Quais são os diferentes tipos de acionamentos de motor industrial de velocidade ajustável?

A norma 61800 da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) reconhece dois tipos de sistemas de acionamento elétrico (PDS) de velocidade ajustável para aplicações industriais. A 61800-1 se aplica ao PDS de corrente contínua (CC) e a 61800-2 se aplica ao PDS de corrente alternada (CA). O termo PDS se aplica a todo o sistema de acionamento e motor.

Outras seções da 61800 discutem métodos de teste, requisitos de segurança relacionados a condições térmicas e de energia, segurança funcional, requisitos elétricos e ambientais para codificadores, interfaces elétricas e medições de desempenho. A parte mais recente, a IEC 61800-9, abrange o ecodesign para sistemas de motores, incluindo a determinação e a classificação da eficiência energética.

Embora a IEC 61800 defina os PDSs de CA e CC de velocidade ajustável, também há definições gerais para acionamentos de velocidade variável (VSDs) e inversores de frequência variável (VFDs) em aplicações industriais. A norma IEC 61800 se aplica ao PDS alimentado pela rede elétrica e conectado a até 1,5 kV_CA de 50 Hz ou 60 Hz. Também se aplica a tensões de entrada CC para sistemas alimentados por bateria, como robôs móveis autônomos industriais (AMRs) que usam acionamentos de velocidade ajustável. Os acionamentos de tração e de veículos elétricos estão excluídos da IEC 61800.

Este artigo apresenta brevemente as definições comuns de VSDs e VFDs e analisa por que os VFDs são amplamente utilizados. Em seguida, ele analisa as classes de eficiência definidas na norma IEC 61800-9 para acionamentos CA e considera exemplos de VFDs alimentados pela rede elétrica da Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric, Omron Automation e, por fim, analisa o uso de VFDs em AMRs e outros sistemas alimentados por bateria usando um sistema de exemplo da MEAN WELL.

A definição padrão de um VFD é um acionamento que usa mudanças na frequência para controlar a velocidade do motor, o que o torna útil com motores CA. Ao mesmo tempo, um VSD varia a tensão para controlar o motor, o que o torna útil tanto para motores CA quanto para motores CC.

Mas não é tão simples assim. Ambos os tipos de acionamentos podem ser usados para controlar a velocidade dos motores. Por isso, às vezes, o termo VSD é aplicado aos VFDs. Os VFDs podem ser usados com motores CC sem escovas (BLDCs); a rigor, eles não se limitam a motores CA. Os VFDs são adequados para uso com uma variedade de motores, como:

• Os motores de indução (IM), ou motores CA assíncronos, que são amplamente usados em aplicações industriais, pois são de partida automática, confiáveis e econômicos.
• Os motores síncronos de ímã permanente (PMSM) que são motores CA altamente eficientes e podem permitir o controle preciso do torque e da velocidade em aplicações de alto desempenho que exigem alta eficiência energética.
• Os BLDCs que também são usados em aplicações que exigem alta eficiência e controle preciso e, normalmente, têm longa vida útil.
• Os servomotores que podem ser de CA ou CC e permitem respostas rápidas e de alta precisão. Os VFDs com algoritmos de controle especializados podem ser usados com servomotores em robôs, máquinas com controle numérico computadorizado (CNC) e aplicações semelhantes.
• Os motores CA síncronos (SMs) que são adequados para aplicações que exigem velocidade constante e sincronização precisa. Embora os VFDs possam controlar a velocidade dos SMs, outras opções de acionamento (de menor custo) podem suportar a operação em velocidade constante.

Há uma variedade de algoritmos de controle usados com VFDs que aumentam sua versatilidade. Por exemplo, há quatro tipos principais de algoritmos de controle de VFDs apenas para motores de indução: volts-por-Hertz (V/f), V/f com codificador, vetor de malha aberta e vetor de malha fechada. Todos usam modulação por largura de pulso e fornecem diferentes níveis de controle sobre a velocidade e o torque.

A importância dos VFDs em uma ampla gama de aplicações industriais é evidenciada pelo desenvolvimento da IEC 61800-9, que se concentra na eficiência e no design ecológico dos VFDs e dos sistemas relacionados de acionamento de motores.

BDM, CDM e PDS

Há duas seções da IEC 61800-9 relacionadas a VFDs. A parte 1 delineia a metodologia para determinar o índice ou a referência de eficiência energética de uma aplicação. A parte 2 detalha os métodos de avaliação de eficiência com base em uma série de classificações.

