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Ajudando a produzir mais com menosAplicando inversores de frequência
Godofredo Winnischofer, Agosto de 2015 – Evento Automation & Power World Brasil
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Conteúdo
Introdução§ Questão de Eficiência Energética em sistemas motrizes§ Soluções para elevação da eficiência energética
Conjunto Inversor-Motor SynRM§ Apresentação§ Eficiência§ Aplicações
Conjunto Inversor-Motor para Acionamento Direto (PM)§ Apresentação§ Eficiência§ Casos reais
Conclusão
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Conteúdo
Introdução§ Questão de Eficiência Energética em sistemas motrizes§ Soluções para elevação da eficiência energética
Conjunto Inversor-Motor SynRM§ Apresentação§ Eficiência§ Aplicações
Conjunto Inversor-Motor para Acionamento Direto (PM)§ Apresentação§ Eficiência§ Casos reais
Conclusão
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IndústriaPotencial de economia de energia elétrica
Entrada deEnergia Elétricaou Geração
Potencial deeconomia naconversão1 a 2 %
Distribuiçãointerna
Cabos etransformadores
Potencial deeconomia naconversão1 a 2%
Uso final
Motoresrespondem por50% do consumo
Potencial deeconomia1 a 5%
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IndústriaPotencial de economia de energia elétrica
Uso final
Cargas com torque variável, comobombas e ventiladores constituem boaparte das aplicações motóricas.
Utilização de inversores podem maximizaras economias. (acima de 50%)
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Cargas de torque variávelPotencial de economia pela aplicação de inversores
100
75
50
25
25 50 75 100
42.1
12.5
Potê
ncia
(%)
Velocidade (%)
Potência éproporcional à(Velocidade)3
50
12.5
75
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Formas de controle de vazãoDiferentes formas, diferentes ganhos
On-Off control Drive control
Pump On70% of the time
Pump Off30% of the time
Throttle control By-passing
Variable speed
BypassingThrottling
On/off control
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Formas de controle de vazãoDiferentes formas, diferentes ganhos
On-Off control Drive control
Pump On70% of the time
Pump Off30% of the time
Throttle control By-passing
Variable speed
Bypassing
On/off control
© ABB GroupSeptember 24, 2015 | Slide 9
Formas de controle de vazãoDiferentes formas, diferentes ganhos
On-Off control Drive control
Pump On70% of the time
Pump Off30% of the time
Throttle control By-passing
Variable speedOn/off control
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Formas de controle de vazãoDiferentes formas, diferentes ganhos
On-Off control Drive control
Pump On70% of the time
Pump Off30% of the time
Throttle control By-passing
Variable speed
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Formas de controle de vazãoDiferentes formas, diferentes ganhos
On-Off control Drive control
Pump On70% of the time
Pump Off30% of the time
Throttle control By-passing
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Formas de controle de vazãoDiferentes formas, diferentes ganhos
Recirculação
Estrangulamento
Liga/Desliga
Controle develocidade
Curva característicada bomba
Economia
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Conteúdo
Introdução§ Questão de Eficiência Energética em sistemas motrizes§ Soluções para elevação da eficiência energética
Conjunto Inversor-Motor SynRM§ Apresentação§ Eficiência§ Aplicações
Conjunto Inversor-Motor para Acionamento Direto (PM)§ Apresentação§ Eficiência§ Casos reais
Conclusão
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Conteúdo
