Válvula de controle versus Inversor de frequência para controle de fluxo

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Inversor de freqüência versus válvula de controle Inversor de freqüência versus válvula de controle

18/06/2018

Por Robson Egito

Válvula de controle x Inversor de frequência como economizar energia nas industrias nos tempos de hoje, leia esse artigo e descubra mais sobre esses equipamentos: 

Aplicações de bombeamento com um requisito de fluxo variável podem reduzir os custos de energia e ciclo de vida com a aplicação de um motor de velocidade variável para fornecer a taxa de fluxo do processo desejada

Avanço Rápido

  • Em certas instalações industriais, 25% a 50% do uso total de energia elétrica são sistemas de bombas acionadas por motor elétrico.
  • O meio mais eficiente de manipulação de fluxo é o ajuste da velocidade da bomba.
  • Unidades de velocidade variável podem aumentar a eficiência do processo e reduzir o uso de energia e a variabilidade do processo.

Existe um alto potencial para reduzir o custo de bombeamento de energia através do projeto e seleção adequados do sistema de bombeamento e controles. Os sistemas de bombas elétricas acionadas por motor são responsáveis ​​por quase 20% do consumo mundial de energia e 25% a 50% do uso total de energia elétrica em certas instalações industriais. O consumo de energia da bomba é muitas vezes um dos elementos de custo maiores e pode dominar o custo do ciclo de vida da bomba, especialmente se as bombas operarem mais de 2.000 horas por ano. As aplicações de bombeamento com um requisito de vazão variável geralmente usam uma válvula de controle  de estrangulamento, uma linha de recirculação ou uma velocidade de motor variável para fornecer a taxa de fluxo do processo desejada. O controle de fluxo por estrangulamento com válvula de controle desperdiça energia desviando o excesso de fluxo através de um by-pass ou restringindo a descarga da bomba. Além disso, as válvulas podem ser uma fonte de emissões e sofrem corrosão,

O meio mais eficiente de manipulação de fluxo é o ajuste da velocidade da bomba. Uma vez que, de acordo com a "lei da afinidade", a potência do travão varia com o cubo da velocidade da bomba centrífuga, a redução da velocidade da bomba reduz a pressão aplicada ao fluido e, em contrapartida, reduz o consumo de energia centrífuga. Além da conservação de energia, há também uma série de benefícios operacionais, como maior confiabilidade, desempenho do processo, redução do custo de ciclo de vida e redução de emissões fugitivas, eliminando a válvula de controle e a tubulação associada.

Controle de fluxo com uma válvula de controle

O dispositivo de controle mais comum para uma bomba centrífuga de velocidade constante é uma válvula de controle na linha de descarga. Esta válvula controla a quantidade de líquido entregue ao processo. A válvula recebe uma queda de pressão igual à diferença entre a pressão fornecida pela bomba e a pressão exigida pelo processo. O afogamento com uma válvula de controle torna a curva da bomba aparente mais íngreme e cruzará a curva do sistema no ponto de operação necessário. No entanto, esta modificação da curva ocorre ao custo de introduzir uma queda de pressão artificial (Hp - Hs), desperdiçando energia de bombeamento e reduzindo a eficiência do bombeamento. Além disso, a bomba opera em uma região menos eficiente, como mostrado na figura 3 pelo ponto de operação acelerado # 1 (72%) comparado ao ponto de operação não rotulado # 2 (80%).

curva consumo inversor frequencia
Figura 3. Aceleração da válvula de controle e eficiência da bomba

 Outro método para controle de bomba de velocidade constante com válvulas recirculação parte do fluxo de descarga de volta para o tubo de sucção da bomba ou outra fonte de alimentação, como um tanque. Este tipo de controle também é usado para manter algum fluxo através de uma bomba para evitar golpes de aríete ou ciclismo em um fluxo baixo de operar na parte mais plana da curva da bomba. A abertura da válvula de controle de reciclagem gira a curva do sistema no sentido horário, o que faz com que a curva modificada se cruze mais à direita na curva da bomba em uma vazão mais alta e uma cabeça da bomba inferior em comparação com o ponto operacional original. Uma válvula de reciclagem aberta fará com que a bomba funcione no final da curva da bomba com uma taxa de fluxo maior e menor na cabeça da bomba, o que pode levar a danos na cavitação da bomba. Além dessa preocupação,

