Os fornecedores de dispositivos de realimentação de energia para conversores de frequência lembram que, na moderna produção de automação industrial, o escopo de aplicação de bombas, ventiladores e outros equipamentos está se tornando cada vez mais amplo. O consumo de energia elétrica desses equipamentos, as perdas por estrangulamento em defletores, válvulas e outros componentes, bem como os custos diários de manutenção e reparo, representam quase 20% do custo total. Isso constitui uma despesa de produção considerável. Com o desenvolvimento da economia, o aprofundamento das reformas e a intensificação da concorrência de mercado, a conservação de energia e a redução do consumo tornaram-se gradualmente meios importantes para melhorar a qualidade do produto e reduzir os custos de produção.
1. Teoria básica da tecnologia de economia de energia de frequência variável
O princípio básico da tecnologia de conversão de frequência é que, por um longo período, a frequência da corrente alternada utilizada pelos equipamentos elétricos é mantida em um estado fixo. A aplicação da tecnologia de conversão de frequência visa tornar a frequência um recurso que pode ser ajustado e utilizado livremente. Atualmente, a tecnologia de frequência variável mais ativa e de desenvolvimento mais rápido é a tecnologia de regulação de velocidade por frequência variável.
A tecnologia de conversão de frequência engloba tecnologias da computação, eletrônica de potência e transmissão de dados. Trata-se de uma tecnologia abrangente que combina equipamentos mecânicos e sistemas elétricos de alta e baixa frequência. Refere-se à conversão do sinal da corrente de frequência da rede elétrica em outras frequências, o que é realizado principalmente por meio de componentes semicondutores. A corrente alternada é então convertida em corrente contínua, e o inversor regula a corrente e a tensão, permitindo o controle contínuo da velocidade do equipamento eletromecânico. Em resumo, a tecnologia de conversão de frequência controla a velocidade de um motor alterando a frequência da corrente, controlando, assim, o equipamento motorizado de forma eficaz. Tudo isso é obtido com base no aumento anual da frequência da corrente e da velocidade do motor. A característica da tecnologia de conversão de frequência é garantir o funcionamento suave do motor, controlar automaticamente a aceleração e a desaceleração, reduzir o consumo de energia e aumentar a eficiência do trabalho.
No uso diário de conversores de frequência, o controle direto de torque e o controle vetorial são os métodos mais comuns. No futuro desenvolvimento dos conversores de frequência, serão utilizadas redes neurais artificiais e métodos de controle de auto-otimização fuzzy. Além disso, com o avanço contínuo dos conversores de frequência, sua abrangência aumentará cada vez mais. Além de executar funções básicas de regulação de velocidade, eles também passarão a contar com funções internas de comunicação, programação e identificação de parâmetros.
2. Princípio de economia de energia do conversor de frequência
2.1 Métodos de economia de energia com frequência variável
De acordo com a mecânica dos fluidos, potência = pressão * vazão. Vazão e velocidade elevadas à potência de um são proporcionais, a pressão é proporcional ao quadrado da velocidade e a potência é proporcional ao cubo da velocidade. Se a eficiência da bomba d'água for constante, quando a vazão diminui, a velocidade diminui proporcionalmente e a potência de saída também diminui em uma relação cúbica. Portanto, a velocidade da bomba d'água é aproximadamente proporcional ao consumo de energia do motor. Por exemplo, quando um motor de bomba d'água de 55 kW opera a 80% de sua velocidade original, seu consumo de energia é de 28 kW/h, com uma taxa de economia de energia de 48%. Mas se a velocidade for ajustada para 50% da original, o consumo de energia passa a ser de 6 kW/h, e a taxa de economia de energia atinge 87%.
2.2 Adoção da compensação do fator de potência para conservação de energia
A potência reativa não só causa o aquecimento dos equipamentos e aumenta o desgaste dos fios, como também, e principalmente, a diminuição do fator de potência leva a uma redução da potência ativa na rede elétrica. Consequentemente, uma grande quantidade de energia reativa é consumida nas linhas de transmissão, resultando em queda de eficiência dos equipamentos e desperdício significativo. Com a utilização de um dispositivo de regulação de velocidade por frequência variável, a perda de potência reativa é ainda mais reduzida devido ao capacitor de filtragem interno do conversor de frequência, o que aumenta a potência ativa na rede elétrica.
