Ponta Grossa 2018

IVAN CARLOS HEIRICH

CONTROLE DE AUTOMAÇÃO EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO UTILIZANDO CONVERSORES DE

FREQUENCIA E SOFT STARTER

Ponta Grossa 2018

CONTROLE DE AUTOMAÇÃO EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO UTILIZANDO CONVERSORES DE

FREQUENCIA E SOFT STARTER

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Unopar, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia elétrica.

Orientador: Anderson Iop

IVAN CARLOS HEIRICH

IVAN CARLOS HEIRICH

CONTROLE DE AUTOMAÇÃO EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO UTILIZANDO CONVERSORES DE

FREQUENCIA E SOFT STARTER

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Unopar, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia elétrica.

BANCA EXAMINADORA

Prof. Alexandro Canova

Prof. Fabio Junio Alves Batista

Prof. Pedro José Faure Gonçalves

Ponta Grossa, 10 de dezembro de 2018

Dedico esse trabalho primeira mente a Deus que

sempre esteve ao meu lado e que me dá forças

e vida para a cada dia acordar pela manhã, e me

proporcionando mais um dia de vida. Também

não posso esquecer da minha linda e

maravilhosa esposa, que sempre está ao meu

lado, me cobrando e me incentivando a sempre

dar mais um passo para o sucesso, e para a

concluir esse trabalho.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a minha querida mãe que me incentivou a iniciar essa

jornada pelo conhecimento e a meu falecido pai que sempre sonhou em ter seus filhos

formados em um curso superior, pessoas que sempre estavam me cobrando para

estudar. A minha família, filhos e esposa que sempre ao meu lado estavam, muitas

vezes deixando de realizar um passeio para que pudesse estar desenvolvendo

minhas atividades referentes a esse trabalho e ao curso. Agradeço aos professores

que ministraram as matérias, que disponibilizaram seus tempos, para retirar dúvidas

que vieram após as aulas ministradas, muitas vezes por telefone ou e-mail.

HEIRICH, Ivan Carlos. Controle de automação em sistema de ar comprimido utilizando conversores de frequência e soft starter. 2018. 37 pág. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) –Faculdade Unopar, Ponta Grossa, 2018.

RESUMO

O controle de automação no sistema de ar comprimido, com a utilização de conversores de frequência e soft-starter. Este trabalho apresenta qual o modelo de controle mais utilizado e mais comum para evitar perdas de energia na geração de ar comprimido em compressores, qual é o melhor equipamento a ser utilizado e qual configuração a ser utilizada para reduzir essas perdas através da pesquisa bibliográfica de vários autores da área. Mostra a utilização de partidas de motores de indução em um compressor, estilos de partidas de motores e modelos de compressores, equipamentos que foram mal dimensionados, as perdas por não haver um controle que regule o funcionamento, conforme a quantidade de ar utilizado em uma planta fabril que utiliza o ar comprimido como fonte de funcionamento de equipamentos, através da exposição de fontes bibliográficas que elucidam o tema e mostram métodos e práticas para evitar as perdas de ar comprimido utilizando conversores de frequência e soft-starter assim reduzindo o consumo de energia elétrica, aumentando a eficiência energética no sistema de ar comprimido, durante a partida de motores durante o trabalho em que o mesmo é exigido.

Palavras-chave: Conversores de frequência; Soft-starter; Sistema de ar comprimido;

Eficiência energética.

HEIRICH, Ivan Carlos. Controle de automação em sistema de ar comprimido utilizando conversores de frequência e soft starter. 2018. 37 pág. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) –Faculdade Unopar, Ponta Grossa, 2018.

ABSTRACT

The control of automation in the system of compressed air, with the use of frequency converters and soft-starter. This work presents the most common and common control model to avoid energy losses in compressed air generation in compressors, which is the best equipment to be used and which configuration to be used to reduce these losses through the bibliographic research of several authors of the area. It shows the use of induction motor starters in a compressor, engine start styles and compressor models, equipment that has been poorly dimensioned, losses due to a lack of control that regulates the operation, depending on the amount of air used in a plant a plant that uses compressed air as a source of equipment operation through the exposition of bibliographic sources that elucidate the theme and show methods and practices to avoid losses of compressed air using frequency converters and soft starter thus reducing the consumption of electric energy , increasing the energy efficiency in the compressed air system, during the starting of motors during the work in which it is required. Keywords: Frequency converters; Soft-starter; Compressed air system; Energy efficiency.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1- Rosca compressor parafuso..................................................................... 16

Figura 2- Cilindro e camisa compressor pistão ........................................................ 16

Figura 3- Compressor de palheta ............................................................................ 18

Figura 4- Custo de ar comprimido ........................................................................... 21

Figura 5- Modelo de inversor de frequência ............................................................ 26

Figura 6- Gráfico da tensão em relação a frequência .............................................. 27

Figura 7- Vetores de corrente para diferentes cargas.............................................. 28

Figura 8- Curva de torque e corrente ...................................................................... 30

LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Variação de consumo de acordo com a temperatura ............................. 22

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

CC Corrente Continua

DSP Digital Signal Processador

BEN Balanço Energético Nacional

BAR Unidade de medida

P trab. Pressão De Trabalho

KW Kilo Watts

MCC Motor De Corrente Continua

PSI Unidade de medida

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 11

2. FUNCIONAMENTO DE UM COMPRESSOR DE AR COMPRIMIDO .................. 13

2.1 TIPOS DE COMPRESSORES ............................................................................ 13

2.1.1 Compressores de parafuso ............................................................................. 13

2.1.2 Compressores de pistão ................................................................................. 16

2.1.3 Compressores de palheta ............................................................................... 17

3. PERDAS DE AR COMPRIMIDO. ........................................................................ 19

4. SISTEMA DE CONTROLE DE AUTOMAÇÃO. .................................................. 24

4.1 CONVERSORES DE FREQUÊNCIA .................................................................. 25

4.1.1 Funcionamentos conversor de frequência ....................................................... 25

4.1.2Controles de velocidade escalar ...................................................................... 26

