EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL. ACIONAMENTO ELETRÔNICO Marcio Americo

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1 EFICICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL ACIONAMENTO ELETRÔNICO Marcio Americo

2 ELETROBRÁS Centrais Elétricas Brasileiras S.A. PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica Ligação gratuita PROCEL INDÚSTRIA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA INDUSTRIAL Ligação gratuita Trabalho elaborado no âmbito do PROCEL INDÚSTRIA Acionamento Eletrônico Rio de Janeiro, dezembro/ Marcio Americo TODOS OS DIREITOS RESERVADOS é proibida a reprodução total ou parcial de qualquer forma ou por qualquer meio. A violação dos direitos de autor (Lei nº 9.610/98) é crime estabelecido pelo artigo 184 do Código Penal.

3 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 2. O QUE É UM ACIONAMENTO ELETRÔNICO? 3. A IMPORTÂNCIA DA VARIAÇÃO DA VELOCIDADE E DO TORQUE 4. CHAVES ELETRÔNICAS Diodo 4.2. Tiristor 4.3. GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 4.4. Transistor Bipolar BJT (Bipolar Junction Transistor) 4.5. FET (Field Effect Transistor) 4.6. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 4.7. Comparação entre as chaves eletrônicas 5. TIPOS DE ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS 5.1. Acionamentos eletrônicos para motores CC Retificador a tiristores (CA-CC) Chopper (CC-CC) 5.2. Acionamentos eletrônicos para motores CA com malha intermediária Acionamentos com malha intermediária Fonte de Tensão (VSI) Acionamento VSI-PAM Acionamento VSI-PWM Acionamentos com malha intermediária Fonte de Corrente (CSI) Acionamentos sem malha intermediária (Cicloconversor) Efeitos adversos dos acionamentos eletrônicos CARGAS CENTRÍFUGAS 6.1. Generalidades Máquinas de deslocamento positivo Máquinas de deslocamento dinâmico 6.2. Características das bombas

4 6.3. Características do sistema 6.4. Ponto de operação 6.5. Controle de vazão Generalidades Liga-desliga (on-off) By-pass (desvio) Válvula de estrangulamento Acionamento eletrônico 6.6. Leis de afinidade 6.7. Aplicações típicas em bombas, ventiladores e compressores Bombas Ventiladores Compressores FUNDAMENTOS PARA APLICAÇÕES DE ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Considerações para o motor Motores ligados em paralelo Dados especiais do motor Desgaste do isolamento do motor Ruído no motor Aquecimento do motor Considerações para o acionamento eletrônico Acionamento eletrônico com proteção contra curto-circuito Acionamento CSI em condição de circuito aberto Acionamentos eletrônicos com reatores Ruído no acionamento eletrônico Eficiência do acionamento eletrônico Fator de potência do acionamento eletrônico Considerações para a carga Cargas em baixas velocidades Regeneração de energia Perfil torque de carga x velocidade Torque constante Potência constante

5 Potência e torque variável APLICAÇÕES COMERCIAIS DE ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Economia de Energia Conforto dos ocupantes Melhoria no método de controle Redução de demanda 8.5. Diminuição de nível de ruído APLICAÇÕES INDUSTRIAIS DE ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Alumínio Química 9.3. Alimentícia 9.4. Fornecimento de gás 9.5. Mineração 9.6. Petróleo 9.7. Papel 9.8. Borracha e plásticos 9.9. Aço Transporte de massa Conclusão 10. CONFIABILIDADE DOS ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Generalidades Confiabilidade dos acionamentos eletrônicos de baixa tensão Efeitos dos transitórios de sobretensão Efeitos das subtensões e interrupções momentâneas 11. EXERCÍCIO PROPOSTO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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7 1 INTRODUÇÃO Uma aplicação com um potencial significativo de conservação de energia é a utilização de acionamentos eletrônicos para o controle de vazão em processos de bombeamento, substituindo os controles tradicionais, tais como a válvula de controle, controle by-pass, sistema on-off etc.. Esses processos, muito comuns nas indústrias, apresentam um potencial teórico de economia de energia da ordem de 30 %. Além disso, estudos já realizados mostram que quando são usados acionamentos eletrônicos em processos com bombas centrífugas de aproximadamente 50 hp, o tempo de retorno do investimento apresenta-se bastante reduzido, considerando apenas a energia elétrica não consumida. Com isso, os objetivos principais deste manual são:» apresentar informações técnicas sobre o acionamento eletrônico;» descrever as possíveis aplicações do acionamento eletrônico;» difundir as vantagens e desvantagens desse tipo de aplicação. 1

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9 2 O QUE É UM ACIONAMENTO ELETRÔNICO? Chamamos de acionamento eletrônico a alimentação de motores elétricos através de conversores eletrônicos. Figura Rede de alimentação tradicional e com acionamento eletrônico. O acionamento eletrônico permite que uma rede de tensão e/ou freqüência fixas se transforme numa rede de tensão e/ou freqüência variáveis, como ilustrado na figura 2.1. Em outras palavras, o acionamento eletrônico é um conjunto de equipamentos que permite o controle de velocidade e/ou torque de um motor elétrico através da variação da tensão e/ou da freqüência de alimentação do motor. Existem vários tipos de acionamento eletrônico, como apresentaremos nas seções seguintes. 3

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11 3 A IMPORTÂNCIA DA VARIAÇÃO DA VELOCIDADE E DO TORQUE O motor elétrico atende satisfatoriamente às exigências das aplicações a velocidade constante. No entanto, muitas aplicações de motores requerem velocidade variável, como em um ventilador de várias velocidades, ou mesmo com uma faixa de velocidades continuamente ajustável. Na maioria das aplicações, os motores são ligados diretamente a uma rede de alimentação (CCM Centro de Controle de Motores) e funcionam de acordo com as suas próprias características de torquevelocidade. O ponto de operação (velocidade/torque) é simplesmente determinado pela carga mecânica acoplada ao eixo do motor. Entretanto, em muitos casos, os motores são providos de equipamentos de controle capazes de modificar suas características de funcionamento para adequá-los melhor às necessidades da carga. O controle mais comum é o da velocidade do motor, mas o torque, a aceleração e a posição angular também podem ser controlados. Basicamente, existem três tipos de controle de velocidade: controle mecânico, controle elétrico e o controle eletrônico (em ordem cronológica crescente). O controle mecânico de velocidade do motor pode ser conseguido através do uso de polias e engrenagens. O maior inconveniente nesse tipo de controle é que só se conseguem alguns valores de velocidade, dependendo da relação das engrenagens ou das polias. Na categoria de controle elétrico se destaca o tradicional sistema Ward-Leonard, mostrado na figura 3.1, onde a variação da resistência de campo do gerador faz com que o motor seja alimentado por uma tensão variável. 5

