Eficiência energética com acionamentos de velocidade variável (Parte 1)

Neste artigo, Colin Hargis, engenheiro-chefe da Control Techniques, analisa a questão da eficiência energética com acionamentos de velocidade variável.



Alguns leitores podem estar cientes de que uma nova regulamentação da UE está em andamento, destinada a controlar a eficiência de acionamentos e sistemas de acionamento. O regulamento ainda está sob consulta, por isso ainda não tem um número oficial, mas pode ser identificado através do mandato da CE M/476, e é referido como “Lote 30” no processo de consulta para a diretiva de produtos relacionados à energia (ErP) . A consulta parece estar paralisada no momento, mas já existem normas técnicas para sustentar o regulamento como EN 50598-1 e EN 50598-2. A intenção é que os acionamentos tenham que ser alocados em classes de eficiência, assim como os motores industriais, e em algum momento é possível que o grau mais baixo seja banido do mercado da UE. Os fabricantes também terão que fornecer mais dados sobre perdas de carga parcial, para ajudar os usuários a avaliar a eficiência energética geral de sua aplicação.

Antes que o próprio regulamento entre em vigor, alguns usuários do drive podem estar interessados ​​em saber mais sobre o regulamento proposto e as classes de eficiência, para avaliar se são relevantes para a eficiência energética de seu próprio produto final ou sistema. Neste blog, veremos alguns dos fundamentos da eficiência do sistema de acionamento. A seguir, veremos com mais detalhes algumas questões decorrentes das novas normas e do regulamento proposto.

Uma das principais razões para usar um inversor de velocidade variável é regular a velocidade de um motor para atender à demanda no processo final que ele está conduzindo, de modo a otimizar o uso de energia. Isso é particularmente valioso ao mover fluidos (gases e líquidos) porque o atrito viscoso significa que a potência necessária para mover o fluido ao redor de um circuito varia como uma lei cúbica da vazão, de modo que uma pequena redução na vazão resulta em uma grande redução na vazão. energia utilizada. Métodos de controle como amortecedores, válvulas e até mesmo palhetas de guia variável também resultam em perda de potência desnecessária. Essa ideia é tão conhecida que não há necessidade de escrever muito mais sobre ela, existem muitos guias úteis disponíveis [por exemplo, referências 1 e 2]. No entanto, com o próximo regulamento em mente, é útil rever alguns princípios, principalmente para manter o efeito do regulamento e das normas em perspectiva.

Perda de energia em um sistema de acionamento

O diagrama, sem escala, ilustra amplamente como a energia é consumida em uma aplicação de acionamento. É mais claro trabalhar em termos de perdas em vez de eficiências. Em cada estágio há uma perda de energia no dispositivo relevante, que geralmente é expressa como uma proporção de sua taxa de transferência nominal.



A energia perdida emerge como calor, geralmente do ar circundante. Às vezes, o calor pode ser bem aproveitado, mas geralmente deve ser considerado desperdiçado e pode até incorrer em custos adicionais se for necessária ventilação ou resfriamento adicional da área. As perdas reais variam muito em várias aplicações, mas uma divisão típica para uma aplicação de movimentação de ar, operando na potência máxima, é fornecida na Tabela 1. Observe que em cada estágio a perda incorrida em um dispositivo é uma função da saída útil do sistema e também as perdas acumuladas de todos os outros dispositivos a jusante.



Neste exemplo, a eficiência geral é de cerca de 56,6%. A maior perda está no atuador, e o valor de perda de 30% é típico para um ventilador para ar em movimento. O ar é um fluido difícil de movimentar com eficiência, uma bomba moderna pode ter perdas próximas a 10%. Todas as perdas mostradas podem ser reduzidas por tecnologia aprimorada, e a atenção dada à eficiência energética significa que todas elas tendem a ser reduzidas ao longo do tempo, à medida que projetos aprimorados se tornam econômicos ou são exigidos por regulamentos.

Observe que a perda de unidade é a menor da lista, e isso é realista na grande maioria dos aplicativos. A perda de 3% é bastante trivial em comparação com as demais. As unidades modernas têm perdas muito baixas, sendo o principal motivo disso o desejo de unidades fisicamente compactas, o que significa que os dispositivos de refrigeração (dissipadores de calor e ventiladores) devem ser minimizados em tamanho, portanto, as perdas também devem ser minimizadas. A taxa de transferência de energia da unidade inclui todas as outras perdas, portanto, a perda principal da unidade de 3%, com base nos dados da unidade, torna-se 5,1% quando expressa como uma proporção da saída do sistema. O uso inteligente do drive muitas vezes pode permitir reduções úteis nas perdas dos outros dispositivos, resultando em economias que excedem em muito as perdas no drive. No entanto, temos que considerar as condições reais de operação em vez de apenas a condição de carga máxima.