4.1.2 Controle de velocidade vetorial ....................................................................... 28

4.1.3 Controle vetorial malha aberta (sensorless) .................................................... 28

4.1.4 Controle vetorial com realimentação ............................................................... 29

4.2 SOFT STARTER ................................................................................................ 30

4.2.1 Funcionamento de uma Soft Starter ................................................................ 30

4.2.2 Controle de soft- starter ................................................................................... 31

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................. 32

REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 34

11

1. INTRODUÇÃO

As empresas estão cada vez mais preocupadas em reduzir o consumo de

energia elétrica e otimizar seus equipamentos na busca de maior eficiência e eficácia.

Um dos maiores custos das empresas no ano de 2017, está na utilização de energia

elétrica, conforme pesquisa realizada pela Ben 2017, e devido aos altos custos de

geração, transmissão e distribuição aplicados pelas concessionárias, há uma grande

necessidade de fazer um programa de redução do consumo e assim a minimização

dos custos com a energia utilizada nas empresas. Segundo os dados do estudo

realizado pela Comerc Esco, alguns projetos de eficiência energética possuem um

potencial de redução de energia de até (30%) ar-comprimido, com o retorno do

investimento podendo variar entre seis e 72 meses.

Por outro lado, quando a eficiência energética é negligenciada, as despesas

com energia elétrica podem chegar a um patamar que compromete o funcionamento

e a competitividade das empresas. (PEREIRA,2018).

Um dos maiores consumidores de energia dentro de uma indústria, são os

motores elétricos e os compressores de ar comprimido que precisam estar em

funcionamento 24 horas por dia, com isso, a busca por soluções com esses

equipamentos são tão relevantes e procurados por muitas empresas. Devido ao

grande aumento do consumo de energia elétrica e os altos preços das tarifas

aplicadas pelas concessionárias, a dificuldade de geração e distribuição torna se

muito alto esse valor aplicado ao consumidor final.

As empresas buscam se adequar para diminuir o valor de consumo pago para

as companhias de distribuição de energia, uma forma de reduzir esse custo é

aplicando algumas melhorias e novas tecnologias, onde se consome mais energia.

Compressores de ar são movidos a motores de grande porte, que utilizam uma grande

quantidade de energia para poder movimentar as unidades compressoras. Então

como reduzir esse alto consumo de energia elétrica dos compressores?

O objetivo principal deste trabalho é verificar como é possível reduzir perdas de

ar comprimido em um sistema com motores de alto rendimento, através da automação

e controle dos conversores de frequência ou Soft Starters, seus modos, controle de

velocidade de trabalho das unidades compressoras, desempenho, e aumento de sua

vida útil. E como objetivo específico, entender o funcionamento de um compressor de

12

ar comprimido, assim como os tipos de compressores existentes; Buscar experiências

já instaladas nas indústrias e literaturas, como se faz o controle adequado para não

haver desperdício de equipamentos e geração do ar comprimido; Estudar quais os

melhores sistemas de controle e automação para ser instalado em compressores de

ar comprimido, demonstrando qual a melhor configuração de instalação de um

conversor e uma Soft starter.

Para o presente trabalho, o tipo de pesquisa realizado foi uma revisão de

literatura, no qual foi realizada consulta a livros, dissertações e em artigos científicos

selecionados através de busca melhores práticas para realização e instalação de

controles de automação em compressores de ar comprimido, sendo o período de

trabalhos publicados nos últimos 14 (Quatorze) anos, seguindo a ordem de

levantamentos de dados: leitura exploratória de todo o material selecionado, leitura

rápida e objetiva para verificava se a obra escolhida condizia com o interesse para o

trabalho; leitura seletiva e aprofundada das partes selecionadas e que realmente

interessem para a pesquisa; registro das informações extraídas das fontes em

instrumentos específicos para a pesquisa. Os principais autores na utilização do

trabalho foram: SOUSA E SILVA, (2012), SILVEIRA, (2018), KARMOUCHE, (2009);

SILVA & PRADO, (2016); AGUAR, (2008).

https://www.citisystems.com.br/author/admin/

13

2. FUNCIONAMENTO DE UM COMPRESSOR DE AR COMPRIMIDO

A importância de um compressor de ar em uma indústria é de extrema

importância, eles representam cerca de 10% do consumo de energia no setor

industrial, o mercado apresenta alguns tipos de compressores, que são os de palheta,

pistões e os de parafuso que serão descritos na sequência. (AGUIAR, 2008).

2.1 TIPOS DE COMPRESSORES

Os principais tipos de compressores são: compressores de parafusos, de pistão

e de palheta. A diferença entre os compressores se dá entre os volumétricos e os de

deslocamento positivo, e os dinâmicos. Os compressores dinâmicos realizam o

processo de compressão por princípio diferenciado, é a transformação direta da

energia cinética nas partículas do fluido para energia pneumática. Os compressores

volumétricos realizam o processo de compressão pela diminuição do volume do fluido,

aumentando a pressão. Entre os compressores volumétricos, destacam-se os

subtipos alternativo e rotativo, e consequentemente, seus ciclos de trabalho. (HAHN,

2004).

2.1.1 Compressores de parafuso

Os compressores de parafusos são muitos utilizados em aplicação gerais, são

constituídos de dois rotores helicoidais que seguem padrão de construção. Os rotores

movimentam-se, seja por contato direto ou indireto (sem contato), os compressores

parafuso imersos em óleo são os de contato direto, já os secos possuem engrenagens

que realizam o movimento dos parafusos sem contato entre os rotores. (HAHN, 2004).

