Otimização do Controle de Motores Industriais: Retrofit de Inversor para Economia de Energia
Como o núcleo da produção industrial, os sistemas de automação elétrica influenciam diretamente os custos gerais de produção e o impacto ambiental. A operação em velocidade constante tradicional frequentemente leva ao desperdício de energia ao responder a demandas de carga variáveis e dificulta a realização de um controle preciso do processo. A tecnologia de regulação de velocidade por frequência variável, como um método avançado de controle de motores, oferece uma solução promissora para esses problemas. Este estudo toma como exemplo o sistema de automação elétrica de uma usina para explorar um esquema de modernização baseado na tecnologia de controle de velocidade por inversor e seus efeitos de economia de energia, visando fornecer uma referência para melhorias de eficiência energética em cenários industriais semelhantes.
1 Situação Atual e Requisitos de Modernização das Aplicações de Inversores na Automação Elétrica
1.1 Equipamentos Existentes
O sistema de automação elétrica da usina é composto principalmente por três partes: o sistema de distribuição de energia, unidades de acionamento de motores e o sistema de controle. O sistema de distribuição de energia inclui equipamentos de alta tensão de 10 kV, transformadores e equipamentos de baixa tensão de 400 V, organizados em uma estrutura em árvore para a distribuição de energia. Os acionamentos de motores são principalmente motores assíncronos controlados por partida direta ou partida estrela-triângulo. As bombas representam a maior parte dos equipamentos no local, incluindo bombas de água de circulação, bombas de água de resfriamento e bombas de alimentação. Esses dispositivos operam em velocidade constante, com o fluxo regulado por válvulas, resultando em alto consumo de energia. A arquitetura do sistema existente é relativamente descentralizada, com gerenciamento parcialmente centralizado. O sistema de monitoramento superior se comunica com os sistemas de controle de campo via Ethernet industrial para permitir a exibição centralizada de dados e operações remotas. No entanto, o sistema de controle atual carece de algoritmos de controle avançados para regulação de velocidade por frequência variável, levando a deficiências no gerenciamento de energia e otimização do processo.
1.2 Requisitos de Modernização
Com base na situação atual dos equipamentos, os requisitos de modernização do sistema de automação elétrica focam principalmente na melhoria da eficiência energética e na otimização do controle. É necessário introduzir a tecnologia de controle de velocidade por inversor para permitir a operação eficiente de bombas e ventiladores, ajustando a velocidade do motor para corresponder às demandas de carga.
Ao mesmo tempo, aproveitando as estações de bombeamento e instalações de produção existentes, há uma necessidade urgente de construir uma plataforma de monitoramento inteligente compatível com os requisitos de proteção cibernética de Nível 2. Centrada no computação em nuvem e integrada com a tecnologia IoT, esta plataforma permitirá a integração sem costura entre a gestão empresarial e o controle de campo. A arquitetura do sistema adota uma estrutura em três níveis de "plataforma central + subsistemas distribuídos + terminais móveis", garantindo a aquisição de dados em tempo real, processamento eficiente e armazenamento seguro.
A plataforma central, construída em um cluster de servidores de alto desempenho, implanta algoritmos avançados de análise de dados para fornecer suporte à decisão preciso. Os subsistemas distribuídos incluem módulos de monitoramento da condição do equipamento, vigilância por vídeo e coleta de parâmetros ambientais, cobrindo de forma abrangente todos os aspectos das operações de produção. Os terminais móveis, através de aplicativos personalizados, permitem o monitoramento remoto e notificações instantâneas.
2 Base Teórica dos Efeitos de Economia de Energia
A análise dos efeitos de economia de energia da tecnologia de controle de velocidade por inversor neste estudo baseia-se principalmente nas leis de afinidade para ventiladores e bombas e nos princípios de conversão de energia da regulação de velocidade por frequência variável. De acordo com o estado operacional dos equipamentos da usina, um grande número de bombas e ventiladores opera em velocidade constante, com o fluxo regulado por válvulas, resultando em perdas significativas de energia. Em contraste, o controle de velocidade por inversor ajusta a velocidade do motor para corresponder às demandas de carga, alcançando assim economia de energia. As leis de afinidade para ventiladores e bombas são estabelecidas com base nas relações entre vazão, carga e potência, com as fórmulas de cálculo relevantes apresentadas a seguir:
onde Q é a vazão (m³/h); n é a velocidade de rotação (rpm); H é a carga (m); P é a potência (kW), com P1 representando a potência nominal e P2 a potência em velocidade reduzida. A fórmula de conversão de energia para a regulação de velocidade por frequência variável é:
Com base nas relações teóricas acima, quando a demanda de fluxo do sistema diminui, o motor automaticamente reduz a velocidade através do controle de frequência, reduzindo significativamente o consumo de energia e alcançando economia de energia. Isso fornece uma base teórica para o design de modernização subsequente e avaliação de economia de energia.
