Os fornecedores de unidades de realimentação de energia para conversores de frequência lembram que, com a implementação de políticas e a forte promoção da tecnologia de conversão de frequência, juntamente com a promoção agressiva por parte dos comerciantes de conversores de frequência, algumas empresas industriais, inconscientemente, associaram o uso de conversores de frequência à conservação de energia e à economia de eletricidade. No entanto, na prática, devido às diferentes situações enfrentadas, muitas empresas percebem gradualmente que nem todos os locais onde os conversores de frequência são aplicados permitem a economia de energia e eletricidade. Quais são, então, as razões para essa situação e quais são os equívocos comuns sobre os conversores de frequência?
Conceito errôneo 1: Usar um conversor de frequência pode economizar eletricidade.
Algumas publicações afirmam que os conversores de frequência são produtos de controle que economizam energia, dando a impressão de que o uso de conversores de frequência pode economizar eletricidade.
Na verdade, o motivo pelo qual os conversores de frequência podem economizar energia elétrica é porque eles regulam a velocidade dos motores elétricos. Se os conversores de frequência são produtos de controle que economizam energia, então todos os equipamentos de controle de velocidade também podem ser considerados produtos de controle que economizam energia. O conversor de frequência é apenas ligeiramente mais eficiente e tem um fator de potência melhor do que outros dispositivos de controle de velocidade.
A capacidade de um conversor de frequência gerar economia de energia depende das características de regulação de velocidade da carga. Para cargas como ventiladores e bombas centrífugas, o torque é proporcional ao quadrado da velocidade e a potência ao cubo da velocidade. Desde que o controle de fluxo por válvula original seja utilizado e a carga não opere em plena carga, a mudança para a operação com regulação de velocidade permite economia de energia. Quando a velocidade cai para 80% da original, a potência é de apenas 51,2% da original. Percebe-se, portanto, que a aplicação de conversores de frequência em tais cargas tem um efeito significativo na economia de energia. Para cargas como sopradores Roots, o torque é independente da velocidade, ou seja, trata-se de uma carga de torque constante. Se o método original de utilização de uma válvula de ventilação para liberar o excesso de ar e ajustar o fluxo for alterado para a operação com regulação de velocidade, também se obtém economia de energia. Quando a velocidade cai para 80% do valor original, a potência atinge 80% do valor original. A economia de energia, no entanto, é muito menor do que em aplicações com ventiladores e bombas centrífugas. Para cargas de potência constante, a potência é independente da velocidade. Uma carga de potência constante em uma fábrica de cimento, como uma balança de correia dosadora, reduz a velocidade da correia quando a camada de material é espessa sob certas condições de fluxo; quando a camada de material é fina, a velocidade da correia aumenta. A aplicação de conversores de frequência em tais cargas não resulta em economia de energia elétrica.
Em comparação com sistemas de controle de velocidade CC, os motores CC apresentam maior eficiência e fator de potência do que os motores CA. A eficiência dos controladores digitais de velocidade CC é comparável à dos conversores de frequência, sendo inclusive ligeiramente superior. Portanto, é incorreto afirmar que o uso de motores CA assíncronos e conversores de frequência economiza mais energia elétrica do que o uso de motores CC e controladores CC, tanto teórica quanto praticamente.
Conceito errôneo 2: A seleção da capacidade do conversor de frequência baseia-se na potência nominal do motor.
Em comparação com os motores elétricos, os conversores de frequência são mais caros, por isso é muito importante reduzir razoavelmente a capacidade dos conversores de frequência, garantindo ao mesmo tempo uma operação segura e confiável.
A potência de um conversor de frequência refere-se à potência do motor assíncrono CA de 4 polos para o qual ele é adequado.
Devido ao número variável de polos em motores com a mesma capacidade, a corrente nominal do motor varia. À medida que o número de polos no motor aumenta, a corrente nominal também aumenta. A seleção da capacidade do conversor de frequência não pode ser baseada na potência nominal do motor. Da mesma forma, em projetos de reforma que originalmente não utilizavam conversores de frequência, a seleção da capacidade do conversor também não pode ser baseada na corrente nominal do motor. Isso ocorre porque a seleção da capacidade de motores elétricos deve considerar fatores como carga, coeficiente de sobrecarga e especificações do motor. Frequentemente, a sobrecarga é grande e os motores industriais operam com 50% a 60% de sua carga nominal. Se a capacidade do conversor de frequência for selecionada com base na corrente nominal do motor, haverá uma margem excessiva, resultando em desperdício de recursos e, consequentemente, em perda de confiabilidade.