Possuem dois rotores helicoidais sendo um Macho e um Fêmea, onde a fêmea

é ligado diretamente no motor para realizar a transmissão que resulta no ganho de

50% de velocidade do rotor, melhorando a sua eficiência durante o trabalho realizado.

(OLIVEIRA.ET.AL,2016).

Os rotores se movimentam em sentido contrário, e em velocidades angulares

diferentes (diferentes números de filetes), e entre os rotores, nas folgas, localizam-se

as cavidades que funcionam como câmaras de compressão. Devido à diferença nas

14

velocidades angulares, o volume é reduzido continuamente, e consequentemente, a

pressão daquele volume de ar é elevada. Outra característica importante do

compressor parafuso é que essa forma de aumento de pressão ocasiona um fluxo

contínuo de ar e livre de pulsações, diferente do compressor a pistão. (HAHN, 2004).

Os compressores de parafusos são os mais utilizados, sua construção baseia-

se em 2 roscas chamadas de rotores, estas 2 peças giram em direções contrarias uma

da outra, fazendo com que o ar que entre em sua câmera se comprima, aumentando

o seu volume, o funcionamento em alta velocidade pode ajudar na alta taxa de

compressão do ar. (AGUIAR, 2008).

A relação de compressão interna do compressor depende da geometria da

máquina e da natureza do ar, podendo ser diferente da relação entre as pressões do

sistema. As características de um compressor de parafuso são: Unidade de

dimensões reduzidas, Fluxo de ar contínuo, Baixa temperatura de compressão, no

caso de resfriamento por óleo. Compressores de parafuso isentos de óleo são

construídos de forma que os rotores e o ar não entrem em contato com o óleo

lubrificante, pois nesses tipos dispensa-se a lubrificação, nos anos 60, começaram a

ser produzidos os compressores de parafusos de roscas assimétricas, que

aumentaram a eficiência de compressão, havendo assim uma redução nas perdas por

vazamentos internos entre as roscas helicoidais. (ROCHA, 2004).

A conexão do compressor com o sistema se faz através das aberturas de

sucção e descarga, diametralmente opostas. O ar entra pela válvula de admissão, que

através de uma abertura em sua parte superior realiza a sucção do ar que será

comprimido, para evitar a entrada de sujeiras e corpos estranhos dentro da câmera

de compressão, é instalado um filtro de ar. O ar que entra, ocupa os intervalos entre

os filetes das roscas. A partir do momento em que o motor começa a girar acontece o

atrito entre as duas roscas em um determinado filete, o ar nele contido fica fechado

entre o rotor e as paredes da carcaça. A rotação faz que o ponto em que este gira vai

se deslocando para a frente, reduzindo o espaço disponível para o ar e provocando a

sua compressão. Finalmente, é alcançada a abertura de descarga, e o ar é liberado

para o sistema. (ROLLINS,2004).

Para os compressores que usam óleo, há uma necessidade de realizar o

resfriamento de óleo e a separação do ar com o óleo, esse sistema que realiza a

separação do óleo e do ar, consiste em empurra essas partículas de ar e óleo para

15

dentro de uma câmera onde através de um filtro é realizada a separação dos mesmo

eles passam pelo processo de resfriamento em uma câmera. O óleo já resfriado

retorna para um reservatório e o ar passa para o sistema para alimentar a planta fabril.

Compressores de parafuso com injeção de óleo, se exige quando a produção de ar

tem que ser muito elevada, sendo assim necessário para que os parafusos não sejam

danificados devido a sua velocidade e atrito entre a rosca os mesmos trabalham

imersos em óleo lubrificantes, para garantir a eficiência energética do sistema e o seu

funcionamento em regime de trabalho pesado e principalmente para ajudar na

refrigeração da máquina. O uso de óleo sintético em compressores reduz o consumo

de energia de 2% a 5%, além de trazer outros benefícios para o compressor, aumento

da vida útil do equipamento, maior tempo entre as manutenção e troca de óleos,

diminuição de depósitos de carbono e verniz nas paredes da unidade compressora,

temperatura do óleo e descarga mais baixa entre outros. (ROCHA, 2004).

Em baixas rotações a troca de calor realizada pelo compressor e o meio

atmosférico é comprometida, sendo realizada de forma mais lenta. A lubrificação é

realizada através de uma bomba de engrenagem montada junto com a unidade

compressora, a pressão em que o óleo trabalha pode variar de 15 a 40 psi, entretanto

o controle de velocidade deverá obedecer às condições para manter essa pressão,

para que os componentes internos da unidade compressor não seja danificada.

(SILVA E PRADO,2015)

A Figura 1, apresenta a câmara de compressão de um compressor parafuso

imerso em óleo. Sobre os perfis típicos de compressores parafuso, os mais

conhecidos são os perfis 5/6 e 4/6. O ciclo de trabalho desse compressor possui uma

diferenciação visto que a maioria destes possui uma relação de compressão interna,

ou seja, um ganho ou perda de pressão ao término do processo de compressão

propriamente dito. (HAHN, 2004; STOSIC, 2005).

16

Figura 1. Rosca compressor parafuso

Fonte: Almeida R, (2015)

2.1.2 Compressores de pistão

Classificamos o compressor a pistão como de deslocamento positivo recíproco,

mais conhecido por compressor alternativo. Hoje é o tipo mais comum utilizado,

mesmo sabendo que já havia sido desenvolvido em aproximadamente 1920. Em seu

funcionamento, os pistões aspiram e comprimem o ar durante seu movimento entre o

ponto morto inferior e o ponto morto superior, à medida que são acionadas

automaticamente as válvulas de admissão e descarga de ar. (KARMOUCHE, 2009).

