6º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS TÍTULO DO TRABALHO: Eficiência Energética no Acionamento de Máquinas AUTORES: Ayslan Caisson Norões Maia, Alexandre Cunha Oliveira INSTITUIÇÃO: Universidade Federal de Campina Grande - UFCG
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO ACIONAMENTO DE MÁQUINAS Abstract The aim of this project is to perform a quantitative analysis of income of drive systems based on voltage source inverters for several machines. Further, we intend to identify the systems used in oil and gas industry, and depending on the performed analysis of drive systems, evaluate the possibility of efficiency gains from the replacement of machinery and / or strategies of drive. For this, it is necessary a initial work for evaluation of drive systems, with different machines and different control strategies, through analytical studies and simulation, which correspond the work presented in this paper. Introdução A crescente busca por eficiência no uso da energia surge como uma necessidade no atual cenário energético mundial, principalmente pelo fato que ainda fazemos parte de uma sociedade bastante dependente de energias derivadas de fontes fósseis, as quais tendem a apresentar custos crescentes, tanto economicamente como do ponto de vista ambiental. Mesmo o Brasil apresentando uma matriz energética, tendo quase 50% das fontes primárias do tipo renováveis, a questão da conservação também se coloca como uma necessidade, ora para permitir o crescimento do país, mitigando os gargalos de infra-estrutura observados no setor de energia, ora pelo aumento de competitividade dos produtos aqui produzidos. Segundo estudos realizado pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), mais de 50% do potencial de eficiência energética no Brasil encontra-se no consumo das famílias (setor residencial) e das indústrias. Em 2008, representaram juntos quase 60% do consumo final energético do país [1]. Em termos de energia elétrica, a indústria foi responsável pelo consumo de 44% de toda a energia elétrica consumida no ano de 2007, em levantamento divulgado pela EPE. No setor industrial há um uso intensivo de motores elétricos, os quais representam até 60% do total de energia elétrica consumida no setor industrial. Soma-se a esses dados o fato de que nos motores são verificadas grandes parcelas de desperdício de energia (devido ao mau dimensionamento, falta de manutenção, excesso de rebobinamentos, não utilização de acionamento eletrônico, etc.). Tal evidência reforça a importância de estudos direcionados à eficiência energética em sistemas motrizes. Motores de indução com gaiola de esquilo constituem a base da indústria devido à sua versatilidade, confiabilidade e simplicidade. No ramo petrolífero, a aplicação das máquinas indutoras pode ser vista, entre outras, nos gasodutos e no bombeamento de petróleo a nível marítimo. O acionamento eletrônico tornou-se uma alternativa atraente quanto ao seu potencial significativo de conservação de energia. Além de garantir uma maior versatilidade ao motor quanto ao seu controle, os acionamentos eletrônicos também são utilizados como forma de conservar energia elétrica. Como exemplo, pode ser usado para o controle de vazão em processos de bombeamento, substituindo os controles tradicionais de forma muito mais eficiente, tais como válvula de controle, bypass, sistema on-off. Esses processos, largamente utilizados em indústrias, possuem potencial de redução de energia elétrica da ordem de até 30% [2]. Neste trabalho, objetiva-se realizar uma análise quantitativa do rendimento de sistemas de acionamento, baseados em inversores fonte de tensão para máquinas de indução, a imã permanente e de relutância. Na sequência, em função da análise dos sistemas de acionamento então realizada, avaliar a possibilidade de ganhos em eficiência nos sistemas usados no setor de petróleo e gás a partir da substituição de máquinas e/ou estratégias de acionamento. Para isso, faz-se necessário um trabalho inicial de avaliação dos sistemas de acionamento, com diferentes máquinas e estratégias de controle, através de estudos analíticos e por simulação, que corresponde ao trabalho apresentado neste artigo.
Metodologia O sistema de acionamento digital desenvolvido neste trabalho é constituido dos seguintes módulos: uma máquina, um inversor e um sistema eletrônico de controle. Será apresentada a metodologia utilizada para a realização de um sistema de acionamento para uma máquina de indução gaiola de esquilo com controle de velocidade segundo o principio de orientação pelo campo e, também, para uma máquina a relutância variável (MRV) com controle de corrente. 1. Máquina de Indução Os sistemas de acionamento estático que empregam máquinas assíncronas são mecanicamente robustos, mas sua análise é complexa pois requer o estudo de uma sistema multivariável e não linear. No intuito de desenvolver sistemas de acionamento de alto desempenho, tem sido investigadas estratégias de controle que assegurem o desacoplamento entre o controle do fluxo e do conjugado. Nesse artigo apresentaremos a estratégia de controle em quadratura com o fluxo rotórico. 1.1. Modelo da Máquina Uma máquina de indução gaiola de esquilo trifásica pode ser representada por um modelo vetorial escrito para um sistema genérico de cordenadas (dq), indicado pelo expoente g. Nas equações acima,,,, são os vetores tensão estatórica, corrente estatórica, fluxo estatórico e fluxo rotórico da máquina vistos do referencial estatórico, respectivamente.,, e são os conjugados eletromagnético e mecânico e as velocidades da máquina e do referencial genérico em relação ao estator, respectivamente., e são os ângulos de posição dos vetores corrente estatórica, fluxo estatórico e fluxo rotórico em relação ao estator, respectivamente. 1.2. Inversor (CC - CA) O princípio de funcionamento de um inversor de frequência com controle escalar é aplicar uma tensão (V) de amplitude e frequência (f) variáveis mantendo a relação V/f sensivelmente constante. A tensão aplicada ao motor é gerada por dispositivos eletrônicos de potência chaveados a altas frequências, segundo um padrão de pulsos gerado através de técnicas PWM.
