Eficiência energética com acionamentos de velocidade variável (Parte 2)

Na segunda parte desta série de blogs, o engenheiro-chefe da Control Techniques analisa mais detalhadamente a obtenção de maior eficiência energética usando acionamentos de velocidade variável.



O blog anterior forneceu uma visão geral da eficiência dos inversores e suas aplicações e como eles são afetados pelo padrão de combinações de velocidade e torque em uma determinada aplicação. Agora veremos como o regulamento da UE proposto e seus padrões relacionados tentam melhorar a eficiência energética de aplicativos finais, estabelecendo padrões de desempenho e fornecimento de dados. Isso inclui as novas classes do IE propostas para drives.

As normas e a proposta de regulamento da UE para a eficiência da unidade

Existe um conjunto de normas europeias (CENELEC) que foram criadas como ponto de partida para uma possível futura regulamentação, que é a EN 50598 partes 1 a 3 [1]. É provável que estes venham a ser usados ​​no devido tempo como base para as normas internacionais (IEC), como estão disponíveis para motores. O regulamento da UE provavelmente usará as definições de classe IE da EN 50598-2.

Desta família padrão, a parte 3 trata de design ambientalmente consciente em geral, com ênfase nos materiais usados ​​no produto e no impacto ambiental de seu eventual descarte. Isso está fora do escopo deste blog. A Parte 1 trata do projeto de sistemas completos que incorporam motores e acionamentos. Destina-se a enfrentar o desafio dos padrões de produtos que inevitavelmente se aplicam à eficiência energética de produtos específicos tomados isoladamente, quando o objetivo real é tentar garantir o melhor uso de energia na aplicação final, e não nas partes individuais tomadas separadamente. Ele explica as questões que abordamos no blog anterior, mas com mais detalhes, e define uma metodologia para avaliar a eficiência energética do sistema completo usando os dados do inversor conforme definido em mais detalhes na parte 2. A parte 1 destina-se para ser usado por comitês técnicos que trabalham em eficiência energética de aplicações finais específicas. Isso é chamado de “Abordagem de Produto Estendida” (EPA). A Parte 1 contém material tutorial útil para projetistas de sistemas.

A Parte 2 é referida como EN 50598-2 e fornece indicadores de eficiência energética para acionamentos, as classes IE, que provavelmente serão a base de uma regulamentação futura. O regulamento [2] aplicar-se-á a um acionamento como produto colocado no mercado da UE. Vimos anteriormente que o impacto energético de uma unidade excede em muito seu próprio consumo de energia (perda)  porque pode permitir grandes economias de energia nos outros componentes de uma aplicação final. O regulamento não pode antecipar a ampla gama de diferentes aplicações finais, por isso terá como objetivo definir os dados que o fabricante do inversor deve fornecer ao comprador. Esses dados formam o “Modelo Semi Analítico” que é usado para a EPA.

Os grupos responsáveis ​​pela criação do regulamento e da norma estão bem cientes de que o benefício energético de usar um drive onde adequado supera em muito as perdas, e eles buscaram manter a norma simples e prática. É um documento bastante extenso, mas grande parte do material é uma explicação detalhada das fontes de perdas e dos modelos matemáticos a serem utilizados. É uma leitura recomendada se você estiver interessado em aprender mais sobre o assunto.

Em resumo, de acordo com o padrão, o fabricante do inversor deverá fornecer o seguinte:

• Uma classe de eficiência energética para o inversor, na faixa de IE0 a IE2, que se baseia na perda em um ponto de operação específico com corrente de produção de torque nominal e 90% da frequência de saída nominal. A frequência de comutação PWM é fixada em 4 kHz para potências de até 90 kW e 2 kHz acima de 90 kW. A “perda de referência” que define a classe IE1 de linha de base depende da classificação do inversor, mas para classificações na faixa de 5 kW a 75 kW é cerca de 5% da potência de saída aparente. A perda de classe do IE2 é cerca de metade da do IE1.
• Dados que mostram a perda de potência em uma matriz das 9 combinações a seguir de corrente produtora de torque e frequência de saída:

É provável que o regulamento proíba a venda de unidades de classe IE0 na UE e, possivelmente, defina um prazo para a proibição de unidades de classe IE1. O padrão contém provisão para possíveis classes futuras além do IE2, mas há pouco benefício em tentar ir além.

O objetivo da matriz de dados necessária é permitir que um usuário preveja a perda de energia de sua aplicação, levando em consideração sua característica específica de torque/velocidade e padrão de carregamento, conforme discutido no blog anterior e também explicado na EN 50598- 1.

Métodos práticos para melhorar a eficiência energética dos sistemas de acionamento

Compreendendo o processo completo

Para otimizar a eficiência energética, de longe o aspecto mais importante de uma aplicação de velocidade controlada é projetar a função de controle corretamente para que o processo seja otimizado e a saída, seja ela qual for, seja disponibilizada conforme necessário, mas sem excesso. A principal habilidade do projetista do sistema de acionamento é entender o processo geral bem o suficiente para garantir que a velocidade e/ou torque do motor sejam ajustados adequadamente para o processo. Você pode ver na Tabela 1 do blog anterior que, neste exemplo, as perdas no motor e no acionamento são apenas 20,7% da saída, em comparação com 56% na transmissão e no atuador. A perda de 10% do motor é típica de um motor moderno da classe IE3 avaliado em torno de 7,5 kW, e é difícil melhorar muito nisso. A perda de unidade é bastante trivial. No entanto, um engenheiro de acionamento pode encontrar uma oportunidade para melhorar todo o sistema. Vejamos um novo design onde o motor e o atuador são combinados para que nenhuma transmissão de mudança de velocidade seja necessária. Isso pode ser possível usando o recurso do inversor para alterar a velocidade base do motor. Nesse caso, a Tabela 1 se tornaria:



A eficiência é agora melhorada de 56,5% para 67,9% e a perda reduzida de 76,7% para 47,3% da produção.

