Se dois motores idênticos operam a uma frequência de 50 Hz, um utiliza um conversor de frequência e o outro não, e a velocidade e o torque estão ambos nos valores nominais do motor, o conversor de frequência pode economizar energia? Quanta energia pode ser economizada?
Resposta: Nesse caso, o conversor de frequência só pode melhorar o fator de potência e não economizar energia elétrica.
1. A conversão de frequência não garante economia de energia em todos os lugares, e há muitas situações em que ela pode não necessariamente resultar em economia de energia.
2. Como um circuito eletrônico, o próprio conversor de frequência também consome energia (cerca de 2 a 5% da potência nominal).
3. É um fato que os conversores de frequência operam na frequência da rede elétrica e possuem funções de economia de energia. Mas seu pré-requisito é:
Em primeiro lugar, o próprio dispositivo possui função de economia de energia (com suporte de software), que atende aos requisitos de todo o sistema ou processo;
Em segundo lugar, operação contínua a longo prazo.
Além disso, não importa se economiza energia ou não, é irrelevante. Dizer que um conversor de frequência economiza energia sem nenhuma condição prévia é exagero ou especulação comercial. Conhecendo toda a história, você poderá usá-lo de forma inteligente e a seu favor. Certifique-se de prestar atenção à situação e às condições de uso para aplicá-lo corretamente; caso contrário, você estará seguindo cegamente, acreditando facilmente e sendo enganado.
Frequentemente temos as seguintes ideias equivocadas ao usar conversores de frequência:
Conceito errôneo 1: Usar um conversor de frequência pode economizar eletricidade.
Algumas publicações afirmam que os conversores de frequência são produtos de controle que economizam energia, dando a impressão de que o uso de conversores de frequência pode economizar eletricidade.
Na verdade, o motivo pelo qual os conversores de frequência podem economizar energia elétrica é porque eles regulam a velocidade dos motores elétricos. Se os conversores de frequência são produtos de controle que economizam energia, então todos os equipamentos de controle de velocidade também podem ser considerados produtos de controle que economizam energia. O conversor de frequência é apenas ligeiramente mais eficiente e tem um fator de potência melhor do que outros dispositivos de controle de velocidade.
A capacidade de um conversor de frequência gerar economia de energia depende das características de regulação de velocidade da carga. Para cargas como ventiladores e bombas centrífugas, o torque é proporcional ao quadrado da velocidade e a potência ao cubo da velocidade. Desde que o controle de fluxo por válvula original seja utilizado e a carga não opere em plena carga, a mudança para a operação com regulação de velocidade permite economia de energia. Quando a velocidade cai para 80% da original, a potência é de apenas 51,2% da original. Portanto, a aplicação de conversores de frequência nessas cargas apresenta o efeito de economia de energia mais significativo. Para cargas como sopradores Roots, o torque é independente da velocidade, ou seja, trata-se de uma carga de torque constante. Se o método original de utilização de uma válvula de ventilação para liberar o excesso de ar e ajustar o fluxo for alterado para a operação com regulação de velocidade, também é possível obter economia de energia. Quando a velocidade cai para 80% do valor original, a potência atinge 80% do valor original. A economia de energia, no entanto, é muito menor do que em aplicações com ventiladores e bombas centrífugas. Para cargas de potência constante, a potência é independente da velocidade. Uma carga de potência constante em uma fábrica de cimento, como uma balança de correia dosadora, reduz a velocidade da correia quando a camada de material é espessa sob certas condições de fluxo; quando a camada de material é fina, a velocidade da correia aumenta. A aplicação de conversores de frequência em tais cargas não resulta em economia de energia elétrica.
Em comparação com sistemas de controle de velocidade CC, os motores CC apresentam maior eficiência e fator de potência do que os motores CA. A eficiência dos controladores digitais de velocidade CC é comparável à dos conversores de frequência, sendo inclusive ligeiramente superior. Portanto, é incorreto afirmar que o uso de motores CA assíncronos e conversores de frequência economiza mais energia elétrica do que o uso de motores CC e controladores CC, tanto teórica quanto praticamente.
Conceito errôneo 2: A seleção da capacidade do conversor de frequência baseia-se na potência nominal do motor.
Em comparação com os motores elétricos, o preço dos conversores de frequência é relativamente alto, por isso é muito importante reduzir a capacidade dos conversores de frequência de forma racional, garantindo ao mesmo tempo uma operação segura e confiável.
A potência de um conversor de frequência refere-se à potência do motor assíncrono CA de 4 polos para o qual ele é adequado.