12 Figura Sistema de controle Ward- Leonard tradicional. Já o controle eletrônico é caracterizado pelo uso de chaves eletrônicas no controle. Com esse tipo de controle foi possível melhorar significativamente a qualidade do acionamento, que além de mais eficiente, requer o emprego de menos matéria-prima. Um exemplo é o sistema Ward-Leonard estático, mostrado na figura 3.2, que substituiu 6 Figura Sistema de controle Ward- Leonard estático. o grupo motor-gerador do sistema Ward-Leonard tradicional por um retificador controlado a tiristores.

13 4 CHAVES ELETRÔNICAS Os acionamentos eletrônicos são compostos por chaves eletrônicas (dispositivos semicondutores), que, quando controladas, permitem a conversão de tensão contínua em tensão alternada e vice-versa. Em circuitos onde a potência é elevada, é importante que os dispositivos usados tenham perdas bastante reduzidas. Por essa razão é que essas chaves eletrônicas devem operar preferencialmente em estado de bloqueio ou de condução, estados esses onde as perdas são mínimas. Em estado de bloqueio a chave não permite a passagem da corrente, sendo essa praticamente nula (flui uma pequena corrente de fuga). Com a corrente nula, as perdas (RI 2 ) na chave também são nulas. Em estado de condução, a corrente que flui na chave passa a ser a corrente nominal do circuito, mas em compensação, a tensão nos terminais das chaves é praticamente nula, pois ela entra em curtocircuito para poder conduzir, apresentando uma pequena resistência interna (R). Nesse caso, a perda por efeito Joule (RI 2 ) é reduzida, podendo até mesmo ser desprezada na maioria dos casos. Entretanto, existe um terceiro estado em que a chave pode se encontrar, o estado de comutação. Isso ocorre quando a chave está passando do estado de bloqueio para o estado de condução e viceversa. Nesse pequeno período, existe tensão e corrente na chave, e, conseqüentemente, as perdas aumentam bastante. Para entendermos melhor, vejamos a figura 4.1 a seguir. Por razões de simplificação, vamos omitir alguns detalhes do funcionamento real. 7

14 Figura Perdas nas chaves eletrônicas. Vamos analisar cada trecho separadamente. 8» 0 t 1 (bloqueio) Nesse trecho, a chave permanece aberta, com a tensão nominal aplicada aos seus terminais, mas a corrente é praticamente zero. Na parte inferior da figura 4.1 podemos ver que as perdas são nulas, pois não existe corrente circulando na chave.» t 1 t 2 (comutação) No tempo t1 a chave recebe o comando que deve começar a conduzir, porém a condução não ocorre instantaneamente. A corrente começa a subir aos poucos, até atingir o seu valor final, o que acontece em t2. Durante todo esse tempo, estão aplicados à chave tensão e corrente, ocasionando perdas significativas.» t 2 t 3 (comutação) Agora que a corrente já atingiu o valor final, a tensão nos terminais da chave começa a diminuir gradativamente. Também nesse intervalo, estão sobre a chave tensão e corrente, ocasionando perdas.» t 3 t 4 (condução)

15 Ao atingir o ponto t3, a chave entra em estado de condução. A corrente mantém o valor final, mas a tensão cai a valores mínimos. Nesse intervalo as perdas existem, pois temos tensão e corrente na chave, porém com índices desprezíveis.» t 4 t 5 (comutação) No instante t4, a chave recebe o comando para voltar ao estado de bloqueio. Da mesma forma, isso não acontece de maneira instantânea. A tensão nos terminais da chave começa a subir, até atingir o seu valor nominal em t5. Durante esse tempo, novamente temos tensão e corrente na chave, resultando em perdas significativas.» t 5 t 6 (comutação) Quando a tensão atinge o valor nominal, a corrente na chave começa a cair, tendendo ao estado de bloqueio. Durante esse tempo, a chave continua com tensão e corrente aplicados, fazendo com que tenhamos perdas também nesse intervalo.» t 6 em diante (bloqueio) Novamente a chave volta ao seu estado de bloqueio, com perdas praticamente nulas. Ela permanece nesse estado até que um outro sinal de comando seja dado para mudar seu estado. Chegamos à conclusão que o período de comutação é o grande responsável em termos de perdas na chave. Pensando nisso, as pesquisas se concentram mais na obtenção de chaves com tempo de comutação reduzido e no desenvolvimento de técnicas de comutação com tensão ou corrente zero (conversores ressonantes). Se uma chave apresenta perdas de comutação reduzidas, torna-se possível uma maior quantidade de chaveamentos, no mesmo intervalo de tempo. Em outras palavras, se o tempo de comutação é reduzido, podemos aumentar a freqüência de chaveamento. 9

16 Esse aumento da freqüência de chaveamento traz embutido outros benefícios, tais como:» diminuição do conteúdo harmônico em baixas freqüências;» diminuição do nível de ruído audível;» diminuição do tamanho e peso dos transformadores e filtros. 10 Em suma, a chave eletrônica deveria possuir as seguintes características ideais:» elevada capacidade de condução de corrente;» elevada capacidade de suportar tensão em estado de bloqueio;» corrente de fuga desprezível, quando bloqueada;» queda de tensão desprezível, quando conduzindo;» tempo reduzido de comutação;» potência necessária para comando desprezível. As pesquisas continuam com o objetivo de se aproximar do dispositivo perfeito. Se observarmos a evolução tecnológica, verificamos que já foram conseguidos grandes avanços nesse sentido. Atualmente, deposita-se uma grande expectativa nos dispositivos semicondutores a base de diamantes, e em outros ainda mais recentes, tais como o MCT (Mos Controlled Thyristor), SIT (Static Induction Transistor) e SITH (Static Induction Thyristor). Entre os vários tipos de chaves eletrônicas, podemos mencionar as mais comuns:» diodo;» tiristor;