Nesse caso, usamos a capacidade do inversor de se afastar de um número restrito de velocidades base determinadas pela frequência de alimentação da rede e pelo número de polos do motor. O inversor também possui capacidade de controle programável para que as entradas de vários sensores de processo possam ser usadas para ajudar a otimizar a velocidade para as condições reais de operação do sistema. Por fim, o drive também pode atuar para otimizar a condição de operação do motor, dependendo da carga real.

Otimização do controle do motor – densidade de fluxo magnético

A perda de carga total em um motor de 4 pólos da classe IE3 varia na faixa de 14,5% para uma classificação de 0,75 kW a 3,8% para uma classificação acima de 185 kW. Na faixa amplamente utilizada e com uso intensivo de energia, em torno de 5,5 kW a 55 kW, é de cerca de 6%. Não parece haver muito espaço para melhorias adicionais aqui. A maior parte da perda é perda de cobre (condutor) relacionada à corrente de trabalho, que não pode ser melhorada por nenhuma função do inversor. O melhor escopo para melhoria em alta carga é usar um motor de ímã permanente para que o fator de potência do motor (cos f) possa ser próximo de 1 e a corrente, portanto, reduzida.

No entanto, vale a pena olhar novamente para a perda fixa no motor, devido à grande classe de aplicações onde o torque de operação é muitas vezes bem abaixo do seu valor nominal. Isso pode ser em uma aplicação de ventilador ou bomba onde a entrega normal é menor que o máximo possível, ou em uma aplicação de torque constante onde o torque é geralmente menor que o máximo possível. Nesse caso, a densidade de fluxo magnético no motor em sua tensão de trabalho é maior do que o necessário para atingir o torque necessário, e a perda fixa no aço magnético pode ser reduzida reduzindo a tensão de alimentação e, portanto, a densidade de fluxo.

Para ter uma ideia aproximada das possibilidades, tome, por exemplo, uma aplicação de ventilador que normalmente funciona a 50% da velocidade nominal e 25% do torque nominal. A potência é, portanto, de apenas 12,5%. A perda fixa magnética do motor é de 2% da classificação, o que parece ser trivial. No entanto, isso é na verdade 16% do consumo normal de energia. Provavelmente seria possível reduzir a tensão em até 50% sem aumentar significativamente a corrente, resultando em uma perda fixa reduzida para cerca de 4% do consumo. A redução da perda é pequena em relação à potência nominal, mas torna-se significativa em relação à potência média real de funcionamento, que é o que determina a conta de energia do proprietário.

O método tradicional para controlar a densidade de fluxo do motor em uma aplicação de torque variável é o modo V/F quadrático, onde a razão V/F determina a densidade de fluxo do motor. Desde que a carga seja verdadeiramente quadrática, ou seja, torque proporcional ao quadrado da velocidade, e não haja transientes de torque de carga, isso funciona bem.

Para aplicações de torque constante, a função V/F Dinâmico de Técnicas de Controle é muito eficaz. Isso funciona adaptando ativamente a tensão à corrente do motor. Tem a vantagem de que o fluxo é enfraquecido de forma eficaz e automática quando o torque de carga é reduzido, sem quaisquer suposições sobre a característica de torque/velocidade da carga. No entanto, um aumento repentino no torque de carga ainda resulta em uma reação rápida, o fluxo aumenta rapidamente, de modo que é improvável que o motor pare.

Otimização do controle do motor – frequência de comutação

A comutação PWM do inversor resulta em um aumento da perda no motor que é amplamente independente da carga, ou seja, é uma perda fixa adicional. Quanto maior a frequência de comutação, menor a perda adicional no motor, mas maior a perda de comutação dependente da corrente no inversor. Em plena carga, a pesquisa realizada no desenvolvimento da EN 50598-2 mostrou que abaixo de 90 kW a melhor eficiência geral do motor IE3 e do drive juntos em carga nominal é dada quando a frequência de comutação é de cerca de 4 kHz, a curva sendo bastante raso. É por isso que a medição de perda para o padrão é feita nessas frequências de comutação.

A Figura 1 mostra um exemplo das perdas em um motor pequeno e seu acionamento conforme a frequência de chaveamento varia, tanto em plena carga (FL) quanto em meia carga (HL).



A melhor frequência de comutação neste exemplo em plena carga é de cerca de 5 kHz, enquanto em meia carga é de cerca de 7 kHz, porque as perdas do inversor em uma determinada frequência são menores em carga parcial. Um acionamento que adapta sua frequência de chaveamento à corrente do motor pode melhorar a eficiência de carga parcial, o que também pode valer a pena em uma aplicação que passa muito tempo em carga parcial.

Técnicas de controle Os inversores Unidrive M possuem um recurso de adaptação de frequência de comutação automática. O inversor opera sempre que possível na frequência de comutação mais alta especificada pelo usuário, mas a reduz se as perdas do inversor se tornarem muito altas. Isso significa que a perda de comutação no motor é minimizada, a menos que isso resulte em perda excessiva do inversor.