Controle e perdas

Os valores de perda típicos discutidos acima são os valores “manchete” que são fornecidos na carga nominal ou taxa de transferência de cada dispositivo. Eles são, portanto, relevantes quando o sistema opera em sua saída máxima de projeto. Muitos sistemas passam grande parte de suas vidas operando abaixo de sua carga nominal, porque a demanda varia, mas o sistema deve ser projetado para o máximo. Além disso, o desempenho geralmente é avaliado pela capacidade máxima de rendimento, de modo que o fornecedor tende a superdimensionar os componentes para evitar o risco de o cliente rejeitar o sistema se ele falhar em entregar a saída nominal durante os testes de aceitação. Portanto, é necessário um sistema de controle, com um método para ajustar a saída. A técnica de controle aplicada pode afetar bastante a eficiência da carga parcial. Por exemplo, é bem conhecido que os amortecedores de ar e as válvulas reguladoras causam perdas de carga parcial bastante altas, porque resultam em um aumento da pressão no ventilador ou na bomba, o que significa que ele precisa desenvolver mais potência do que o necessário no ponto de entrega. . O variador de velocidade evita esta perda adicional.

As eficiências de todos os componentes mudam com a carga. Os detalhes variam muito, mas geralmente as perdas têm os seguintes elementos:

• Uma perda fixa que é independente da saída. Isso tende a reduzir a eficiência da carga parcial.
• Uma perda proporcional que não afeta a eficiência da carga parcial.
• Uma perda crescente (por exemplo, lei quadrada) que tende a reduzir a eficiência de carga total.

O resultado é que geralmente há um nível de saída de eficiência ideal, por exemplo, em um motor de indução padrão, isso é cerca de 80% da classificação. Em uma saída mais alta a eficiência cai ligeiramente. Em uma saída mais baixa, a eficiência também cai, mas a perda de potência real também cai.

Perdas em um sistema de acionamento elétrico de velocidade variável

Depois de resumir a situação geral, podemos agora examinar mais detalhadamente o sistema de acionamento elétrico, ou seja, o motor e o acionamento. A saída do sistema é a potência mecânica no eixo do motor, composta pelo produto do torque e da velocidade. Tanto o motor quanto o inversor possuem elementos de perda que variam com o torque e a velocidade. A Tabela 2 os resume. Por simplicidade, assumimos que a corrente é proporcional ao torque. Isto é uma simplificação porque ignora a corrente de magnetização do motor.



Observe que temos que considerar o efeito da velocidade e do torque separadamente e combinados. As perdas resistivas no motor estão quase inteiramente relacionadas ao torque, independente da velocidade, e isso também vale para o estágio do inversor do drive. Por outro lado, as perdas no retificador do estágio de entrada do drive são puramente uma função da potência, ou seja, o produto do torque e da velocidade.

Este quadro bastante complexo pode ser simplificado quando um tipo específico de carga é considerado onde o torque e a velocidade estão relacionados. Por exemplo, uma simples bomba ou ventilador que alimenta um processo com pouca carga estática, de modo que a pressão seja predominantemente uma função de lei quadrada da vazão, fornece torque que é uma função quadrada de velocidade. Por outro lado, um processo como um sistema de transporte tem um torque que é amplamente independente da velocidade, mas depende da demanda do transportador. Esses dois tipos de carga são amplamente referidos como aplicações de acionamento de “torque variável” e “torque fixo”, respectivamente.

Além das perdas inerentes ao acionamento e ao motor tomados separadamente, existem perdas que são função da combinação dos dois. Os principais fatores da interdependência são:

• Densidade de fluxo magnético de operação, controlada pelo drive e imposta ao motor, afetando as perdas de magnetização. (Também afetando as perdas resistivas para um determinado torque, há uma densidade de fluxo ideal para qualquer torque e velocidade.)
• Comutação PWM, controlada pelo drive e resultando em perdas adicionais no motor
• Fator de potência do motor, corrente reativa imposta pelo motor, resultando em perdas de corrente adicionais no inversor

Um padrão simples para a eficiência do drive lidaria apenas com as perdas no drive sozinho, usando uma carga de motor padronizada. Um padrão útil deve abordar a interdependência e gerenciar os trade-offs; por exemplo, que a frequência de comutação PWM escolhida deve equilibrar o desejo de minimizar as perdas no inversor, exigindo uma frequência menor, e o motor, exigindo uma frequência maior. Também deve permitir que o projetista de um sistema completo ou máquina permita calcular as perdas na máquina completa em sua faixa prática de condições operacionais.

No próximo blog, examinaremos mais de perto os padrões, principalmente o EN 50598-2, que especifica classes de eficiência energética para inversores, e consideraremos como eles gerenciam esses requisitos. Também analisamos as funções disponíveis no drive que podem otimizar a eficiência e, em particular, otimizar as perdas de carga parcial que podem ser mais importantes do que parecem à primeira vista.

Referências

[1] https://www.carbontrust.com/media/13063/ctg070_variable_speed_drives.pdf

[2] http://www.gambica.org.uk/resourceLibrary/CEMEP_guide_to_energy_efficiency_with_electric_drive_systems.html