17 » GTO (Gate Turn-Off Thyristor);» transistor bipolar (BJT - Bipolar Junction Transistor);» FET (Field Effect Transistor);» IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). 4.1 Diodo Trata-se de um componente de dois terminais, chamados de anodo e catodo. O símbolo do diodo é mostrado na figura 4.2. O diodo possui a característica de permitir o fluxo de corrente em uma direção e bloquear o fluxo de corrente no sentido oposto. A corrente vai circular através do diodo quando a tensão no terminal anodo estiver positiva em relação à tensão do terminal catodo, e será bloqueada quando o anodo se tornar negativo em relação ao catodo. Quando o diodo entra em condução, existe uma pequena queda de tensão entre os seus terminais, causada pela sua resistência interna. Essa queda é da ordem de 0,7 a 1 volt. Um circuito típico de aplicação do diodo é mostrado na figura 4.3. Esse circuito é conhecido como retificador de meia onda. Figura Símbolo do diodo. 11 Vamos considerar uma carga puramente resistiva. O circuito é alimentado por uma tensão alternada (e). O diodo só vai permitir a passagem da

18 corrente no semiciclo positivo da tensão (e), intervalo em que o anodo é sempre positivo em relação ao catodo. O diodo comporta-se como uma chave fechada, permitindo a circulação de corrente. Já no semiciclo negativo da tensão (e), o terminal anodo está polarizado negativamente em relação ao catodo. Como vimos, Figura Retificador de meia onda. o diodo nesse estado não permite a circulação de corrente no sentido inverso, comportando-se como uma chave totalmente aberta. Os gráficos da tensão e da corrente são mostrados na figura 4.4 a seguir. 12 Figura Formas de onda no retificador de meia onda com carga resistiva pura. A tensão CC média aplicada à carga é de 0,45 vezes o valor RMS da tensão de alimentação (e). Na figura 4.5, o circuito é agora projetado de forma a permitir a circulação de corrente na carga em ambos os semiciclos, positivo e negativo, e sempre na mesma direção. Esse circuito é conhecido como retificador de onda completa.

19 Figura Retificador de onda completa. Durante o semiciclo positivo, os diodos D1 e D3 estão polarizados positivamente, ou seja, anodo positivo em relação ao catodo, enquanto que D2 e D4 estão polarizados negativamente. Da mesma forma, no semiciclo negativo, os diodos D2 e D4 estarão aptos a conduzir a corrente no mesmo sentido, enquanto que D1 e D3 estão bloqueados. É importante notar que a corrente na carga fica sempre no mesmo sentido, independente da polaridade da tensão de alimentação (e). Os gráficos da figura 4.6 ilustram o comportamento geral do circuito. Figura Formas de onda no retificador de onda completa. 13 Nesse caso, a tensão CC média na carga é de 0,90 vezes o valor RMS da tensão de alimentação (e).

20 4.2 Tiristor O tiristor, também conhecido como SCR, é um componente constituído de três terminais, anodo, catodo e gate. O símbolo para o tiristor é mostrado na figura 4.7. Figura Símbolo do tiristor. Suas características são semelhantes às do diodo. Permite a passagem da corrente no sentido anodo-catodo, e a bloqueia no sentido contrário. 14 A diferença básica em relação ao diodo está no ponto onde o tiristor inicia o processo de condução. No diodo, esse processo é iniciado imediatamente quando a tensão do anodo fica positiva em relação ao catodo. Já no tiristor, o início da condução pode ser controlado, ou seja, uma vez estando o anodo polarizado positivamente em relação ao catodo, o tiristor estará apto a conduzir, desde que ocorra a aplicação de um pulso de corrente no terminal gate. Isso permite que o tiristor possa ser controlado para iniciar o processo de condução no instante desejado. Uma vez iniciada a condução, o tiristor passa a funcionar como um diodo. A corrente vai continuar a fluir pelo tiristor até que a tensão do anodo fique negativa em relação ao catodo, exatamente como no diodo.a figura 4.8 ilustra um retificador de meia onda controlado a tiristor para uma carga puramente resistiva, e a figura 4.9 ilustra o comportamento geral do circuito.

21 Figura Retificador de meia onda controlado a tiristor. A amplitude da tensão CC média na carga é função do instante de disparo do tiristor, também conhecido como ângulo de disparo. Quando o pulso de gate é aplicado bem no início do semiciclo positivo, a tensão CC média será máxima na carga, como num retificador a diodo. A medida em que se atrasa o instante de aplicação do pulso no gate dentro do semiciclo positivo, menor será a tensão CC média na carga. Se nenhum pulso for aplicado ao gate, o tiristor não irá conduzir durante todo o ciclo, comportando-se como uma chave aberta. Figura 4.9 Formas de onda no retificador de meia onda controlado a tiristor. 15

22 4.3 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) O símbolo para o GTO é mostrado na figura Figura Símbolo do GTO. Figura Símbolo do transistor. O GTO tem uma construção similar ao tiristor. O início da condução também é controlado pelo pulso aplicado ao terminal gate, como no tiristor. Por outro lado, o GTO também possui o controle do término da condução. Isso pode ser feito com a aplicação de um pulso negativo no gate, e mesmo com o GTO polarizado positivamente, ele interrompe a condução de corrente. No entanto, a corrente deste pulso negativo tem um valor elevado, podendo ser da ordem de um terço da corrente do circuito principal. 4.4 Transistor Bipolar BJT (Bipolar Junction Transistor) Esse componente possui três terminais, conhecidos como coletor, emissor e base. O símbolo do transistor é mostrado na figura O sinal de controle é aplicado entre a base e o emissor. Quando a corrente de base é zero, o transistor permanece

23 bloqueado (região de corte) e não existe circulação de corrente. Quando é aplicada uma corrente suficientemente elevada no terminal base, o transistor entra em condução (região de saturação) e oferece uma pequena queda de tensão (1 a 2 V) de coletor para emissor. O transistor é bloqueado simplesmente com a retirada da corrente de base. Para manter o transistor conduzindo, é necessária uma corrente de base permanente, ao contrário do que acontece com o tiristor e o GTO, onde é preciso apenas um pulso para a condução. 4.5 FET (Field Effect Transistor) O símbolo usado para o FET é mostrado na figura É constituído de três terminais: dreno, fonte e gate. Esse componente pertence a uma outra família de dispositivos semicondutores, com uma tecnologia relativamente nova para chaves eletrônicas de potência. O princípio de operação é diferente dos transistores convencionais e dos tiristores. A corrente que o FET vai conduzir é controlada pela variação de um campo elétrico no semicondutor. Esse método de controle possui as melhores características para chaves eletrônicas. O sinal de controle aplicado no gate para o FET conduzir ou bloquear é mais simples, sendo preciso apenas aplicar ou retirar uma tensão. Isso permite uma alta freqüência de chaveamento, entretanto as perdas de condução crescem rapidamente à medida que aumenta a capacidade do Figura Símbolo do FET. 17 FET. Essa desvantagem representa o maior problema na aplicação desse componente em acionamentos eletrônicos.

