ou de condução, estados esses onde as perdas são mínimas.
Entretanto, existe um terceiro estado em que a chave pode se
encontrar, o estado de comutação. Isso ocorre quando a chave está
passando do estado de bloqueio para o estado de condução e viceversa. Nesse pequeno período, existe tensão e corrente na chave, e,
conseqüentemente, as perdas aumentam bastante. Para entendermos
melhor, vejamos a figura 4.1 a seguir. Por razões de simplificação,
vamos omitir alguns detalhes do funcionamento real.
7
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Em estado de condução, a corrente que flui na chave passa a ser a
corrente nominal do circuito, mas em compensação, a tensão nos
terminais das chaves é praticamente nula, pois ela entra em curtocircuito para poder conduzir, apresentando uma pequena resistência
interna (R). Nesse caso, a perda por efeito Joule (RI2) é reduzida,
podendo até mesmo ser desprezada na maioria dos casos.
Acionamento Eletrônico
Em estado de bloqueio a chave não permite a passagem da corrente,
sendo essa praticamente nula (flui uma pequena corrente de fuga).
Com a corrente nula, as perdas (RI2) na chave também são nulas.
Figura 4.1 - Perdas nas chaves
eletrônicas.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
Vamos analisar cada trecho separadamente.
» 0 – t1 (bloqueio)
Nesse trecho, a chave permanece aberta, com a tensão nominal
aplicada aos seus terminais, mas a corrente é praticamente zero. Na
parte inferior da figura 4.1 podemos ver que as perdas são nulas, pois
não existe corrente circulando na chave.
8
» t1 – t2 (comutação)
No tempo t1 a chave recebe o comando que deve começar a conduzir,
porém a condução não ocorre instantaneamente. A corrente começa
a subir aos poucos, até atingir o seu valor final, o que acontece em t2.
Durante todo esse tempo, estão aplicados à chave tensão e corrente,
ocasionando perdas significativas.
» t2 – t3 (comutação)
Agora que a corrente já atingiu o valor final, a tensão nos terminais
da chave começa a diminuir gradativamente. Também nesse intervalo,
estão sobre a chave tensão e corrente, ocasionando perdas.
» t3 – t4 (condução)
Ao atingir o ponto t3, a chave entra em estado de condução. A corrente
mantém o valor final, mas a tensão cai a valores mínimos. Nesse
intervalo as perdas existem, pois temos tensão e corrente na chave,
porém com índices desprezíveis.
» t4 – t5 (comutação)
No instante t4, a chave recebe o comando para voltar ao estado de
bloqueio. Da mesma forma, isso não acontece de maneira instantânea.
A tensão nos terminais da chave começa a subir, até atingir o seu
valor nominal em t5. Durante esse tempo, novamente temos tensão e
corrente na chave, resultando em perdas significativas.
» t6 em diante (bloqueio)
Novamente a chave volta ao seu estado de bloqueio, com perdas
praticamente nulas. Ela permanece nesse estado até que um outro sinal
de comando seja dado para mudar seu estado.
Chegamos à conclusão que o período de comutação é o grande
responsável em termos de perdas na chave. Pensando nisso, as
pesquisas se concentram mais na obtenção de chaves com tempo de
comutação reduzido e no desenvolvimento de técnicas de comutação
com tensão ou corrente zero (conversores ressonantes). Se uma chave
apresenta perdas de comutação reduzidas, torna-se possível uma maior
quantidade de chaveamentos, no mesmo intervalo de tempo. Em outras
palavras, se o tempo de comutação é reduzido, podemos aumentar a
freqüência de chaveamento.
9
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Quando a tensão atinge o valor nominal, a corrente na chave começa
a cair, tendendo ao estado de bloqueio. Durante esse tempo, a chave
continua com tensão e corrente aplicados, fazendo com que tenhamos
perdas também nesse intervalo.
Acionamento Eletrônico
» t5 – t6 (comutação)
Esse aumento da freqüência de chaveamento traz embutido outros
benefícios, tais como:
» diminuição do conteúdo harmônico
em baixas freqüências;
» diminuição do nível de ruído audível;
» diminuição do tamanho e peso
dos transformadores e filtros.
Em suma, a chave eletrônica deveria possuir as seguintes características ideais:
» elevada capacidade de condução de corrente;
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
» elevada capacidade de suportar tensão em
estado de bloqueio;
» corrente de fuga desprezível, quando bloqueada;
» queda de tensão desprezível, quando conduzindo;
» tempo reduzido de comutação;
10
» potência necessária para comando desprezível.
As pesquisas continuam com o objetivo de se aproximar do dispositivo
perfeito. Se observarmos a evolução tecnológica, verificamos que
já foram conseguidos grandes avanços nesse sentido. Atualmente,
deposita-se uma grande expectativa nos dispositivos semicondutores a
base de diamantes, e em outros ainda mais recentes, tais como o MCT
(Mos Controlled Thyristor), SIT (Static Induction Transistor) e SITH
(Static Induction Thyristor).
Entre os vários tipos de chaves eletrônicas, podemos mencionar as mais comuns:
» diodo;
» tiristor;
» GTO (Gate Turn-Off Thyristor);
» transistor bipolar (BJT - Bipolar Junction Transistor);
» FET (Field Effect Transistor);
» IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
4.1
Diodo
A corrente vai circular
através do diodo quando
a tensão no terminal
anodo estiver positiva em relação à tensão do terminal catodo, e será
bloqueada quando o anodo se tornar negativo em relação ao catodo.
Quando o diodo entra em condução, existe uma pequena queda de
tensão entre os seus terminais, causada pela sua resistência interna.
Essa queda é da ordem de 0,7 a 1 volt.
Um circuito típico de aplicação do diodo é mostrado na figura 4.3.
Esse circuito é conhecido como retificador de meia onda.
Vamos considerar uma carga puramente resistiva. O circuito é alimentado
por uma tensão alternada (e). O diodo só vai permitir a passagem da
Figura 4.2 - Símbolo do diodo.
11
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
O diodo possui a
característica de permitir
o fluxo de corrente em
uma direção e bloquear
o fluxo de corrente no
sentido oposto.
Acionamento Eletrônico
Trata-se de um componente de dois terminais, chamados de anodo e
catodo. O símbolo do diodo é mostrado na figura 4.2.
corrente no semiciclo positivo da tensão (e), intervalo em que o anodo é
sempre positivo em relação ao catodo. O diodo comporta-se como uma
chave fechada, permitindo
a circulação de corrente.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
Figura 4.3 - Retificador de meia onda.
Já no semiciclo negativo
da tensão (e), o terminal
anodo está polarizado
negativamente em relação
ao catodo. Como vimos,
o diodo nesse estado não
permite a circulação de corrente no sentido inverso, comportando-se
como uma chave totalmente aberta.
Os gráficos da tensão e da corrente são mostrados na figura 4.4 a seguir.
12
Figura 4.4 - Formas de onda no retificador
de meia onda com carga resistiva pura.
A tensão CC média aplicada à carga é de 0,45 vezes o valor RMS da
tensão de alimentação (e).
Na figura 4.5, o circuito é agora projetado de forma a permitir a
circulação de corrente na carga em ambos os semiciclos, positivo e
negativo, e sempre na mesma direção. Esse circuito é conhecido como
retificador de onda completa.
Da mesma forma, no semiciclo negativo, os diodos D2 e D4 estarão
aptos a conduzir a corrente no mesmo sentido, enquanto que D1 e
D3 estão bloqueados.
13
É importante notar que a corrente na carga fica sempre no mesmo
sentido, independente da polaridade da tensão de alimentação (e).
Os gráficos da figura 4.6 ilustram o comportamento geral do circuito.
Figura 4.6 - Formas de onda no retificador
de onda completa.
Nesse caso, a tensão CC média na carga é de 0,90 vezes o valor RMS da
tensão de alimentação (e).
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Durante o semiciclo positivo, os diodos D1 e D3 estão polarizados
positivamente, ou seja, anodo positivo em relação ao catodo, enquanto
que D2 e D4 estão polarizados negativamente.
Acionamento Eletrônico
Figura 4.5 - Retificador de onda
completa.
4.2
Tiristor
O tiristor, também conhecido como SCR, é um componente
constituído de três terminais, anodo, catodo e gate. O símbolo para o
tiristor é mostrado na figura 4.7.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
Figura 4.7 - Símbolo do tiristor.
14
Suas características são
semelhantes às do diodo.
Permite a passagem
da corrente no sentido
anodo-catodo, e a bloqueia
no sentido contrário.