Introdução§ Questão de Eficiência Energética em sistemas motrizes§ Soluções para elevação da eficiência energética
Conjunto Inversor-Motor SynRM§ Apresentação§ Eficiência§ Aplicações
Conjunto Inversor-Motor para Acionamento Direto (PM)§ Apresentação§ Eficiência§ Casos reais
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Porque conjuntos Inversor-Motor?Eficiências mais elevadas requerem nova tecnologia
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Porque conjuntos Inversor-Motor?Eficiências mais elevadas requerem nova tecnologia
Motor de Indução IE2
Motor Síncrono de Ímãs Permanents IE4 (PM)
Motor Síncrono de Relutância IE4 (SynRM)
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Conteúdo
Introdução§ Questão de Eficiência Energética em sistemas motrizes§ Soluções para elevação da eficiência energética
Conjunto Inversor-Motor SynRM§ Apresentação§ Eficiência§ Aplicações
Conjunto Inversor-Motor para Acionamento Direto (PM)§ Apresentação§ Eficiência§ Casos reais
Conclusão
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Conteúdo
Introdução§ Questão de Eficiência Energética em sistemas motrizes§ Soluções para elevação da eficiência energética
Conjunto Inversor-Motor SynRM§ Apresentação§ Eficiência§ Aplicações
Conjunto Inversor-Motor para Acionamento Direto (PM)§ Apresentação§ Eficiência§ Casos reais
Conclusão
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Tecnologia do Motor Síncrono de RelutânciaBreve história – marcos tecnológicos
2010200519891960’s1923 19981888
(b)
§ (a) Rotor simples de pólos salientes (SP)
§ (b) J. K. Kostko 1923 (patente original)
§ (c) Rotor de material anisotrópico laminado axialmente (ALA)
§ (d) Rotor de material anisotrópico laminado tranversalmente (TLA)
§ (e) Servomotores Síncronos de Relutância ABB
§ (f) Conjuntos Inversor–Motor Síncrono de Relutância ABB
(e)
(d)(f)
(c)
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Motor Síncrono de RelutânciaEliminação das perdas rotóricas
Perdas
I2RStator
I2RRotor
Outras
I2RStator
Outras
I2RStator
Outras
Motor de Indução IE2
Motor SynRM IE4
Motor SynRM High Output
100%
60%
80 -90%
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Considerações acerca da eficiênciaBaseados em medições realizadas pela ABB
80%81%82%83%84%85%86%87%88%89%90%91%92%93%94%95%
0 %
10 %
20 %
30 %
40 %
50 %
60 %
70 %
80 %
90 %
100 %
500 750 1000 1250 1500
EffP/Pn
rpm
15kW 1500 rpm motor-drive packages in pump/fan duty
Pump/fan power curve IE4 SynRM package IE2 IM package IE3 IM package
IE4 IM package IE2 DOL limit IE3 DOL limit IE4 DOL limit
Conjunto inversor-motorSynRM IE4
Conjuntos inversor-motor 15 kW 1500 rpm acionando carga de torque quadrático
Conjunto inversor-motor IE3
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Conjuntos de acionamento SynRMInversor + Motor Síncrono de Relutância
Motores SynRM IE4
§ Perdas reduzidas até 40% em comparação aos índices de eficiênciada classe IE2
§ Intercambiabilidade com os motores de indução IE2 sem necessidadede custos de adaptação mecânica
§ 11 to 315 kW
Motores SynRM HO (High Output)
§ Motor compacto de elevada potência com carcaça inferior em até 2tamanhos em relação ao motor de indução convencional semcomprometer a eficiência
§ Mais leve e menor pode reduzir custos de montage mecânica
§ 1.1 to 350 kW
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Conjunto de acionamento SynRMPosicionamento dos inversores ABB
Modular Completo
Des
empe
nho
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ACS8501.1-560 kW
§ 230V a 500 V
§ 3A a 875A
§ 1kW a 560kW
§ IP20
§ Instalação simples e rápida em painel.Opção de módulo única: ACS850-04
§ Tamanho compacto e montagem ladoa lado
§ Ampla gama de opcionais como E/S,encoder, fieldbus, etc.
