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Inicialmente, iremos fazer algumas considerações para enterdermos este novo processo de automação. Basicamente iremos explanar aos que não conhecem esta tecnologia, algumas questões básica para melhor entendimento de nossa proposta.
O que são inversores de freqüência?
São dispositivos eletrônicos que convertem a tensão da rede alternada (CA), em tensão contínua (CC) de amplitude e freqüência constantes, e finalmente converte esta última, numa tensão de amplitude e freqüência variáveis (CA).
Conversores de freqüência ou inversores de frequencia são equipamentos destinados a controlar e variar a velocidade de motores elétricos de indução trifásicos. São equipamentos microprocessados, totalmente digitalizados, disponíveis com controle escalar ou controle vetorial e utilizam transistores de tecnologia IGBT para chaveamento em alta freqüência.
Estes equipamentos controlam totalmente a velocidade do motor de zero até a freqüência máxima nominal ou superiores. Existem inversores que podem gerar uma tensão alternada (CA) de até 7200Hz para alimentar motores especiais. Os drives têm a habilidade de atuar como dispositivos de proteção para os mais variados problemas de rede elétrica que se pode ocorrer, como a falta de desequilíbrio das tensões entre fases, falta de fase, sobretensões, subtensões, sobrecarga, queda de tensão, etc.
Estes equipamentos são usados em motores elétricos de indução substituindo os rudimentares sistemas de variação de velocidades mecânicos, tais como polias, variadores eletromagnéticos e variadores hidráulicos, bem como os custosos motores de corrente contínua pelo conjunto motor assíncrono e inversor, mais barato, de manutenção mais simples e fácil reposição.
Definições
Antes de iniciar uma explanação mais ampla sobre a aplicação dos conversores de freqüência, devem ser tomados conhecimento de algumas definições sobre as partes integrantes do sistema a ser acionado, que são:
motor: os motores a serem acionados neste trabalho são motores de corrente alternada (CA) de indução trifásicos, assíncronos, com rotor tipo gaiola de esquilo, salvo algumas exceções.
acionamento: o conjunto compreendido pelo motor e seu sistema de partida, mais qualquer aparelho eletrônico envolvido;
carga: o conjunto de componentes da máquina, iniciando pela ponta de eixo do motor;
torque: o torque pode ser definido como “a força necessária para se girar um eixo”. Ele é dado pelo produto da força tangencial pela distância do centro do eixo até o ponto de aplicação desta força.
Aplicações
Os inversores de freqüência têm uma vasta aplicação na indústria de máquinas e processos em geral. Com a capacidade inerente de variar a velocidade ou controlar o toque de motores elétricos trifásicos CA permitem aos projetistas, desenvolver máquinas que sem os mesmos, seriam praticamente impossíveis de serem fabricadas. Alguns exemplos de aplicações para a utilização com eficiência dos drives são: pontes rolantes, elevadores, escadas rolantes, ventiladores, bombas, sistemas de ar-condicionado (HVAC), extrusoras, bobinadoras, guindastes, compressores, cortadeiras, dobradeiras, etc...
Benefícios dos inversores de freqüência
Os inversores de freqüência controlam a rotação e a velocidade do motor elétrico para prover as reais demandas do processo sem perdas, propiciando uma considerável economia de energia. Além disso, reduz as cargas nas redes de alimentação e o stress mecânico nas máquinas durante a partida do motor, principalmente nos acoplamentos e caixas de redução.
Essas funcionalidades também podem ser realizadas com métodos de controle simples, por exemplo com válvulas ou controle por bypass, controles por sistemas liga/desliga. Porém esses métodos consomem muita energia, além do custo total ser maior do que a solução com inversores de freqüência. Além disso, ainda tem o efeito ambiental, pois aumentam a emissão de CO2 em plantas de geração de energia. Desta forma os custos totais do investimento com métodos de controle simples são muito maiores do que com inversores de freqüência.
Ainda, existem vários outros retornos de investimento na aquisição de drivers. Por exemplo, a capacidade de otimizar o processo, o qual nos dê melhor qualidade e melhores índices de produção, é muito difícil de se atingir com os métodos de controle simples. Um eventual aumento na capacidade de produção normalmente requer a reconstrução de todo o sistema.
Aplicação de inversores de freqüência em compressores
 Este trabalho propõe a otimização das linhas de ar comprimido, modulando a operação dos compressores de ar tipo parafuso com o uso de inversores de freqüência para acionamento dos motores de indução trifásicos e utilizando transdutores de pressão junto com um CLP para a automação do sistema.
Atualmente, os compressores de parafuso instalados na maioria das indústrias trabalham em regime intermitente, ou seja, alternando seu funcionamento ora em carga e ora em alívio. Entretanto, quando em alívio esses compressores estão apenas consumindo energia elétrica e contribuindo para baixar o fator de potência das instalações industriais, além de estarem acelerando seu desgaste mecânico, reduzindo sua vida útil e aumentando os custos de manutenção do equipamento.