Para motores de gaiola de esquilo, a seleção da capacidade do conversor de frequência deve basear-se no princípio de que a corrente nominal do conversor de frequência deve ser maior ou igual a 1,1 vezes a corrente máxima de operação normal do motor, o que maximiza a economia de custos. Em condições como partida com carga pesada, ambientes de alta temperatura, motores de bobina móvel, motores síncronos, etc., a capacidade do conversor de frequência deve ser aumentada adequadamente.
Para projetos que utilizam conversores de frequência desde o início, é compreensível escolher a capacidade do conversor com base na corrente nominal do motor. Isso ocorre porque a capacidade do conversor não pode ser selecionada com base nas condições reais de operação naquele momento. Claro que, para reduzir o investimento, em alguns casos, a capacidade do conversor pode ser inicialmente definida de forma incerta, e após o equipamento estar em funcionamento por um período, ela poderá ser selecionada com base na corrente real.
Em um sistema de moagem secundária de um moinho de cimento de 2,4 m × 13 m de diâmetro, em uma determinada empresa de cimento na Mongólia Interior, existe um selecionador de pó de alta eficiência N-1500 O-Sepa, de fabricação nacional, equipado com um motor elétrico modelo Y2-315M-4 de 132 kW. No entanto, foi selecionado um conversor de frequência FRN160-P9S-4E, adequado para motores de 4 polos com potência de 160 kW. Após a entrada em operação, a frequência máxima de trabalho é de 48 Hz e a corrente é de apenas 180 A, o que representa menos de 70% da corrente nominal do motor. O próprio motor possui uma capacidade excedente considerável. Além disso, as especificações do conversor de frequência são um nível acima das do motor de acionamento, o que causa desperdício desnecessário e não melhora a confiabilidade.
O sistema de alimentação do britador de calcário nº 3 da fábrica de cimento Anhui Chaohu utiliza um alimentador de placas de 1500 × 12000 mm, e o motor de acionamento é um motor CA Y225M-4 com potência nominal de 45 kW e corrente nominal de 84,6 A. Antes da conversão para regulação de velocidade por meio de conversão de frequência, constatou-se, por meio de testes, que, quando o alimentador de placas acionava o motor normalmente, a corrente trifásica média era de apenas 30 A, o que representava apenas 35,5% da corrente nominal do motor. Visando à redução de custos, foi selecionado o conversor de frequência ACS601-0060-3, que possui corrente de saída nominal de 76 A e é adequado para motores de 4 polos com potência de 37 kW, apresentando bom desempenho.
Esses dois exemplos ilustram que, para projetos de reforma que originalmente não utilizavam conversores de frequência, selecionar a capacidade do conversor de frequência com base nas condições reais de operação pode reduzir significativamente o investimento.
Conceito errôneo 3: Utilizar a potência visual para calcular a compensação de potência reativa e os benefícios de economia de energia.
Calcule o efeito de economia de energia da compensação de potência reativa usando a potência aparente. Quando o ventilador opera em plena carga na frequência da rede, a corrente de operação do motor é de 289 A. Ao usar a regulação de velocidade por frequência variável, o fator de potência em operação em plena carga a 50 Hz é de aproximadamente 0,99 e a corrente é de 257 A. Isso ocorre porque o capacitor de filtragem interno do conversor de frequência melhora o fator de potência. O cálculo da economia de energia é o seguinte: ΔS = UI = × 380 × (289 - 257) = 21 kVA
Portanto, acredita-se que seu efeito de economia de energia seja de cerca de 11% da capacidade de uma única máquina.