  • A energia é desperdiçada devido à queda de pressão causada pela válvula de descarga e pela reciclagem do fluxo.
  • Retentores de graxa, folgas e outros problemas mecânicos são colocados pela válvula de controleVálvulas de controle têm uma faixa morta variando entre 0,1 por cento e 10 por cento e uma resolução variando de 0,05 por cento a 5 por cento.
  • Os posicionadores têm configurações de ajuste especiais, mas as regras e procedimentos não são bem documentados.
  • Redutores, flanges, linhas de suprimento de ar e válvulas de isolamento são necessários.
  • As válvulas de controle estão na oficina de manutenção mais do que qualquer outro dispositivo de controle.
  • A emissão fugitiva é liberada da embalagem da válvula de controle.

Controle de fluxo com um Inversor de Frequência 

Existe uma analogia cotidiana que pode ajudar a explicar a vantagem da eficiência de um Inversor de frequência (drive de velocidade variável -VSD). Imagine que você está dirigindo um carro. Se você estiver dirigindo em uma estrada e entrando em uma área de população, a velocidade deve ser reduzida para que você não arrisque sua própria vida e outras vidas. A melhor maneira possível de fazer isso é reduzir a velocidade de rotação do motor, tirando o pé do acelerador e, se necessário, mudando para uma marcha mais baixa. Outra possibilidade seria usar o mesmo equipamento, mantendo o pé no acelerador e, ao mesmo tempo, reduzindo a velocidade simplesmente com a frenagem. Isso não só causaria desgaste no motor e nos freios, mas também consumiria muito combustível e reduziria o controle geral do veículo, como é o caso de uma "válvula de controle".

Um VSD altera a velocidade do equipamento para fornecer a entrada de energia de torque necessária para fornecer a saída de energia hidráulica ao processo. Neste tipo de sistema de controle, a curva não é alterada para coincidir com o ponto de operação requerido, como discutido anteriormente para as válvulas de controle. Em vez disso, a velocidade da bomba é alterada para mover a curva de desempenho da bomba na figura 1 para cima e para baixo, de acordo com as leis de afinidade. Essas leis governam a relação entre a velocidade da bomba, a cabeça e a potência de entrada da bomba (potência do freio). Essas leis (equações 1-3) são:

equação de potencia

Onde:

  • Q = caudal volumétrico de descarga (galões por minuto)
  • N = velocidade da bomba (rotações por minuto)
  • P = potência de entrada do eixo da bomba

 

Fluxograma Inversor de frequencia Figura 4. Unidade de frequência variável típica

Existem vários tipos de Inversor de frequencia  AC no mercado. Dois deles são modulação de largura de pulso (PWM) e acionamento de frequência variável (VFD). O PWM é usado principalmente para variar a frequência de tensão ou a corrente no motor da bomba. Um inversor PWM consiste em um retificador, inversor, interface do operador e outros microprocessadores de controle e diagnóstico. A tensão da linha CA é retificada e filtrada para criar uma tensão CC. A tensão CC é então invertida para uma tensão de frequência variável em que a frequência é proporcional ao sinal de entrada do inversor por PWM. A saída de onda quadrada é então filtrada para criar uma onda senoidal, como mostra a figura 4. O PWM apresenta menos ruído e possui um fator de potência mais alto e melhor desempenho de baixa velocidade do que as tecnologias de acionamento mais antigas.

Casos em que um Inversor de frequência  é particularmente vantajoso

Fluxos extremamente difíceis e perigosos se beneficiam da eliminação de uma válvula de estrangulamento. O elemento de fluxo interno e as superfícies de assentamento ou vedação podem ser revestidos por fluidos pegajosos, entupidos ou erodidos por fluidos e fluidos fundidos, corroídos por produtos químicos agressivos e presos em altas temperaturas. A cavitação de piscar no empreiteiro de uma válvula de controle pode causar ruído excessivo e danos por cavitação. Materiais altamente viscosos podem resultar em operação na região de transição entre fluxo turbulento e laminar. Nestes casos, usar um VSD pode reduzir a manutenção.