A diferença básica em relação ao diodo está no ponto onde o tiristor
inicia o processo de condução. No diodo, esse processo é iniciado
imediatamente quando a tensão do anodo fica positiva em relação ao
catodo. Já no tiristor, o início da condução pode ser controlado, ou
seja, uma vez estando o anodo polarizado positivamente em relação ao
catodo, o tiristor estará apto a conduzir, desde que ocorra a aplicação
de um pulso de corrente no terminal gate. Isso permite que o tiristor
possa ser controlado para iniciar o processo de condução no instante
desejado. Uma vez iniciada a condução, o tiristor passa a funcionar
como um diodo. A corrente vai continuar a fluir pelo tiristor até que a
tensão do anodo fique negativa em relação ao catodo, exatamente como
no diodo.A figura 4.8 ilustra um retificador de meia onda controlado
a tiristor para uma carga puramente resistiva, e a figura 4.9 ilustra o
comportamento geral do circuito.
A amplitude da tensão CC média na carga é função do instante de
disparo do tiristor, também conhecido como ângulo de disparo. Quando
o pulso de gate é aplicado bem no início do semiciclo positivo, a tensão
CC média será máxima na carga, como num retificador a diodo. A
medida em que se atrasa o instante de aplicação do pulso no gate dentro
do semiciclo positivo, menor será a tensão CC média na carga.
Se nenhum pulso for aplicado ao gate, o tiristor não irá conduzir
durante todo o ciclo, comportando-se como uma chave aberta.
15
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Figura 4.9 – Formas de onda no
retificador de meia onda controlado
a tiristor.
Acionamento Eletrônico
Figura 4.8 - Retificador de meia onda
controlado a tiristor.
4.3
GTO (Gate Turn-Off Thyristor)
O símbolo para o GTO é mostrado na figura 4.10.
No entanto, a corrente deste pulso negativo tem um valor elevado,
podendo ser da ordem de um terço da corrente do circuito principal.
16
4.4
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
Figura 4.10 - Símbolo do GTO.
O GTO tem uma
construção similar ao
tiristor. O início da
condução também é
controlado pelo pulso
aplicado ao terminal
gate, como no tiristor.
Por outro lado, o GTO
também possui o controle
do término da condução.
Isso pode ser feito com a aplicação de um pulso negativo no gate,
e mesmo com o GTO polarizado positivamente, ele interrompe a
condução de corrente.
Transistor Bipolar – BJT (Bipolar Junction Transistor)
Esse componente possui três terminais, conhecidos como coletor,
emissor e base. O símbolo
do transistor é mostrado
na figura 4.11.
Figura 4.11 - Símbolo do transistor.
O sinal de controle é
aplicado entre a base
e o emissor. Quando a
corrente de base é zero,
o transistor permanece
bloqueado (região de corte) e não existe circulação de corrente.
Quando é aplicada uma corrente suficientemente elevada no terminal
base, o transistor entra em condução (região de saturação) e oferece
uma pequena queda de tensão (1 a 2 V) de coletor para emissor. O
transistor é bloqueado simplesmente com a retirada da corrente de
base. Para manter o transistor conduzindo, é necessária uma corrente
de base permanente, ao contrário do que acontece com o tiristor e o
GTO, onde é preciso apenas um pulso para a condução.
4.5
FET (Field Effect Transistor)
O princípio de operação é diferente dos transistores convencionais
e dos tiristores. A corrente que o FET vai conduzir é controlada pela
variação de um campo elétrico no semicondutor. Esse método de
controle possui as melhores características para chaves eletrônicas. O
sinal de controle aplicado no gate para o FET conduzir ou bloquear é
mais simples, sendo preciso apenas aplicar ou retirar uma tensão. Isso
permite uma alta freqüência de chaveamento, entretanto as perdas de
condução crescem rapidamente à medida que aumenta a capacidade do
FET. Essa desvantagem representa o maior problema na aplicação desse
componente em acionamentos eletrônicos.
Figura 4.12 - Símbolo do FET.
17
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Esse componente
pertence a uma outra
família de dispositivos
semicondutores, com uma
tecnologia relativamente
nova para chaves
eletrônicas de potência.
Acionamento Eletrônico
O símbolo usado para o FET é mostrado na figura 4.12. É constituído
de três terminais: dreno,
fonte e gate.
Os circuitos utilizando o FET são similares aos explicados para o
transistor e o GTO.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
4.6
Figura 4.13 - Símbolo do IGBT.
18
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
A maioria dos acionamentos de motores CA na faixa de 1 até 400 hp
usa o IGBT como componente no circuito inversor. Seu símbolo é
mostrado na figura 4.13 a seguir.
O IGBT combina as
melhores características
do FET e do Transistor
Bipolar num componente
relativamente simples.
O controle do IGBT
também é feito por
tensão, como no FET.
Além disso, as perdas
internas são reduzidas,
como no Transistor
Bipolar. Todos esses
motivos fazem com
que o IGBT seja o componente mais utilizado nos dias de hoje em
acionamento eletrônico de motores.
4.7
Comparação entre as chaves eletrônicas
A figura 4.14 apresenta graficamente um resumo das principais
características das chaves eletrônicas mais usadas em acionamentos
eletrônicos. Aqui é possível verificar a capacidade de condução de
corrente de cada chave, a tensão que elas suportam, bem como a
freqüência de chaveamento máxima.
Acionamento Eletrônico
19
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Figura 4.14 - Características das chaves
eletrônicas mais usadas.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
20
5 TIPOS DE ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS
Os acionamentos eletrônicos podem ser divididos em dois grandes grupos:
» acionamentos para motores CC;
» acionamentos para motores CA.
Existem ainda subdivisões em cada grupo.
Já os acionamentos para motores CA, são subdivididos em:
acionamentos com e sem malha intermediária. Existe ainda uma outra
subdivisão para os acionamentos com malha intermediária: Fonte de
Tensão (VSI) e Fonte de Corrente (CSI). Novamente, os acionamentos
fonte de tensão (VSI) podem ser subdivididos em PAM (Pulse
Amplitude Modulation - Modulação por Amplitude de Pulso) e PWM
(Pulse Width Modulation - Modulação por Largura de Pulso).
A figura 5.1 esquematiza estas subdivisões mencionadas.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
21
Acionamento Eletrônico
Para motores CC, são apenas dois tipos principais: retificador e chopper.
Figura 5.1 - Tipos de acionamentos
eletrônicos.
5.1
Acionamentos eletrônicos para motores CC
O controle da velocidade do motor CC é feito através da variação
da tensão CC aplicada ao motor (na armadura e/ou no campo).
Dependendo do tipo de tensão de alimentação disponível, usamos
um tipo específico de acionamento eletrônico. No caso da fonte
de alimentação ser uma tensão CA, usamos industrialmente
um retificador a tiristores. Por outro lado, quando a fonte de
alimentação for uma tensão CC, como no caso das baterias, usamos
preferencialmente um chopper para fazer a variação dessa tensão CC.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
5.1.1 Retificador a tiristores (CA-CC)
Sendo a fonte de alimentação trifásica ou monofásica, a estrutura do
retificador a tiristores é diferente. A figura 5.2 a seguir mostra esses dois tipos.
22
Figura 5.2 - Retificador a tiristores
(monofásico e trifásico).
O funcionamento desses circuitos já foi explicado anteriormente. A
velocidade do motor CC pode ser controlada através do ângulo de
disparo do retificador.
5.1.2 Chopper (CC-CC)
Esse tipo de conversor é usado quando a fonte de alimentação
disponível já é uma tensão CC. Essa tensão pode vir de uma bateria ou
de um retificador a diodos.
A tensão média de saída (Vo) é calculada da seguinte forma:
23
Sendo: Ts = Ton + Toff
onde:
Vi = tensão de entrada
[ V ];
Ton = tempo da chave fechada
[ms];
Toff = tempo da chave aberta
[ms].
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Figura 5.3 - Esquema simplificado do
Chopper.
Acionamento Eletrônico
A tensão CC de saída (Vo) pode ser controlada desde zero até o
valor da tensão CC de entrada (Vi). O chopper utiliza uma ou mais
chaves para fazer esse tipo de controle. A tensão (Vo) é alterada
por meio do controle do tempo em que a chave fica fechada ou
aberta (T on e Toff ). Para ilustrar esse conceito de chaveamento,
consideremos o circuito da figura 5.3.
O tempo Ts geralmente é menor que 1 ms. Conseqüentemente, a
freqüência de chaveamento do chopper é maior que 1 kHz.
5.2
Acionamentos eletrônicos para motores CA com
malha intermediária
Esse tipo de acionamento eletrônico funciona por meio de uma
conversão indireta (CA-CC-CA), ou seja, converte a tensão alternada
(CA) da rede de alimentação em uma tensão/corrente contínua (CC),
e em seguida, converte essa tensão/corrente contínua novamente em
uma tensão/corrente alternada (CA).