24 Os circuitos utilizando o FET são similares aos explicados para o transistor e o GTO. 4.6 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) A maioria dos acionamentos de motores CA na faixa de 1 até 400 hp usa o IGBT como componente no circuito inversor. Seu símbolo é mostrado na figura 4.13 a seguir. O IGBT combina as melhores características do FET e do Transistor Bipolar num componente relativamente simples. O controle do IGBT também é feito por 18 Figura Símbolo do IGBT. tensão, como no FET. Além disso, as perdas internas são reduzidas, como no Transistor Bipolar. Todos esses motivos fazem com que o IGBT seja o componente mais utilizado nos dias de hoje em acionamento eletrônico de motores. 4.7 Comparação entre as chaves eletrônicas A figura 4.14 apresenta graficamente um resumo das principais características das chaves eletrônicas mais usadas em acionamentos eletrônicos. Aqui é possível verificar a capacidade de condução de corrente de cada chave, a tensão que elas suportam, bem como a freqüência de chaveamento máxima.

25 Figura Características das chaves eletrônicas mais usadas. 19

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27 5 TIPOS DE ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Os acionamentos eletrônicos podem ser divididos em dois grandes grupos:» acionamentos para motores CC;» acionamentos para motores CA. Existem ainda subdivisões em cada grupo. Para motores CC, são apenas dois tipos principais: retificador e chopper. Já os acionamentos para motores CA, são subdivididos em: acionamentos com e sem malha intermediária. Existe ainda uma outra subdivisão para os acionamentos com malha intermediária: Fonte de Tensão (VSI) e Fonte de Corrente (CSI). Novamente, os acionamentos fonte de tensão (VSI) podem ser subdivididos em PAM (Pulse Amplitude Modulation - Modulação por Amplitude de Pulso) e PWM (Pulse Width Modulation - Modulação por Largura de Pulso). A figura 5.1 esquematiza estas subdivisões mencionadas. 21 Figura Tipos de acionamentos eletrônicos.

28 5.1 Acionamentos eletrônicos para motores CC O controle da velocidade do motor CC é feito através da variação da tensão CC aplicada ao motor (na armadura e/ou no campo). Dependendo do tipo de tensão de alimentação disponível, usamos um tipo específico de acionamento eletrônico. No caso da fonte de alimentação ser uma tensão CA, usamos industrialmente um retificador a tiristores. Por outro lado, quando a fonte de alimentação for uma tensão CC, como no caso das baterias, usamos preferencialmente um chopper para fazer a variação dessa tensão CC Retificador a tiristores (CA-CC) Sendo a fonte de alimentação trifásica ou monofásica, a estrutura do 22 Figura Retificador a tiristores (monofásico e trifásico). retificador a tiristores é diferente. A figura 5.2 a seguir mostra esses dois tipos. O funcionamento desses circuitos já foi explicado anteriormente. A velocidade do motor CC pode ser controlada através do ângulo de disparo do retificador Chopper (CC-CC) Esse tipo de conversor é usado quando a fonte de alimentação disponível já é uma tensão CC. Essa tensão pode vir de uma bateria ou de um retificador a diodos.

29 A tensão CC de saída (V o ) pode ser controlada desde zero até o valor da tensão CC de entrada (V i ). O chopper utiliza uma ou mais chaves para fazer esse tipo de controle. A tensão (V o ) é alterada por meio do controle do tempo em que a chave fica fechada ou aberta (T on e T off ). Para ilustrar esse conceito de chaveamento, consideremos o circuito da figura 5.3. A tensão média de saída (Vo) é calculada da seguinte forma: Sendo: Ts = Ton + Toff onde: Vi = tensão de entrada [ V ]; Ton = tempo da chave fechada [ms]; Figura Esquema simplificado do Chopper. 23 Toff = tempo da chave aberta [ms].

30 O tempo Ts geralmente é menor que 1 ms. Conseqüentemente, a freqüência de chaveamento do chopper é maior que 1 khz. 5.2 Acionamentos eletrônicos para motores CA com malha intermediária Esse tipo de acionamento eletrônico funciona por meio de uma conversão indireta (CA-CC-CA), ou seja, converte a tensão alternada (CA) da rede de alimentação em uma tensão/corrente contínua (CC), e em seguida, converte essa tensão/corrente contínua novamente em uma tensão/corrente alternada (CA). 24 O acionamento eletrônico com malha intermediária é constituído basicamente de quatro unidades principais, como mostrado na figura 5.4:» retificador - unidade que recebe a tensão CA da rede e converte em uma tensão/corrente CC. Esse retificador pode ser controlado ou não;» malha intermediária - unidade onde a tensão ou a corrente CC é filtrada, ou seja, tem suas oscilações instantâneas minimizadas;» inversor - unidade que converte a tensão/corrente CC em uma tensão/corrente CA;» unidade de controle - fornece os sinais de controle para as demais unidades. O controle para as diversas unidades pode ser implementado usando diferentes princípios/técnicas, dependendo do tipo de acionamento eletrônico.