Na figura 2, apresenta um modelo de compressor de pistão de em V e sua

disposição dentro da câmera de compressão.

17

Figura 2. Cilindro e camisa compressor pistão

Fonte: BR 3000, (2015).

A disposição dos cilindros pode ser de diversas formas como por exemplo,

cilindros radiais, verticais, opostos, horizontais, em L ou em V. É possível obter grande

flexibilidade na produção de pressões e vazões devido esses vários pistões,

alcançando um bom desempenho mecânico e altas pressões. Os de dupla ação são

do tipo L, com um pistão na horizontal e outro na vertical. Os compressores em um

estágio normal trabalham com pressões de 1,7 a 7 bar. Os de dois estágios

comprimem, na maioria das vezes, de 7 a 16,5 bar. (ROLLINS, 2004).

Há vários outros tipos de disposição dos compressores a pistão como em V

com dois cilindros, W em três cilindros, em linha, horizontais ou encanados. (ROCHA

E MONTEIRO, 2005).

Os compressores a pistão são usados em sistemas de ar comprimido em

fábricas menores, além de oficinas automotivas e em equipamentos de construção

civil, para ferramentas pneumáticas, instrumentação ou máquinas. (ROLLINS, 2004).

2.1.3 Compressores de palheta

Nos compressores de palhetas os casos são particulares do compressor

parafuso, observando-se o ponto de vista do ciclo de trabalho desse equipamento.

18

Esse compressor é composto de palhetas axiais que se movimentam radialmente em

um rotor excêntrico. A variação do volume formado pelas palhetas durante a

passagem do ar é a ação de compressão do gás. (AGUIAR,2004).

Na figura 3 um modelo da câmera de compressão e o funcionamento das

paletas do compressor.

Figura 3. Compressor de palheta

Fonte: PACHECO, (2011)

A uma redução de volume se dá devido a quantidade de ar que é captado da

atmosfera e é transportado por bolsa formadas entre as palhetas, os espaços são

reduzidos conforme o rotor se move, no sentido de rotação de um relógio. A pressão

que esse tipo de compressor pode atingir 10 bar, não possui válvulas e podem ser

resfriados por ar ou por água, fornecimento uniforme de ar livre de qualquer pulsação.

Para evitar o atrito entre o extrator e as palhetas, a unidade é lubrificada e, portanto,

a película de óleo existente entre as peças móveis e o corpo fixo garante que não haja

contato metálico. (OLESKO,2013).

19

3. PERDAS DE AR COMPRIMIDO

As perdas de pressão em um sistema de ar comprimido são transformadas em

energia que percorre as tubulações, válvulas, cilindros pneumáticos e outros

componentes que compõem um sistema de ar comprimido, secadores de ar e filtros

que servem para filtrar o ar para ser entregue a linha de pressão. (KARMOUCHE.

2009).

As perdas podem ser minimizadas dependendo das condições da carga, com

o escorregamento mantendo-se constante em qualquer velocidade para a mesma

carga. (LUGLI, 2015).

As perdas de pressão admissíveis (AP) devem ser adequadas aos seguintes

termos e critérios: perdas máxima de pressão para o ponto mais afastado do

compressor a ser alimentado é de 0,3 bar. As tubulações principais devem conter,

0,02 bar para cada 100 m de tubo, nas tubulações secundárias devem conter, 0,08

bar para cada 100 m de tubo. Tubulações de acesso direto ao consumidor devem

conter 0,2 bar para cada 100 m de tubo. Os elementos utilizados para limpar, filtros;

perda de carga inicial de 0,12 bar, podendo chegar a 0,7 bar ao final da vida útil. Os

filtros coalescentes: perda de carga de até 0,25 bar. Nos secadores de ar as perdas

de pressão de até 0,14 bar. (KARMOUCHE, 2009).

Ainda segundo Karmouche (2009), os cálculos se baseiam na pressão de

trabalho do sistema (Ptrab)

E na perda de carga da instalação (∆P).

P min = P trab + ∆P (1)

P máx = P min + 10%⋅P min (2)

Onde:

Pmin é a pressão mínima de trabalho (kgf/cm2);

Pmáx é a pressão máxima de trabalho (kgf/cm2);

Ptrab é a pressão de trabalho (kgf/cm2);

∆P é a perda de carga (kgf/cm2).

20

De maneira geral, o percentual aceitável de vazamento se enquadra nas faixas

acima, de acordo com a idade e a conservação do sistema de ar comprimido.

(KARMOUCHE, 2009).

A variação de temperatura do compressor é dada pela condição de trabalho em

que é aplicada a aspiração do ar, com a temperatura baixa a energia utilizada será

menor, ao aspirar temperatura mais alta acimas de 4º C, o consumo de energia

aumentará em 1% para gerar o mesmo volume de ar gerado. Para redução de 3º C

da temperatura, aumentará em 1% a capacidade do compressor. Quando o ar for

aspirado com temperaturas baixas, a massa do ar aumentará com a mesma vazão

volumétrica e a mesma potência a ser consumida. (HANH, 2004).

Alguns estudos realizados em sistemas de ar comprimido relataram que a

eficiência energética, permitiu a redução de 50% de perdas por vazamentos.

Utilizando equipamentos de controle que monitoram a partida e a velocidade durante

o seu funcionamento, identifica-se que 84% deve-se ao calor gerado no momento da

compressão de ar. (KARMOUCHE, 2009).

O desempenho em um sistema de ar comprimido não requer somente a

atenção para os equipamentos individuais, mas analisar todos os lados de suprimento

e demanda e como eles se interagem, especialmente durante o período de pico na

demanda. (HAHN.2004).

Os suprimentos pneumáticos devem apresentar pressão controlada e a vazão

deve ser suficiente para atender cada necessidade da unidade consumidora de ar.

Quando um compressor é requerido, a pressão do sistema alcança valores abaixo do

permitido, ou há valores críticos para a funcionalidade do sistema no momento em

que o compressor está operando. A pressão gerada pelo compressor estando acima

do nominal permitido, o mesmo entra em desligamento. (SILVA, 2011).

A importância de realizar a captação de ar de uma fonte que não seja da sala

de máquinas, se dá pelo motivo que a temperatura de ar de seu interior é elevada

aumentando o consumo de energia. Então, quando se utiliza tubulações para

captação de fontes externas, o ar é mais frio reduzindo assim o consumo de energia.

As tubulações devem ser curtas e retas e de diâmetros elevados. A cada 25 mbar na

queda de pressão aspirado, o rendimento é reduzido em 2%. Também é necessário

instalar filtros e mantê-los sempre limpos, com isso a perda da carga será a menor

possível. (HAHN, 2004).

21

O ar captado pelo compressor, além de ser filtrado na entrada, pelo filtro

primário o mesmo contém grandes impureza. Entre eles, destaca-se a umidade e

partículas de poeira. Todas as instalações possuem ou devem possuir filtros de

aspiração evitando a entrada de partículas pelo ar captado na atmosfera. Não

ocorrendo uma manutenção adequada desses filtros, as partículas se acumulará

fechando os micros furos do filtro onde aumentará a perda desse filtro, acarretando o

aumento do consumo de energia elétrica. (HAHN, 2004).

Pode-se observar na figura 4 o custo de ar comprimido, onde o maior custo

está em relação a energia elétrica 74%, seguindo com o custo de temperatura e

resfriamento 19%, e o custo de manutenção em compressores de ar 7%.

Figura 4. Custo de ar comprimido

Fonte: KARMOUCHE. (2009).

Ao produzir o ar comprimido ocorre o aquecimento do ar no final da

compressão, esse calor e extraído do ar comprimido por resfriamento, através de um

trocador de calor, normalmente usa-se agua ou ar, através de um trocador de calor.

Calcula –se que um sistema de ar que consome 500 KW durante 8000 horas

funcionando durante um ano, corresponde a uma perda de energia de 4 milhões de

KWh/ano de energia. (HAHN, 2004).

22

A tabela 1 abaixo, mostra a variação de consumo de energia, em relação a

temperatura aspirada, onde a temperatura de referência é estipulada em 21º C,

quando a temperatura for menor teremos economia de potência, se a temperatura for

maior teremos o incremento de potência, aumentando o consumo de energia.

Tabela 1 – Variação de consumo de acordo com a temperatura

Fonte: HAHN, (2004)

Alguns compressores mais modernos possuem sistema de redução de carga,

os mesmos possuem controle de alivio da pressão, reduzindo a entrada do ar. O alivio

de pressão, ocorre quando o comando da reguladora de pressão alcança o limite

superior regulado para abertura da válvula de alivio, liberando o excesso de pressão

para a atmosfera. Para o controle da redução de ar na admissão, uma válvula se fecha

parcialmente diminuído a entrada de ar admitida da atmosfera. (SILVA. 2011).

A partida do compressor se dá quando o mesmo atinge o limite inferior de

pressão, e o desligamento ocorre quando o compressor atinge seu limite superior. A

utilização desse controle é recomendada quando são utilizados motores maiores que

TEMPERATURA DO AR DE

ASPIRAÇÃO

POTÊNCIA ECONOMIZADA OU

INCREMENTADA

(ºC) Temperatura de referência 21ºC

-1,0 7,5 % (economizado)

4,0 5,7 % (economizado)

10,0 3,8 % (economizado)

16,0 1,9 % (economizado)

21,0 0,0

27,0 1,9 % (incrementado)

32,0 3,8 % (incrementado)

38,0 5,7 % (incrementado)

43,0 7,6 % (incrementado)

49,0 9,5 % (incrementado)

23

10KW e quando se tem a necessidade de um reservatório de grande porte para a

redução de partida do motor. (SILVA, 2011).

O controle de velocidade da rotação fará com que a produção do ar comprimido

seja regulada de acordo com a rotação do eixo do motor combinando o controle de

alívio e a redução da massa de ar admitida. Nesses sistemas, o controle utilizado

possui o controle de entrada e saída de ar e a velocidade do motor quando entra em

alívio, apresenta um baixo consumo de energia. Ao recolocar o compressor em

funcionamento a válvula de alívio deve fechar rapidamente para evitar perdas

desnecessárias. (SILVA, 2011).

Em sistemas de ar, os controles são capazes de compensar as constantes

variações de demanda, o uso desses sistemas de controle atende os picos de

demanda e que operem em eficiência com carga parcial é um fator essencial para

obter resultados satisfatórios na eficiência do ar comprimido. (HAHN.2004).

O controle de cascata é uma forma comum de se controlar compressores. Cada

um dos compressores é adaptado para operarem em ponto máximo e mínimo

individualizando e cada compressor é ligado em sequência conforme a demanda e a

queda de pressão na rede de ar. Se a demanda de ar utilizada é menor, somente um

compressor entra em operação, na medida que vai aumentando a demanda de ar, os

demais compressores entram em operação modulando a pressão de ar.

(HAHN.2004).