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
O acionamento eletrônico com malha intermediária é constituído
basicamente de quatro unidades principais, como mostrado na figura 5.4:
» retificador - unidade que recebe a tensão CA da
rede e converte em uma tensão/corrente CC. Esse
retificador pode ser controlado ou não;
24
» malha intermediária - unidade onde a tensão ou
a corrente CC é filtrada, ou seja, tem suas oscilações
instantâneas minimizadas;
» inversor - unidade que converte a tensão/corrente
CC em uma tensão/corrente CA;
» unidade de controle - fornece os sinais de
controle para as demais unidades. O controle para
as diversas unidades pode ser implementado usando
diferentes princípios/técnicas, dependendo do tipo
de acionamento eletrônico.
Analogamente, uma fonte de corrente ideal caracteriza-se por
impor uma corrente fixa independente do valor da impedância
da carga. Na prática, a fonte de corrente implementada é
constituída de um indutor de elevado valor em série com um
retificador de tensão.
5.2.1 Acionamentos com malha intermediária fonte de tensão (VSI)
Aqui a malha intermediária funciona como uma fonte de tensão. A
tensão CA oriunda da rede de alimentação é retificada para se obter
uma fonte de tensão CC.
25
Acionamento Eletrônico
Uma fonte de tensão ideal caracteriza-se por impor uma tensão fixa
sobre a carga conectada a seus terminais. Na prática, a fonte de tensão
implementada é normalmente constituída de um retificador em
paralelo com um capacitor de elevado valor.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Podemos ter a malha intermediária comportando-se de duas maneiras.
Como uma fonte de tensão (VSI - Voltage Source Inverter - Inversor
Fonte de Tensão), ou como uma fonte de corrente (CSI - Current
Source Inverter - Inversor Fonte de Corrente).
Figura 5.4 - Esquema básico dos
acionamentos com malha intermediária.
A malha intermediária possui um capacitor de valor elevado. O
retificador funciona como um carregador desse capacitor, fornecendo a
ele a tensão CC. Esse capacitor carregado é que é usado como fonte de
tensão CC para o inversor.
Devemos lembrar que a amplitude da tensão fundamental CA de saída
do inversor deve ser variável, assim como a sua freqüência. Surgem
então duas possibilidades para fazer o controle da amplitude da tensão:
» no retificador de entrada
(tipo classificado como VSI-PAM); ou
5.2.1.1
Acionamento VSI-PAM
Nesta configuração, o retificador, normalmente constituído por
tiristores, faz o controle da amplitude da tensão, enquanto que o
inversor faz o controle da freqüência. Esse acionamento é denominado
como VSI-PAM (Pulse Amplitude Modulation - Modulação por
Amplitude de Pulso). Nas figuras 5.5 e 5.6 é mostrado o princípio
de funcionamento desse acionamento. Nela podemos observar duas
formas de tensão de saída entre fases Vuv, com a mesma freqüência
(f1=f2), mas com diferente amplitude (V1≠V2).
26
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
» no próprio inversor
(tipo classificado como VSI-PWM).
Figura 5.5 - Acionamento VSI-PAM.
Figura 5.6 – Formas de onda no
acionamento VSI-PAM.
Acionamento VSI-PWM
A outra possibilidade de controle consiste em fazer a variação da
amplitude da tensão CA e da freqüência apenas pelo inversor. O
retificador a diodos fornece ao capacitor uma tensão CC de amplitude
constante. O inversor fica responsável pelo controle da amplitude
e da freqüência da tensão CA de saída. Denominamos esse tipo de
acionamento como VSI-PWM (Pulse Width Modulation - Modulação
por Largura de Pulso). Nas figuras 5.7 e 5.8 é ilustrado o princípio
de funcionamento desse acionamento. Nela podemos observar duas
formas de onda de tensão que mantêm a relação tensão/freqüência
constante, enquanto o valor da tensão do capacitor permanece
constante. Trata-se do tipo mais comum comercialmente.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
27
Acionamento Eletrônico
5.2.1.2
Figura 5.7 - Acionamento VSI-PWM.
Figura 5.8.- Formas de onda no
acionamento VSI-PWM.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
5.2.2 Acionamentos com malha intermediária
Fonte de Corrente (CSI)
28
Agora a malha intermediária faz o papel de uma fonte de corrente. A tensão
da rede de alimentação é retificada para se obter uma fonte de corrente
com o auxílio de um indutor (L). O acionamento CSI opera normalmente
com uma ponte retificadora a tiristores na entrada. O inversor pode ser
de comutação forçada, como usualmente no caso dos motores de indução
usando IGBT’s, ou de comutação natural, como usualmente no caso das
máquinas síncronas de potência elevada usando tiristores.
Devemos lembrar que a comutação natural é aquela em que o
desligamento do tiristor acontece quando a corrente que passa por ele
diminui a zero e, a partir desse instante, fica bloqueado. O instante
de bloqueio fica determinado unicamente pela característica da carga
ou da fonte de alimentação. Por outro lado, na comutação forçada, o
dispositivo semicondutor é desligado ainda que estivesse conduzindo
corrente. Nesse caso, o bloqueio independe das características
da carga, enquanto a condução de corrente é assumida por outro
dispositivo, geralmente um diodo.
Nas figuras 5.9 e 5.10 é ilustrado o princípio de funcionamento deste
acionamento e as formas de onda de corrente por fase na saída do
inversor. Como pode ser visto, o somatório das correntes de fase é sempre
zero, enquanto a amplitude da corrente pelo indutor (L) é constante (Icc).
Figura 5.10 – Formas de onda no
acionamento com fonte de corrente (CSI).
5.3
Acionamentos sem malha
intermediária (Cicloconversor)
O tipo de conversão é direta (CA-CA) nesse tipo de acionamento.
A tensão CA e a freqüência de saída são obtidas diretamente da
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
29
Acionamento Eletrônico
Figura 5.9 - Acionamento com fonte de
corrente (CSI).
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
tensão CA de entrada, sem a necessidade da etapa de corrente
contínua (CC). O exemplo mais empregado industrialmente é o
Cicloconversor. O inconveniente desse tipo de acionamento é que
a freqüência de saída fica limitada a valores abaixo de 20 Hz. Na
figura 5.11 é mostrado o esquema de um cicloconversor monofásico a
partir de tensão trifásica, cuja estrutura é constituída de duas pontes
retificadoras a tiristores em anti-paralelo.
30
Figura 5.11 - Acionamento sem malha
intermediária (cicloconversor 3φ/1φ).
A partir da tensão de entrada são geradas outras, defasadas, que
comparadas adequadamente com a referência determinam os instantes
de disparo dos tiristores dos conversores positivo ou negativo. A
tensão de saída fica composta por parcelas da tensão de entrada, e sua
freqüência fundamental é igual à freqüência de referência.
Na figura 5.12 são ilustradas formas de onda características
desse cicloconversor.
Acionamento Eletrônico
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
31
Figura 5.12 - Formas de onda de um
cicloconversor monofásico.
5.4
Efeitos adversos dos acionamentos eletrônicos
Como apresentado, os acionamentos eletrônicos trazem grande
flexibilidade e economia para o controle dos motores elétricos. No
entanto, como as formas de onda de tensão e corrente não são mais
senoidais, são introduzidos harmônicos nos sistemas elétricos.
Estes harmônicos podem provocar:
» maiores perdas por aquecimento nos equipamentos;
» torques oscilatórios;
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
» ressonâncias elétricas com conseqüentes
sobretensões ou sobrecorrentes;
» interferências eletromagnéticas;
» spikes (picos) e notches
(cortes/quebras) de tensão na rede.
32
Estes problemas são, em geral, compensados pelas vantagens dos
acionamentos eletrônicos. Algumas normas técnicas apresentam
orientações sobre este assunto, dentre elas destacam-se:
» IEEE 519 - 1992;
» IEC 146 - 2.
6 CARGAS CENTRÍFUGAS
6.1
Generalidades
As aplicações de acionamentos eletrônicos são quase
sempre realizadas por engenheiros eletricistas, pelo simples
envolvimento na parte elétrica do sistema onde o acionamento
eletrônico será instalado. Por outro lado, a aplicação básica
do acionamento eletrônico, ou seja, o controle do processo,
é uma tarefa mecânica. Além disso, outras disciplinas estão
intimamente ligadas com este tema, tais como instrumentação,
engenharia de processo, química, etc..
Para suprir a necessidade de conhecimento dos aspectos mecânicos
dessas aplicações, será explicada resumidamente a teoria de cargas
centrífugas com relação ao seu controle de velocidade.
Um fluido é qualquer substância tanto no estado líquido quanto no
estado gasoso. Bombas, ventiladores e compressores são máquinas de
fluido, cujo rotor transfere energia para o fluido.
33
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Essas aplicações são geralmente facilmente justificáveis do ponto de
vista econômico, pois o rápido retorno do investimento justifica o alto
custo de aquisição do acionamento eletrônico.