31 Podemos ter a malha intermediária comportando-se de duas maneiras. Como uma fonte de tensão (VSI - Voltage Source Inverter - Inversor Fonte de Tensão), ou como uma fonte de corrente (CSI - Current Source Inverter - Inversor Fonte de Corrente). Uma fonte de tensão ideal caracteriza-se por impor uma tensão fixa sobre a carga conectada a seus terminais. Na prática, a fonte de tensão implementada é normalmente constituída de um retificador em paralelo com um capacitor de elevado valor. Analogamente, uma fonte de corrente ideal caracteriza-se por impor uma corrente fixa independente do valor da impedância da carga. Na prática, a fonte de corrente implementada é constituída de um indutor de elevado valor em série com um retificador de tensão Acionamentos com malha intermediária fonte de tensão (VSI) Aqui a malha intermediária funciona como uma fonte de tensão. A tensão CA oriunda da rede de alimentação é retificada para se obter uma fonte de tensão CC. Figura Esquema básico dos acionamentos com malha intermediária. 25

32 A malha intermediária possui um capacitor de valor elevado. O retificador funciona como um carregador desse capacitor, fornecendo a ele a tensão CC. Esse capacitor carregado é que é usado como fonte de tensão CC para o inversor. Devemos lembrar que a amplitude da tensão fundamental CA de saída do inversor deve ser variável, assim como a sua freqüência. Surgem então duas possibilidades para fazer o controle da amplitude da tensão:» no retificador de entrada (tipo classificado como VSI-PAM); ou» no próprio inversor (tipo classificado como VSI-PWM) Acionamento VSI-PAM Nesta configuração, o retificador, normalmente constituído por tiristores, faz o controle da amplitude da tensão, enquanto que o inversor faz o controle da freqüência. Esse acionamento é denominado como VSI-PAM (Pulse Amplitude Modulation - Modulação por Amplitude de Pulso). Nas figuras 5.5 e 5.6 é mostrado o princípio de funcionamento desse acionamento. Nela podemos observar duas formas de tensão de saída entre fases V uv, com a mesma freqüência (f1=f2), mas com diferente amplitude (V1 V2). Figura Acionamento VSI-PAM.

33 Figura 5.6 Formas de onda no acionamento VSI-PAM Acionamento VSI-PWM A outra possibilidade de controle consiste em fazer a variação da amplitude da tensão CA e da freqüência apenas pelo inversor. O retificador a diodos fornece ao capacitor uma tensão CC de amplitude constante. O inversor fica responsável pelo controle da amplitude e da freqüência da tensão CA de saída. Denominamos esse tipo de acionamento como VSI-PWM (Pulse Width Modulation - Modulação por Largura de Pulso). Nas figuras 5.7 e 5.8 é ilustrado o princípio de funcionamento desse acionamento. Nela podemos observar duas formas de onda de tensão que mantêm a relação tensão/freqüência constante, enquanto o valor da tensão do capacitor permanece constante. Trata-se do tipo mais comum comercialmente. 27 Figura Acionamento VSI-PWM.

34 Figura Formas de onda no acionamento VSI-PWM Acionamentos com malha intermediária Fonte de Corrente (CSI) 28 Agora a malha intermediária faz o papel de uma fonte de corrente. A tensão da rede de alimentação é retificada para se obter uma fonte de corrente com o auxílio de um indutor (L). O acionamento CSI opera normalmente com uma ponte retificadora a tiristores na entrada. O inversor pode ser de comutação forçada, como usualmente no caso dos motores de indução usando IGBT s, ou de comutação natural, como usualmente no caso das máquinas síncronas de potência elevada usando tiristores. Devemos lembrar que a comutação natural é aquela em que o desligamento do tiristor acontece quando a corrente que passa por ele diminui a zero e, a partir desse instante, fica bloqueado. O instante de bloqueio fica determinado unicamente pela característica da carga ou da fonte de alimentação. Por outro lado, na comutação forçada, o dispositivo semicondutor é desligado ainda que estivesse conduzindo corrente. Nesse caso, o bloqueio independe das características da carga, enquanto a condução de corrente é assumida por outro dispositivo, geralmente um diodo. Nas figuras 5.9 e 5.10 é ilustrado o princípio de funcionamento deste acionamento e as formas de onda de corrente por fase na saída do

35 inversor. Como pode ser visto, o somatório das correntes de fase é sempre zero, enquanto a amplitude da corrente pelo indutor (L) é constante (Icc). Figura Acionamento com fonte de corrente (CSI). 5.3 Acionamentos sem malha intermediária (Cicloconversor) Figura 5.10 Formas de onda no acionamento com fonte de corrente (CSI). 29 O tipo de conversão é direta (CA-CA) nesse tipo de acionamento. A tensão CA e a freqüência de saída são obtidas diretamente da

36 tensão CA de entrada, sem a necessidade da etapa de corrente contínua (CC). O exemplo mais empregado industrialmente é o Cicloconversor. O inconveniente desse tipo de acionamento é que a freqüência de saída fica limitada a valores abaixo de 20 Hz. Na figura 5.11 é mostrado o esquema de um cicloconversor monofásico a partir de tensão trifásica, cuja estrutura é constituída de duas pontes retificadoras a tiristores em anti-paralelo. 30 Figura Acionamento sem malha intermediária (cicloconversor 3φ/1φ). A partir da tensão de entrada são geradas outras, defasadas, que comparadas adequadamente com a referência determinam os instantes de disparo dos tiristores dos conversores positivo ou negativo. A tensão de saída fica composta por parcelas da tensão de entrada, e sua freqüência fundamental é igual à freqüência de referência. Na figura 5.12 são ilustradas formas de onda características desse cicloconversor.

37 31 Figura Formas de onda de um cicloconversor monofásico.

38 5.4 Efeitos adversos dos acionamentos eletrônicos Como apresentado, os acionamentos eletrônicos trazem grande flexibilidade e economia para o controle dos motores elétricos. No entanto, como as formas de onda de tensão e corrente não são mais senoidais, são introduzidos harmônicos nos sistemas elétricos. 32 Estes harmônicos podem provocar:» maiores perdas por aquecimento nos equipamentos;» torques oscilatórios;» ressonâncias elétricas com conseqüentes sobretensões ou sobrecorrentes;» interferências eletromagnéticas;» spikes (picos) e notches (cortes/quebras) de tensão na rede. Estes problemas são, em geral, compensados pelas vantagens dos acionamentos eletrônicos. Algumas normas técnicas apresentam orientações sobre este assunto, dentre elas destacam-se:» IEEE ;» IEC

39 6 CARGAS CENTRÍFUGAS 6.1 Generalidades As cargas centrífugas se apresentam como as melhores candidatas para a aplicação de acionamentos eletrônicos em termos de economia de energia. Paralelamente, pode-se conseguir uma melhoria no processo onde esses equipamentos estão instalados. A família de equipamentos centrífugos é composta por bombas centrífugas, ventiladores e compressores centrífugos. Essas aplicações são geralmente facilmente justificáveis do ponto de vista econômico, pois o rápido retorno do investimento justifica o alto custo de aquisição do acionamento eletrônico. As aplicações de acionamentos eletrônicos são quase sempre realizadas por engenheiros eletricistas, pelo simples envolvimento na parte elétrica do sistema onde o acionamento eletrônico será instalado. Por outro lado, a aplicação básica do acionamento eletrônico, ou seja, o controle do processo, é uma tarefa mecânica. Além disso, outras disciplinas estão intimamente ligadas com este tema, tais como instrumentação, engenharia de processo, química, etc.. Para suprir a necessidade de conhecimento dos aspectos mecânicos dessas aplicações, será explicada resumidamente a teoria de cargas centrífugas com relação ao seu controle de velocidade. Um fluido é qualquer substância tanto no estado líquido quanto no estado gasoso. Bombas, ventiladores e compressores são máquinas de fluido, cujo rotor transfere energia para o fluido. 33

40 As duas principais categorias de máquinas de fluido são:» deslocamento positivo;» deslocamento dinâmico Máquinas de Deslocamento Positivo 34 Bombas de engrenagem, bombas parafuso, compressores parafuso são exemplos de máquinas de deslocamento positivo. Estas máquinas apresentam característica de torque x velocidade constante. Em outras palavras, com a redução da velocidade, o torque permanece sempre constante, e conseqüentemente a potência requerida cai linearmente com a velocidade, pois a potência é o produto do torque pela velocidade. Existe um potencial de economia de energia nesse tipo de equipamento, porém, como veremos a seguir, nas máquinas do tipo deslocamento dinâmico, este potencial é muito maior Máquinas de Deslocamento Dinâmico A máquina mais utilizada do tipo de deslocamento dinâmico é a de fluxo radial, comumente chamada de máquina centrífuga. Bombas centrífugas, ventiladores e compressores centrífugos são alguns exemplos desse tipo de máquina. O mesmo conjunto de equações é aplicado para todas as máquinas de deslocamento dinâmico, e todas apresentam características torque x velocidade quadrática. Ou seja, com a redução da velocidade, o torque solicitado é reduzido ao quadrado. Considerando esta redução quadrática do torque mais a redução da própria velocidade, a potência requerida sofrerá uma redução proporcional ao cubo da velocidade. Esta característica torna as máquinas centrífugas as candidatas mais interessantes para a aplicação de acionamentos eletrônicos.

41 Para facilitar o entendimento, quanto nos referirmos ao termo BOMBA, estamos falando das máquinas centrífugas de uma maneira geral. 6.2 Características das bombas Os fatores chaves de desempenho das bombas são:» vazão;» pressão;» potência;» rendimento. Quando esses parâmetros são traçados em função da vazão, eles representam as curvas de desempenho da bomba. A figura 6.1 apresenta uma curva típica de bombas relacionando a vazão e a pressão. 6.3 CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA Os sistemas onde as bombas estão instaladas são compostos de tubulações, válvulas, registros, filtros, trocadores de calor e tudo mais que estiver instalado junto a elas. A composição do trabalho conjunto desses equipamentos determina a relação entre a vazão e a pressão Figura 6.1 Curva típica de uma bomba. 35 vista pela bomba. A fricção do fluido devido à vazão (perdas de carga), fato que é inerente a todos os sistemas de fluidos, resulta em quedas de pressão no sistema.

42 Em aplicações de bombeamento, diferenças de elevação entre o início (reservatório de sucção) e o final (reservatório de descarga) do sistema influenciam na sua curva característica. Alguns exemplos onde isso pode ocorrer são os sistemas onde o fluido deve ser bombeado para tanques elevados, sendo esse fluido proveniente de reservatórios com cota inferior à da bomba. Qualquer combinação desses exemplos caracteriza uma curva do sistema que não parte da origem no plano Pressão x Vazão. A figura 6.2 mostra uma curva de sistema típica, contendo a influência da resistência do sistema e do desnível geométrico. Essa curva tem a natureza parabólica, ou seja, as perdas de carga aumentam ao quadrado com o aumento da vazão. A curva do sistema 36 Figura Curva do sistema típica. indica qual o valor da pressão que a bomba deve fornecer ao sistema para que seja atingido um determinado valor de vazão. As curvas de sistemas de ventilação geralmente não apresentam influências de desnível geométrico. A curva do sistema pode ser aproximada pela seguinte equação. onde: P = pressão do sistema [mca];

43 P 0 = desnível geométrico [mca]; k = constante do sistema [_]; Q = vazão do sistema [m3/h]. Caso o desnível geométrico seja zero, a equação fica reduzida a um termo quadrático simples. O valor da constante k varia também de acordo com as unidades de pressão e vazão a serem utilizadas na equação. 6.4 Ponto de operação Até agora, as curvas da bomba e do sistema estão sendo analisadas separadamente. Qualquer ponto dessas curvas representa uma possível combinação física de pressão/vazão. Entretanto, a interação da curva da bomba com a curva do sistema determina o ponto exato de operação, ou seja, qual o valor da pressão e da vazão que o conjunto irá operar. Existe um único conjunto de valores de vazão e pressão para cada ponto de operação(q1 e H1 na figura 6.3). A potência hidráulica requerida pela bomba é proporcional ao produto da vazão pela pressão, ou seja, é proporcional a área de um retângulo. Quanto menor esta área, maior será a nossa economia de energia. 37 Figura 6.3 Ponto de operação.

44 Se nada for feito, uma determinada bomba instalada num determinado sistema irá operar com vazão constante indefinidamente. Contudo, principalmente em processos industriais, existe uma grande necessidade de variação do valor da vazão do sistema. Para que isso ocorra, é necessário que o ponto de operação seja deslocado. Isto só pode ser feito se pelo menos uma das duas curvas (sistema ou bomba) for alterada. 6.5 CONTROLE DE VAZÃO Generalidades Para que seja atendida a necessidade de controle de vazão, alguns artifícios são utilizados. Estes artifícios, ou técnicas de controle, podem ser de origem mecânica, elétrica ou eletrônica. 38 Figura Métodos mais usuais de controle de vazão. A figura 6.4 mostra os métodos mais comuns de controle de vazão.