§ Safe Torque Off (STO) padrão
§ Otimizador de energia e calculadorade economia de energia
Fabricação dos frames A, B, C e D
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ACS850Frames A, B e C
Frame A1,5 a 4 kW
3 kg
Frame B5,5 a 11 kW
5 kg
Frame C15 a 30 kW
16 kg
Frame D37 a 55 kW
22 kg
Frame E60 a 200 kW
67 kg
Frame G1250 a 400 kW
161 kg
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ACS880Potência de 0,55 a 5.600 kW
§ 230V a 690V
§ 2A a 5.700A
§ 1kW a 5.600kW
§ Diversas opções de montagem
§ IP20, IP21 ou IP55 inversor avulso
§ IP22, IP42 ou IP54 em painel
§ Refrigeração a ar ou a água
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ACS880-01Hardware
IP21380...415V (-3)
380...500V (-5)
525...690V (-7)
208...240V (-2)
IP55380...415V (-3)
380...500V (-5)
525...690V (-7)
208...240V (-2)
7.5-11kW(10-15hp)
R2
15-18.5kW(20-25hp)
R3
22-30kW(30-40hp)
R4
55-75kW(75-100hp)
R6
90-110kW(125-150hp)
R70.75-5.5kW(1-7.5hp )
R1
37-45kW(50-60hp)
R5
132-160kW(200-250hp)
R8
200-250kW(300-350hp)
R9
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ACS880-04Hardware
§ Toda a faixa coberta pelo ACS880-01mais…
§ Até 630kW (500V) ou
§ Até 710kW (690V)
§ Otimizado para montagem em painel(coluna de 400mm), IP20
§ Pedestal com rodízio + rampa parasimples remoção do modulo
§ Opção de modulo de controle integrado ouseparado.
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Aplicabilidade do Conjunto Inversor-Motor SynRMDisponível para todas aplicações convencionais
§ Bombas
§ Ventiladores
§ Compressores centrífugos
§ Compressores de parafuso
§ Extrusoras
§ Correias transportadoras
§ Mixers
§ Centrífugas
Aplicações de torquequadrático
Aplicações de torqueconstante
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Dimensionamento do conjunto SynRMDriveSize 3.9.1
§ Apropriado tanto para aplicações comtorque quadrático quanto torqueconstante
§ Elevada capacidade de sobrecargainstantânea, de até 250%
§ Precisão de controle de torque igualávelao uso com motor de indução
§ Precisão de controle de velocidadesuperior ao uso com motor de indução(0,01%)
§ Eficiência mais elevada e operação comtemperatura do motor inferiror
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Fator de PotênciaCorrente de linha vs corrente no motor
§ FP do conjunto SynRM é praticamente 1 (do inversor 6-pulsos)§ FP do motor SynRM é, usualmente, por volta de 0,69 – 0,82§ A corrente reativa é suprida pelo inversor e deve ser considerada no
dimensionamento do inversor§ Cabos, seccionadora/disjuntor, reator, etc. possuem o mesmo
dimensionamento de um sistema de acionamento utilizando motor deindução convencional
SynRMImotor
Imotor_react
Imotor_effIline_eff
IlineIline_react
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Conteúdo
Introdução§ Questão de Eficiência Energética em sistemas motrizes§ Soluções para elevação da eficiência energética
Conjunto Inversor-Motor SynRM§ Apresentação§ Eficiência§ Aplicações
Conjunto Inversor-Motor para Acionamento Direto (PM)§ Apresentação§ Eficiência§ Casos reais
Conclusão
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Conteúdo
Introdução§ Questão de Eficiência Energética em sistemas motrizes§ Soluções para elevação da eficiência energética
Conjunto Inversor-Motor SynRM§ Apresentação§ Eficiência§ Aplicações
Conjunto Inversor-Motor para Acionamento Direto (PM)§ Apresentação§ Eficiência§ Casos reais
Conclusão
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Motor Síncrono de Ímãs permanentesQuais aplicações são mais adequadas
§ Casos típicos
§ Substituição de um conjuntomotor + redutor
§ Substituição de um conjuntomotor + correia transmissora
3000rpm~100rpm 750rpm
Aplicações típicas para o motor deindução convencional
Aplicação típica para oDirect Drive Motor
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Eliminação da transmissão pelo motor PMSistema de acionamento moderno vs tradicional
§ Menos componentes – maiorconfiabilidade
§ Melhor eficiência global
§ Menos manutenção
§ Instalação simplificada
§ Eliminação de óleolubrificante dos redutores
§ Eliminação do monitoramentode condição dos redutores
§ Redução de sobressalentes
§ Redução do espaço físicorequerido pelos componentsmecânicos
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Solução tradicional para torre de resfriamento
§ Uma torre de resfriamentotradicional utiliza normalmentemotor de indução de 4 pólosconectado a um eixo transmissor,que por sua vez aciona uma caixaredutora acoplada ao ventilador.