A técnica de modulação PWM consiste em aplicar uma sucessão de pulsos de tensão no motor de indução, com amplitude igual a tensão do barramento CC do inversor. Os pulsos são modulados com larguras diferentes, de forma a criar uma tensão alternada de amplitude variável. 1.3. Controle A estratégia de controle do sistema de acionamento da máquina de indução é realizada por uma cascata de três controladores (velocidade, fluxo-conjugado e corrente) e uma fonte de tensão PWM (Figura 1). Controlador de velocidade Controlador de fluxo/conj. Controlador de corrente Fonte de tensão PWM Motor de indução Figura 1: Estratégias de controle do sistema de acionamento da máquina de indução. As estratégias de controle em quadratura (fluxo/conjugado) podem ser implementadas na forma direta ou indireta. No controle direto, existe uma malha fechada de controle de fluxo. No controle indireto, o fluxo é controlado sem realimentação. A estratégia de controle por quadratura é eminentemente do tipo vetorial e utiliza normalmente controladores no referencial de fluxo a ser controlado. Utilizando as equações (2) e (4) pode-se escrever a seguinte equação dinâmica, relacionando-se o fluxo rotórico e a corrente estatórica: O modelo dinâmico que relaciona as correntes estatóricas e o fluxo rotórico no referencial fluxo rotórico, é obtido a partir da equação (5), fazendo-se, e. Este modelo é expresso pelas seguintes equações: Onde e. Da equação (6) e introduzindo, escreve a seguinte expressão para o conjugado eletromagnético: A equação (10) indica que o conjugado eletromagnético pode ser controlado através de sua vez, da equação (8), observa-se que o fluxo independentemente de controle do conjugado. pode ser controlado através de. Por b i sd,, o que caracteriza o desacoplamento perfeito no controle do fluxo face ao
Então, baseado nas equações (8) e (10), obtem-se o diagrama de blocos da Figura 2 para o esquema de controle em malha fechada [3]. Esta estratégia de controle é denominada de controle direto por orientação pelo campo rotórico. Figura 2: Controle Vetorial Direto em Quadratura com o Fluxo Rotórico. Neste diagrama,, e são o conjugado, o fluxo rotórico e a corrente em quadratura de referências, respectivamente. Os blocos marcados como b R e j b* e representam o controlador de fluxo e o transformador de coordenadas, respectivamente. A malha de controle de corrente fornece como saída as tensões de pólo de entrada da fonte de tensão PWM. A malha de controle de velocidade é a mais externa do sistema de acionamento e fornece na sua saída o conjugado de referência. Para todos os controles utilizou-se o controlador Proporcional-Integral (PI). O projeto deste controlador é realizado utilizando os critérios de compensação do pólo dominante e do amortecimento ótimo para obter um erro de regime permante nulo. 2. Máquina a Relutância Variável O principio de funcionamento desta máquina exige um sistema de acionamento que realize a rápida energização de suas fases sincronicamente com a posição de seu rotor. Cada fase deve ter sua corrente controlada em forma e amplitude mediante aplicação de tensão, durante o crescimento da indutância de fase (geração de torque positivo) e ter esta mesma corrente extinta antes do período de decréscimo da indutância de fase. A extrapolação destes intervalos leva a um aumento nas oscilações do conjugado gerado pela máquina, operando como motor, com consequente perda de rendimento. 2.1. Modelo da Máquina Em função da dependência da indutância de fase em relação à posição angular e à corrente de fase e das características elétricas, magnéticas e mecânicas do motor, a modelagem matemática dos parâmetros elétricos que reflete a dinâmica de operação do motor é representada pela equação de tensão da fase: O conjugado eletromagnético desenvolvido por uma fase do motor é dado por: Para a parte mecânica do motor, temos a seguinte equação:
