Módulo 6 - Eficiência Energética.pdf

MÓDUL MÓDULO O6 Efici fi ciê ência nc ia Energétic Energética a em em Ap A p l i c açõ aç õ es d e Mot Mo t o r es Elétricos

CTC_M6_V2_T

Módulo 6 – Eficiência Energética Energética em Apli cações de Motores Elétricos

1 PANORAMA ENERGÉTICO ENERGÉTICO BRASILEIRO...... BRASIL EIRO................. ...................... ...................... ...................... ....................11 .........11 1.1 PERFIS DE CONSUMO......................................................................................12 1.1.2 Barreiras para Realização de Trabalhos de Eficiência Energética...................16 1.2 FATURA DE ENERGIA.......................................................................................18 1.2.1 Histórico do Faturamento do Setor Elétrico Brasileiro......................................18 1.2.2 Mudanças no Setor Elétrico Brasileiro Brasileiro ........................ .................................... ....................... ....................... ..............19 ..19 1.2.3 Fatura de Energia Elétrica................................................................................20 1.3 LEI DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA....................................................................21 1.4 PROGRAMAS DE INCENTIVO A ECONOMIA DE ENERGIA............................23 1.4.1 PROCEL...........................................................................................................23 1.4.2 PROINFA PROINFA ....................... ................................... ....................... ....................... ........................ ....................... ....................... ........................24 ............24 1.4.3 PROESCO PROESCO ...................... .................................. ....................... ....................... ........................ ....................... ....................... .......................24 ...........24 1.4.4 Plano de Troca WEG........................................................................................25 2 TECNOLOGIA TECNOLOGIA DE MOTORES MOTORES ELÉTRICOS.................... ELÉTRICOS............................... ...................... ....................... ...............26 ...26 2.1 PRINCÍPIOS DE MOTORES ELÉTRICOS ......................... ............ .......................... .......................... ................... ......26 26 2.2 TIPOS DE MOTORES.........................................................................................28 2.2.1 Motores Assíncronos de Baixa Tensão............................................................28 2.2.2 Rotor Gaiola ........................ .................................... ....................... ....................... ........................ ....................... ....................... ...................29 .......29 2.3 PLACA DE IDENTIFICAÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS................................30 2.4 EVOLUÇÃO EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA DE MOTORES MOTORES ELÉTRICOS .......................... ............. .................. .....31 31 2.4.1 Chapas Magnéticas – Rendimento do Motor ........................ ............ ........................ ........................ ...............32 ...32 2.4.2 Classes de Isolamento ........................ ............ ........................ ......................... ......................... ........................ ........................ ............ 33 2.4.3 Materiais Materiais Isolantes Isolantes ....................... ................................... ....................... ....................... ........................ ....................... .....................34 ..........34 2.4.4 Proteções Proteções ....................... ................................... ........................ ........................ ....................... ....................... ........................ .......................37 ...........37 2.4.5 Mancais Mancais.......... ...................... ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ ..............39 ..39 2.4.6 Lubrificaçã Lubrificação o ....................... ................................... ....................... ....................... ........................ ........................ ........................ ....................40 ........40 2.4.7 Vedação W3 Seal.............................................................................................41 2.4.8 Técnicas de Construção...................................................................................42 2.5 PRODUTOS PRODUTOS EFICIENTES E SUAS APLICAÇÕES .......................... ............. .......................... .................. .....45 45 2.5.1 W22........... W22 ....................... ........................ ........................ ....................... ....................... ........................ ........................ ........................ ....................45 ........45 2.5.2 Alto Rendimento Plus.......................................................................................46 2.5.3 Wmagnet Wmagnet ........................ .................................... ........................ ........................ ........................ ....................... ....................... .......................47 ...........47 2.5.4 Well ....................... ................................... ....................... ....................... ........................ ....................... ....................... ........................ .....................48 .........48 2.5.5 Wmining ...................... .................................. ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ .............50 .50 2.5.6 Wdip ...................... .................................. ....................... ....................... ........................ ....................... ....................... ........................ .....................51 .........51 2.5.7 Wwash..............................................................................................................52 2.5.8 Roller Table........... Table ....................... ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ ...................53 .......53 3 APLICAÇÃO APLICAÇÃ O DE MOTORES MOTORES ELÉTRICOS........... ELÉTRICOS...................... ...................... ...................... ....................... ................54 ....54 3.1 DIMENSIONAMENTO DE MOTORES ELÉTRICOS .......................... ............. .......................... ................54 ...54 3.1.1 Potência Potência Nominal Nominal ...................... .................................. ........................ ........................ ........................ ........................ .......................54 ...........54 3.1.2 Conjugado Conjugado Resistente Resistente da Carga Carga ....................... ................................... ........................ ........................ .......................55 ...........55 3.1.3 Conjugados Não Definidos...............................................................................58 3.1.4 Conjugado Resistente Médio da Carga............................................................59 3.1.5 Momento de Inércia da Carga ........................ ............ ........................ ......................... ......................... ........................ .............61 .61 3.1.6 Conjugado x Velocidade Velocidade do Motor ....................... ................................... ......................... ......................... ...................62 .......62 3.1.7 Conjugado Conjugado Básico Básico ........................ .................................... ........................ ........................ ........................ ........................ ....................62 ........62 3.1.8 Conjugado Nominal ou de Plena Carga ........................ ............ ........................ ....................... ....................... ............ 63 2