Devido ao número variável de polos em motores com a mesma capacidade, a corrente nominal do motor varia. À medida que o número de polos no motor aumenta, a corrente nominal também aumenta. A seleção da capacidade do conversor de frequência não pode ser baseada na potência nominal do motor. Da mesma forma, em projetos de reforma que originalmente não utilizavam conversores de frequência, a seleção da capacidade do conversor também não pode ser baseada na corrente nominal do motor. Isso ocorre porque a seleção da capacidade do motor elétrico deve considerar fatores como carga máxima, coeficiente de sobrecarga e especificações do motor. Frequentemente, a sobrecarga é grande, e motores industriais costumam operar com 50% a 60% da carga nominal. Se a capacidade do conversor de frequência for selecionada com base na corrente nominal do motor, haverá uma margem excessiva, resultando em desperdício de recursos e, consequentemente, em perda de confiabilidade.
Para motores de gaiola de esquilo, a seleção da capacidade do conversor de frequência deve basear-se no princípio de que a corrente nominal do conversor de frequência deve ser maior ou igual a 1,1 vezes a corrente máxima de operação normal do motor, o que maximiza a economia de custos. Em condições como partida com carga pesada, ambientes de alta temperatura, motores de bobina móvel, motores síncronos, etc., a capacidade do conversor de frequência deve ser aumentada adequadamente.
Para projetos que utilizam conversores de frequência desde o início, é compreensível escolher a capacidade do conversor com base na corrente nominal do motor. Isso ocorre porque a capacidade do conversor não pode ser selecionada com base nas condições reais de operação naquele momento. Claro que, para reduzir o investimento, em alguns casos, a capacidade do conversor pode ser inicialmente definida de forma incerta, e após o equipamento estar em funcionamento por um período, ela poderá ser selecionada com base na corrente real.
Em um sistema de moagem secundária de um moinho de cimento de 2,4 m × 13 m de diâmetro, em uma determinada empresa de cimento na Mongólia Interior, existe um selecionador de pó de alta eficiência N-1500 O-Sepa, de fabricação nacional, equipado com um motor elétrico modelo Y2-315M-4 de 132 kW. No entanto, foi selecionado um conversor de frequência FRN160-P9S-4E, adequado para motores de 4 polos com potência de 160 kW. Após a entrada em operação, a frequência máxima de trabalho é de 48 Hz e a corrente é de apenas 180 A, o que representa menos de 70% da corrente nominal do motor. O próprio motor possui uma capacidade excedente considerável. Além disso, as especificações do conversor de frequência são um nível acima das do motor de acionamento, o que causa desperdício desnecessário e não melhora a confiabilidade.
O sistema de alimentação do britador de calcário nº 3 da fábrica de cimento Anhui Chaohu utiliza um alimentador de placas de 1500 × 12000 mm, e o motor de acionamento é um motor CA Y225M-4 com potência nominal de 45 kW e corrente nominal de 84,6 A. Antes da conversão para regulação de velocidade por meio de conversão de frequência, constatou-se, por meio de testes, que, quando o alimentador de placas acionava o motor normalmente, a corrente trifásica média era de apenas 30 A, o que representava apenas 35,5% da corrente nominal do motor. Visando à redução de custos, foi selecionado o conversor de frequência ACS601-0060-3, que possui corrente de saída nominal de 76 A e é adequado para motores de 4 polos com potência de 37 kW, apresentando bom desempenho.
Esses dois exemplos ilustram que, para projetos de reforma que originalmente não utilizavam conversores de frequência, selecionar a capacidade do conversor de frequência com base nas condições reais de operação pode reduzir significativamente o investimento.
Conceito errôneo 3: Os motores da General Motors só podem operar em velocidade reduzida usando conversores de frequência abaixo de sua velocidade nominal de transmissão.
A teoria clássica estabelece que o limite superior da frequência de um motor universal é de 55 Hz. Isso ocorre porque, quando a velocidade do motor precisa ser ajustada acima da velocidade nominal para operação, a frequência do estator aumenta acima da frequência nominal (50 Hz). Nesse ponto, se o princípio do torque constante ainda for seguido para o controle, a tensão do estator aumentará além da tensão nominal. Portanto, quando a faixa de velocidade for superior à velocidade nominal, a tensão do estator deve ser mantida constante na tensão nominal. Nesse ponto, à medida que a velocidade/frequência aumenta, o fluxo magnético diminui, resultando em uma redução do torque para a mesma corrente do estator, amolecimento das características mecânicas e uma redução significativa na capacidade de sobrecarga do motor.