2.2. Inversor Nos sistemas de acionamento de máquinas CA é padrão o uso do inversor ponte trifásica. Em geral os enrolamentos da máquina são conectados em estrela com ponto central flutuando. A operação destes sistemas consiste na energização simultânea das fases da máquina com uma tensão senoidal ou forma de onda próxima a uma senoide, defasadas entre si. Normalmente, os MRV s não operam com todas as suas fases energizadas. No entanto, este tipo de operação dos MRV s não impede o uso da ponte trifásica, estando os enrolamentos do mesmo conectados em estrela com o ponto central ligado ao ponto central do banco de capacitores do barramento CC, que alimenta o conversor, como apresentado na Figura 3 [4]. Figura 3: Inversor ponte trifásica. Nesta configuração há uma tendência de desequilibrar as tensões dos capacitores do barramento. Para manter estas tensões equilibradas foi implementado um algoritmo de equalização que define qual chave (superior/inferior) dos braços do conversor será utilizada para energizar a respectiva fase da máquina. 2.3. Controle O sistema de acionamento do motor especificado foi esquematizado através de um diagrama de blocos ilustrado na Figura 4. Figura 4: Esquema do sistema de acionamento de um MRV. O controle da máquina é feito por um controlador PI que, baseado no erro de corrente (e), fornece à fonte PWM a tensão de referência necessária para o acionamento da máquina. O PWM gera uma sequência de pulsos que alimenta a máquina através do inversor trifásico ilustrado na Figura 3. O projeto deste controlador é realizado utilizando os critérios de compensação do pólo dominante e do amortecimento ótimo para obter um erro de regime permante nulo. Resultados e Discussão Nesta parte do trabalho serão apresentadas as curvas obtidas por simulação do acionamento das máquinas apresentadas utilizando o software computacional MatLab.
Máquina de Indução A máquina estudada é acionada em vazio aplicando uma rampa de fluxo rotórico de referência até 0.5 Wb. Utilizou-se um tempo total de simulação de 2s, na metade desse tempo (1s) introduziu-se um conjugado de carga de 4 N.m. Tomou-se como referência para a velocidade de rotação da máquina o valor da frequência estatórica que vale 377 rad/s. Nas Figuras 5 e 6 são apresentadas as correntes estabelecidas no estator da máquina, o conjugado eletromagnético desenvolvido e a velocidade de giro do motor. Zoom Figura 5: Correntes no estator da máquina. a) b) Figura 6: a) Conjugado eletromagnético desenvolvido e b)velocidade de rotação da máquina. A partir da Figura 5, podemos verificar que quando a carga é adicionada no eixo do motor (1s) a corrente cresce, desenvolvendo mais conjugado eletromagnético (Figura 6a) para compensar a entrada da carga. Através da Figura 6b, constata-se que o sistema de controle de velocidade age de maneira a manter a velocidade de rotação da máquina constante (377 rad/s) mesmo quando é adicionada uma pertubação (carga) ao sistema. Máquina a Relutância Variável A máquina a relutância trifásica é acionada aplicando degrais de corrente de referência de amplitute 2.5 A nas suas fases. A Figura 7 ilustra as correntes estabelecidas nas fases do motor em função do ângulo do rotor para duas voltas completa (720 ).
Figura 7: Correntes nas fases da máquina. A partir da Figura 7 vemos que as correntes nas fases do motor (I a, I b e I c ) seguem de forma satisfatória as suas respectivas referências (I ar, I br e I cr ). Conclusões Neste trabalho realizou-se simulações do sistema de acionamento completo para os motores estudados utilizando o software MatLab. Os resultados apresentados ao longo do artigo demonstraram que é possível acionar de forma eficiente a máquina a relutância variável utilizando o conversor ponte trifásica, com os enrolamentos conectados em estrela. Esta constatação é importante, pois a utilização de um conversor padrão, que é utilizado no acionamento de outras máquinas, como as de indução e as a ímãs permanentes, permite estabelecer uma base comum de acionamento e dessa forma viabiliza uma análise comparativa de sistemas de acionamento usando a máquina a relutância variável e as duas outras a pouco citadas. Como sequência desse trabalho, serão realizados os estudos e simulações do sistema de acionamento para a máquina a imã permanente, e em seguida, será realizada a análise comparativa, indicada acima, objetivando quantificar os níveis de rendimento e eficiência de cada sistema de acionamento estudado. Agradecimentos A ANP pelo financiamento deste projeto através da bolsa de pesquisa concedida pelo Programa de Recursos Humanos (PRH). Referências Bibliográficas [1] EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA - EPE, Série: ESTUDOS DA DEMANDA - NOTA TÉCNICA DEA 14/10 - Avaliação da Eficiência energética na indústria e nas residências no horizonte decenal (2010-2019), Rio de Janeiro 2010; [2] PROCEL INDÚSTRIA / ELETROBRÁS. Acionamento Eletrônico Guia Avançado., Rio de Janeiro, 2004; [3] C. B. Jacobina. Apostila de Máquinas Elétricas. DEE/CCT/UFPB, 19889. [4] A. Cunha Oliveira, Acionamento de Máquinas a Relutância Variável, Tese (Doutorado), UFCG, Campina Grande, 2002.