24

4. SISTEMA DE CONTROLE DE AUTOMAÇÃO

Controle na automação e na automatização de um sistema, pode ser usado

para controlar o funcionamento de um equipamento, acompanhando e prevenindo as

causas de possíveis falhas e danos no equipamento, controlando o consumo de

energia elétrica e desgaste mecânicos. Em um compressor de ar comprimindo o

controle de automatização e automação utiliza informação de sensores para controlar

conversores e soft starts aumentando ou diminuindo o valor de rotação de um motor,

podendo aumentar a geração de ar comprimido, conforme a utilização da rede de ar

comprimido e do sistema pneumático da indústria. De acordo com Sousa e Silva

(2012), “os inversos de frequência podem ser usados para controlar a velocidade de

vazão, substituindo os sistemas tradicionais de forma muito mais eficiente, esse

processo vem sendo utilizado em grande escala nas indústrias”. Os objetivos que

devem ser buscados nos projetos de automação industrial são criar sistemas de

controles, tecnologias de cabeadas, reles Eletromagnéticos, Módulos Lógicos

Pneumáticos. A automação industrial chegou para criar mecanismos que sejam

capazes de produzir produtos com o menor custo. (SILVEIRA, 2013).

Sistema de controle são comandos automatizados que com o desenvolvimento

de novos processadores com a capacidade de armazenamento muito alta e com

recursos de acionamentos remotos. (SILVEIRA, 2013).

Esses sistemas conseguem controlar um compressor de ar comprimido,

entrando em carga plena ou parcial ou até mesmo e standby, conforme sua

configuração, os níveis de desligamento e religamento são controlados por sensores

de pressão onde indicam os valores adotado em uma programação no seu HIM,

(Interface Homem Máquina), que através de cabos de redes mandam informação para

o inversor fazendo o controle de velocidade do motor. Esse controle evita que a

pressão gerada no equipamento atinja um valor acima do nominal estabelecido, o

inversor faz com que o motor trabalhe em rotação menores, ou até mesmo entre em

standby. Com esse controle não há perdas na geração de ar comprimido, pois o

inversor de frequência ficara modulando a velocidade do motor, conforme a demanda

que se pede na rede de ar comprimido. Se houver uma demanda de ar maior o

inversor entrara fazendo com que o motor gire com mais velocidade, aumentando a

geração de ar comprimido, mantendo os níveis de operação necessários ao

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atendimento das demandas, evitando desperdícios e mantendo um controle

operacionais. (LUGLI, 2015).

Segundo Oliveira et al. (2016), a instalação de um inversor de frequência se

justifica, pois, representa aproximadamente 30% na economia de energia elétrica e

contribui para a redução do desgaste mecânico, redução da demanda de energia,

melhoria do fator de potência e automatização do sistema para empresas que buscam

reduções de custo. Sistema que emprega alguns processos automáticos, controlam

mecanismos para funcionamento, o sistema que usa técnicas de informática com o

objetivo de otimizar os processos de produção dos mais diversos ramos setoriais de

industrias. A automação está diretamente ligada à ideia das máquinas, que agilizam

as tarefas quase sempre sem a interferência humana, mais ainda existem tipo de

automação que se refere ao trabalho humano que é realizado em muitas indústrias,

de forma contínua e repetitiva, quase “robotizada”. A automação mecanizada é aquela

que faz uso de sensores, sistemas de computação (software) e sistemas mecânicos,

na linha de montagem e produção das indústrias, monitorada e controlada pelo ser

humano. A automação industrial teve seu ponto de partida após 1950 com o

desenvolvimento da eletrônica. Esta permitiu o aparecimento da informática e a

automação das indústrias, com a utilização de modernas técnicas de produção, com

destaque para a robotização, isto é, o uso de robôs controlados por computadores

que realizam o trabalho de seres humanos, substituindo-os na produção de bens

econômicos ou mercadorias. A automação exerce grande importância para a

modernização dos processos industriais. (OLIVEIRA et al. 2016).

4.1 CONVERSORES DE FREQUÊNCIA

4.1.1 Funcionamentos inversor de frequência

O conversor de frequência é utilizado para o controle de velocidade em motores

de indução e é constituído basicamente dos seguintes estágios: retificador, filtro e

inversor ou barramento CC, (corrente continua). Sendo projetado para variação

contínua de velocidade, proporciona uma economia de energia melhorando o

desempenho de máquinas e equipamentos, devido ao controle da velocidade nos

processos com redução de frequência e eliminação do pico de corrente na partida do

motor. (LUGLI ET AL,2015).

https://www.significados.com.br/software/

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Figura 5. Modelo de conversor de frequência

Fonte OLIVEIRA ET AL. (2016).

O princípio de funcionamento utiliza uma ponte retificadora CA/CC a diodos,

um circuito intermediário e um banco de capacitores para a estabilização da tensão

CC e a ponte inversora ligada a transistores do tipo bipolar de porta isoladora, criando

uma forma de onda com tensão e frequência variável na saída do inversor para o

motor. (OLIVEIRA ET AL. 2016).

4.1.2 Controles de velocidade escalar

A velocidade escalar é muito utilizada, suas aplicações industriais, controla a

velocidade do compressor para entrar em carga, possui registros necessários para

cada controle. Os compressores que utilizam óleo em seu funcionamento, as suas

velocidades não devem ser menores que 66%, pois a temperatura dos parafusos pode

se elevar desarmando o mesmo, isso devido à temperatura do óleo na câmara de

compressão que é naturalmente aquecido pela velocidade de rotação dos rotores

(AGUIAR, 2007).

O controle escalar da velocidade tem uma boa resposta para a variação da

velocidade de 50% para uma carga determinado, quando diminuindo a velocidade

abaixo dos 50% a zona de enfraquecimento do campo altera ao fluxo do entreferro

em relação da frequência de alimentação. (MOREIRA,2006 apud AGUIAR,2008)

Não se recomenda o controle escalar em aplicação que requerem baixas

velocidades, a queda de tensão em baixa frequência se torna muito alta, afetando a

corrente de produção de fluxos, como podemos verificar na figura 6. Em alguns

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conversores de frequência contém uma função que compensa o escorregamento do

torque da partida. Com as limitações de baixa frequência o controle escalar e muito

utilizado devido a sua simplicidade custo benefício, pois não requer precisão e rapidez

no controle de velocidade. (LUGLI ET. AL 2015).