45 As bombas usam basicamente quatro métodos de controle:» liga-desliga (on-off);» by-pass;» válvula de estrangulamento;» acionamento eletrônico (método mais moderno) Liga-Desliga (On-Off) No método liga-desliga, a vazão do sistema é controlada pelo desligamento do motor quando essa ultrapassa um limite superior, e pelo ligamento do motor para vazões abaixo de um limite inferior. A grande desvantagem desse tipo de controle é o fato de que sucessivas partidas do motor não só prejudicariam a parte elétrica do sistema, devido à alta corrente de partida, como também a parte mecânica, em termos de ruído, pressão, sedimentação e perdas na tubulação By-pass (Desvio) O método by-pass simplesmente retorna parte do fluido da descarga da bomba de volta para a sua sucção. Esse desvio é feito através de uma válvula de controle. Trata-se do método menos eficiente e menos usado para o controle de vazão em plantas industriais, embora seja bastante difundido em bombas d água de chillers de prédios comerciais. O controle by-pass também é comum em bombas de deslocamento positivo Válvula de Estrangulamento O método da válvula de estrangulamento consiste em controlar a vazão do sistema através da abertura e fechamento parcial de uma válvula instalada em série com a bomba. Esse tipo de controle é possível em 39

46 bombas centrífugas porque estas possuem um limite inerente maior de pressão na descarga, portanto a bomba pode sofrer estrangulamento na descarga sem sofrer danos. Esse método é comumente usado em processos onde se faz necessário o controle de vazão, e é um pouco mais eficiente em termos energéticos do que o controle by-pass. A figura 6.5 mostra uma sucessão de pontos de operação de uma bomba para uma família de curvas do sistema gerada pelo fechamento progressivo de uma válvula de estrangulamento. Pode-se notar que a medida que vamos fechando a válvula, a vazão do sistema vai sendo reduzida (de Q1 para Q4). 40 Figura Alteração do ponto de operação através do estrangulamento do sistema. Analisando a figura 6.6, para uma determinada vazão menor que a vazão normal de projeto, uma linha vertical indica dois valores distintos de pressão. O primeiro ponto (A) se refere a pressão que a bomba deve fornecer ao sistema estrangulado para estabilizar na vazão desejada. O segundo ponto (B) indica qual seria a pressão necessária para estabelecer a mesma vazão sem estrangular a curva do sistema.

47 A diferença de pressão entre esses dois pontos indica o excesso de pressão que a bomba deve fornecer ao sistema. Esse excesso é dissipado na válvula de estrangulamento, tornando-se uma parcela adicional de perdas. Figura Perdas na válvula de estrangulamento Acionamento Eletrônico Como pode ser visto no item anterior, o uso da válvula de estrangulamento possibilita um controle preciso da vazão do sistema, porém com um grande desperdício de energia. Seria como controlar a corrente do um circuito elétrico adicionando resistências em série. O uso do acionamento eletrônico permite uma precisão ainda maior do controle de vazão, aliada a uma significativa economia de energia. A figura 6.7 mostra o efeito da redução da velocidade da bomba em sua curva característica. Este efeito é similar a troca do rotor da bomba por outro de diâmetro menor. Pode-se notar também que a potência hidráulica teve uma redução significativa. 41

48 Figura Efeito da redução da velocidade na curva da bomba. 6.6 LEIS DE AFINIDADE 42 As leis de afinidade, importantes para qualquer análise simplificada em velocidade variável, são as leis que relacionam a velocidade com a vazão, com a pressão e com a potência. Essas leis dizem o seguinte:» a vazão é diretamente proporcional à velocidade;» a pressão é diretamente proporcional ao quadrado da velocidade;» a potência é diretamente proporcional ao cubo da velocidade. As equações a seguir traduzem de forma algébrica as leis de afinidade. O sub-índice 1 se refere aos valores iniciais, enquanto que o sub-índice 2 indica os valores após a mudança da velocidade do equipamento:

49 onde: Q = vazão; H = pressão; P = potência de saída da bomba; N = velocidade de rotação da bomba. O acionamento eletrônico é capaz de controlar a velocidade da bomba (ou ventilador e compressor), produzindo com isso uma significante economia de energia. Tomemos com exemplo uma redução de 10% na velocidade. Nesse caso, a potência de entrada da bomba será reduzida em 27%. É importante alertar que as leis de afinidade devem ser utilizadas apenas como uma ferramenta indicativa dos maiores potenciais de economia de energia, pois elas só podem ser usadas com relativa precisão em sistemas onde a elevação estática (ou desnível geométrico entre os reservatórios de sucção e recalque) seja zero. A figura 6.8 mostra o erro clássico no uso indevido das leis de afinidade, para dois sistemas diferentes usando um mesmo tipo de bomba. 43 Figura Controle de vazão para sistemas diferentes.

50 Vamos analisar primeiramente o sistema 1 (sem altura estática). Para diminuir a vazão do valor Q1 para Q2, a velocidade da bomba foi diminuída de N1 para N3 (ponto A), ou seja, a redução de velocidade foi de 20% (N3=0.8 N1). Isso representa uma redução na potência de entrada da bomba de 49%. Fazendo a mesma análise para o sistema 2, para atingirmos o mesmo valor de vazão Q2, a velocidade da bomba foi reduzida de apenas 10% (ponto B). Nesse caso, a redução de potência foi de apenas 27%. Essa diferença na redução de potência deve-se ao fato de que o sistema 2 apresenta uma pressão estática considerável, enquanto que o sistema 1 não possui tal característica Aplicações típicas em bombas, ventiladores e compressores Esse item tem como finalidade apresentar algumas aplicações típicas de acionamentos eletrônicos em máquinas de fluido (bombas, ventiladores e compressores) Bombas As aplicações típicas de acionamento eletrônico em bombas são processos de bombeamento, rede municipal de distribuição de água, estações de tratamento de água e esgoto, circuitos de circulação de água gelada, entre outros. Esses casos usam basicamente válvulas de estrangulamento para o controle de vazão. Com a instalação do acionamento eletrônico, a válvula deve ser bloqueada na posição aberta, e o seu sinal de controle deve ser agora direcionado para o acionamento eletrônico.

