Nesta postagem apresentaremos técnicas de frenagem de motores utilizadas
em inversores de frequência e demonstrar que dependendo das características da
carga acionada, a substituição de um sistema de frenagem dissipativa por um
sistema regenerativo, torna-se uma opção muito interessante e com retorno
relativamente rápido de investimento.
Tratando-se de inversores de frequência no controle de velocidade de
motores, ações do tipo: desacelerar, parar e mudar de rotação requer antes de
tudo um mecanismo de frenagem eficiente.
Frenagem, nada mais é do que a remoção da energia absorvida pelo motor
durante o processo de aceleração.
Partindo da rotação zero, o eixo encontra-se obviamente parado e por
inércia tende a ficar assim. Para romper esta barreira e elevar a rotação até
um valor desejado, o inversor entrega determinada quantia de energia elétrica,
que é então convertida em energia mecânica no eixo do motor. Produzindo assim a
rotação desejada.
Uma vez acionado, para o motor retornar ao repouso é preciso frenar o
eixo. No momento da frenagem, parte da energia entregue - que agora se encontra
na forma de energia mecânica - ou é convertida em calor ou se transforma
novamente em eletricidade e é devolvida para o inversor.
Quando o rotor de um motor a indução gira com velocidade menor que a frequência
aplicada, ele transforma energia elétrica em energia mecânica, A este processo
denomina-se “motorização”. Quando o rotor gira mais rápido que a velocidade de
sincronismo definida pelo inversor - durante uma rampa, o motor passa então a
transformar a energia mecânica absorvida em energia elétrica.
Em função deste comportamento - que depende das características da carga
e do tipo de frenagem escolhido - necessitamos de um dispositivo ou técnica que
seja capaz, para quando necessário, desviar a energia excedente e impedir a sobre
tensão no barramento CC do inversor. A este procedimento damos o nome de
frenagem.
Sobre o ato de frenar, duas considerações importantes precisam ser
feitas: Como remover esta energia? E o que fazer com ela?
Podemos desviá-la de maneira mecânica ou elétrica, podendo ser diretamente
convertida em calor, ou reaproveitada em equipamentos específicos para
regeneração de energia.
FORMAS DE DESVIO
Desvio Mecânico
Através de um dispositivo mecânico, composto por um atuador e pastilhas
de freio, sempre que for necessário parar o eixo do motor, as pastilhas são
acionadas, e toda a energia mecânica do eixo se converte em calor nas
pastilhas.
Desvio Elétrico
Neste caso, a energia mecânica contida no motor é convertida em energia
elétrica, e nesta condição, ou é dissipada em forma de calor sobre resistores
especiais e também no próprio motor, ou é regenerada e devolvida para a rede de
alimentação C.A.
Desta forma se diz que quando o resultado da frenagem é convertido em
calor, o método empregado é do tipo dissipativo; e quando o seu resultado é a
geração de energia elétrica, o método é do tipo regenerativo. [3]
FATORES A SEREM OBSERVADOS NA ESCOLHA DE UM MÉTODO
DE FRENAGEM.
Primeiramente devemos salientar que na escolha de um inversor de frequência
para controle de um motor de indução, e por consequência, na escolha do método
de frenagem, o foco principal deve ser exclusivamente as exigências requeridas
pela aplicação em que o motor será utilizado. Ficando, portanto em segundo
plano, observar se existe ou não possibilidade de reaproveitar parte da energia
entregue ao conjunto inversor/motor/carga.
Considerando isto, os principais fatores a serem observados são:
a) Quantidade de
frenagem necessária em cada ciclo de operação;
b) Qualidade do
controle da frenagem exigida; e por último,
c) Tempo de
resposta entre uma ação e outra.
Assumindo que a frenagem do tipo mecânica não oferece outra opção senão
converter esta energia em calor, vamos nos limitar em estudar somente a
respeito da frenagem elétrica.
FRENAGEM ELÉTRICA
Frenagem por injeção de CC (DC injection braking)
Através da injeção de corrente contínua no estator do motor, um campo
magnético fixo é criado. Este se opõe ao movimento do eixo, que por sua vez
tende a diminuir a sua rotação. Este procedimento resulta em calor, que é então
dissipado pelo próprio motor.
Deve, portanto, ser utilizado de maneira intermitente, e com um rigoroso
controle do tempo de inserção da corrente, afim de não danificar precocemente o
motor. Como vantagem, dispensa a aquisição de hardware adicional.
Frenagem por Fluxo (Flux Braking)
Nesta técnica a corrente de fluxo é elevada quase ao valor da corrente
nominal, aumentando assim as perdas no motor. Da mesma maneira que na injeção
de CC, a energia do eixo é convertida em calor e dissipada pelo próprio motor.
De mesmo modo, requer cautela e uso intermitente para não danificar o motor, e
sua vantagem também reside no fato de não exigir hardware adicional.
Frenagem Dissipativa (Dinâmica)
Assim que o inversor começar a diminuir a velocidade do motor, por
inércia imposta pela carga, o eixo tende a continuar na mesma rotação. Em
função disto, o motor se comporta como um pequeno gerador devolvendo energia
elétrica ao inversor.
A magnitude desta energia é diretamente proporcional à derivada da
desaceleração do eixo que, por sua vez, está intimamente ligada com a inércia e
energia mecânica (cinética) armazenada pelo conjunto carga/motor.