Acionamento Eletrônico
As cargas centrífugas se apresentam como as melhores candidatas
para a aplicação de acionamentos eletrônicos em termos de economia
de energia. Paralelamente, pode-se conseguir uma melhoria no
processo onde esses equipamentos estão instalados. A família de
equipamentos centrífugos é composta por bombas centrífugas,
ventiladores e compressores centrífugos.
As duas principais categorias de máquinas de fluido são:
» deslocamento positivo;
» deslocamento dinâmico.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
6.1.1 Máquinas de Deslocamento Positivo
Bombas de engrenagem, bombas parafuso, compressores parafuso
são exemplos de máquinas de deslocamento positivo. Estas máquinas
apresentam característica de torque x velocidade constante. Em outras
palavras, com a redução da velocidade, o torque permanece sempre
constante, e conseqüentemente a potência requerida cai linearmente
com a velocidade, pois a potência é o produto do torque pela
velocidade. Existe um potencial de economia de energia nesse tipo de
equipamento, porém, como veremos a seguir, nas máquinas do tipo
deslocamento dinâmico, este potencial é muito maior.
6.1.2 Máquinas de Deslocamento Dinâmico
34
A máquina mais utilizada do tipo de deslocamento dinâmico é a de
fluxo radial, comumente chamada de máquina centrífuga. Bombas
centrífugas, ventiladores e compressores centrífugos são alguns
exemplos desse tipo de máquina. O mesmo conjunto de equações
é aplicado para todas as máquinas de deslocamento dinâmico, e
todas apresentam características torque x velocidade quadrática. Ou
seja, com a redução da velocidade, o torque solicitado é reduzido
ao quadrado. Considerando esta redução quadrática do torque mais
a redução da própria velocidade, a potência requerida sofrerá uma
redução proporcional ao cubo da velocidade. Esta característica
torna as máquinas centrífugas as candidatas mais interessantes para a
aplicação de acionamentos eletrônicos.
Para facilitar o entendimento, quanto nos referirmos ao termo BOMBA,
estamos falando das máquinas centrífugas de uma maneira geral.
6.2
Características das bombas
Os fatores chaves de desempenho das bombas são:
» vazão;
» pressão;
» potência;
A figura 6.1 apresenta
uma curva típica de
bombas relacionando a
vazão e a pressão.
35
Figura 6.1 – Curva típica de uma bomba.
6.3
CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA
Os sistemas onde as bombas estão instaladas são compostos de
tubulações, válvulas, registros, filtros, trocadores de calor e tudo mais
que estiver instalado junto a elas. A composição do trabalho conjunto
desses equipamentos determina a relação entre a vazão e a pressão
vista pela bomba. A fricção do fluido devido à vazão (perdas de
carga), fato que é inerente a todos os sistemas de fluidos, resulta em
quedas de pressão no sistema.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Quando esses parâmetros
são traçados em
função da vazão, eles
representam as curvas de
desempenho da bomba.
Acionamento Eletrônico
» rendimento.
Em aplicações de bombeamento, diferenças de elevação entre o
início (reservatório de sucção) e o final (reservatório de descarga)
do sistema influenciam na sua curva característica. Alguns exemplos
onde isso pode ocorrer são os sistemas onde o fluido deve ser
bombeado para tanques elevados, sendo esse fluido proveniente de
reservatórios com cota inferior à da bomba. Qualquer combinação
desses exemplos caracteriza uma curva do sistema que não parte da
origem no plano Pressão x Vazão.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
A figura 6.2 mostra uma curva de sistema típica, contendo a
influência da resistência do sistema e do desnível geométrico.
Essa curva tem a natureza parabólica, ou seja, as perdas de carga
aumentam ao quadrado com o aumento da vazão.
A curva do sistema
indica qual o valor da
pressão que a bomba
deve fornecer ao sistema
para que seja atingido
um determinado valor
de vazão. As curvas de
sistemas de ventilação
geralmente não
apresentam influências de
desnível geométrico.
36
Figura 6.2 - Curva do sistema típica.
A curva do sistema pode ser aproximada pela seguinte equação.
onde:
P = pressão do sistema
[mca];
P0 = desnível geométrico
[mca];
k = constante do sistema
[_];
Q = vazão do sistema
[m3/h].
Caso o desnível geométrico seja zero, a equação fica reduzida a um termo
quadrático simples. O valor da constante k varia também de acordo com
as unidades de pressão e vazão a serem utilizadas na equação.
Ponto de operação
Até agora, as curvas da bomba e do sistema estão sendo analisadas
separadamente. Qualquer ponto dessas curvas representa uma possível
combinação física de pressão/vazão.
Entretanto, a interação da curva da bomba com a curva do sistema
determina o ponto exato de operação, ou seja, qual o valor da pressão e
da vazão que o conjunto irá operar. Existe um único conjunto de valores
de vazão e pressão para cada ponto de operação(Q1 e H1 na figura 6.3).
37
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
A potência hidráulica requerida pela bomba é proporcional ao produto
da vazão pela pressão, ou seja, é proporcional a área de um retângulo.
Quanto menor esta área, maior será a nossa economia de energia.
Acionamento Eletrônico
6.4
Figura 6.3 – Ponto de operação.
Se nada for feito, uma determinada bomba instalada num determinado
sistema irá operar com vazão constante indefinidamente. Contudo,
principalmente em processos industriais, existe uma grande necessidade
de variação do valor da vazão do sistema. Para que isso ocorra, é
necessário que o ponto de operação seja deslocado. Isto só pode ser feito
se pelo menos uma das duas curvas (sistema ou bomba) for alterada.
6.5
CONTROLE DE VAZÃO
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
6.5.1 Generalidades
Para que seja atendida a necessidade de controle de vazão, alguns
artifícios são utilizados. Estes artifícios, ou técnicas de controle, podem
ser de origem mecânica, elétrica ou eletrônica.
A figura 6.4 mostra os métodos mais comuns de controle de vazão.
38
Figura 6.4 - Métodos mais usuais de
controle de vazão.
As bombas usam basicamente quatro métodos de controle:
» liga-desliga (on-off );
» by-pass;
» válvula de estrangulamento;
» acionamento eletrônico (método mais moderno).
6.5.3 By-pass (Desvio)
O método by-pass simplesmente retorna parte do fluido da descarga
da bomba de volta para a sua sucção. Esse desvio é feito através de uma
válvula de controle. Trata-se do método menos eficiente e menos usado
para o controle de vazão em plantas industriais, embora seja bastante
difundido em bombas d’água de chillers de prédios comerciais. O controle
by-pass também é comum em bombas de deslocamento positivo.
6.5.4 Válvula de Estrangulamento
O método da válvula de estrangulamento consiste em controlar a vazão
do sistema através da abertura e fechamento parcial de uma válvula
instalada em série com a bomba. Esse tipo de controle é possível em
39
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
No método liga-desliga, a vazão do sistema é controlada pelo
desligamento do motor quando essa ultrapassa um limite superior, e
pelo ligamento do motor para vazões abaixo de um limite inferior. A
grande desvantagem desse tipo de controle é o fato de que sucessivas
partidas do motor não só prejudicariam a parte elétrica do sistema,
devido à alta corrente de partida, como também a parte mecânica, em
termos de ruído, pressão, sedimentação e perdas na tubulação.
Acionamento Eletrônico
6.5.2 Liga-Desliga (On-Off)
bombas centrífugas porque estas possuem um limite inerente maior de
pressão na descarga, portanto a bomba pode sofrer estrangulamento
na descarga sem sofrer danos. Esse método é comumente usado em
processos onde se faz necessário o controle de vazão, e é um pouco
mais eficiente em termos energéticos do que o controle by-pass.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
A figura 6.5 mostra uma sucessão de pontos de operação de uma
bomba para uma família de curvas do sistema gerada pelo fechamento
progressivo de uma válvula de estrangulamento. Pode-se notar que a
medida que vamos fechando a válvula, a vazão do sistema vai sendo
reduzida (de Q1 para Q4).
40
Figura 6.5 - Alteração do ponto de
operação através do estrangulamento do
sistema.
Analisando a figura 6.6, para uma determinada vazão menor que
a vazão normal de projeto, uma linha vertical indica dois valores
distintos de pressão. O primeiro ponto (A) se refere a pressão que a
bomba deve fornecer ao sistema estrangulado para estabilizar na vazão
desejada. O segundo ponto (B) indica qual seria a pressão necessária
para estabelecer a mesma vazão sem estrangular a curva do sistema.
A diferença de pressão entre esses dois pontos indica o excesso de pressão
que a bomba deve fornecer ao sistema. Esse excesso é dissipado na válvula
de estrangulamento, tornando-se uma parcela adicional de perdas.