§ Estas partes requerem manutençãoconstante, que reduz a produção.
§ A manutenção de redutoresdemanda tempo e vazamentos deóleo são comuns.
§ Os sobressalentes podem terprazos longos de entrega. Um eixotransmissor danificado podedesabilitar um ventilador até que osobressalente chegue.
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Acionamento direto para torre de resfriamentoCooling Tower Direct Drive (CTDD)
§ O acionamento direto para torre deresfriamento substitui o redutor, eixode transmissão e motor de indução.
§ Como resultado, menossobressalentes, menos manutenção eredução de riscos.
§ O motor RPM™ AC síncrono, altotorque e baixa velocidade foi projetadopara aplicações de torre deresfriamento.
§ Este motor é baseado na plataformaexistente do motor RPM AC existente.
§ O inversor ACS880, industrial drive,suporta o motor de acionamentodireto.
§ 5.5kW a 250 kW
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Acionamento direto para torre de resfriamentoBenefícios
§ Confiável e de baixa manutenção;
§ Sem redutores, sem vazamento de óleo;
§ Eliminação da contaminação da água deresfriamento pelo óleo vazado;
§ Eliminação do eixo de transmissão erespective acoplamento;
§ Redução de problemas de rolamento;
§ Eliminação dos picos de corrente departida;
§ Maior eficiência do Sistema e melhorcontrole do processo;
§ Redução do ruído e vibração;
§ Aumento da segurança por redução deelementos girantes.
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Acionamento direto para torre de resfriamentoBreve histórico
§ 2006 é feita, por parte de cliente, solicitação parasolucionar problemas dos redutores
§ 2007 introduzido o conceito baseado na plataforma domotor RPM-AC
§ 2009 é lançado o Sistema CTDD com a marca Baldor einversor modelo VS1CTD
§ Até 2013 mais de 500 unidades foram colocadas emoperação ao redor do mundo
§ Em 2014 o inversor VS1CTD foi descontinuado esubstituído pelo ACS880-01.
§ Aproximadamente 40 instalações em operação
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Acionamento direto para torre de resfriamentoEficiência
86
88
90
92
94
96
98
1 10 100 1000
HP
%EF
FIC
IEN
CY
PM Premium Efficiency®
IEEE 841 Energy Efficient
92
93
94
95
96
97
98
0 20 40 60 80 100 120
% LOAD
%EF
FIC
IEN
CY
Energy Efficient Premium Efficiency® PM
§ A eficiência se mostra consistentemente superior ao longode toda a faixa de carga.
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Acionamento direto para torre de resfriamentoEficiência
§ Retrofits de antigos sistemas de acionamento que jápossuíam controle de velocidade podem apresentarganhos significativos de energia devido à eliminação dasperdas mecânicas da transmissão:
§ 10 – 15 % de economia é possível
§ Porém, maiores economias de energia são alcançadas nocaso em que, além da substituição da transmissãomecânica pelo acionamento direto o controle develocidade é inserido no Sistema:
§ 50 - 60 % de economia são valores típicos
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Comparação de tecnologias de acionamentoPonto de vista de eficiência
§ Estimativa baseada na operação com media de 75% develocidade
§ Baseado em medições realizadas no cliente
Motor de induçãoIE2 + redutor
Motor de induçãoIE3 + redutor
Inversor + Motorde indução IE3 +redutor
Sistema DirectDrive (inversor +motor PM)
Eficiência base Aumento de 1,4%de eficiência
Aumento de 57.7%de eficiência
Aumento de 59.9%de eficiência
Manutenção doredutor necessária
Manutenção doredutor necessária
Manutenção doredutor necessária
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Acionamento direto para torre de resfriamentoCasos reais
§ Cliente do segmento alimentício;§ Sistema original composto de inversor, motor e redutor;
§ Consumo de energia foi medido antes e depois da implementação doacionamento direto;
§ Economia alcançada: 16%. Potência do Sistema: 25 kW
§ Cliente do segmento farmacêutico;§ Sistema original composto de inversor, motor e redutor;
§ Solução com aplicação de Sistema de acionamento direto de 37 kW;
§ Economia alcançada: 11,8%.