2.3 Utilização do método de arranque suave para conservação de energia
Devido ao fato de o motor ser acionado por meio de partida direta ou em estrela (Y/D), a corrente de partida é de quatro a sete vezes a corrente nominal, o que pode causar sérios impactos na rede elétrica e nos equipamentos eletromecânicos. Além disso, isso exige uma capacidade muito alta da rede elétrica, gerando uma corrente relativamente alta durante a partida e causando danos significativos às válvulas e defletores durante a vibração, o que também é muito prejudicial à vida útil das tubulações e dos equipamentos. O uso de conversores de frequência aproveita a função de partida suave do conversor para iniciar a corrente a partir de zero, e o valor máximo não excederá a corrente nominal. Portanto, o impacto na rede elétrica e os requisitos de capacidade de fornecimento de energia são bastante reduzidos, e a vida útil das válvulas e dos equipamentos é consideravelmente prolongada.
3. Exemplos de aplicação da tecnologia de economia de energia de frequência variável
Utilizamos a instalação de um controlador de velocidade de frequência variável em uma bomba de circulação de água de 160 kW como exemplo para modernizar equipamentos de economia de energia com controle de frequência variável. Testamos o consumo de eletricidade antes e depois da modernização e obtivemos resultados muito satisfatórios.
3.1 Modo de controle antes da transformação de conversão de frequência
No funcionamento de uma bomba de circulação de água, quando a vazão varia devido às necessidades do processo, é preciso ajustar a abertura das válvulas de entrada e saída da bomba para alterar a vazão real. Esse método de ajuste é chamado de ajuste por estrangulamento. Neste exemplo, a abertura das válvulas de entrada e saída é de aproximadamente 60%. Do ponto de vista da utilização de energia, esse é um método de ajuste muito antieconômico.
3.2 Modo de controle após transformação por conversão de frequência
No funcionamento de uma bomba de circulação de água, quando a vazão varia devido às necessidades do processo, as válvulas de entrada e saída são totalmente abertas. Ajustando a velocidade do motor, é possível encontrar um novo ponto de operação adequado para obter a vazão desejada. De acordo com a situação real e as necessidades do local, o controle pode ser manual ou automático. Neste exemplo, como não há necessidade de ajustes frequentes na vazão, a frequência de operação do motor foi definida em 40 Hz, com base na situação real e nas necessidades do local, e o controle manual foi adotado principalmente para economizar energia.
4. Alterações no funcionamento após a utilização de um sistema de regulação de velocidade por frequência variável
O arranque suave completo foi alcançado. Quando o motor inicia, a velocidade do rotor aumenta gradualmente com a frequência da alimentação de entrada, resultando num aumento de velocidade gradual. O tempo de arranque de todo o sistema foi definido em cerca de 20 segundos, o que não causa qualquer impacto no sistema e é mais suave do que o método de arranque original.
A corrente utilizada na rede elétrica também foi significativamente reduzida, tornando o uso de equipamentos elétricos mais seguro. Ao mesmo tempo, com a diminuição da frequência, a velocidade do motor também diminui, reduzindo o desgaste mecânico e diminuindo consideravelmente a probabilidade de falhas e os custos de manutenção. O transformador que fornece energia elétrica à bomba d'água teve sua capacidade de fornecimento de energia economizada em grande parte. Com a simples redução da carga ativa, a capacidade economizada é de aproximadamente 50 quilowatts, melhorando a eficiência de utilização do equipamento. O fator de potência do motor também foi correspondentemente melhorado, tornando sua operação mais econômica.
A utilização da tecnologia de conversão de frequência melhorou a qualidade do produto, reduziu o consumo de energia, gerou economia de energia e aumentou ainda mais os benefícios econômicos das empresas. A aplicação da tecnologia de regulação de velocidade por conversão de frequência exige a transformação desses equipamentos para alcançar a conservação de energia.