Este processo faz com que a tensão do barramento CC do inversor suba, e
possa assumir valores acima do limite de segurança suportado pelo inversor. Em
função disto, o inversor monitora o valor da tensão do barramento CC e sempre
que esta ultrapassar os valores pré-definidos, ele gera um comando para um
módulo extra, comumente chamado de “Braking Unit”. Este tem por função comutar
em paralelo com os capacitores do barramento CC, um resistor especial. Desta
forma, toda energia “extra” é por ele desviada, e dissipada por efeito Joule.
Esta técnica é muito eficiente, consegue atingir elevados torques de
frenagem, e apesar de ser uma solução simples, sua resposta dinâmica é muito
satisfatória.
Em contrapartida, existe o custo adicional para compra e instalação dos
dois dispositivos necessários: o módulo de comutação (braking unit) e o
resistor de dissipação. E além de toda a energia mecânica ser dissipada em
forma de calor - sem nenhum benefício, a quantidade de frenagem em ciclo
contínuo é limitada em função da capacidade de dissipação do resistor.
Frenagem Regenerativa
Nesta configuração, toda a energia gerada pelo motor no momento da
frenagem, também é desviada para um módulo extra. Neste, a energia recebida é
regenerada, sincronizada e devolvida para a rede de alimentação principal.
Este sistema de frenagem é, sem dúvida, o mais caro se comparado somente
o custo de aquisição e instalação perante aos demais. Porém, é altamente
eficiente e além de ser a melhor solução para ciclos de frenagem contínua, ela
proporciona economia de energia elétrica.
Entretanto, seu emprego somente se torna viável quando instalado em
cargas que tenham características regenerativas consideráveis.
CARGAS REGENERATIVAS
Teoricamente, a grande maioria das cargas acionadas por motores de
indução comandados por inversores de frequência forma um conjunto com
características regenerativas que, em maior ou menor magnitude, devolvem
energia para o inversor no momento da desaceleração.
Como a magnitude desta energia devolvida é diretamente proporcional à
energia mecânica (cinética) absorvida pelo conjunto carga/motor, somente cargas
com grande potencial de absorção desta energia, são consideradas como cargas
regenerativas. E, portanto, aplicações onde à possibilidade de um sistema de
frenagem regenerativa se torna tanto economicamente como tecnicamente viável.
Exemplos de cargas que podem ser regenerativas são:
a) Elevadores de
grande porte;
b) Bomba
centrífuga;
c) Pontes rolantes;
d) Esteiras de
transportes;
e) Grandes máquinas de
usinagem.
De modo geral, aplicações que requerem a elevação, transporte de cargas
pesadas, ou processos de relativa inércia com taxas de frenagem bruscas, são
fortes candidatas a serem regenerativas. [4]
FRENAGEM DISSIPATIVA X REGENERATIVA
Como exemplo, vamos utilizar uma determinada aplicação onde a potência
média manipulada pelo conjunto inversor/motor/carga é da ordem de 75kW/h.
O processo consiste em elevar cargas extremamente pesadas a certa altura
por uma ponte rolante, e reposicioná-las em lugares diferentes. Sendo, portanto
um exemplo clássico de carga regenerativa.
No momento da desaceleração, observou-se que era requerido 80% do torque
máximo, durante 20% do ciclo de operação. Neste caso, a solução tradicional
seria utilizar um freio dissipativo e desviar toda a energia devolvida pelo
motor no momento da desaceleração em um resistor.
Entretanto, face ao grande potencial regenerativo e a considerável
potência manipulada, a substituição do sistema tradicional por um sistema de
frenagem regenerativa, pode reaproveitar parte da energia consumida pelo
inversor/motor e tornar-se uma proposta interessante.
SOLUÇÃO POR FRENAGEM DISSIPATIVA (DINÂMICA)
Juntando os dados de placa do motor com a inércia da carga, relação da
caixa redutora, perfil de velocidade, torque, potência total da aplicação e
ciclo de frenagem requerido, calcula-se a inércia total do sistema.
Através deste parâmetro, chega-se ao valor do pico máximo de potência
devolvida ao inversor no momento da frenagem. Este valor servirá de base para
determinar o valor ôhmico do resistor de freio, bem como a capacidade de
comutação do módulo de chaveamento (braking unit).
Em seguida, deve-se ajustar no inversor, o parâmetro que define o máximo
percentual de sobre passagem do valor nominal da tensão do barramento CC.
Feito isso, sempre que a tensão no barramento exceder o limite ajustado
- em função de uma frenagem - um comando é gerado, e o módulo de frenagem
comutará o resistor calculado, em paralelo como os capacitores do barramento
CC. Com isso toda a energia “extra” será dissipada em forma de calor - devido
ao efeito Joule-, evitando assim danos ao inversor.
O Grupo Web está há mais de 20 anos no
mercado, trabalhando com venda de equipamentos novos, seminovos e assistência
técnica especializada!
Solicite
já o seu orçamento: (11)2823-7000
Lembrando que todas as informações contidas
neste blog são apenas de caráter informativo. Procure sempre um profissional
qualificado, sigas as normas e utilize os equipamentos de proteção adequados,
evite acidentes!
Atenciosamente
Grupo Web Automação Industrial
0 comentários: