Inversores de Frequência: Aumentando a Eficiência Energética – Parte 2

Na segunda parte desta série de blogs, o engenheiro-chefe da Control Techniques analisa mais profundamente a conquista de maior eficiência energética usando inversores de frequência.

O blog anterior deu uma visão geral da eficiência de inversores e suas aplicações, e como são afetados pelo padrão de combinações de velocidade e torque em uma dada aplicação. Agora olhamos como a regulamentação proposta da UE e suas normas relacionadas tentam melhorar a eficiência energética de aplicações finais definindo padrões de desempenho e fornecimento de dados. Isso inclui as novas classes IE propostas para inversores.

As normas e a regulamentação proposta da UE para eficiência de inversores

Existe um conjunto de normas europeias (CENELEC) que foram criadas como ponto de partida para uma possível regulamentação futura, que é EN 50598 partes 1 a 3 [1]. É provável que estas serão em devido curso usadas como base para normas internacionais (IEC), como estão disponíveis para motores. A regulamentação da UE provavelmente usará as definições de classe IE da EN 50598-2.

Desta família de normas, a parte 3 lida com projeto ambientalmente consciente geralmente, com ênfase nos materiais usados no produto e impacto ambiental de sua eventual disposição. Isso está fora do escopo deste blog. A parte 1 lida com o projeto de sistemas completos que incorporam motores e inversores. Visa abordar o desafio para normas de produto que inevitavelmente se aplicam à eficiência energética de produtos específicos tomados sozinhos, quando o propósito real é tentar garantir o melhor uso de energia na aplicação final, não as partes individuais separadamente. Explica as questões que cobrimos no blog anterior, mas em mais detalhe, e estabelece uma metodologia para avaliar a eficiência energética do sistema completo usando os dados para o inversor como definido em mais detalhe na parte 2. A parte 1 é destinada a ser usada por comitês técnicos trabalhando em eficiência energética de aplicações finais específicas. Isso é referido como "Extended Product Approach" (EPA). A parte 1 contém material tutorial útil para projetistas de sistemas.

A parte 2 é referida como EN 50598-2 e dá indicadores de eficiência energética para inversores, as classes IE, que provavelmente serão a base de uma regulamentação futura. A regulamentação [2] se aplicará a um inversor como produto colocado no mercado na UE. Vimos anteriormente que o impacto energético de um inversor excede em muito seu próprio consumo de energia (perda) porque pode permitir grandes economias de energia nos outros componentes de uma aplicação final. A regulamentação não pode antecipar a ampla gama de diferentes aplicações finais, então visa definir os dados que o fabricante do inversor deve fornecer ao comprador. Estes dados formam o "Modelo Semi-Analítico" que é usado para o EPA.

Os grupos responsáveis por criar a regulamentação e a norma estão bem cientes de que o benefício energético de usar um inversor onde adequado supera em muito as perdas, e visaram manter a norma simples e prática. É um documento bastante longo, mas grande parte do material é explicação detalhada das fontes de perdas e modelos matemáticos a serem usados. É leitura recomendada se você tem interesse em aprender mais sobre o assunto.

Em resumo, de acordo com a norma, o fabricante do inversor terá que fornecer o seguinte:

• Uma classe de eficiência energética para o inversor, na faixa IE0 a IE2, baseada na perda em um ponto operacional específico com corrente produtora de torque nominal e 90% da frequência de saída nominal. A frequência de chaveamento PWM é fixada em 4 kHz para potências até 90 kW e 2 kHz acima de 90 kW. A "perda de referência" que define a classe base IE1 depende da classificação do inversor, mas para classificações na faixa de 5 kW a 75 kW é cerca de 5% da potência aparente de saída. A perda da classe IE2 é cerca da metade da IE1.
• Dados mostrando perda de potência sobre uma matriz das seguintes 9 combinações de corrente produtora de torque e frequência de saída:

É provável que a regulamentação proíba a venda de inversores classe IE0 na UE, e possivelmente defina um prazo para proibição de inversores classe IE1. A norma contém provisão para possíveis classes futuras além de IE2, mas há pouco benefício em tentar ir além.

O propósito da matriz de dados requerida é permitir que um usuário preveja a perda de energia de sua aplicação, levando em conta sua característica específica de torque/velocidade e padrão de carregamento, como discutimos no blog anterior e também explicado na EN 50598-1.