Embora a eficiência dos VFDs, chamados de módulos básicos de acionamento (BDMs) na IEC 61800-9, seja importante, ela não é o foco principal da norma. A norma tem uma base mais ampla e considera módulos de acionamento completos (CDMs) que consistem em um inversor de frequência (o VFD), uma seção de alimentação e auxiliares de entrada e saída (como filtros e bobinas) e no sistema de acionamento de potência (PDS) que consiste no CDM mais o motor (Figura 1).

Figura 1: As classes de eficiência da IEC 61800-9 se aplicam ao CDM (seção preta) e ao PDS (seção vermelha) em sistemas VFD. (Fonte da imagem: Schneider Electric)

Classes de eficiência do CDM

As classes de eficiência internacional (IE) do CDM são definidas de IE0 a IE2. Elas são determinadas pela comparação da perda total do CDM com o desempenho de um CDM de referência (RCDM). As classes de IE para CDMs são definidas em relação ao ponto de operação 90, 100 usando 90% da frequência do estator do motor e 100% da corrente de torque para evitar a sobremodulação e garantir a comparabilidade das medições de desempenho dos acionamentos de diferentes fabricantes.

O desempenho do RCDM é definido como IE1. Um CDM com perdas 25% menores que o RCDM é classificado como IE2, e um CDM com perdas 25% maiores que o RCDM é classificado como IE0. O RCDM também permite a comparação do consumo de energia com um CDM de tecnologia média em oito pontos operacionais predefinidos (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50), (50, 100), (90, 50) e (90, 100) (Figura 2).

Figura 2: Pontos de operação e classes de eficiência do CDM IEC 61800-9. (Fonte da imagem: Siemens)

Classes de eficiência do PDS

As classes do sistema de eficiência internacional (IES) do PDS são como as classes IE do CDM e são definidas como IES0 a IES2. Elas são baseadas em um PDS de referência (RPDS) e refletem a eficiência do módulo de acionamento completo mais o motor.

A adequação do motor combinado e do CDM aos requisitos específicos da aplicação oferece maior potencial para a otimização geral da eficiência. Essa otimização da eficiência é refletida em uma classificação IES mais alta. Assim como o RCDM, o RPDS permite a comparação do consumo de energia com um PDS de tecnologia média em oito pontos operacionais predefinidos.

Os pontos de operação são baseados em uma porcentagem de torque e uma porcentagem de velocidade, e o valor IES é calculado com base em 100% de torque e 100% de velocidade, que é o ponto de operação (100, 100).

Em vez de usar as alterações de 25% das classes IE, as classes IES são baseadas em alterações de 20%. Um PDS com classe de eficiência IES2 tem perdas 20% menores, e um PDS classe IES0 tem perdas 20% maiores do que o desempenho do RPDS definido como IES1 (Figura 3).

Figura 3: Pontos de operação e classes de eficiência do PDS IEC 61800-9. (Fonte da imagem: Schneider Electric)

Exemplos de VFDs

Os fabricantes de VFDs nem sempre informam a eficiência com base na norma 61800-9. Isso porque a medição de eficiência mais simples usando a IEC 61800-9 é para o CDM, que consiste no VFD (inversor de frequência) e em vários componentes adicionais, incluindo a seção de alimentação e os dispositivos auxiliares de entrada e saída. O uso de componentes adicionais específicos está fora do controle dos fabricantes de VFDs, e a norma 61800-9 não se aplica diretamente aos VFDs.

Alguns fabricantes de VFDs adaptaram a metodologia 61800-9. Quando a conformidade com o IE2 é reivindicada, os dados são relatados em vários formatos, incluindo gráficos, tabelas e arquivos do Excel.

Por exemplo, a Siemens usa a metodologia IEC 61800-9 com seus inversores SINAMICS V20 e os informa como classe de eficiência IE2 (Figura 4). Esses acionamentos são oferecidos em nove tamanhos de estrutura, variando de 0,16 a 40 cavalos de potência (hp). Esses acionamentos foram otimizados para sistemas básicos de acionamento em aplicações de fabricação e processo, como bombas, ventoinhas, compressores e esteiras transportadoras. Diversos componentes opcionais incluem filtros de entrada, reatores de entrada e saída, resistores de frenagem, entre outros.