Com a automatização do acionamento dessas máquinas e das linhas de ar comprimido, haverá uma economia significativa de energia elétrica e dos custos de manutenção.
Ar comprimido é um insumo, ou forma de energia, de ampla utilização e está presente nas mais diversas aplicações: Acionamentos e controles industriais; Processos produtivos; Processos automotivos; Consultórios médicos; Construção civil; entre outros. As vantagens são evidentes: é fácil de ser conduzido; não apresenta risco de incêndio; os equipamentos são compactos; não gera resíduos; etc. Entretanto, seu custo é alto e a maior parte da energia gasta na compressão do ar é perdida na forma de calor. Estudos realizados demonstraram que a energia elétrica consumida para a geração de ar comprimido representa cerca de 70% dos custos de um ciclo de vida do compressor.
Portanto, em especial na indústria, o uso do ar comprimido deve ser estritamente monitorado. A operação e a manutenção dos sistemas devem procurar sempre a maximização da eficiência. Pensando nisso e considerando que o consumo de energia elétrica representa grande parcela nos custos de alguns segmentos industriais (Siderurgia, Alumínio, Bebidas, Vidro, entre outros), é proposto neste trabalho a otimização das linhas de ar comprimido, modulando a operação dos compressores de ar tipo parafuso com o uso de inversores de freqüência para acionamento dos motores de indução trifásicos (MIT) e utilizando transdutores de pressão junto com um controlador lógico programável (CLP) para a automação do sistema.
Objetivo
A maioria das indústrias têm um perfil de demanda de ar característico, com flutuações de acordo com a hora do dia ou com o dia da semana. Compressores com sistemas de regulagem tradicional não conseguem acompanhar com precisão essas variações de demanda. Como resultado, se tem o desperdício de energia.
O objetivo aqui é desenvolver um projeto de automatização para linhas de ar comprimido alimentadas por compressores tipo parafuso, evitando operações em vazio do referido equipamento e conseqüentemente, economizando energia elétrica e reduzindo os custos de manutenção fabril. Serão instalados os conversores de freqüência para acionamento dos compressores de ar comprimido e modulado o funcionamento através de transdutores de pressão instalados nas linhas de ar comprimido, como mostra a figura 1 com um perfil típico de demanda de ar médio durante a semana.
F1.Perfil típico de demanda de ar na industria.
Compressores de Ar tipo Parafuso
Os compressores são equipamentos que elevam a pressão do ar através de sistemas mecânicos, em geral, são acionados por motores elétricos ou de combustão interna. Basicamente os compressores se classificam em dois grupos distintos: de deslocamento positivo; e os dinâmicos.
Compressores de deslocamento positivo
Nesse tipo de compressor o aumento de pressão é obtido quando se encerra o volume de um gás num espaço fechado, onde posteriormente o volume é reduzido por ação mecânica. Os tipos mais conhecidos são os compressores alternativos de pistão e os compressores rotativos de parafuso, conforme ilustram as figuras 2 e 3. A capacidade não é afetada pela pressão de trabalho, exceto pelas alterações de vazamento interno e na eficiência volumétrica.
 
F2.Compressor de parafuso F3.Ciclo do Compressor
Compressores dinâmicos
Nesse tipo de compressor o aumento da pressão é obtido imprimindo-se energia cinética ao gás que tem um fluxo contínuo e convertendo-se essa energia em pressão através de um difusor. Como exemplos desse tipo de compressores tem-se os ejetores, os centrífugos e os axiais.
Controle de capacidade de compressores
A capacidade de um compressor deve ser regulada para se adaptar ao sistema de demanda real. Usualmente, a pressão de descarga é a variável de controle.
O tipo de controle depende da característica do compressor, do acionador e da rede de distribuição, e pode ser dividido em contínuo (variação da velocidade, estrangulamento da admissão) ou descontínuo (liga – desliga).
Neste projeto é utilizado controle contínuo, com variação de velocidade de acionamento, usando como variável de controle a pressão da rede de distribuição. O alívio do compressor na partida deve ser providenciado naqueles casos onde o torque do acionador disponível não é suficiente para acelerar o compressor sob carga. Existem vários métodos de alívio ao qual apenas abordaremos para o referido caso citado.
Variação da velocidade do acionador
A vazão de ar do compressor é diretamente proporcional à velocidade do acionador, dessa forma, pode-se controlar a vazão de acordo com a demanda de ar. Esse método pode ser utilizado em compressores acionados por motores elétricos ou a combustão interna e apresenta uma grande vantagem que é a economia de energia, além da redução dos custos de manutenção e prolongamento da vida útil do equipamento.
Análise Econômica
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