Maximizando Eficiência Energética com Inversores de Frequência – Guia Especialista (Parte 1)

Neste artigo, Colin Hargis, engenheiro-chefe da Control Techniques, analisa a questão de eficiência energética com inversores de frequência.

Alguns leitores podem estar cientes que uma nova regulamentação da UE está em andamento que pretende controlar a eficiência de inversores e sistemas de inversores. A regulamentação ainda está sob consulta então ainda não tem oficialmente um número, mas pode ser identificada através do mandato EC M/476, e é referida como "Lote 30" sob o processo de consulta para a diretiva de Produtos Relacionados à Energia (ErP). A consulta parece estar paralisada no momento, mas normas técnicas para fundamentar a regulamentação já existem como EN 50598-1 e EN 50598-2. A intenção é que inversores tenham que ser alocados classes de eficiência assim como motores industriais, e em algum estágio é possível que o grau mais baixo seja banido do mercado da UE. Fabricantes também terão que fornecer mais dados sobre perdas em carga parcial, para ajudar usuários a avaliar a eficiência energética geral de sua aplicação.

Antes da regulamentação em si entrar em vigor, alguns usuários de inversores podem estar interessados em aprender mais sobre a regulamentação proposta e as classes de eficiência, para avaliar se são relevantes para a eficiência energética de seu próprio produto final ou sistema. Neste blog, olhamos alguns dos fundamentos de eficiência de sistema de inversor. No próximo, veremos em mais detalhe algumas questões decorrentes das novas normas e da regulamentação proposta.

Uma das principais razões para usar um inversor de frequência é regular a velocidade de um motor para igualar a demanda no processo final que ele está acionando, de modo a otimizar o uso de energia. Isso é particularmente valioso ao mover fluidos (gases e líquidos) porque atrito viscoso significa que a potência requerida para mover o fluido ao redor de um circuito varia como lei cúbica da vazão, de modo que uma pequena redução na vazão dá grande redução na potência usada. Métodos de controle como amortecedores, válvulas e até aletas guias variáveis também resultam em perda de potência desnecessária. Esta ideia é tão bem conhecida que não há necessidade de escrever muito mais sobre isso, há muitos guias úteis disponíveis [ex.: referências 1 & 2]. No entanto, com a regulamentação futura em mente, é útil revisar alguns princípios, principalmente para manter o efeito da regulamentação e das normas em perspectiva.

Perda de energia em um sistema de inversor

O diagrama, não em escala, ilustra amplamente como a potência é consumida em uma aplicação de inversor. É mais claro trabalhar em termos de perdas em vez de eficiências. Em cada estágio há uma perda de potência no dispositivo relevante, que é geralmente expressa como proporção de seu throughput nominal.

A potência perdida emerge como calor, geralmente do ar circundante. Às vezes o calor pode ser posto em bom uso, mas geralmente deve ser considerado como desperdiçado, e pode até incorrer em custos adicionais se ventilação ou resfriamento adicional da área for requerido. Perdas reais variam muito através de várias aplicações, mas uma quebra típica para uma aplicação de movimentação de ar, operando em saída máxima, é dada na Tabela 1. Note que em cada estágio a perda incorrida em um dispositivo é função tanto da saída útil do sistema quanto também das perdas acumuladas de todos os outros dispositivos a jusante.

Neste exemplo, a eficiência geral é cerca de 56,6%. A maior perda está no atuador, e a figura de perda de 30% é típica para um ventilador movendo ar. Ar é um fluido difícil de mover eficientemente, uma bomba moderna pode ter perdas próximas a 10%. Todas as perdas mostradas podem ser reduzidas por tecnologia melhorada, e a atenção dada à eficiência energética significa que todas tendem a ser reduzidas ao longo do tempo à medida que projetos melhorados se tornam custo-efetivos ou são requeridos por regulamentações.

Note que a perda do inversor é a menor na lista, e isso é realista na grande maioria das aplicações. A perda de 3% é bastante trivial comparada com as outras. Inversores modernos têm perdas muito baixas, o principal driver para isso sendo o desejo por unidades fisicamente compactas, o que significa que os dispositivos de resfriamento (dissipadores de calor e ventiladores) têm que ser minimizados em tamanho, então as perdas também têm que ser minimizadas. O throughput de potência do inversor inclui todas as outras perdas, então a perda principal do inversor de 3%, baseada nos dados do inversor, torna-se 5,1% quando expressa como proporção da saída do sistema. O uso inteligente do inversor pode frequentemente permitir reduções úteis nas perdas dos outros dispositivos, resultando em economias que excedem em muito as perdas no inversor. No entanto, temos que considerar as condições reais de operação em vez de apenas a condição de carga máxima.