Com isso, pode-se observar que o limite superior da frequência de um motor universal é de 55 Hz, o que é um pré-requisito:
1. A tensão do estator não pode exceder a tensão nominal;
2. O motor está operando com potência nominal;
3. Carga de torque constante.
Na situação acima, a teoria e os experimentos comprovaram que, se a frequência exceder 55 Hz, o torque do motor diminuirá, as características mecânicas se tornarão mais suaves, a capacidade de sobrecarga diminuirá, o consumo de ferro aumentará rapidamente e o aquecimento será severo.
O autor acredita que as condições reais de operação dos motores elétricos indicam que motores de uso geral podem ser acelerados por meio de conversores de frequência. É possível aumentar a velocidade com frequência variável? Quanto? Isso depende principalmente da carga que o motor elétrico suporta. Primeiramente, é necessário determinar qual é a taxa de variação da carga. Em seguida, é preciso compreender as características da carga e realizar cálculos com base na situação específica da mesma. Uma breve análise é apresentada a seguir:
1. De fato, para um motor universal de 380V, é possível operá-lo por um longo período quando a tensão do estator excede 10% da tensão nominal, sem afetar o isolamento e a vida útil do motor. Com o aumento da tensão do estator, o torque aumenta significativamente, a corrente do estator diminui e a temperatura do enrolamento também diminui.
2. A taxa de carga do motor elétrico geralmente é de 50% a 60%.
Geralmente, os motores industriais operam com 50% a 60% de sua potência nominal. Calculando, quando a potência de saída do motor atinge 70% da potência nominal e a tensão do estator aumenta em 7%, a corrente do estator diminui em 26,4%. Nesse caso, mesmo com controle de torque constante e utilizando um conversor de frequência para aumentar a velocidade do motor em 20%, a corrente do estator não apenas não aumenta, como também diminui. Embora as perdas no ferro do motor aumentem consideravelmente com o aumento da frequência, o calor gerado por elas é insignificante em comparação com o calor dissipado pela redução da corrente do estator. Portanto, a temperatura do enrolamento do motor também diminuirá significativamente.
3. Existem várias características de carga.
O sistema de acionamento do motor elétrico alimenta a carga, e diferentes cargas possuem diferentes características mecânicas. Os motores elétricos devem atender aos requisitos das características mecânicas da carga após a aceleração. De acordo com os cálculos, a frequência máxima de operação permitida (fmax) para cargas de torque constante em diferentes taxas de carga (k) é inversamente proporcional à taxa de carga, ou seja, fmax = fe/k, onde fe é a frequência nominal de potência. Para cargas de potência constante, a frequência máxima de operação permitida de motores em geral é limitada principalmente pela resistência mecânica do rotor e do eixo do motor. O autor acredita que, de modo geral, é aconselhável limitá-la a 100 Hz.
Exemplo de aplicação:
Em uma determinada fábrica, o transportador de caçambas de corrente opera com torque constante e, devido ao aumento da produção, a velocidade do motor precisa ser aumentada em 20%. O modelo do motor é Y180L-6, com potência nominal de 15 kW, tensão nominal de 380 V, corrente nominal de 31,6 A, velocidade nominal de 980 rpm, eficiência de 89,5%, fator de potência de 0,81, corrente de operação de 18-20 A, potência máxima de operação de 7,5 kW em condições normais e taxa de carga de 50%. Após a instalação do conversor de frequência CIMR-G5A4015, a frequência de operação passou a ser de 60 Hz, a velocidade aumentou em 20%, a tensão máxima de saída do conversor de frequência foi ajustada para 410 V, a corrente de operação do motor caiu para 12-15 A, o que representa uma redução de aproximadamente 30%, além de uma diminuição significativa na temperatura do enrolamento do motor.
Conceito errôneo 4: Ignorar as características inerentes dos conversores de frequência
A configuração inicial do conversor de frequência geralmente é feita pelo distribuidor, e não costuma haver problemas. A instalação de um conversor de frequência é relativamente simples e geralmente é realizada pelo próprio usuário. Alguns usuários não leem atentamente o manual do usuário do conversor de frequência, não seguem rigorosamente os requisitos técnicos de montagem, ignoram as características do próprio conversor de frequência, o equiparam a componentes elétricos comuns e agem com base em suposições e experiência, expondo-se a riscos ocultos de falhas e acidentes.