§ Universidade;§ Sistema original composto de inversor, motor e redutor;
§ Solução com aplicação de Sistema de acionamento direto de 37 kW;
§ Economia alcançada: 10,8%.
© ABB GroupSeptember 24, 2015 | Slide 44
Conteúdo
Introdução§ Questão de Eficiência Energética em sistemas motrizes§ Soluções para elevação da eficiência energética
Conjunto Inversor-Motor SynRM§ Apresentação§ Eficiência§ Aplicações
Conjunto Inversor-Motor para Acionamento Direto (PM)§ Apresentação§ Eficiência§ Casos reais
Conclusão
© ABB GroupSeptember 24, 2015 | Slide 45
Conteúdo
Introdução§ Questão de Eficiência Energética em sistemas motrizes§ Soluções para elevação da eficiência energética
Conjunto Inversor-Motor SynRM§ Apresentação§ Eficiência§ Aplicações
Conjunto Inversor-Motor para Acionamento Direto (PM)§ Apresentação§ Eficiência§ Casos reais
Conclusão
Induction motor SynRM Typical PM motor
• Conhecido, confiável e robusto• Pode partir direto na rede (DOL)• Fácil manuseio e manutenção
• Eficiência inferior em baixasvelocidades
• Perdas rotóricas aquecem osrolamentos
• Precisão alta difícil de se obter semsensores
• Elevada Eficiência• Elevada densidade de potência
(compacto)• Controle preciso de velocidade
mesmo sem sensores• Temperaturas de operação baixas e
vida útil elevada dos rolamentoes• Fácil manuseio e manutenção• Sem FCEM e sem cogging torque
• FP baixo a ser tratado pelo inversor• Somente para operação com
inversores
• Elevada Eficiência• Compacto• Controle preciso de velocidade• Temperaturas de operação baixas e
vida útil elevada dos rolamentoes
• Custo elevado• Somente para operação com
inversores• Risco de desmagnetização dos
ímãs permanentes• Manutenção dificultada pelas forças
produzidas pelos ímãs permanentes
© ABB GroupSeptember 24, 2015 | Slide 46
ConclusãoComparativo das tecnologias dos motores
Motor de Indução SynRM PM Motor
© ABB GroupSeptember 24, 2015 | Slide 47
Conclusão: comparação em relação ao motor IE2Novas tecnologias vs motor de indução tradicional
Foco nas caracteristicas do produto e não na tecnologia.Não existem motores PM ou SynRM normatizados
HO SynRM IE4 SynRM IE4 IM Typical PM
Tamanho do motor menor mesmo maior menor
Intercambialidade não sim não não
Eficiência levemente superior superior superior superior
Facilidade demanutenção
mesma mesma mesma mais trabalhoso
Preço mesmo payback de 1-2anos
payback de 1-2anos
mais elevado
Disponibilidade 1.1 – 350 kW 11 – 315 kW Acima de 75 kW 5 – 250 kW
Combinação comqualquer inversor
não não sim não
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Mais informações?
Dúvidas?
ContatoGodofredo WinnischoferEmail: [email protected].: + 55 15 3330-6113Cel.: +55 11 98685-0633