Figura 4: CDM com classe de eficiência IE2 de 7,5 kW, que tem perdas 36,1% menores em comparação com o conversor de referência (90% / 100%). As porcentagens mostram as perdas em relação à potência nominal do acionamento básico sem componentes opcionais. (Fonte da imagem: Siemens)

A Delta Electronics também adaptou a metodologia 61800-9 e informa a eficiência IE2 para seus inversores compactos da série MS300 de 1,7, 3,0, 4,2, 6,6, 9,9 e 12,2 kVA. Os dados são detalhados em um formato tabular e não em um gráfico. A série MS300 inclui acionamentos de 0,2 a 22 kW (Figura 5). Esses inversores apresentam vários recursos integrados, incluindo uma função de controlador lógico programável (CLP) para programação, comunicação MODBUS, um slot de comunicação que pode suportar protocolos adicionais e uma porta USB para carregar e descarregar dados.

Figura 5: A série MS300 da Delta Electronics inclui acionamentos de 0,2 a 22 kW. (Fonte da imagem: Delta Electronics)

A Omron informa que seus "acionamentos de velocidade variável com entrada trifásica", como os VFDs da série MX2, atendem aos requisitos de eficiência IE2. A empresa fornece os dados de teste em um arquivo Excel. Os inversores MX2 estão disponíveis com dimensionamentos de 0,1 a 2,2 kW para entrada monofásica de 200 V, 0,1 a 15,0 kW para entrada trifásica de 200 V e 0,4 a 15,0 kW para entrada trifásica de 400 V. Esses inversores são projetados para motores IM e PM e suportam controle suave até a velocidade zero com 200% de torque inicial a 0,5 Hz.

Enquanto outros fabricantes de VFDs se concentram nas seções 1 e 2 da IEC 61800-9, a Schneider Electric adota uma abordagem mais holística e descreve como integrar seus inversores com o motor apropriado para atender à diretiva de ecodesign e à seção 3 da IEC 61800-9, que delineia uma abordagem quantitativa de ecodesign por meio do equilíbrio ecológico, incluindo regulamentos de categoria de produto e declarações ambientais relacionadas.

A família de inversores Altivar Machine ATV320 da empresa inclui VFDs com classificação IP20 e IP6x de 0,18 a 15 kW (0,25 a 20 hp) para motores trifásicos síncronos, assíncronos, PM e BLDC em controle de malha aberta e inclui funções como:

• Precisão de torque e velocidade, em baixa velocidade, e alto desempenho dinâmico usando o controle vetorial de fluxo sem um sensor
• Suporte para motores de alta frequência
• Funções integradas para conformidade com as normas de segurança funcional

E quanto aos AMRs?

Os AMRs usam VFDs, mas um tipo diferente de VFD. A série VFD de acionamentos de motores BLDC industriais da MEAN WELL é um bom exemplo. Estão em conformidade com as seções relevantes da norma IEC 61800, como os requisitos de segurança 61800-5-1 e os requisitos de compatibilidade eletromagnética (EMC) 61800-3. No entanto, esses VFDs não são inversores encapsulados, portanto, as categorias de eficiência da norma 61800-9 não se aplicam.

A série VFD inclui oito modelos com versões de entrada CC e CA que variam de 150 a 750 W. O modelo VFD-350P-48 opera com uma entrada de 48 V_CC para aplicações de alimentação por bateria, como AMRs, e pode fornecer até 350 W e 20 A de corrente de saída.

Esse inversor BLCD de 350 W é encapsulado em uma placa de circuito com cerca de 10 cm x 5 cm, e o design sem ventoinha pode suportar cargas de pico de 200% durante 5 segundos (Figura 6). Todos os modelos da série VFD incluem apenas a seção de acionamento de potência e exigem uma placa externa de controle. A MEAN WELL também oferece uma placa opcional de controle.

Figura 6: Diagrama de blocos da seção de potência de um inversor VFD (esquerda) e da seção de potência pronta para instalação em um AMR (direita). (Fonte da imagem: MEAN WELL)

Conclusão

Vários projetos de acionamento de velocidade ajustável estão disponíveis para aplicações industriais, incluindo controles de máquinas e AMRs. Eles podem suportar motores CA e CC e têm níveis variados de conformidade com as seções da IEC 61800. Além disso, como o desempenho de VFDs individuais não é o foco da IEC 61800-9, há várias abordagens diferentes para relatar o desempenho em relação a esses padrões de eficiência. Alguns fabricantes de VFDs se concentram nas seções 1 e 2 e informam níveis de eficiência de VFDs como IE2. Por outro lado, outros se concentram na seção 3, que está relacionada a considerações gerais de design ecológico, incluindo regulamentos de categorias de produtos e declarações ambientais relacionadas.