3 Esquema de Modernização da Tecnologia de Controle de Velocidade por Inversor
3.1 Atualização do Sistema de Distribuição de Energia
Para implementar eficazmente a tecnologia de controle de velocidade por inversor, este estudo atualizou o sistema de distribuição de energia existente. Para o sistema de alta tensão, o quadro de 10 kV foi aprimorado com a instalação de disjuntores a vácuo inteligentes com corrente nominal não inferior a 1.250 A e capacidade de interrupção de curto-circuito nominal de 31,5 kA. Relés de proteção baseados em microprocessador foram integrados, fornecendo proteção multifuncional, incluindo sobrecorrente, curto-circuito e falta de terra, com tempo de resposta inferior a 20 ms. Um sistema de monitoramento de qualidade de energia também foi introduzido, utilizando sensores de alta precisão de Classe A para monitorar parâmetros como conteúdo harmônico, flutuações de tensão e desequilíbrio trifásico em tempo real, garantindo a estabilidade do sistema.
Para o sistema de baixa tensão, o sistema de 400 V foi o foco da atualização. Circuito dedicado de alimentação de inversor foi adicionado ao sistema existente, usando gabinetes de alimentação independentes equipados com disjuntores plásticos moldados inteligentes. A corrente nominal foi selecionada entre 400 A e 630 A com base nas necessidades de carga, com unidades de disparo eletrônicas para proteção precisa de sobrecarga e curto-circuito. Cada circuito de inversor está equipado com um interruptor isolante correspondente à corrente nominal do disjuntor e inclui um recurso de interrupção visível para facilitar a manutenção do equipamento.
Para mitigação de harmônicos, filtros ativos de potência (APF) são instalados no lado de entrada do inversor, com especificações específicas listadas na Tabela 1.
Para a otimização dos sistemas de aterramento, este estudo adotou o método de fiação TN-S, separando a linha neutra (N) da linha de terra de proteção (PE) a partir do gabinete de distribuição. A linha PE principal utiliza condutores de cobre com área de seção transversal não inferior a 95 mm² para garantir uma resistência de terra inferior a 1 Ω. Barras de ligação de potencial igual foram adicionadas em locais críticos, como inversores e motores, utilizando condutores de cobre com área de seção transversal superior a 16 mm². Isso suprime efetivamente interferências de modo comum e melhora o desempenho EMC do sistema [21].
3.2 Seleção e Otimização de Parâmetros do Equipamento de Inversor
A seleção de inversores baseia-se na correspondência precisa das características da carga e dos requisitos do processo. Para cargas de bombas, escolheu-se inversores de controle vetorial, com sua potência nominal estritamente correspondente à do motor, e capacidade de sobrecarga de 150%/1 min. Este estudo selecionou a série de inversores ABB ACS880, que apresenta a tecnologia DTC (Controle Direto de Torque), com tempo de resposta de torque inferior a 5 ms e precisão de controle de velocidade de ±0,01%. Considerando o ambiente local, foi utilizado um inversor selado com classificação de proteção IP54, equipado com um sistema de resfriamento forçado, garantindo um fluxo de ar de resfriamento de pelo menos 1 m³/(min·kW).
Para a otimização de parâmetros, o foco está no ajuste dos parâmetros de controle PID e na utilização do algoritmo de autotuning embutido no inversor. Através de testes de resposta ao degrau, calcula-se automaticamente o ganho proporcional ótimo Kp, o ganho integral Ki e o ganho derivativo Kd. A fórmula de cálculo para a saída do controlador PID u(t) é:
O algoritmo de autotuning embutido no inversor é usado para calcular automaticamente o ganho proporcional ótimo Kp (faixa: 0,1–100), o tempo integral Ti (faixa: 0,1–3600 s) e o tempo derivativo Td (faixa: 0–10 s) através de um teste de resposta ao degrau. O tempo de aceleração é definido como 10–30 s e o tempo de desaceleração como 15–45 s para prevenir efetivamente o efeito martelo d'água. A limitação de torque é ativada com uma configuração de 120% do torque nominal do motor para evitar sobrecargas. Para cargas de ventiladores, o modo de economia de energia do inversor é ativado: em condições de carga leve (taxa de carga < 50%), a tensão de saída é automaticamente reduzida, com uma redução máxima de até 20%. Ao mesmo tempo, a curva V/F é otimizada aumentando a tensão de saída na faixa de baixa velocidade (0–10 Hz) para garantir torque de partida suficiente.