Figura 6. Tensão em relação a frequência

Fonte. LUGLI ET. AL, (2015).

Algumas das características utilizadas no controle escalar conhecidas são:

O custo é menor comparado ao controle vetorial

Utilização em aplicação onde não requer alta precisão no controle de

torque e velocidade.

O controle é realizado em malha aberta, sem leitura de velocidade

através de sensores.

A velocidade é precisa e está ligada em função do escorregamento.

A precisão está na faixa de 0,5% da rotação nominal sem que a carga

seja variada e em caso de variação na carga de 3 % a 5 %.

28

4.1.2 Controle de velocidade vetorial

O uso do controle vetorial é recomendado quando se tem a necessidade de

uma performance dinâmica com respostas de velocidade rápidas e de alta velocidade

de precisão. Esse controle trabalha com torque em uma faixa de operação precisa,

quando se faz necessário ter o torque baixo com a frequência, como observa-se a

figura 7. Através do controle vetorial, um motor de indução trifásico opere em como se

fosse um motor de corrente continua (MCC). (LUGLI ET. AL 2015).

Figura 7. Vetores de corrente para diferentes cargas

Fonte. LUGLI ET. AL, (2015).

Quando o motor opera em vazio a corrente no extator é formada pela corrente

magnética, sendo só necessário a corrente de torque para compensar as perdas por

atrito e ventilação. O escorregamento ficara próximo a zero, quando a velocidade

síncrona está bem próxima a velocidade de rotor. Se motor estiver acoplado a uma

carga, sua corrente será a soma vetorial da corrente, com a corrente de torque, que

será aumentada na mesma proporção do torque de carga. O controle vetorial pode

ser dividido em dois tipos, malha aberta (Sensorless) e com realimentação. (LUGLI

ET. AL 2015).

4.1.3 Controle Vetorial malha aberta (sensorless)

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Esse modelo de controle é o mais simples, apresenta algumas limitações

quando se tem a necessidade de operar em baixas frequências quase a zero. Quando

operado em rotações maiores é considerado tão bom quando o vetorial com

realimentação. Esse modelo de controle apresenta algumas vantagens em relação ao

controle escalar, trabalha com a magnitude e ângulo de tensão e corrente, enquanto

a escalar trabalha somente em magnitude. Operação facilitada, possui configuração

de auto sintonia, o técnico insere os dados que estão fixados na placa do motor e

executa a rotina que configura o inversor, fazendo trabalhar de acordo com os dados

da placa. (LUGLI ET. AL 2015).

Podemos citar algumas características do controle vetorial:

Regulagem de velocidade

Torque de partida

Torque máximo não continuo

Auto sintonia dos parâmetros de acordo com os parâmetros do motor

4.1.4 Controle Vetorial com Realimentação

Esse controle permite uma maior precisão com frequência próximas a zero,

presenta vantagens ao vetorial, quando se há necessidade de trabalhar em frequência

baixas, utiliza sensores acoplados ao seu eixo, possui custo alto em relação aos

controladores escalar vetorial. (LUGLI ET. AL 2015).

Algumas das características do controle vetorial com realimentação:

Regulagem de velocidade de precisão

Performance dinâmica

Controle de torque linear

Operação com baixa velocidade sem oscilação de torque mesmo com alta

carga

Regulação de velocidade

Regulação de torque

Torque de partida

Torque máximo não continuo.

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4.2 SOFT STARTER

4.2.1 Funcionamento de uma Soft Starter

Uma Soft - starter é utilizada para controlar a tensão que o motor recebe através

do circuito de potência, variando a tensão que é aplicada no motor, com a variação do

ângulo de disparo das fases, mas, no entanto, não controla a velocidade do motor.

Podendo ser controlada somente a corrente de partida do motor, fazendo com que o

motor realize uma partida suave, não provocando quedas de tensão elétrica.

(OLIVEIRA ET AL. 2016).

O momento em que a partida é acionada o motor por meio de uma conexão

direta da fonte de alimentação, a corrente do rotor é retirada produzindo um torque do

rotor, assim, no momento da aceleração a corrente cai e o torque aumenta, após cai

para seus valores de tensão nominal, dependendo do projeto do motor utilizado

teremos uma curva de torque e corrente, como vemos na figura 8. (OLIVEIRA ET AL.

2018).

Figura 8. Curva de torque e corrente

Fonte. Oliveira ET.AL, (2018)

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A soft- starter é um aparelho eletrônico tiristorizado, utilizado para partida suave

de motores trifásicos de indução. Esse sistema substitui as técnicas mais comuns e

tradicionais de partida, os equipamentos recomendados para aplicação da soft-starter

são variados porem sua utilização em compressores de parafusos é a mais comum,

partindo em alívio. (LENZ. 2018).

4.2.2 Controle de soft- starter

O controle de um soft-starter emprega micro controladores ou

microprocessadores do tipo DSP (Digital Signal Processador), a vantagem de se

utilizar esse processador é o baixo consumo e o baixo custo, com a utilização desses

microprocessadores pode se desenvolver equipamentos cada vez mais compactos.

(LENZ. 2018).

Controle de torque reduz a força aplicada na partida conforme o tipo do

equipamento instalado ele pode controlar uma ou duas fases de tensão que é

aplicada, porém não se pode controlar a corrente de partida, somente os

equipamentos mais modernos tem essa possibilidade de controlar a mesma. Os

controladores de torque trifásico devem ser usados para partidas frequentes ou em

cargas de alta inercia. Os controladores em malha aberta controlam as três fases e

tem os benefícios entregados pela Soft-Starter, controlando a tensão aplicada no

motor de maneira configurada e sem realimentação de corrente. Os parâmetros para

melhorar o desempenho da partida são configurados através da tensão inicial, tempo

de rampa, e rampa dupla e parada suave. (OLIVEIRA, ET. AL. 2018).