Métodos práticos para melhorar a eficiência energética de sistemas de inversores

Entendendo 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 o que for, seja disponibilizada conforme requerido mas sem excesso. A principal habilidade do projetista de sistema de inversor é entender o processo geral bem o suficiente para garantir que a velocidade e/ou torque do motor são definidos apropriadamente para o processo. Você pode ver na Tabela 1 do blog anterior que neste exemplo as perdas no motor e inversor são apenas 20,7% da saída, comparado com 56% na transmissão e atuador. A perda de 10% do motor é típica de um motor moderno classe IE3 com potência nominal em torno de 7,5 kW, e é difícil melhorar muito nisso. A perda do inversor é bastante trivial. No entanto, um engenheiro de inversor pode encontrar oportunidade de melhorar o sistema todo. Vamos olhar um novo projeto onde motor e atuador são casados de modo que nenhuma transmissão de mudança de velocidade é requerida. Isso pode ser tornado possível usando a capacidade do inversor de mudar a velocidade base do motor. Nesse caso, a Tabela 1 se tornaria:

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

Neste caso, usamos a capacidade do inversor de se afastar de um número restrito de velocidades base determinadas pela frequência de rede e número de polos no motor. O inversor também tem capacidade de controle programável para que entradas de vários sensores de processo possam ser usadas para ajudar a otimizar a velocidade para as condições reais de operação do sistema. Finalmente, o inversor também pode atuar para otimizar a condição de operação do motor, dependendo da carga real.

Otimizando o controle do motor – densidade de fluxo magnético

A perda de plena carga em um motor de 4 polos classe IE3 varia na faixa de 14,5% para classificação de 0,75 kW a 3,8% para classificação acima de 185 kW. Na faixa amplamente usada e intensiva em energia em torno de 5,5 kW a 55 kW, é cerca de 6%. Não parece haver muito escopo para melhoria adicional aqui. A maioria da perda é 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 motor de ímã permanente para que o fator de potência do motor (cos φ) possa ser próximo de 1 e a corrente portanto reduzida.

No entanto, vale a pena olhar novamente a perda fixa no motor, por causa da grande classe de aplicações onde o torque de operação é frequentemente bem abaixo de seu valor nominal. Isso pode ser em aplicação de ventilador ou bomba onde a entrega normal é menos que a máxima possível, ou em aplicação de torque constante onde o torque é geralmente menos que o máximo possível. Nesse caso, a densidade de fluxo magnético no motor em sua tensão de trabalho é mais alta que a necessária para atingir o torque requerido, e a perda fixa no aço magnético poderia 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 geralmente roda a 50% da velocidade nominal e 25% do torque nominal. A potência é portanto apenas 12,5%. A perda fixa magnética do motor é 2% da classificação, que parece trivial. No entanto, isso é na verdade 16% do consumo normal de potência. Provavelmente seria possível reduzir a tensão em até 50% sem aumentar a corrente significativamente, resultando em perda fixa reduzida a cerca de 4% do consumo. A redução de perda é pequena comparada com a potência nominal, mas se torna significativa comparada com a potência média real de operação, que é o que determina a conta de energia do proprietário.

O método tradicional para controlar a densidade de fluxo do motor em 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 transitórios de torque de carga, isso funciona bem.

Para aplicações de torque constante, a função Dynamic V/F da Control Techniques é muito eficaz. Esta funciona adaptando ativamente a tensão à corrente do motor. Tem a vantagem de que o fluxo é enfraquecido eficaz e automaticamente quando o torque de carga é reduzido, sem suposições sobre a característica torque/velocidade da carga. No entanto, um aumento súbito no torque de carga ainda resulta em reação rápida, o fluxo é aumentado rapidamente para que o motor dificilmente pare.

Otimizando o controle do motor – frequência de chaveamento

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

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

A melhor frequência de chaveamento neste exemplo em carga total é cerca de 5 kHz, enquanto em meia carga é cerca de 7 kHz, porque as perdas do inversor em uma dada frequência são menores em carga parcial. Um inversor que adapta sua frequência de chaveamento à corrente do motor pode dar eficiência de carga parcial melhorada, que novamente pode valer a pena em aplicação que passa muito tempo em carga parcial.

Inversores Control Techniques Unidrive M têm recurso de adaptação automática de frequência de chaveamento. O inversor opera onde possível na maior frequência de chaveamento especificada pelo usuário, mas a reduz se as perdas do inversor se tornarem muito altas. Isso significa que a perda de chaveamento no motor é minimizada a menos que isso resulte em perda excessiva do inversor.