Godofredo Winnischofer, Agosto de 2015 – Evento Automation ... · § A manutenção de redutores...

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Ajudando a produzir mais com menosAplicando inversores de frequência

Godofredo Winnischofer, Agosto de 2015 – Evento Automation & Power World Brasil


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


Conteúdo




Conclusão


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%


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%)


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


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







Variable speed

Bypassing

On/off control







Variable speedOn/off control







Variable speed



Recirculação

Estrangulamento

Liga/Desliga

Controle develocidade

Curva característicada bomba

Economia


Conteúdo




Conclusão


Conteúdo





Porque conjuntos Inversor-Motor?Eficiências mais elevadas requerem nova tecnologia


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)


Conteúdo




Conclusão


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)


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%


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


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


Conjunto de acionamento SynRMPosicionamento dos inversores ABB

Modular Completo

Des

empe

nho


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


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


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


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


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.


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


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


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


Conteúdo




Conclusão


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


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


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.


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


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.


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


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.


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


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




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%.


Conteúdo




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


ConclusãoComparativo das tecnologias dos motores

Motor de Indução SynRM PM Motor


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


Mais informações?

Dúvidas?

ContatoGodofredo WinnischoferEmail: [email protected].: + 55 15 3330-6113Cel.: +55 11 98685-0633

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