Como pode ser visto no item anterior, o uso da válvula de
estrangulamento possibilita um controle preciso da vazão do sistema,
porém com um grande desperdício de energia. Seria como controlar a
corrente do um circuito elétrico adicionando resistências em série.
O uso do acionamento eletrônico permite uma precisão ainda maior
do controle de vazão, aliada a uma significativa economia de energia.
A figura 6.7 mostra o efeito da redução da velocidade da bomba em
sua curva característica. Este efeito é similar a troca do rotor da bomba
por outro de diâmetro menor. Pode-se notar também que a potência
hidráulica teve uma redução significativa.
41
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
6.5.5 Acionamento Eletrônico
Acionamento Eletrônico
Figura 6.6 - Perdas na válvula de
estrangulamento.
Figura 6.7 - Efeito da redução da
velocidade na curva da bomba.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
6.6
LEIS DE AFINIDADE
As leis de afinidade, importantes para qualquer análise simplificada
em velocidade variável, são as leis que relacionam a velocidade com a
vazão, com a pressão e com a potência.
Essas leis dizem o seguinte:
42
» a vazão é diretamente proporcional à velocidade;
» a pressão é diretamente proporcional
ao quadrado da velocidade;
» a potência é diretamente proporcional
ao cubo da velocidade.
As equações a seguir traduzem de forma algébrica as leis de afinidade.
O sub-índice 1 se refere aos valores iniciais, enquanto que o sub-índice
2 indica os valores após a mudança da velocidade do equipamento:
onde:
Q = vazão;
H = pressão;
P = potência de saída da bomba;
N = velocidade de rotação da bomba.
É importante alertar que as leis de afinidade devem ser utilizadas
apenas como uma ferramenta indicativa dos maiores potenciais de
economia de energia, pois elas só podem ser usadas com relativa
precisão em sistemas onde a elevação estática (ou desnível geométrico
entre os reservatórios de sucção e recalque) seja zero.
43
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
A figura 6.8 mostra o erro clássico no uso indevido das leis de afinidade,
para dois sistemas diferentes usando um mesmo tipo de bomba.
Acionamento Eletrônico
O acionamento eletrônico é capaz de controlar a velocidade da bomba (ou
ventilador e compressor), produzindo com isso uma significante economia
de energia. Tomemos com exemplo uma redução de 10% na velocidade.
Nesse caso, a potência de entrada da bomba será reduzida em 27%.
Figura 6.8 - Controle de vazão para
sistemas diferentes.
Vamos analisar primeiramente o sistema 1 (sem altura estática). Para
diminuir a vazão do valor Q1 para Q2, a velocidade da bomba foi
diminuída de N1 para N3 (ponto A), ou seja, a redução de velocidade
foi de 20% (N3=0.8 N1). Isso representa uma redução na potência de
entrada da bomba de 49%.
Fazendo a mesma análise para o sistema 2, para atingirmos o mesmo
valor de vazão Q2, a velocidade da bomba foi reduzida de apenas 10%
(ponto B). Nesse caso, a redução de potência foi de apenas 27%.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
Essa diferença na redução de potência deve-se ao fato de que o sistema
2 apresenta uma pressão estática considerável, enquanto que o sistema
1 não possui tal característica.
6.7
Aplicações típicas em bombas,
ventiladores e compressores
Esse item tem como finalidade apresentar algumas aplicações típicas
de acionamentos eletrônicos em máquinas de fluido (bombas,
ventiladores e compressores).
44
6.7.1 Bombas
As aplicações típicas de acionamento eletrônico em bombas são
processos de bombeamento, rede municipal de distribuição de água,
estações de tratamento de água e esgoto, circuitos de circulação de
água gelada, entre outros.
Esses casos usam basicamente válvulas de estrangulamento para o
controle de vazão. Com a instalação do acionamento eletrônico, a
válvula deve ser bloqueada na posição aberta, e o seu sinal de controle
deve ser agora direcionado para o acionamento eletrônico.
6.7.2 Ventiladores
6.7.3 Compressores
Os compressores centrífugos se comportam da mesma forma que as
bombas e os ventiladores. O acionamento eletrônico oferece as mesmas
vantagens para os compressores tal qual para as bombas e ventiladores.
Os compressores alternativos ou de pistão são tradicionalmente usados
na indústria, devido à sua alta capacidade de armazenamento e de
pressão, baixo custo e alto rendimento.
A baixa confiabilidade e o alto custo de manutenção desse tipo de
equipamento está provocando uma migração para o compressor
centrífugo de alta velocidade controlado por acionamento eletrônico.
Esse equipamento possui uma alta confiabilidade quando comparado
com o compressor alternativo. Com o controle por acionamento
eletrônico, o compressor centrífugo de alta velocidade torna-se tão
eficiente quanto o alternativo.
45
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Para caldeiras industriais, o ar de combustão requerido depende do nível
de carga da caldeira. O fluxo de ar é variado em virtude das mudanças da
carga. No modo tradicional, o sinal de controle é enviado para o atuador
de posicionamento do damper, o qual faz a variação do fluxo de ar. Na
operação com acionamento eletrônico, o damper é removido e o sinal de
controle é enviado diretamente para o controlador do acionamento, que
faz o ajuste da velocidade do ventilador.
Acionamento Eletrônico
Ventiladores de caldeiras, fontes de ventilação, exaustores
comuns, exaustores de fornos a arco elétrico, aeradores são
algumas aplicações típicas de ventiladores. Em todos esses
casos, o acionamento eletrônico pode ser aplicado com ganhos
significativos de energia.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
Esses novos equipamentos dispensam o uso de engrenagens, comuns
em compressores alternativos. Isso simplifica a instalação e evita
problemas de alinhamento. O custo do acionamento eletrônico e do
motor de alta velocidade é em parte compensado pela eliminação do
motor comum e do sistema de engrenagens.
46
7 FUNDAMENTOS PARA APLICAÇÕES
DE ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS
Existe uma grande quantidade de informações com relação às
aplicações de acionamentos eletrônicos em motores. Algumas
relacionadas aos diferentes tipos de acionamentos disponíveis,
algumas para cálculos de desempenho de bombas e ventiladores
sobre diferentes velocidades, e algumas para o projeto e uso de
máquinas rotativas, envolvendo conceitos tais como: aceleração de
cargas inerciais e torsionais e vibração lateral. O conhecimento destes
assuntos é importante para a avaliação preliminar dos projetos de
acionamentos eletrônicos.
7.1.1 Motores ligados em paralelo
Quando motores em paralelo são acionados com um único
acionamento fonte de corrente (CSI), é importante associar a
potência do acionamento com a potência total dos motores. Por
exemplo, com um acionamento eletrônico de 100 hp controlando
5 motores de 20 hp conectados em paralelo, não mais que 2
motores devem ser desconectados, deixando no mínimo 3 motores
conectados ao acionamento. Este fato é importante, pois, quando a
corrente do conjunto de motores em paralelo cai a valores muitos
pequenos, o acionamento CSI entende que existe algum tipo de
problema com o sistema. Nos acionamentos fonte de tensão (VSI)
não teremos esse tipo de problema.
7.1.2 Dados especiais do motor
Utilizando um acionamento do tipo CSI, em muitos casos, dados
específicos do motor (reatância de dispersão) são necessários para
garantir uma boa comutação das chaves eletrônicas. Alguns modelos
47
Acionamento Eletrônico
Considerações para o motor
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
7.1
mais modernos de acionamento eletrônico já possuem a função de
reconhecimento automático desses parâmetros do motor.
7.1.3 Desgaste do isolamento do motor
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
Com um clássico acionamento CSI ou VSI-PWM, existe um desgaste
adicional no isolamento do motor. Com os CSI’s, os transitórios
de tensão elevada são limitados a níveis aceitáveis com circuitos
auxiliares. Contudo, quanto melhor for essa limitação, maior será a
redução da velocidade de resposta do acionamento CSI. Com o VSIPWM, o isolamento do motor também sofre um desgaste adicional por
causa da rápida mudança nos pulsos de tensão. Esse tipo de problema
normalmente não traz prejuízos para o motor.
7.1.4 Ruído no motor
Utilizando o VSI-PWM, o motor pode produzir mais ruído que o
normal. Contudo, com os novos projetos utilizando chaves eletrônicas de
alta freqüência de chaveamento, este problema está sendo minimizado.
48
7.1.5 Aquecimento do motor
A forma de onda de corrente distorcida produzida pelos acionamentos
eletrônicos contém harmônicos. Estes harmônicos não produzirão
torque útil, mas causarão aquecimento adicional no motor. A
quantidade de aquecimento adicional produzida com o VSI-PAM e CSI
é previsível, e variará com a faixa de velocidade em torno de 3 a 15%
de aquecimento adicional. Isto deveria ser levado em conta juntamente
com as outras considerações de aplicação quando utilizamos motores e
acionamentos eletrônicos. O aquecimento adicional com um VSI-PWM
pode ser aproximadamente o mesmo que um VSI-PAM, dependendo
do projeto do fabricante. Novos projetos com portadoras em alta
freqüência produzem menos que 5% de aquecimento adicional.