Análise prática: S representa a potência aparente, que é o produto da tensão pela corrente. Quando a tensão é a mesma, a porcentagem de economia de potência aparente e a porcentagem de economia de corrente são iguais. Em um circuito com reatância, a potência aparente reflete apenas a capacidade máxima de saída permitida do sistema de distribuição e não reflete a potência real consumida pelo motor. A potência real consumida pelo motor elétrico só pode ser expressa como potência ativa. Neste exemplo, embora a corrente real seja usada para o cálculo, a potência aparente é calculada em vez da potência ativa. Sabemos que o consumo de potência real de um motor elétrico é determinado pelo ventilador e sua carga. O aumento do fator de potência não alterou a carga do ventilador, nem melhorou sua eficiência. O consumo de potência real do ventilador não diminuiu. Após o aumento do fator de potência, o estado de operação do motor não mudou, a corrente do estator do motor não diminuiu e a potência ativa e reativa consumida pelo motor não se alterou. O aumento do fator de potência se deve ao fato de o capacitor de filtragem interno do conversor de frequência gerar potência reativa, que é fornecida ao motor para consumo. Com o aumento do fator de potência, a corrente de entrada real do conversor de frequência diminui, reduzindo assim as perdas na linha entre a rede elétrica e o conversor de frequência, bem como as perdas no cobre do transformador. Ao mesmo tempo, com a redução da corrente de carga, os equipamentos de distribuição, como transformadores, chaves, contatores e fios que alimentam o conversor de frequência, podem suportar cargas maiores. É importante ressaltar que, se não considerarmos a redução das perdas na linha e nas perdas no cobre do transformador, como neste exemplo, mas considerarmos apenas as perdas do conversor de frequência, quando este opera em plena carga a 50 Hz, ele não apenas não economiza energia, como também consome eletricidade. Portanto, usar a potência aparente para calcular os efeitos de economia de energia é incorreto.
O motor do ventilador centrífugo de uma determinada fábrica de cimento é o modelo Y280S-4, com potência nominal de 75 kW, tensão nominal de 380 V e corrente nominal de 140 A. Antes da conversão para regulação de velocidade por frequência variável, a válvula estava totalmente aberta. Os testes mostraram que a corrente do motor era de 70 A, com apenas 50% da carga, fator de potência de 0,49, potência ativa de 22,6 kW e potência aparente de 46,07 kVA. Após a implementação da regulação de velocidade por frequência variável, com a válvula totalmente aberta e operando na velocidade nominal, a corrente média na rede trifásica é de 37 A. Assim, considera-se que a economia de energia é de (70 - 37) ÷ 70 × 100% = 44,28%. Esse cálculo pode parecer razoável, mas, na prática, ainda se baseia na potência aparente para estimar a economia de energia. Após testes adicionais, a fábrica constatou que o fator de potência era de 0,94, a potência ativa era de 22,9 kW e a potência aparente era de 24,4 kVA. Observa-se que o aumento da potência ativa não apenas não gera economia de energia, como também a consome. A razão para o aumento da potência ativa reside no fato de que as perdas do conversor de frequência foram consideradas, sem levar em conta as perdas na linha de transmissão e as perdas no cobre do transformador. A chave desse erro está na falha em considerar o impacto do aumento do fator de potência na queda de corrente, mantendo-se o fator de potência padrão inalterado, o que exagera o efeito de economia de energia do conversor de frequência. Portanto, ao calcular o efeito de economia de energia, a potência ativa deve ser utilizada em vez da potência aparente.
Conceito errôneo 4: Os contatores não podem ser instalados no lado de saída do conversor de frequência.
Quase todos os manuais de usuários de conversores de frequência indicam que contatores não podem ser instalados no lado de saída do conversor. Conforme consta no manual do conversor de frequência Yaskawa, fabricado no Japão: "Não conecte chaves eletromagnéticas ou contatores eletromagnéticos no circuito de saída".
As normas do fabricante visam impedir o funcionamento do contator quando o conversor de frequência estiver em operação. Quando o conversor de frequência está conectado a uma carga durante o funcionamento, o circuito de proteção contra sobrecorrente é ativado devido à corrente de fuga. Portanto, desde que sejam adicionados os intertravamentos de controle necessários entre a saída do conversor de frequência e a atuação do contator, garantindo que o contator só funcione quando o conversor de frequência não estiver em operação, um contator pode ser instalado no lado da saída do conversor de frequência. Este esquema é de grande importância em situações onde há apenas um conversor de frequência e dois motores (um motor em operação e um motor de reserva). Quando o motor em operação apresentar defeito, o conversor de frequência pode ser facilmente comutado para o motor de reserva e, após um atraso, o conversor de frequência pode operar para colocar automaticamente o motor de reserva em operação de conversão de frequência. Isso também permite facilmente o backup mútuo de dois motores elétricos.