Controle e perdas

Os valores típicos de perda discutidos acima são os valores "principais" que são dados na carga nominal ou throughput de cada dispositivo. Eles são portanto relevantes quando o sistema opera em sua saída máxima de projeto. Muitos sistemas passam grandes partes de suas vidas operando abaixo de sua carga nominal, porque a demanda varia mas o sistema tem que ser projetado para o máximo. Além disso, o desempenho é geralmente julgado pela capacidade de throughput máximo, então o fornecedor tende a superdimensionar componentes para evitar o risco de o cliente rejeitar o sistema se falhar em entregar a saída nominal durante testes de aceitação. Um sistema de controle é portanto necessário, com método para ajustar a saída. A técnica de controle aplicada pode afetar a eficiência de carga parcial muito. Por exemplo, é bem conhecido que amortecedores de ar e válvulas reguladoras causam perdas de carga parcial bastante altas, porque resultam em aumento de pressão no ventilador ou bomba, o que significa que tem que desenvolver mais potência que a necessária no ponto de entrega. O inversor de velocidade variável evita esta perda adicional.

As eficiências de todos os componentes mudam com 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 de carga parcial.
• Uma perda proporcional que não afeta a eficiência de carga parcial.
• Uma perda crescente (ex.: lei quadrática) que tende a reduzir a eficiência de carga total.

O resultado é que geralmente há um nível de saída de eficiência ótima, por exemplo em um motor de indução padrão isso é em torno de 80% da classificação. Em saída maior, a eficiência cai ligeiramente. Em saída menor, a eficiência também cai, mas a perda de potência real também cai.

Perdas em um sistema de inversor elétrico de velocidade variável

Tendo resumido a situação geral, podemos agora olhar em mais detalhe o sistema de inversor elétrico, ou seja, o motor e inversor. A saída do sistema é potência mecânica no eixo do motor, compreendendo o produto de torque e velocidade. Ambos motor e inversor têm elementos de perda que variam com torque e velocidade. A Tabela 2 resume estes. Para simplicidade, assumimos que corrente é proporcional a torque. Esta é uma simplificação porque ignora corrente de magnetização do motor.

Note que temos que considerar o efeito de velocidade e torque tanto separadamente quanto combinados. As perdas resistivas no motor são quase inteiramente relacionadas ao torque, independentemente de velocidade, e isso também é verdade para o estágio inversor do inversor. Por outro lado, as perdas no estágio de entrada retificador do inversor são puramente função do throughput de potência, ou seja, o produto de torque e velocidade.

Este quadro bastante complexo pode ser simplificado quando um tipo específico de carga é considerado onde torque e velocidade são relacionados. Por exemplo, uma bomba ou ventilador simples que alimenta um processo com pouca carga estática, de modo que a pressão é predominantemente função quadrática da vazão, dá torque que é função quadrática da velocidade. Inversamente, um processo como sistema transportador tem torque que é largamente independente de velocidade, mas depende da demanda no transportador. Estes dois tipos de carga são amplamente referidos como aplicações de inversor "torque variável" e "torque fixo" respectivamente.

Além das perdas inerentes no inversor e motor tomados separadamente, há perdas que são função da combinação dos dois. Os fatores-chave na interdependência são:

• Densidade de fluxo magnético operacional, controlada pelo inversor e imposta ao motor, afetando perdas de magnetização. (Também afetando perdas resistivas para um dado torque, há densidade de fluxo ótima para qualquer dado torque e velocidade.)
• Chaveamento PWM, controlado pelo inversor 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 eficiência do inversor lidaria apenas com perdas no inversor sozinho, usando carga de motor padronizada. Um padrão útil tem que abordar a interdependência e gerenciar trade-offs; por exemplo, que a frequência de chaveamento PWM escolhida tem que balancear o desejo de minimizar perdas no inversor, requerendo frequência menor, e no motor, requerendo frequência maior. Também tem que permitir que o projetista de um sistema ou máquina completo possa calcular as perdas na máquina completa sobre sua faixa prática de condições de operação.

No próximo blog, veremos mais de perto as normas, particularmente EN 50598-2, que especificam classes de eficiência energética para inversores, e consideraremos como gerenciam estes requisitos. Também olharemos funções disponíveis no inversor que podem otimizar eficiência, e em particular otimizar 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] https://www.gambica.org.uk/resourceLibrary/CEMEP_guide_to_energy_efficiency_with_electric_drive_systems.html