7.2
Considerações para o acionamento eletrônico
7.2.1 Acionamento eletrônico com proteção
contra curto-circuito
Nos acionamentos CSI, a corrente de curto-circuito está limitada
(propriedade do circuito), minimizando o número de fusíveis utilizados
no controle. Acionamentos VSI-PAM e VSI-PWM normalmente
precisam de fusíveis ou circuitos eletrônicos adicionais de proteção.
7.2.3 Acionamentos eletrônicos com reatores
O acionamento CSI utiliza reatores grandes e pesados, aumentando o
volume e o peso do equipamento.
7.2.4 Ruído no acionamento eletrônico
Todos os acionamentos eletrônicos podem gerar algum ruído por
causa da ressonância nas chaves eletrônicas. No CSI, ruídos adicionais
podem ser gerados no reator CC, dependendo da sua construção.
Quando os retificadores com choppers são utilizados, teremos também
geração de ruído adicional.
49
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Com acionamento eletrônico do tipo CSI, condições de circuito
aberto, tal como desconectar a carga, resultará em excessivo
aumento de tensão no circuito inversor, por causa da grande
quantidade de energia magnética armazenada no reator da malha
intermediária. A menos que circuitos especiais sejam utilizados
para descarregar esta energia, a condição de circuito aberto pode
causar problemas ao acionamento.
Acionamento Eletrônico
7.2.2 Acionamento CSI em condição de circuito aberto
7.2.5 Eficiência do acionamento eletrônico
Por causa da quantidade de variáveis envolvidas, não é prático estabelecer
valores de eficiência específica para os tipos básicos de acionamento
eletrônico. A eficiência para cada tipo deveria ser determinada pelo
fabricante, através de ensaios sob condições específicas.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
7.2.6 Fator de potência do acionamento eletrônico
50
Com acionamentos VSI-PAM e CSI, o fator de potência será
determinado pelo tipo de circuito de entrada utilizado. Quando
são utilizados tiristores no circuito retificador, o fator de
potência é relativamente baixo em velocidades reduzidas.
Quando utilizamos diodos e choppers, o fator de potência será
o mesmo que um acionamento PWM, ou seja, relativamente alto
em todas velocidades. Vale a pena ressaltar que estamos falando
do fator de potência da componente fundamental, ou seja, na
freqüência de 60 Hz. Como tanto a tensão e a corrente podem
possuir harmônicos, o fator de potência total possui valores
abaixo do fator de potência fundamental.
7.3
Considerações sobre a carga
7.3.1 Cargas em baixas velocidades
Com acionamentos VSI-PAM e CSI, pode-se notar pulsações de torque
no eixo do motor em velocidades abaixo de 600 rpm (ou 10 Hz). Essas
pulsações são causadas pela forma de onda distorcida de corrente
nestas velocidades. No VSI-PWM com projeto otimizado, a forma
de onda de corrente em velocidades abaixo de 600 rpm (ou 10 Hz) é
menos distorcida, tornando mais suave a rotação do eixo. Contudo,
nem todos os projetos de acionamentos VSI-PWM são otimizados, e
alguns produzirão pulsação de torque em baixas velocidades.
7.3.2 Regeneração de energia
Quando selecionamos um acionamento eletrônico, a característica
básica torque-velocidade da carga deve ser conhecida, para que o
alimentador do acionamento eletrônico possa ser dimensionado.
Geralmente o equipamento pode ser classificado em um dos seguintes
tipos de carga a seguir apresentados.
7.3.3.1. Torque constante
Torque constante é uma característica de transportadoras, extrusoras
e bombas de deslocamento positivo, onde o torque é constante
para todas as velocidades. A potência é diretamente proporcional à
velocidade, como mostrado na figura 7.1. A corrente solicitada pelo
motor também permanece constante em toda a faixa de velocidade.
Atenção especial deve ser dada ao aquecimento do motor em baixas
velocidades, pois a corrente continua praticamente a mesma, enquanto
que a ventilação do motor diminui. Em alguns casos, recomenda-se a
instalação de um ventilador externo ao motor.
51
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
7.3.3 Perfil torque de carga x velocidade
Acionamento Eletrônico
O acionamento CSI com retificador a tiristores prevê a possibilidade de
devolução da energia de frenagem do motor de volta para a rede CA.
Contudo, esta característica não é possível quando utilizamos um CSI
com chopper na entrada. Com acionamentos VSI-PAM ou VSI-PWM,
um conversor adicional na entrada é necessário para devolver a energia
de volta para a rede CA. Em alguns casos, para evitar a necessidade de
um conversor adicional, a energia proveniente da frenagem do motor
é dissipada na malha intermediária com o uso de um chopper e de
resistores. Este procedimento é conhecido como frenagem dinâmica
e não é o meio mais indicado em termos de economia de energia. No
entanto, trata-se de um método aceitável para baixas potências, onde a
quantidade de energia envolvida não é elevada.
Figura 7.1 - Carga com torque constante.
Acionamento Eletrônico
7.3.3.2.
Carga com potência
constante requer a mesma
potência desde a mínima
até a máxima velocidade.
Para carga com potência
constante, o torque e a
corrente são inversamente
proporcionais à
velocidade, como
mostrado na figura 7.2.
52
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Figura 7.2 - Carga com potência
constante.
7.3.3.3.
Figura 7.3 - Carga com potência e torque
variável.
Potência constante
Potência e torque variável
Potência e torque variável
ocorrem em aplicações
como ventiladores,
bombas centrífugas e
compressores centrífugos.
Esses tipos de cargas
operam com máxima
potência na máxima
velocidade. O torque varia
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
53
Acionamento Eletrônico
com o quadrado da velocidade e a potência com o cubo da velocidade,
como mostra a figura 7.3, onde se indica também a variação de vazão.
Este é o tipo particular de característica de carga que produz a maior
economia de energia para aplicações com acionamento eletrônico.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
54
8 APLICAÇÕES COMERCIAIS DE
ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS
Basicamente, as aplicações comerciais de acionamento eletrônico se
restringem aos sistemas de ar condicionado central, que no caso de
edifícios de escritório representam cerca de 45% do consumo total
de energia, podendo atingir 55% em um shopping center e 70% em
um supermercado.
Os benefícios mostrados a seguir servem como indicadores para a
tomada de decisão para a instalação de acionamentos eletrônicos.
Os melhores casos de economia de energia em sistemas de ar
condicionado são conseguidos em edificações que funcionam longos
períodos do ano com carga parcial.
Os sistemas tradicionais de ar condicionado operam
normalmente com palhetas de entrada ou damper de saída
no ventilador do fan-coil (ventilador que sopra o ar para o
compartimento através de uma serpentina gelada). Como já
vimos anteriormente, esses tipos de controle desperdiçam uma
grande quantidade de energia, principalmente quando passam
boa parte do tempo com pequena abertura. O acionamento
eletrônico permite o controle do fluxo de ar no fan-coil,
diminuindo significativamente o consumo de energia.
Essas situações são bastante comuns, pois os sistemas de ar condicionado
são projetados para atender aos dias mais quentes do ano, trabalhando
abaixo da sua capacidade máxima nos dias mais amenos.
55
Acionamento Eletrônico
Economia de energia
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
8.1
8.2
Conforto dos ocupantes
Dividindo a área total atendida pelo ar condicionado em pequenas
zonas e usando um acionamento eletrônico para atender cada uma
dessas áreas, o controle da temperatura do ambiente fica mais preciso,
aumentando o conforto das pessoas e melhorando a produtividade.
8.3
Melhoria no método de controle
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
Os acionamentos eletrônicos respondem aos sinais elétricos de
controle, diferentemente dos sistemas mecânicos de palhetas e
dampers. O controle fica mais rápido e preciso, podendo até mesmo ser
feito com a ajuda de computadores.
8.4
56
Redução da demanda
Alguns sistemas de ar condicionado são desligados no horário de
ponta para que a demanda não ultrapasse o limite contratado junto
à concessionária. Nesse período, os ocupantes passam a trabalhar em
situações de desconforto.
Com o acionamento eletrônico, o sistema de ar condicionado passa a
funcionar com capacidade reduzida, respeitando o limite da demanda
contratada. Essa situação, em termos de conforto, é melhor do que o
desligamento total do sistema.
8.5
Diminuição do nível de ruído
Os ventiladores, e até mesmo os motores, apresentam um nível de
ruído menor em velocidades reduzidas. Esse fato é decisivo para a
diminuição do nível de ruído de todo o sistema de ar condicionado,
contribuindo para uma melhor qualidade do local.
9 APLICAÇÕES INDUSTRIAIS DE
ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS
As aplicações industriais de acionamentos eletrônicos podem ser
subdivididas por ramo de atividades:
9.1
Alumínio
Química
Na etapa de transporte de fluidos, os acionamentos eletrônicos
permitem, além do melhor controle, economia de energia no
processo. Eles também possibilitam uma maior rapidez no processo,
pelo fato de as bombas e ventiladores poderem ser operados em
velocidades acima da síncrona.
9.3
Alimentícia
Os fornos são equipamentos típicos das indústrias alimentícias. Os
acionamentos eletrônicos podem ser utilizados, por exemplo, em uma
padaria, podendo ser aplicados a processos de transporte, em máquinas
de fazer massas, misturadores e embaladoras. Com isto teremos um
melhor controle do processo e maior flexibilidade na produção.
57
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
9.2
Acionamento Eletrônico
A obtenção de alumínio a partir da bauxita incorpora várias etapas de
processamento do mineral, tais como: trituração, lavagem, separação
etc.. O uso de acionamentos eletrônicos permite um melhor controle
do processo e maior flexibilidade para processar diferentes tipos de
minério de bauxita.
9.4
Fornecimento de gás
Os acionamentos eletrônicos podem ser utilizados em controle de
compressores para transporte de gás por tubulações.
9.5
Mineração
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
Nesse tipo de atividade, consome-se uma quantidade considerável
de energia elétrica. Nesse caso, os acionamentos eletrônicos ajudam
a reduzir os custos de operação e o consumo de energia. Como
exemplo, podemos citar os sistemas de exaustão e ventilação de minas
profundas, de transporte de minérios, o processo de separação do
minério da rocha, de classificação de partículas etc..
9.6
58
Petróleo
As refinarias utilizam centenas de bombas e compressores em seus
diversos processos, muitos dos quais são ótimos para a utilização de
acionamentos eletrônicos, representando boa economia de energia
elétrica. Os acionamentos eletrônicos também podem ser utilizados na
extração de petróleo, em processos de injeção de gás por compressores
para manter a alta pressão no campo de óleo, facilitando a sua extração.
9.7
Papel
A fabricação de papel envolve uma série de processos, desde o preparo
da polpa até a confecção final do papel, nas quais os acionamentos
eletrônicos podem encontrar importante aplicação.
9.8
Borracha e plásticos
O controle de velocidade é muito importante para o processo de
produção. Logo, o acionamento eletrônico tem grande aplicação nestes
tipos de processo.
9.9
Aço
» os motores CA podem ser construídos para
maiores potências que os motores CC;
» os acionamentos eletrônicos são capazes de
imprimir pequenas diferenças de velocidade com
precisão, podendo-se desta forma controlar a
espessura do produto que está sendo produzido;
» os acionamentos eletrônicos podem ser
facilmente integrados a sistemas automatizados com
controle digital.
9.10 Transporte de massa
Quase todos os tipos de transportes sobre trilhos utilizam sistemas
com motores CC para sua tração. Neste sentido, os motores de indução
59
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
» frenagem regenerativa superior, contribuindo
para uma rápida reversão da velocidade angular.
Além disso, teremos grande redução de custos com
manutenção que, no caso do motor CC, implica em
manutenção de comutadores e escovas;
Acionamento Eletrônico
Uma grande quantidade de energia é utilizada pelo sistema de controle
de poluição em siderúrgicas que utilizam fornos a arco. Para cada
tonelada de aço produzido, o sistema de controle de poluição trata
de 15 a 25 toneladas de ar, que está associada a um gasto de 35 a 40
kWh de energia por tonelada. Os acionamentos eletrônicos, neste caso,
podem ser utilizados para economizar energia. Neste tipo de indústria,
no que se refere ao processo de produção de aço em si, nota-se que
o tradicional sistema com motores CC estão sendo substituídos por
acionamentos eletrônicos e motores CA, com algumas vantagens:
em conjunto com os acionamentos eletrônicos estão assumindo papel
de destaque em muitos países da Europa e no Japão. Estas são algumas
vantagens dos motores de indução controlados por acionamentos
eletrônicos sobre os motores CC:
» motores CA mais leves permitem redução de massa
do veículo, melhorando as características de tração;
» eliminação de escovas e comutadores, resultando
em manutenção mais fácil e barata;
» completo aproveitamento da aderência entre roda
e trilho, devido à característica natural da curva
torque-velocidade do motor CA;
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
» boa capacidade de regeneração para frenagem.
9.11 Conclusão
60
Muitas outras indústrias podem utilizar sistemas com acionamentos
eletrônicos por apresentarem tipos de processos muito semelhantes
àqueles abordados aqui, dentre algumas podemos citar: indústria têxtil,
de artigos em madeira, de impressão etc..
Como podemos perceber, existe um vasto campo de aplicação para
sistemas motor de indução-acionamento eletrônico, não sendo possível
a completa abordagem de todos eles no escopo deste manual.
10 CONFIABILIDADE DOS
ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS
10.1 Generalidades
» a engenharia de aplicação melhorou muito
com a maior experiência com acionamentos
eletrônicos. Entendeu-se como fazer o
aterramento da saída do circuito inversor e como
utilizar transformadores de entrada. A separação
dos circuitos de potência e controle está mais
bem definida. Os efeitos de transitórios de tensão
devido ao chaveamento de capacitores e os efeitos
das subtensões temporárias foram classificados.
Medidas eficazes de proteção são aplicadas para
eliminar qualquer impacto de confiabilidade no
desempenho do acionamento eletrônico.
61
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
» o acionamento eletrônico em si é muito
mais confiável: os circuitos de disparo têm sido
melhorados pela aplicação de sistemas de disparo
ótico; o uso de chaves eletrônicas avançadas, tais
como o GTO e o IGBT, reduziu enormemente
a quantidade de peças do circuito inversor;
reconhecendo a sensibilidade dos tiristores às altas
temperaturas, acionamentos eletrônicos para média
tensão utilizam refrigeração a água, que é muito
mais eficiente que a ar;
Acionamento Eletrônico
O impedimento à introdução dos acionamentos eletrônicos de alta
potência e média tensão em algumas das maiores indústrias refere-se
principalmente à confiabilidade. A confiabilidade dos acionamentos
eletrônicos melhorou consideravelmente durante os 15 anos passados.
Os melhoramentos originam-se de duas direções:
10.2 Confiabilidade dos acionamentos eletrônicos de
baixa tensão
10.2.1
Efeitos dos transitórios de sobretensão
O chaveamento de capacitor é um evento comum em sistemas de
distribuição. Capacitores em paralelo são utilizados em alimentadores
de distribuição, em subestações e no sistema de transmissão. Eles
ajustam a tensão de linha para diferenças de carga entre dia e noite e
podem ser chaveados com freqüência diária.
62
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
Os acionamentos eletrônicos são mais susceptíveis a transitórios de
sobretensão do que os motores. As chaves semicondutoras de potência
usadas em muitos acionamentos eletrônicos têm tensão de pico inversa
(PIV) da ordem de 1200 V. Este valor de PIV é de 177% da tensão de
pico nominal para um sistema de 480 V. Muitas montagens de chaves
semicondutoras de potência são equipadas com varistores para sua
proteção. Enquanto os varistores são eficazes para transitórios de baixa
energia, eles podem ser destruídos pela amplitude dos transitórios de
chaveamento de capacitores.
Figura 10.1 - Transitório de tensão
devido ao chaveamento do banco de
capacitores.
A energização dos capacitores causa uma oscilação de tensão
transitória entre o capacitor e as indutâncias do sistema de
potência. O resultado, ilustrado na figura 10.1 para um sistema de
distribuição de 16 kV, é um transitório de sobretensão que pode
estar na ordem de
2 pu no capacitor.
A amplitude é
normalmente
menor por causa
do amortecimento
produzido pelas cargas
do sistema e perdas.
Sobretensões transitórias causadas pela energização de capacitores
não são geralmente problema para o sistema, ao contrário dos
acionamentos eletrônicos, pois estes não são capazes de operar
com proteção de sobretensões e estão bem abaixo dos níveis de
suportabilidade dos transformadores de distribuição. Estes transitórios
podem ser ampliados pelo banco de capacitores de correção do fator de
potência no consumidor industrial.
A amplitude dos transitórios de sobretensões pode ser controlada de
diferentes modos:
A correção do fator de potência em 480 V pode ser implementada com
filtros de harmônicos ao invés de bancos de capacitores em paralelo.
Os filtros sintonizados mudam a resposta do circuito e normalmente
previnem o problema de amplificação. Esta é uma boa solução para
uma combinação de correção do fator de potência, controle de
harmônicos e controle de transitórios.