Conceito errôneo 5: A aplicação de conversores de frequência em ventiladores centrífugos pode substituir completamente a válvula reguladora do ventilador.
Utilizar um conversor de frequência para regular a velocidade de um ventilador centrífugo e controlar o volume de ar proporciona uma economia de energia significativa em comparação com o controle do volume de ar por meio de válvulas reguladoras. No entanto, em alguns casos, o conversor de frequência não pode substituir completamente a válvula do ventilador, sendo necessário atentar para esse aspecto no projeto. Para ilustrar essa questão, vamos começar pelo princípio da economia de energia. O volume de ar de um ventilador centrífugo é proporcional à potência de sua velocidade de rotação, a pressão do ar é proporcional ao quadrado de sua velocidade de rotação e a potência no eixo é proporcional ao cubo de sua velocidade de rotação.
A curva (2) representa as características de pressão do vento em função do volume de ar (HQ) do ventilador em velocidade constante; a curva (2) representa as características de resistência do vento na rede de tubulação (válvula totalmente aberta). Quando o ventilador opera no ponto A, o volume de ar de saída é Q1. Nesse momento, a potência no eixo N1 é proporcional ao produto da área de Q1 e H1 (AH1OQ1). Quando o volume de ar diminui de Q1 para Q2, se o método de ajuste da válvula for utilizado, as características de resistência da rede de tubulação mudarão para a curva (3). O sistema opera do ponto de operação original A para o novo ponto de operação B, e a pressão do vento aumenta. A potência no eixo N2 é proporcional à área (BH2OQ2), e N1 não difere muito de N2. Se o método de controle de velocidade for adotado, a velocidade do ventilador diminui de n1 para n2, e as características de pressão do vento em função do volume de ar (HQ) são mostradas na curva (4). Sob o mesmo volume de ar Q2, a pressão do vento H3 diminui significativamente, e a potência N3 (equivalente à área CH3OQ2) também diminui significativamente, indicando um efeito significativo de economia de energia.
A partir da análise acima, também se observa que, ao ajustar a válvula para controlar o volume de ar, à medida que o volume de ar diminui, a pressão do ar na verdade aumenta; e ao usar um conversor de frequência para controlar o volume de ar, à medida que o volume de ar diminui, a pressão do ar cai significativamente. Se a pressão do ar cair demais, pode não atender aos requisitos do processo. Se o ponto de operação estiver dentro da área delimitada pela curva (1), curva (2) e o eixo H, depender exclusivamente de um conversor de frequência para regular a velocidade não atenderá aos requisitos do processo. É necessário combiná-lo com a regulação por válvula para atender aos requisitos do processo. O conversor de frequência introduzido por uma determinada fábrica, na aplicação em ventiladores centrífugos, apresentou muitos problemas devido à falta de um projeto de válvula adequado e à dependência exclusiva da regulação de velocidade por conversor de frequência para alterar o ponto de operação do ventilador. Ou a velocidade fica muito alta ou o volume de ar é muito grande; Se a velocidade for reduzida, a pressão do vento não atenderá aos requisitos do processo e o ar não poderá ser insuflado. Portanto, ao usar um conversor de frequência para regular a velocidade e economizar energia em ventiladores centrífugos, é necessário considerar tanto o volume quanto a pressão do ar, caso contrário, as consequências serão adversas.
Conceito errôneo 6: Os motores da General Motors só podem operar em velocidade reduzida usando um conversor de frequência abaixo de sua velocidade nominal de transmissão.