Uma função de sono/despertar é configurada: quando a frequência de operação permanece abaixo de 10 Hz por 60 s, o inversor entra no modo de sono; ele desperta automaticamente quando a pressão do sistema diminui em 5%, melhorando ainda mais a eficiência do sistema. Nas configurações básicas do inversor, a frequência portadora é definida como 4 kHz. Com base nos requisitos reais da usina, os limiares de proteção contra sobretensão e subtenção são definidos como 418 V e 304 V, respectivamente. Além disso, os parâmetros nominais do motor e as configurações de operação em múltiplas velocidades são configurados conforme detalhado na Tabela 2.
As fórmulas de cálculo para a limitação de corrente e a otimização da corrente mínima são, respectivamente, as seguintes:
onde Ilim é o limite máximo de corrente; In é a corrente nominal do motor; Ismin é a corrente mínima do estator; Idopt é a corrente de excitação ótima; e Iq é o componente de corrente de torque. Ao incorporar estratégias de limitação de corrente e otimização de corrente mínima, é possível obter um controle refinado da operação do motor. As configurações de proteção contra sobretensão e subtenção garantem que o motor opere dentro de uma faixa segura. A proteção contra travamento e as medidas de limitação de corrente evitam efetivamente sobrecargas. Além disso, esse método de controle suporta comunicação via protocolo Modbus-RTU, permitindo o monitoramento remoto e o ajuste de parâmetros, melhorando significativamente o nível de inteligência do sistema.
3.3 Atualização e Integração do Sistema de Controle
A atualização do sistema de controle emprega o PLC Siemens S7-1500, especificamente o modelo CPU 1517-3 PN/DP, que possui uma velocidade de operação de bit de 2 ns e uma velocidade de operação de palavra de 40 ns. O PLC está equipado com 1,6 GB de memória de trabalho e 32 MB de memória de carga, suportando protocolos de comunicação, incluindo PROFINET, PROFIBUS e OPC UA. O sistema adota uma arquitetura distribuída com módulos I/O remotos da série ET 200SP, alcançando um ciclo de comunicação de 250 μs via PROFINET.
A arquitetura de software é baseada no ambiente de desenvolvimento integrado TIA Portal V16. O programa PLC inclui blocos de funções (FBs) para comunicação com inversores, controle PID, controle preditivo de modelo (MPC), pré-processamento de aquisição de dados e gerenciamento de alarmes. A estrutura do sistema detalhada é ilustrada na Figura 1.
4 Análise dos Efeitos de Economia de Energia
Os benefícios de economia de energia da tecnologia de controle de velocidade por inversor são principalmente refletidos na redução do consumo de energia e na melhoria da eficiência do sistema. Comparando os dados de consumo de energia antes e depois da modernização, o desempenho de economia de energia pode ser avaliado quantitativamente. Os dados do sistema pós-modernização neste estudo foram coletados usando os seguintes métodos:
Sistema de Medição de Energia: Medidores inteligentes foram instalados nas linhas de alimentação de equipamentos elétricos principais para coletar dados de consumo de energia antes e depois da modernização. O modelo do medidor é Schneider PM5560, com classe de precisão 0,2S e intervalo de amostragem de 15 minutos.
Funções Embutidas do Inversor: A função de monitoramento de energia embutida no inversor ABB ACS880 foi utilizada para registrar o tempo de operação, a potência de saída e o consumo de energia. Os dados foram transmitidos para a sala de controle central via protocolo Modbus-RTU.
Sistema SCADA: Foi construído um sistema de aquisição e armazenamento de dados em tempo real usando a plataforma Siemens WinCC V7.5. Parâmetros-chave, como a velocidade do motor, a taxa de carga, a tensão/corrente de saída e o fator de potência, foram monitorados com um ciclo de amostragem de 1 segundo.
Testes no Local: O analisador de qualidade de energia Fluke 435 II foi usado para realizar medições pontuais em várias condições de carga, capturando dados de potência instantânea, harmônicos e fator de potência.
Com base nos dados medidos, a taxa média anual de carga foi calculada. Comparando o consumo de energia antes e depois da modernização, as taxas de economia de energia sob diferentes condições de carga foram determinadas, conforme mostrado na Tabela 3.