Um modo efetivo para eliminar o problema de acionamento indevido
da proteção(tripping) é isolar o acionamento eletrônico do sistema de
potência com indutores série (chokes ou transformadores de isolamento).
A indutância série adicional do choke ou do transformador de entrada
reduz o surto de corrente para o acionamento eletrônico, limitando,
63
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
» varistores de alta energia podem ser usados em
480 V. A capacidade de energia destes varistores deve
ser no mínimo 1 kJ. Isto pode limitar a amplitude
do transitório para aproximadamente 1,8 pu, que
ainda pode não ser suficiente para proteger cargas
eletrônicas sensíveis.
Acionamento Eletrônico
» o transitório de chaveamento do capacitor pode ser
controlado no sistema pelo uso de chaves a vácuo com
controle de sincronismo para energizar o banco de
capacitores na passagem pelo zero, sempre que possível;
deste modo, a sobretensão CC. A determinação do tamanho preciso de
um indutor adequado para um acionamento eletrônico necessitaria de
uma simulação um pouco detalhada, mas uma reatância no valor de 3%
da potência do acionamento eletrônico é normalmente suficiente para
resolver o problema.
10.2.2
Efeitos das subtensões e
interrupções momentâneas
Sempre que existe uma falta no sistema de transmissão ou distribuição
que serve a consumidores comerciais ou industriais, isto acarretará
uma subtensão temporária ou interrupção. As faltas não podem
ser completamente evitadas, apesar de todo um projeto de sistema.
A subtensão temporária persistirá até a falta ser eliminada por um
elemento de proteção, normalmente em 3 a 30 ciclos dependendo da
localização da falta. Se a falta está no mesmo alimentador que uma
indústria, provavelmente a energia será completamente interrompida.
Com a atuação de circuitos religadores, a energia será restaurada após
um tempo determinado, se a falta é temporária.
64
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
Outro problema para aplicações de acionamento eletrônico é a
sensibilidade do controle a subtensões temporárias de curta duração
e interrupções momentâneas. Outros aparatos elétricos, incluindo
contatores de motores, são também sensíveis a subtensões temporárias.
Figura 10.2 - Subtensão causada por uma
falta remota.
Freqüentemente,
religadores são
ajustados para abrir e
fechar um certo número
de vezes, coordenando
com os fusíveis do
circuito, enquanto dão
uma chance de a falta
ser retirada. A figura
10.2 ilustra as formas de onda de tensão que podem ocorrer em um
consumidor remoto a partir da localização da falta, com a falta em
diferentes alimentadores ou no sistema de transmissão.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
65
Acionamento Eletrônico
Idealmente, os controles de acionamento eletrônico deveriam ser
projetados para segurar condições de subtensões temporárias sem
ocorrer tripping. Alguns acionamentos eletrônicos têm garantido em suas
especificações a possibilidade de operar com subtensões temporárias.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
66
11 EXERCÍCIO PROPOSTO
Considere um sistema de bombeamento típico com controle de vazão
realizado com uma válvula de estrangulamento. Existe uma proposta
de instalação de um acionamento eletrônico para efetuar esse mesmo
controle de vazão. Calcule a economia de energia elétrica a ser
conseguida como esse novo sistema.
Dados do problema
Desnível geométrico entre reservatórios = 25 m
Horas de funcionamento = 8.000 h/ano
Fluido de trabalho = Água (densidade = 1)
67
Rendimento do acoplamento = 100%
Rendimento do motor = 93,1% (30 cv - 3.560 rpm - 100% de carga)
Bomba - Tipo KSB meganorm 50-160 com o rotor 174
Curvas do sistema e da bomba (figuras 11.1, 11.2 e 11.3)
Tabela 11.1 - Ciclo de trabalho
Ponto
Vazão (m3/h)
Horas de funcionamento
1
30
3.000
2
50
2.500
3
70
1.500
4
100
1.000
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Custo da energia = R$ 120,00 / MWh
Acionamento Eletrônico
Vazão nominal do sistema = 100 m3/h
Fórmula para o cálculo da potência hidráulica.
onde:
Ph = potência hidráulica (potência na saída da bomba)
ρ = densidade relativa
[ hp ];
[ρfluido/ρágua];
Q = vazão
[ m3/h ];
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
H = pressão (metros de coluna d’água)
[ mca ].
Uma vez que as curvas do sistema e da bomba já são dadas no
problema (figuras 11.1, 11.2 e 11.3), bem como os valores nominais
do processo (vazão, densidade etc.), podemos calcular a energia
consumida pelo sistema no caso de controle com válvula de
estrangulamento (tabela 11.2).
Tabela 11.2 - Planilha de cálculo para a bomba usando válvula de estrangulamento
68
Ponto
Vazão
(m3/h)
Horas
Pressão
(mca)
Ph
(hp)
 bomba
(%)
BHP (hp)
Pelet (hp)
Pelet
(kW)
Energia
(MWh)
Custo (R$/ano)
1
30
3.000
62,0
6,79
57,0
11,91
12,79
9,54
28,63
3.435,41
2
50
2.500
61,0
11,13
69,0
16,13
17,33
12,93
32,32
3.878,02
3
70
4
100
Total 
Na tabela 11.3, vamos simular o funcionamento do sistema caso o
controle de vazão seja feito pela variação da velocidade da bomba, e
não mais pela válvula de estrangulamento.
Tabela 11.3 - Planilha de cálculo para a bomba usando acionamento eletrônico
Ponto
Vazão
(m3/h)
Horas
Pressão
(mca)
Ph
(hp)
 bomba
(%)
BHP (hp)
Pelet (hp)
Pelet
(kW)
Energia
(MWh)
Custo (R$/
ano)
1
30
3.000
29,0
3,18
64,0
4,96
5,33
3,98
11,93
1.431,13
2
50
2.500
33,0
6,02
75,0
8,03
8,62
6,43
16,08
1.930,11
3
70
4
100
Total 
69
Figura 11.1 – Curvas da bomba e do
sistema.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
O custo aproximado de um acionamento eletrônico para um motor de
30 cv é de R$ 6.000,00. O tempo de retorno simples desse investimento
será de ________ meses.
Acionamento Eletrônico
Comparando as tabelas 11.2 e 11.3, podemos dizer que a instalação
do acionamento eletrônico para o controle de vazão possibilita uma
economia de energia anual de _________ MWh, gerando uma redução
na conta de energia de R$ _____________ por ano.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
Figura 11.2 – Curva da bomba operando
com válvula de estrangulamento
(rendimento).
70
Figura 11.3 – Curva da bomba
operando com acionamento eletrônico
(rendimento).
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- Case study 124, ETSU, 1991.
Variable speed drives, motors and belt retrofits. Brad Gustafson, PG&E
Energy Center, 1994.
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
75
ELETROBRÁS / PROCEL
Presidência
Silas Rondeau
Diretoria de projetos especiais e desenvolvimento tecnológico industrial
Aloísio Vasconcelos
Departamento de desenvolvimento de projetos especiais
George Alves Soares
Divisão de projetos setoriais de eficiência energética
Fernando Pinto Dias Perrone
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Acionamento Eletrônico
EQUIPE TÉCNICA
Autor
Marcio Americo
76
ELETROBRÁS / PROCEL
Coordenadora do PROCEL INDÚSTRIA
Vanda Alves dos Santos
Equipe PROCEL INDÚSTRIA
Bráulio Romano Motta
Carlos Aparecido Ferreira
Carlos Henrique Moya
Frederico Guilherme S. M. Castro
CEPEL
Edson Szyszka
Osvaldo Luiz Cramer de Otero
Fabiane Maia
Evandro Camelo
REVISÃO*
Edson Szyszka (CEPEL)
Osvaldo Luiz Cramer de Otero (CEPEL)
Fabiane Maia (CEPEL)
Evandro Camelo (CEPEL)
Carlos Aparecido Ferreira (ELETROBRÁS)
Bráulio Romano Motta (ELETROBRÁS)
Traço Design
Projeto gráfico das capas
77
EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL
PROJETO GRÁFICO
Núcleo Design PUC-Rio
Projeto gráfico do miolo, tratamento das imagens, diagramação e
editoração eletrônica
Acionamento Eletrônico
(*) O trabalho de revisão abrangeu: padronização de todas as publicações quanto à itemização, apresentação
de fórmulas, figuras e tabelas; verificação de ortografia e eventuais correções gramaticais; padronização de
figuras quanto à precisão, incluindo reelaboração e/ou escaneamento. As correções ou alterações do texto
limitaram-se aos aspectos citados e a eventuais adaptações requeridas pelas padronizações, não tendo havido
interferência quanto ao conteúdo técnico, que é de total mérito e integral responsabilidade do(s) autor(es).