A teoria clássica estabelece que o limite superior da frequência de um motor universal é de 55 Hz. Isso ocorre porque, quando a velocidade do motor precisa ser ajustada acima da velocidade nominal para operação, a frequência do estator aumenta acima da frequência nominal (50 Hz). Nesse ponto, se o princípio do torque constante ainda for seguido para o controle, a tensão do estator aumentará além da tensão nominal. Portanto, quando a faixa de velocidade for superior à velocidade nominal, a tensão do estator deve ser mantida constante na tensão nominal. Nesse ponto, à medida que a velocidade/frequência aumenta, o fluxo magnético diminui, de modo que o torque para a mesma corrente do estator diminui, as características mecânicas se tornam mais suaves e a capacidade de sobrecarga do motor é significativamente reduzida.
Com isso, pode-se observar que o limite superior da frequência de um motor universal é de 55 Hz, o que é um pré-requisito:
1. A tensão do estator não pode exceder a tensão nominal;
2. O motor está operando com potência nominal;
3. Carga de torque constante.
Na situação acima, a teoria e os experimentos comprovaram que, se a frequência exceder 55 Hz, o torque do motor diminuirá, as características mecânicas se tornarão mais suaves, a capacidade de sobrecarga diminuirá, o consumo de ferro aumentará rapidamente e o aquecimento será severo.
De modo geral, as condições reais de operação dos motores elétricos indicam que motores de uso geral podem ser acelerados por meio de conversores de frequência. É possível aumentar a velocidade com a variação de frequência? Quanto? Isso depende principalmente da carga que o motor elétrico suporta. Primeiramente, é necessário determinar qual é a taxa de variação da carga. Em seguida, é preciso compreender as características da carga e realizar os cálculos com base na situação específica da carga. Uma breve análise é apresentada a seguir:
1. De fato, para um motor universal de 380V, é possível operá-lo por um longo período quando a tensão do estator excede 10% da tensão nominal, sem afetar o isolamento e a vida útil do motor. Com o aumento da tensão do estator, o torque aumenta significativamente, a corrente do estator diminui e a temperatura do enrolamento também diminui.
2. A taxa de carga do motor elétrico geralmente é de 50% a 60%.
Geralmente, os motores industriais operam com 50% a 60% de sua potência nominal. Calculando, quando a potência de saída do motor atinge 70% da potência nominal e a tensão do estator aumenta em 7%, a corrente do estator diminui em 26,4%. Nesse caso, mesmo com controle de torque constante e utilizando um conversor de frequência para aumentar a velocidade do motor em 20%, a corrente do estator não apenas não aumenta, como também diminui. Embora o consumo de ferro do motor aumente consideravelmente com o aumento da frequência, o calor gerado por esse aumento é insignificante em comparação com o calor dissipado pela redução da corrente do estator. Portanto, a temperatura do enrolamento do motor também diminuirá significativamente.
3. Existem várias características de carga.
O sistema de acionamento do motor elétrico alimenta a carga, e diferentes cargas possuem diferentes características mecânicas. Os motores elétricos devem atender aos requisitos das características mecânicas da carga após a aceleração. De acordo com os cálculos, a frequência máxima de operação permitida (fmax) para cargas de torque constante em diferentes taxas de carga (k) é inversamente proporcional à taxa de carga, ou seja, fmax = fe/k, onde fe é a frequência nominal de potência. Para cargas de potência constante, a frequência máxima de operação permitida de motores em geral é limitada principalmente pela resistência mecânica do rotor e do eixo do motor. O autor acredita que, de modo geral, é aconselhável limitá-la a 100 Hz.
Conceito errôneo 7: Ignorar as características inerentes dos conversores de frequência
A configuração inicial do conversor de frequência geralmente é feita pelo distribuidor, e não costuma haver problemas. A instalação de um conversor de frequência é relativamente simples e geralmente é realizada pelo próprio usuário. Alguns usuários não leem atentamente o manual do usuário do conversor de frequência, não seguem rigorosamente os requisitos técnicos de montagem, ignoram as características do próprio conversor de frequência, o equiparam a componentes elétricos comuns e agem com base em suposições e experiência, expondo-se a riscos ocultos de falhas e acidentes.
De acordo com o manual do usuário do conversor de frequência, o cabo conectado ao motor deve ser blindado ou armado, preferencialmente instalado em um tubo metálico. As extremidades do cabo cortado devem ser o mais limpas possível, os segmentos sem blindagem devem ser o mais curtos possível e o comprimento do cabo não deve exceder uma determinada distância (geralmente 50 m). Quando a distância entre o conversor de frequência e o motor for longa, a alta corrente de fuga harmônica do cabo terá efeitos adversos sobre o conversor de frequência e os equipamentos próximos. O fio de aterramento do motor controlado pelo conversor de frequência deve ser conectado diretamente ao terminal de aterramento correspondente do conversor. O fio de aterramento do conversor de frequência não deve ser compartilhado com máquinas de solda e equipamentos elétricos e deve ser o mais curto possível. Devido à corrente de fuga gerada pelo conversor de frequência, se estiver muito distante do ponto de aterramento, o potencial do terminal de aterramento ficará instável. A área da seção transversal mínima do fio de aterramento do conversor de frequência deve ser maior ou igual à área da seção transversal do cabo de alimentação. Para evitar mau funcionamento causado por interferência, os cabos de controle devem utilizar fios blindados trançados ou fios blindados de dupla camada. Ao mesmo tempo, deve-se ter cuidado para que o cabo de rede blindado não entre em contato com outras linhas de sinal ou com a carcaça do equipamento, e deve-se envolvê-lo com fita isolante. Para evitar interferências, o comprimento do cabo de controle não deve exceder 50 metros. O cabo de controle e o cabo do motor devem ser instalados separadamente, utilizando calhas de cabos distintas, e mantidos o mais afastados possível. Quando os dois precisarem se cruzar, o cruzamento deve ser vertical. Nunca os instale no mesmo duto ou calha de cabos. No entanto, alguns usuários não seguiram rigorosamente os requisitos acima ao instalar os cabos, resultando no funcionamento normal do equipamento durante a depuração individual, mas causando sérias interferências durante a produção normal, impossibilitando sua operação.
Deve-se ter cuidado especial na manutenção diária dos conversores de frequência. Alguns eletricistas ligam o conversor de frequência para manutenção imediatamente após detectarem uma falha, causando o seu desligamento. Isso é muito perigoso e pode resultar em choques elétricos. Isso ocorre porque, mesmo que o conversor de frequência não esteja em operação ou a alimentação tenha sido cortada, ainda pode haver tensão na linha de entrada de energia, no terminal CC e no terminal do motor do conversor de frequência devido à presença de capacitores. Após desligar a chave, é necessário aguardar alguns minutos para que o conversor de frequência descarregue completamente antes de iniciar o trabalho. Alguns eletricistas têm o hábito de realizar imediatamente testes de isolamento no motor acionado pelo sistema de inversor de frequência usando uma mesa vibratória quando percebem o desligamento do sistema, a fim de determinar se o motor queimou. Isso também é muito perigoso, pois pode facilmente causar a queima do conversor de frequência. Portanto, antes de desconectar o cabo entre o motor e o conversor de frequência, o teste de isolamento não deve ser realizado no motor, nem no cabo já conectado ao conversor de frequência.
Deve-se ter atenção especial ao medir os parâmetros de saída do conversor de frequência. Como a saída do conversor de frequência é uma forma de onda PWM contendo harmônicos de alta ordem, e o torque do motor depende principalmente do valor eficaz da tensão fundamental, ao medir a tensão de saída, o valor da tensão fundamental deve ser medido utilizando um voltímetro retificador. Os resultados da medição são muito próximos aos obtidos com um analisador de espectro digital e apresentam uma excelente relação linear com a frequência de saída do conversor de frequência. Caso seja necessário um aumento na precisão da medição, pode-se utilizar um filtro capacitivo resistivo. Multímetros digitais são suscetíveis a interferências e apresentam erros de medição significativos. A corrente de saída precisa ser medida em seu valor eficaz total, incluindo a onda fundamental e outros harmônicos de alta ordem; portanto, o instrumento mais comumente utilizado é o amperímetro de bobina móvel (quando o motor está sob carga, a diferença entre o valor eficaz da corrente fundamental e o valor eficaz da corrente total não é significativa). Ao considerar a praticidade da medição e o uso de um transformador de corrente, é importante observar que este pode saturar em baixas frequências, sendo necessário escolher um transformador de corrente com capacitância adequada.