Para sistemas de bombeamento onde a demanda de fluxo geralmente cai, as válvulas de controle frequentemente estarão operando em posições de aceleração mais baixas, desperdiçando mais energia por uma maior queda de pressão através da válvula. Além disso, para alcançar a redução necessária, a porcentagem de queda de pressão do sistema alocada a uma válvula de controle deve ser aumentada de 5 a 20% normalmente declarada para minimizar os custos de energia. A economia de energia é proporcional ao cubo da velocidade; portanto, nessas aplicações, a economia de energia do uso de um VSD é considerável.

Para tomar uma decisão mais inteligente sobre a porcentagem de queda de pressão do sistema que deve ser alocada para a válvula e, portanto, a economia potencial de energia, a equação 4 mostra o efeito na rangeabilidade. A característica instalada é uma função da relação da queda de pressão da válvula-para-sistema (Δ R) e o coeficiente de caudal fraccionada (C x) que depende da característica de fluxo inerente. O coeficiente de fluxo mínimo prático é definido pelo deslizamento da haste a partir da sede superior e do atrito da vedação à medida que a válvula se aproxima da posição fechada. Um gráfico da equação para um ajuste linear e percentual igual mostra que a característica instalada se torna mais "abertura rápida" e linear, respectivamente, conforme a taxa de queda de pressão diminui. Para ambos os internos, a característica de fluxo se inclina mais na extremidade superior do curso, e o fluxo na extremidade inferior do curso é maior à medida que a taxa de queda de pressão diminui. O resultado é uma diminuição na rangeabilidade

calculo consumo inversor de frequência    (04)

 

x = coeficiente de fluxo expresso como uma fração do máximo (sem dimensão) 
Δ P R = relação de queda de pressão da válvula (sem dimensão) 
x = fluxo expresso como uma fração do fluxo nominal máximo (adimensional)

A faixa morta da folga da válvula e o deslizamento da barra de atrito causarão ciclagem limite em loops com dois ou mais e um ou mais integradores, respectivamente. Esses ciclos limite são maiores para válvulas rotativas grandes e, particularmente, para válvulas on-off que são usadas como válvulas de estrangulamento. Para processos com altos ganhos de processo (por exemplo, pH), rigorosos requisitos de controle (por exemplo, temperatura) ou ausência de mistura inversa (por exemplo, linhas de chapas e extrusoras), a variabilidade do processo é um fator de custo maior. Os ciclos de limite de acionamentos de velocidade variável serão insignificantes se uma banda morta (por exemplo, faixa de ruído) não for adicionada na configuração do inversor e forem usados ​​cartões de entrada de sinal de alta resolução (por exemplo, 12 bits ou mais). Além disso, se os limites de taxa de rampa excessivamente lenta não forem introduzidos na configuração do inversor, a resposta de um VSD será mais rápida que válvula de controle.

Finalmente, os sistemas de bombas com linhas maiores que 8 polegadas são especialmente candidatos VSD, porque as válvulas de haste deslizante que têm folga mínima e deslizamento e a maior rangeabilidade instalada são muito caras e são frequentemente substituídas por válvulas rotativas com um patrimônio de válvula on-off.

Cuidados para dimensionar Inversor de frequência 

As principais armadilhas na aplicação do VSD podem ser evitadas com o uso de um sistema adequado de bomba, sistema de tubulação e inversor de frequência (VFD) e a configuração adequada do inversor de VFD e do sistema de controle para a aplicação.

Recusar

Para alcançar a economia de energia com baixo fluxo, a redução de demanda do VSD deve atender aos requisitos do sistema. O sistema de controle VSD, o projeto da bomba e o grau de cabeçote estático determinam a redução da VSD. A lista de verificação no final desta seção é oferecida para ajudar a atender aos requisitos do aplicativo.

Para uma cabeça estática insignificante e uma bomba, motor e VSD idealizados, a mudança no fluxo com a velocidade é linear. Se a cabeça estática for insignificante, a perda de eficiência da bomba e o aumento do escorregamento em baixa velocidade causam uma diminuição no ganho (sensibilidade) em baixa velocidade. Essa perda de sensibilidade é vista como um achatamento em baixa velocidade no gráfico de fluxo versus velocidade. O resultado é quase como uma característica de fluxo parabólico modificado.

Se ignorarmos a perda na eficiência da bomba e aumentarmos o escorregamento, uma curva de bomba que se aproxima da cabeça estática mostrará uma curva acentuada para baixo, para fluxo zero em baixa velocidade. O despencar da velocidade causa um aumento significativo no ganho do processo e no ruído do fluxo em baixas velocidades.

Uma curva de bomba plana causará quase um tipo de característica de fluxo aberto rápido. O alto ganho de processo (sensibilidade) em baixa velocidade pode causar ciclagem. O ganho do controlador precisará ser diminuído. A operação em uma curva de bomba relativamente plana pode ocorrer devido à seleção inadequada da bomba ou superdimensionamento.

Lâminas curvadas para a frente são usadas em ventiladores para reduzir o tamanho e o custo. Infelizmente, essas pás causam um achatamento significativo em velocidades baixas e altas, formando um gráfico de fluxo versus velocidade extremamente não-linear em forma de S.

Devido às complexidades e incógnitas no sistema de tubulação, na curva característica do motor principal e no desempenho do inversor VSD, é difícil obter um gráfico de fluxo instalado versus velocidade e o ganho instalado para um VSD.

Para fornecer isolamento, uma válvula on-off pode ser necessária na descarga da bomba. Para evitar o amortecimento da bomba e a operação da parte mais plana da curva da bomba, pode ser necessário um pequeno fluxo de recirculação. Para evitar um fluxo reverso desastroso, um limite de velocidade baixo pode ser necessário para a pressão de destino mais alta. As válvulas de retenção podem ser usadas em alguns processos como backup.

Sinal de ruído

Os inversores PWM não possuem harmônicas e picos pontiagudos vistos em inversores mais antigos que podem danificar os mancais e criar ruído elétrico nos sinais dos instrumentos. Por exemplo, a tecnologia de acionamento mais antiga de tensão de seis etapas, embora barata, apresentava várias características indesejáveis. O motor pode ser empurrado para o seu ponto de ruptura. Shorts podem causar um pico de corrente infinito. O inversor coloca a mesma tensão e corrente em meia carga quando em carga total, o que reduz a eficiência. A forma de onda tem variações de corrente ampla e rápida que podem danificar o inversor. O inversor possui vários harmônicos que aumentam as perdas do motor, a geração de calor e a interferência eletromagnética. Estes inversores tinham um estrangulamento de saída para evitar danos ao isolamento do motor, mas o estrangulador de entrada era opcional e muitas vezes ausente ou insuficiente. Eventualmente, o ruído nos sinais dos instrumentos tornou-se ruim o suficiente para que as bobinas fossem oferecidas para atender aos padrões da Comissão Eletroquímica Internacional. Alternativamente, os transformadores de isolamento estavam localizados próximos ao inversor com a fiação de energia entre o inversor e o transformador em conduíte de tubo rígido para minimizar o ruído desta seção de fiação. Embora o inversor PWM tenha menos harmônicos e picos, o rápido tempo de subida dos pulsos para um controle de velocidade preciso ainda é uma fonte de ruído e danos potenciais aos mancais e cabos.

 Problemas de cabo

A Belden Inc. estudou o ruído irradiado dos cabos entre o VFD e o motor. Cabos VFD desprotegidos podem irradiar 80V de ruído para cabos de comunicação não blindados e 10V de ruído para cabos de instrumentos blindados. O ruído irradiado de cabos VFD blindados com fita adesiva também é excessivo. Um cabo blindado trançado e blindado funciona muito melhor. Ainda assim, recomenda-se um espaçamento de pelo menos 1 pé entre o VFD blindado e os cabos de instrumentação blindados. Os cabos nunca devem se cruzar.

Como prática recomendada, use bandejas separadas para isolar os cabos de VFD e de instrumentação para evitar erros durante as expansões da planta e as atualizações do sistema de instrumentação.

Todos os sistemas VFD refletem as ondas de uma incompatibilidade de impedância entre o VFD e o motor. A amplitude das ondas depende da magnitude da tensão e do tempo de subida do inversor PWM, a distância entre o VFD e o motor e a incompatibilidade de impedância. Se uma onda refletida fica em fase com a onda irradiada, a tensão pode dobrar e os cabos VFD com revestimento em PVC podem ser danificados. Recomenda-se cabos VFD revestidos de polietileno reticulado que sejam capazes de suportar um impulso de alta voltagem. 

Problemas de rolamento

O efeito de usinagem de descarga elétrica dos inversores pode causar centelhamento na folga de lubrificação do rolamento. É semelhante a muitos pequenos raios. Os golpes danificam a superfície do rolamento e deterioram o lubrificante. O dano é visto como marcas de poço para operação com velocidade variável e flutuação para operação em velocidade constante. As altas temperaturas localizadas das greves causam reações de aditivos de óleo e queima ou carbonização do óleo. Uma lubrificação ineficiente pode causar um aumento de ruído e vibração. Eventualmente, o rolamento falha. Soluções mecânicas isolam o rolamento ou fornecem um caminho para o aterramento. Revestimentos cerâmicos e esferas ou rolos são usados ​​para isolamento. No entanto, o isolamento força as correntes a irem para outro lado e possivelmente causar danos, como a erosão dos impulsores da bomba no motor principal.

Conclusão

Unidades de velocidade variável podem aumentar a eficiência do processo reduzindo o uso de energia e a variabilidade do processo. A economia é maior para sistemas de fluxo de grande porte, alta redução de capacidade, fluidos de processo difíceis e processos extremamente sensíveis. No entanto, engenheiros com habilidades mecânicas, elétricas e de controle são necessários para garantir que o projeto e a implementação total do sistema não resultem em problemas de rumo, de cabo ou de ruído e oscilações de processo ou superaquecimento em fluxo baixo

Lista de controle para verificação do projeto para utilizar Inversor de Frequencia. 

A lista de verificação a seguir não se destina a cobrir todos os requisitos de especificação, mas aborda alguns dos principais detalhes do aplicativo. A lista a seguir assume que os materiais de construção principais (por exemplo, bomba ou ventilador) foram corretamente especificados e funcionarão de forma segura e confiável com pressão de descarga da bomba aceitável para a temperatura máxima possível e a cabeça estática. Confiabilidade, precisão e rangeabilidade são mais importantes.

  • O inversor de modulação por largura de pulso é usado para reduzir a pulsação de torque em baixas velocidades?
  • Um motor refrigerado por ventilador totalmente fechado é usado com um ventilador de velocidade constante ou um ventilador de reforço conforme necessário com isolamento de classe F (inversor) e fator de serviço de 1,15 para evitar o superaquecimento?
  • Um motor refrigerado a água totalmente fechado é necessário para altas temperaturas para evitar o superaquecimento?
  • O motor da estrutura NEMA B é usado para evitar uma curva de torque acentuada?
  • A bomba está dimensionada para impedir a operação na parte plana da curva da bomba?
  • Uma válvula de reciclagem é necessária para evitar que o ciclo seja operado na parte plana da curva da bomba para uma demanda de baixo fluxo, e é necessário um limite de baixa velocidade para impedir o fluxo reverso para a maior pressão de destino possível?
  • Uma placa de entrada de sinal> 12 bits é usada para melhorar o limite de resolução do sinal para 0,05% ou melhor?
  • O inversor e o motor têm uma quantidade generosa de torque para a aplicação, de forma que a taxa de velocidade dos limites de mudança na configuração do inversor não impeça a velocidade de compensar a perturbação mais rápida?
  • Uma banda morta é introduzida excessivamente na configuração do inversor, causando atrasos e limitando o ciclo?
  • Para o controle do tacômetro, o número de dentes de engrenagem para captadores magnéticos e discos com furos ou faixas com espelhos nos eixos para captadores ópticos fornecem pulsos suficientes por revolução?
  • Para o controle do tacômetro, o controle de velocidade no VFD impede a violação da regra de cascata, em que o loop de velocidade secundário deve ser cinco vezes mais rápido que o loop de fluxo primário?
  • Para aumentar a rangeabilidade (abertura de cama) para 80: 1, é rápido o controle em cascata da velocidade para torque no VFD considerado para fornecer controle de deslizamento de malha fechada.

https://www.isa.org/standards-publications/isa-publications/intech-magazine/2013/august/special-section-control-valve-versus-variable-speed-drive-for-flow-control/

Fonte: https://www.isa.org/standards-publications/isa-publications/intech-magazine/2013/august/special-section-control-valve-versus-variable-speed-drive-for-flow-control/

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