51 6.7.2 Ventiladores Ventiladores de caldeiras, fontes de ventilação, exaustores comuns, exaustores de fornos a arco elétrico, aeradores são algumas aplicações típicas de ventiladores. Em todos esses casos, o acionamento eletrônico pode ser aplicado com ganhos significativos de energia. Para caldeiras industriais, o ar de combustão requerido depende do nível de carga da caldeira. O fluxo de ar é variado em virtude das mudanças da carga. No modo tradicional, o sinal de controle é enviado para o atuador de posicionamento do damper, o qual faz a variação do fluxo de ar. Na operação com acionamento eletrônico, o damper é removido e o sinal de controle é enviado diretamente para o controlador do acionamento, que faz o ajuste da velocidade do ventilador Compressores Os compressores centrífugos se comportam da mesma forma que as bombas e os ventiladores. O acionamento eletrônico oferece as mesmas vantagens para os compressores tal qual para as bombas e ventiladores. Os compressores alternativos ou de pistão são tradicionalmente usados na indústria, devido à sua alta capacidade de armazenamento e de pressão, baixo custo e alto rendimento. A baixa confiabilidade e o alto custo de manutenção desse tipo de equipamento está provocando uma migração para o compressor centrífugo de alta velocidade controlado por acionamento eletrônico. Esse equipamento possui uma alta confiabilidade quando comparado com o compressor alternativo. Com o controle por acionamento eletrônico, o compressor centrífugo de alta velocidade torna-se tão eficiente quanto o alternativo. 45

52 Esses novos equipamentos dispensam o uso de engrenagens, comuns em compressores alternativos. Isso simplifica a instalação e evita problemas de alinhamento. O custo do acionamento eletrônico e do motor de alta velocidade é em parte compensado pela eliminação do motor comum e do sistema de engrenagens. 46

53 7 FUNDAMENTOS PARA APLICAÇÕES DE ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Existe uma grande quantidade de informações com relação às aplicações de acionamentos eletrônicos em motores. Algumas relacionadas aos diferentes tipos de acionamentos disponíveis, algumas para cálculos de desempenho de bombas e ventiladores sobre diferentes velocidades, e algumas para o projeto e uso de máquinas rotativas, envolvendo conceitos tais como: aceleração de cargas inerciais e torsionais e vibração lateral. O conhecimento destes assuntos é importante para a avaliação preliminar dos projetos de acionamentos eletrônicos. 7.1 Considerações para o motor Motores ligados em paralelo Quando motores em paralelo são acionados com um único acionamento fonte de corrente (CSI), é importante associar a potência do acionamento com a potência total dos motores. Por exemplo, com um acionamento eletrônico de 100 hp controlando 5 motores de 20 hp conectados em paralelo, não mais que 2 motores devem ser desconectados, deixando no mínimo 3 motores conectados ao acionamento. Este fato é importante, pois, quando a corrente do conjunto de motores em paralelo cai a valores muitos pequenos, o acionamento CSI entende que existe algum tipo de problema com o sistema. Nos acionamentos fonte de tensão (VSI) não teremos esse tipo de problema Dados especiais do motor 47 Utilizando um acionamento do tipo CSI, em muitos casos, dados específicos do motor (reatância de dispersão) são necessários para garantir uma boa comutação das chaves eletrônicas. Alguns modelos

54 mais modernos de acionamento eletrônico já possuem a função de reconhecimento automático desses parâmetros do motor Desgaste do isolamento do motor Com um clássico acionamento CSI ou VSI-PWM, existe um desgaste adicional no isolamento do motor. Com os CSI s, os transitórios de tensão elevada são limitados a níveis aceitáveis com circuitos auxiliares. Contudo, quanto melhor for essa limitação, maior será a redução da velocidade de resposta do acionamento CSI. Com o VSI- PWM, o isolamento do motor também sofre um desgaste adicional por causa da rápida mudança nos pulsos de tensão. Esse tipo de problema normalmente não traz prejuízos para o motor Ruído no motor Utilizando o VSI-PWM, o motor pode produzir mais ruído que o normal. Contudo, com os novos projetos utilizando chaves eletrônicas de alta freqüência de chaveamento, este problema está sendo minimizado Aquecimento do motor A forma de onda de corrente distorcida produzida pelos acionamentos eletrônicos contém harmônicos. Estes harmônicos não produzirão torque útil, mas causarão aquecimento adicional no motor. A quantidade de aquecimento adicional produzida com o VSI-PAM e CSI é previsível, e variará com a faixa de velocidade em torno de 3 a 15% de aquecimento adicional. Isto deveria ser levado em conta juntamente com as outras considerações de aplicação quando utilizamos motores e acionamentos eletrônicos. O aquecimento adicional com um VSI-PWM pode ser aproximadamente o mesmo que um VSI-PAM, dependendo do projeto do fabricante. Novos projetos com portadoras em alta freqüência produzem menos que 5% de aquecimento adicional.

55 7.2 Considerações para o acionamento eletrônico Acionamento eletrônico com proteção contra curto-circuito Nos acionamentos CSI, a corrente de curto-circuito está limitada (propriedade do circuito), minimizando o número de fusíveis utilizados no controle. Acionamentos VSI-PAM e VSI-PWM normalmente precisam de fusíveis ou circuitos eletrônicos adicionais de proteção Acionamento CSI em condição de circuito aberto Com acionamento eletrônico do tipo CSI, condições de circuito aberto, tal como desconectar a carga, resultará em excessivo aumento de tensão no circuito inversor, por causa da grande quantidade de energia magnética armazenada no reator da malha intermediária. A menos que circuitos especiais sejam utilizados para descarregar esta energia, a condição de circuito aberto pode causar problemas ao acionamento Acionamentos eletrônicos com reatores O acionamento CSI utiliza reatores grandes e pesados, aumentando o volume e o peso do equipamento Ruído no acionamento eletrônico Todos os acionamentos eletrônicos podem gerar algum ruído por causa da ressonância nas chaves eletrônicas. No CSI, ruídos adicionais podem ser gerados no reator CC, dependendo da sua construção. Quando os retificadores com choppers são utilizados, teremos também geração de ruído adicional. 49