De acordo com o manual do usuário do conversor de frequência, o cabo conectado ao motor deve ser blindado ou armado, preferencialmente instalado em um tubo metálico. As extremidades do cabo cortado devem ser o mais limpas possível, os segmentos sem blindagem devem ser o mais curtos possível e o comprimento do cabo não deve exceder uma determinada distância (geralmente 50 m). Quando a distância entre o conversor de frequência e o motor for longa, a alta corrente de fuga harmônica do cabo terá efeitos adversos sobre o conversor de frequência e os equipamentos próximos. O fio de aterramento do motor controlado pelo conversor de frequência deve ser conectado diretamente ao terminal de aterramento correspondente do conversor. O fio de aterramento do conversor de frequência não deve ser compartilhado com máquinas de solda e equipamentos elétricos e deve ser o mais curto possível. Devido à corrente de fuga gerada pelo conversor de frequência, se estiver muito distante do ponto de aterramento, o potencial do terminal de aterramento ficará instável. A área da seção transversal mínima do fio de aterramento do conversor de frequência deve ser maior ou igual à área da seção transversal do cabo de alimentação. Para evitar mau funcionamento causado por interferência, os cabos de controle devem utilizar fios blindados trançados ou fios blindados de dupla camada. Ao mesmo tempo, deve-se ter cuidado para que o cabo de rede blindado não entre em contato com outras linhas de sinal ou com a carcaça do equipamento, e deve-se envolvê-lo com fita isolante. Para evitar interferências, o comprimento do cabo de controle não deve exceder 50 metros. O cabo de controle e o cabo do motor devem ser instalados separadamente, utilizando calhas de cabos distintas, e mantidos o mais afastados possível. Quando os dois precisarem se cruzar, o cruzamento deve ser vertical. Nunca os instale no mesmo duto ou calha de cabos. No entanto, alguns usuários não seguiram rigorosamente os requisitos acima ao instalar os cabos, resultando no funcionamento normal do equipamento durante a depuração individual, mas causando sérias interferências durante a produção normal, impossibilitando sua operação.
If the secondary air temperature gauge of a cement plant suddenly shows abnormal readings: the indicated value is significantly low and fluctuates greatly. It has been running very well before this. Checked thermocouples, temperature transmitters, and secondary instruments, no issues were found. What are the relevant? When the instrument was moved to another measuring point, it operated completely normally. However, when similar instruments from other measuring points were replaced here, the same phenomenon also occurred. Later, it was discovered that a new frequency converter had been installed on the motor of cooling fan No. 3 in the grate cooler, and it was only after the frequency converter was put into use that the secondary air temperature gauge showed abnormal readings. Stop the frequency converter and immediately restore the secondary air temperature gauge to normal; Restarting the frequency converter, the secondary air temperature gauge showed abnormal readings again. After repeated testing several times, it was determined that the interference from the frequency converter was the direct cause of the abnormal display on the secondary air temperature gauge. The fan is a centrifugal ventilator, which originally used valves to adjust the air volume, but later changed to variable frequency speed regulation to adjust the air volume. Due to the large amount of dust and harsh environment on site, the frequency converter is installed in the MCC (Motor Control Center) control room. For the convenience of construction, the frequency converter is connected to the lower side of the main contactor of the fan, and the output cable of the frequency converter uses the power cable of the fan motor. The power cable of the fan motor is a PVC insulated non steel armored sheathed cable, and is laid parallel to the secondary air temperature meter signal cable in different bridge layers of the same cable trench. It can be seen that it is precisely because the output cable of the frequency converter does not use armored cables or be laid through iron pipes that interference phenomena occur. This lesson should be given special attention to renovation projects that did not originally use frequency converters.
Deve-se ter cuidado especial na manutenção diária dos conversores de frequência. Alguns eletricistas ligam o conversor de frequência para manutenção imediatamente após detectarem uma falha, causando o seu desligamento. Isso é muito perigoso e pode resultar em choques elétricos. Isso ocorre porque, mesmo que o conversor de frequência não esteja em operação ou a alimentação tenha sido cortada, ainda pode haver tensão na linha de entrada de energia, no terminal CC e no terminal do motor do conversor de frequência devido à presença de capacitores. Após desligar a chave, é necessário aguardar alguns minutos para que o conversor de frequência descarregue completamente antes de iniciar o trabalho. Alguns eletricistas têm o hábito de realizar imediatamente testes de isolamento no motor acionado pelo sistema de inversor de frequência usando uma mesa vibratória quando percebem o desligamento do sistema, a fim de determinar se o motor queimou. Isso também é muito perigoso, pois pode facilmente causar a queima do conversor de frequência. Portanto, antes de desconectar o cabo entre o motor e o conversor de frequência, o teste de isolamento não deve ser realizado no motor, nem no cabo já conectado ao conversor de frequência.