Controle de tensão em malha aberta são usados com relés de sobrecarga e

com contatores. Componentes que devem ser anexos a outros componentes para

formar a partida do motor. (OLIVEIRA, ET. AL. 2018).

Controladores de malha fechadas recebem a alimentação da corrente de

partida do motor e usam as informações para acessar a rampa da partida. As

informações da corrente do motor são utilizadas para fornecer proteções baseadas na

corrente. Os controles de corrente de malha fechada são as mais avançadas utilizam-

se da corrente como referência. Algumas das vantagens são precisão do controle da

corrente de partida e fácil ajuste. (OLIVEIRA, ET. AL. 2018).

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5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O trabalho apresentado vem trazer, métodos de controles automatizados para

compressores de ar comprimido, foi verificado os tipos de partidas de motores de

indução, conceitos de conversores e soft – starter. Qual seria o método mais eficiente

para a geração de ar comprimido, quais serão os ganhos da eficiência energética com

o controle desses equipamentos.

O primeiro capítulo mostra como é o funcionamento de um compressor de ar

comprimido, como é capturado o ar da atmosfera e comprimido dentro da unidade

compressora, qual é a importância de um compressor para a indústria, quais os tipos

de compressores mais usado na indústria e a representação quanto ao consumo de

energia elétrica utilizado por esses equipamentos, conforme o modelo e aplicação,

consta - se que o modelo de compressor a parafusos é mais utilizado devido ao custo

de manutenção e a eficiência de ar gerado. A utilização de óleo lubrificantes e

manutenção para manter a eficiência no trabalho que é exigido.

No segundo capítulo as perdas por falta de um controle adequado para o

funcionamento do compressor, os critérios utilizados para as perdas de pressão

admissível, perdas nos atuadores e equipamentos ligados ao sistema de ar

comprimido, perdas na tubulação da linha de ar comprimido, onde estão instalados

filtros e secadores de ar. As perdas devido a temperatura de trabalho, o efeito que

causa a admissão de ar com temperaturas elevadas, mostra-se qual será a

porcentagem aceita de temperatura e suas perdas. A utilização dos filtros de captação

de ar da atmosfera. As pressões de trabalho são de extrema importância para a

redução de perdas, mostra-se o volume de ar gerado e quanto aumentará a

capacidade do compressor se tiver um controle de pressão adequado.

Terceiro capítulo vem trazer os controles de automação para compressores e

qual as melhores técnicas e práticas, mostrando segundo alguns autores e a utilização

de conversores de frequência e soft – starter. Quanto a utilização de cada

equipamento e suas aplicações e compressores de ar comprimido.

Verificado que através de um conversor de frequência (inversor de frequência),

um compressor de ar será mais eficiente de que um equipamento ligado com partidas

de motores convencionais, estrela triangulo, partida direta e soft-starter. Podendo se

modular a frequência do conversor de frequência para que entre em funcionamento

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conforme a utilização e a necessidade de cargas de ar comprimido nas linhas de

pressão de uma fábrica.

Esse trabalho foi de grande importância para demonstrar o funcionamento de

um compressor, as características de funcionamento e controle, e qual será a melhor

prática para realizar o controle de velocidade e temperatura, fazendo com que se

tenha uma redução no consumo de energia, aumentando a eficiência energética de

compressores.

REFERÊNCIAS

AGUIAR, Victor de P. BRANDÃO. Estudo de eficiência energética no Acionamento de um compressor parafuso em um sistema de ar comprimido. 2008. Dissertação submetida à coordenação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica, área de concentração em Eletrônica de Potência e Acionamentos Elétricos, pela Universidade Federal do Ceará. Acesso 15.jun.2018 ALMEIDA, Rafael. Mecânica Fácil, 2015. Disponível em https://mecanicafacil-ra.blogspot.com/2015/10/compressor-de-parafuso-com-funciona.html. Acesso em: 15 out. 2018. BR 3000, Produtos Brasileiros. Disponível em: http://br3000.com.br/br3000.asp. Acesso em: 20 ago. 2018 HAHN, A., Compressores – Guia Avançado, Rio de Janeiro: Eletrobrás, 2004. 127p. (Procel Indústria: Edição Seriada). KARMOUCHE. R. A. Análise da eficiência energética em compressores a pistão em sistemas de ar comprimido. 2009. 96 f. Dissertação Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, Mato Grosso do Sul, 2009 LENZ. André. L. Chave de Partida Suave (Soft-Starter). Serviço Nacional de Aprendizagem (SENAI). São Paulo – SP. Disponível em: file:///D:/TCC%20eng%20eletrica/Doc%20utilizados%20no%20tcc/Teoria%20Extra%203%20Chave%20Partida%20Suave%20-%20NEW.pdf. Acesso em: 15 ago. 2018 LUGLI, Alexandre B. ARAUJO, Fábio M. FLORIANO, Giovanni H F. SILVA, João P d S. HENRIQUES, João P. VOLPATO, Romulo M. MASSELLI, Marcelo C. controle vetorial e escalar para motores de indução trifásicos. 2015. Artigo II Seminário de Automação Industrial e Sistemas Eletro - Eletrônicos – SAISEE (ISSN 2319-0280), Minas Gerais, 2015 OLESKO, Harding. D. Uma proposta de eficiência energética para sistemas de ar comprimido industriais. 2013. Monografia apresentada como requisito parcial à obtenção do título de Especialista em Eficiência Energética, do Departamento de Eletrotécnica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. 2013

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