3.1.9 Conjugado Conjugado com Rotor Bloqueado Bloqueado ........................ .................................... ........................ ......................... ....................63 .......63 3.1.10 Conjugado Conjugado Mínimo Mínimo ........................ ..................................... ......................... ........................ ........................ ........................ ................63 ....63 3.1.11 Conjugado Máximo.........................................................................................63 3.1.12 Fatores de Correção dos Conjugados em Função da Tensão.......................64 3.1.13 Conjugado Conjugado Motor Médio ........................ .................................... ........................ ....................... ....................... ......................65 ..........65 3.1.14 Tempo de Rotor Bloqueado (t rb) ........................ .................................... ........................ ....................... .....................66 ..........66 3.1.15 Tempo de Rotor Bloqueado em Relação a Classe Isolante...........................67 3.1.16 Tempo de Aceleraçã Aceleração o ....................... ................................... ........................ ......................... ......................... ........................68 ............68 3.1.17 Potência Dinâmica ou de Aceleração.............................................................69 3.1.18 Exercício 1......................................................................................................72 3.2 ESCOLHA DO TIPO DE CHAVE DE PARTIDA..................................................73 3.2.1 Partida Partida Direta ....................... ................................... ........................ ........................ ........................ ........................ ....................... ................73 .....73 3.2.2 Partida Estrela-Triângulo..................................................................................74 3.2.3 Partida Compensadora.....................................................................................77 3.2.4 Partida Partida Série-Para Série-Paralelo lelo ...................... .................................. ........................ ........................ ........................ ........................ ................79 ....79 3.2.5 Comparativo Estrela Triângulo x Compensadora.............................................82 3.2.6 Escolha da Chave em Função do Motor e da Rede.........................................83 3.3 VARIAÇÃO DE VELOCIDADE............................................................................83 3.3.1 Introduçã Introdução o ........................ .................................... ........................ ....................... ....................... ........................ ........................ .....................83 .........83 3.3.2 Sistema de Variação de Velocidade.................................................................84 3.3.3 Variadores Variadores Hidráulicos Hidráulicos ........................ ................................... ....................... ........................ ........................ ........................ ..............87 ..87 3.3.4 Variadores Variadores Eletromagné Eletromagnéticos ticos ........................ .................................... ........................ ......................... ......................... ..............89 ..89 3.3.5 Variadores Variadores Eletroeletrô Eletroeletrônicos nicos ........................ .................................... ........................ ........................ ........................ ................90 ....90 3.3.6 Motores de Duas Velocidades com Enrolamento Enrolamento por Comutação de Pólos ....94 .... 94 3.4 ESPECIFICAÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS ......................... ............. ......................... ........................ ...........95 95 3.4.1 Introduçã Introdução o ........................ .................................... ........................ ....................... ....................... ........................ ........................ .....................95 .........95 3.4.2 Vedações Vedações de Eixo ....................... ................................... ........................ ......................... ......................... ........................ ....................95 ........95 3.4.3 Pintura Pintura ....................... ................................... ....................... ....................... ........................ ........................ ........................ ........................ ................97 ....97 3.4.4 Dispositivos de Proteção Térmica ......................... ............. ......................... ......................... ......................... .................. .....99 99 3.4.5 Acessórios......................................................................................................103 3.4.6 Exercício 3......................................................................................................105 3.5 CONVERSORES ESTÁTICOS DE FREQÜÊNCIA...........................................105 3.5.1 Introduçã Introdução o ........................ .................................... ........................ ....................... ....................... ........................ ........................ ...................105 .......105 3.5.2 Tipos de Conversores Estáticos de Freqüência.............................................106 3.5.3 Conversores de Freqüência com Modulação por Largura de Pulsos (pwm)..111 3.5.4 Controle Escalar.............................................................................................115 3.5.5 Controle Vetorial.............................................................................................116 3.5.6 Constituição Básica do Controlador Eletrônico ....................... ............ ....................... ....................... ........... 121 3.5.7 Aplicação de Conversores de Freqüência......................................................123 3.5.8 Efeito dos Harmônicos na Rede.....................................................................131 3.5.9 Aplicaçõe Aplicaçõess Típicas Típicas ........................ .................................... ........................ ........................ ........................ ........................ .................137 .....137 3.5.10 Ventilador Ventiladores es ........................ .................................... ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ .............138 .138 3.5.11 Sistemas de Refrigeração e Ar Condicionado..............................................138 3.5.12 Torno de Superfície / Laminador Desfolhador..............................................139 3.5.13 Sistemas Sistemas de Transporte Transporte ........................ ................................... ....................... ........................ ........................ ....................140 ........140 3.5.14 Extrusoras Extrusoras ........................ .................................... ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ ................141 ....141 3.5.15 Trefilas..........................................................................................................141 3.5.16 Misturadores.................................................................................................142 3.5.17 Sistemas de Elevação..................................................................................142 3.5.18 Bobinadores/Desbobinadores Bobinadores/Desbobinadores ....................... ........... ........................ ........................ ........................ ....................... ........... 142 3

Módulo 6 – Eficiência Energética em Apli cações de Motores Elétricos

3.5.19 Fresadoras ...................................................................................................143 3.5.20 Sistemas de Dosagem .................................................................................144 3.5.21 Centrífugas...................................................................................................144 3.5.22 Moinhos a Tambor .......................................................................................145 4 ANÁLISE TÉCNICO-ECONÔMICO DO CONSUMO DE ENERGIA EM MOTORES ELÉTRICOS............................................................................................................146 4.1 O INSUMO ENERGIA ELÉTRICA.....................................................................146 4.2 METODOLOGIA DE ANÁLISE DE CONSUMO DE ENERGIA EM MOTORES ELÉTRICOS............................................................................................................148 4.2.1 Rendimento ( ) ..............................................................................................148 4.2.2 Carregamento dos Motores............................................................................151 4.2.3 Consumo de Energia em kWh/ano:................................................................154 4.2.4 Motores Sobredimensionados........................................................................155 4.2.5 Considerações sobre Adaptações Elétricas e Mecânicas da Concepção Original....................................................................................................................156 4.3 ANÁLISE ECONÔMICA ....................................................................................157 4.3.1 Características dos Motores e seus Impactos nos Valores de Investimento.. 157 4.4 ESTUDO DE CASOS........................................................................................158 4.4.1 Zanotti Elásticos .............................................................................................158 4.4.2 Buaiz Alimentos..............................................................................................162 5 MANUTENÇÃO EFICIENTE................................................................................165 5.1 A SITUAÇÃO DA MANUTENÇÃO NO BRASIL ................................................166 5.2 INSTALAÇÃO EFICIENTE................................................................................167 5.2.1 Instruções Gerais ...........................................................................................167 5.3 MANUTENÇÃO EFICIENTE .............................................................................168 5.3.1 Montagem e desmontagem de rolamentos ....................................................168 5.3.2 Lubrificação ....................................................................................................169 5.3.3 Alinhamento ...................................................................................................170 5.4 MÉTODOS DE MANUTENÇÃO........................................................................174 5.4.1 Manutenção Corretiva ....................................................................................175 5.4.2 Manutenção Preventiva..................................................................................175 5.4.3 Manutenção Preditiva.....................................................................................175 REFERÊNCIAS.......................................................................................................176 ANEXOS .................................................................................................................177

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Índice de Gráficos Gráfico 1.1: Produção e consumo de energia elétrica no Brasil................................11 Gráfico 1.2: Consumo total de energia por fonte.......................................................12 Gráfico 1.3: Mercado de fornecimento por classe de consumo - Brasil ....................13 Gráfico 1.4: Consumo industrial de energia elétrica..................................................13 Gráfico 1.5: Distribuição do total do consumo industrial por região...........................14 Gráfico 1.6: Distribuição do consumo de energia elétrica por uso final na indústria .14 Gráfico 1.7: Distribuição do consumo de energia elétrica por setor ..........................15 Gráfico 1.8: Distribuição do consumo de energia elétrica na força motriz.................16 Gráfico 1.9: Setores que colocam a eficiência energética entre as 2 prioridades .....17 Gráfico 1.10: Tempo de retorno para projetos de Eficiência Energética ...................17 Gráfico 5.1: Custo Total ..........................................................................................166 Gráfico 5.2: Contratações........................................................................................166 Gráfico 5.3: Custos..................................................................................................166 Gráfico 5.4: Estoque................................................................................................166 Gráfico 5.5: Indicadores ..........................................................................................166 Gráfico 5.6: Manutenções .......................................................................................166 Gráfico 5.7: Idade Média .........................................................................................167 Gráfico 5.8: Disponibilidade.....................................................................................167

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Índice de Tabelas Tabela 1.1: Mudanças no setor elétrico brasileiro.....................................................19 Tabela 1.2: Resultados anuais obtidos pelo Procel 1986-2006.................................23 Tabela 3.1: Rendimento de acoplamentos................................................................55 Tabela 3.2: Temperatura limite de rotor bloqueado...................................................66 Tabela 3.3: Tempo de aceleração.............................................................................71 Tabela 3.4: Estrela Triângulo X Compensadora........................................................82 Tabela 3.5: Chave de Partida em função da tensão da rede ....................................83 Tabela 3.6: Resumo das ligações Dahlander............................................................94 Tabela 3.8: Comparativa entre os sistemas de proteção mais comuns ..................102 Tabela 3.9: Tabela de especificação da resistência de aquecimento .....................103 Tabela 3.9: Conversor sem e com compensação de escorregamento nominal......116 Tabela 3.10: Conversor com compensação de escorregamento otimizado e realimentação por tacogerador de pulsos. .............................................................116 Tabela 4.1: Projeto Original X Modificação WEG....................................................161

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Índice de Figuras Figura 1.1: Exemplo de fatura de energia .................................................................21 Figura 2.1: Universo dos motores elétricos ............................................................... 28 Figura 2.2: Motor assíncrono de rotor gaiola.............................................................29 Figura 2.3: Evolução do motor trifásico AEG (relação peso/potência) ......................32 Figura 2.4: Espaço ocupado por fios (de idêntica seção de cobre) com diversos tipos de isolação ................................................................................................................32 Figura 2.5: Evolução dos imãs ..................................................................................32 Figura 2.6: Motor Alto Rendimento............................................................................33 Figura 2.7: Classes de isolamento ............................................................................34 Figura 2.8: Rolamento rígido de uma carreira de esferas .........................................39 Figura 2.9: Ilustração em corte 3D de um motor com vedação W3 Seal ..................41 Figura 3.1 ..................................................................................................................56 Figura 3.2 ..................................................................................................................56 Figura 3.3 ..................................................................................................................57 Figura 3.4 ..................................................................................................................58 Figura 3.5 ..................................................................................................................59 Figura 3.6: Curva de Conjugados de Cargas ............................................................59 Figura 3.7: Conjugado resistente médio para x = -1..................................................61 Figura 3.8: Momento de inércia em rotações diferentes ...........................................61 Figura 3.9: Curva Conjugado x Velocidade...............................................................62 Figura 3.10: Fatores de redução k 1 e k2 em função das relações de tensão do motor e da rede Um/Um.......................................................................................................64 Figura 3.11: Conjugado motor médio........................................................................65 Figura 3.12: Conjugado acelerador médio ................................................................69 Figura 3.13: Ligação e tensão em triângulo (U Δ) (a);.................................................73 Ligação e tensão em estrela (U Y) (b). .......................................................................73 Figura 3.14: Diagrama de força (a); Diagrama de comando (b)................................73 Figura 3.15: Ligação estrela com tensão de triângulo (U Δ) .......................................74 Figura 3.16: Ligação triângulo com tensão de triângulo ...........................................74 Figura 3.17: Comportamento da corrente na partida estrela-triângulo......................75 Figura 3.18: Comportamento da corrente na partida estrela-triângulo......................76 Figura 3.19: Diagrama de força (a) e comando (b), com relé de t empo YΔ ..............76 Figura 3.20: Característica de partida de motor com chave compensadora .............78 Figura 3.21: Diagrama de força (a) e comando (b) ...................................................78 Figura 3.22: Ligação triângulo série ( Δ) com tensão 220V........................................80 Figura 3.23: Ligação triângulo paralelo ( ΔΔ) com tensão 220V.................................80 Figura 3.24: Ligação estrela-série (Y) com tensão 380V ..........................................80 Figura 3.25: Ligação estrela-paralelo com tensão 380V ...........................................81 Figura 3.26: Diagrama de força.................................................................................81 Figura 3.27: Diagrama de comando..........................................................................81 Figura 3.28: Sistema de variação por polias fixas de vários estágios .......................85 Figura 3.29: Sistema de variação por polias cônicas ................................................86 Figura 3.30: Sistema de variação por polias variadoras............................................86 Figura 3.31: Sistema de variação por moto-redutores .............................................. 87 Figura 3.32: Sistema de variação por variador hidráulico .........................................89 Figura 3.33: Sistema de variação por variador eletromagnético ...............................90 Figura 3.34: a) Distribuição de enrolamentos no motor comutador de corrente alternada. ..................................................................................................................91 7


b) Posição das escovas no comutador......................................................................91 Figura 3.35: Curva característica de conjugado x rotação ........................................91 Figura 3.36: Sistema de variação com ponte retificadora e tiristor............................93 Figura 3.37: Vedação V’Ring.....................................................................................96 Figura 3.38: Vedação Retentor .................................................................................96 Figura 3.39: Labirinto de Taconite.............................................................................96 Figura 3.40: W3 Seal.................................................................................................97 Figura 3.41: Pintura interna anti-corrosiva ................................................................99 Figura 3.42: Termo-Resistência (PT100) ................................................................100 Figura 3.43: Termistores (PTC, NTC) .....................................................................100 Figura 3.44: Visualização do aspecto interno e externo do termostato...................101 Figura 3.45: Visualização do aspecto interno do protetor térmico...........................102 Figura 3.46: Resistência de Aquecimento...............................................................103 Figura 3.47: Ventilador e Tampa Defletora .............................................................103 Figura 3.48: Motor com chapéu...............................................................................104 Figura 3.49: Motor equipado com ventilação forçada..............................................104 Figura 3.50: a) Cicloconversor b) Formação da tensão ........................................106 Figura 3.51: a) Blocodiagrama de conversor por corrente imposta b) Formas de onda de tensão e corrente. ..............................................................................................108 Figura 3.52: a) Retificador controlado direto b) Retificador controlado antiparalelo ................................................................................................................................110 igura 3.53: Forma de onda de tensão e de corrente de saída com circuito intermediário variável ..............................................................................................110 Figura 3.54: Conversor com circuito intermediário variável através de "CHOPPER" ................................................................................................................................110 Figura 3.55: Diagrama de blocos de conversor tipo PWM ......................................111 Figura 3.56: a) Circuito inversor trifásico com transistores de potência. .................112 b) Forma de onda da tensão de saída ....................................................................112 c) Forma de onda da corrente de saída ..................................................................112 Figura 3.57: Curva representativa da variação U/f..................................................113 Figura 3.58: Curva característica conjugado x velocidade......................................113 Figura 3.59: Curva característica da potência de saída do conversor.....................113 Figura 3.60: Curva característica conjugado x velocidade, em todos quadrantes de acionamento............................................................................................................114 Figura 3.61: Exemplo de curva de conjugado com tensão proporcional a freqüência. ................................................................................................................................114 Figura 3.62: Curva de conjugado x freqüência para uso de motor com conversor de freqüência................................................................................................................115 Figura 3.63: Curva característica U/f com compensação IxR..................................119 Figura 3.64: Enfraquecimento de campo para valores de tensão e freqüência acima dos nominais ...........................................................................................................120 Figura 3.65: Diminuição de torque devido a redução de refrigeração do motor......125 Figura 3.66: Característica de conjugado disponível x rotação em motores autoventilados .........................................................................................................126 Figura 3.67: Característica de conjugado disponível x rotação em motores com ventilação independente .........................................................................................127 Figura 3.68: Diminuição de torque devido ao aumento de velocidade....................128 Figura 3.69: Curva de redução de potência nominal em função do aumento da temperatura.............................................................................................................128

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Figura 3.70: Curva de redução de potência nominal em função do aumento da altitude.....................................................................................................................129 Figura 3.71: Ligação de conversores em sincronismo "Mestre-Escravo"................130 Figura 3.72: Ligação de conversor a vários motores...............................................130 Figura 3.73: Exemplos que ilustram as diferenças entre fator de deslocamento e fator de potência......................................................................................................133 Figura 3.74: Comparação entre as componentes harmônicas incluídas na corrente quando o conversor é acionado para diferentes capacidades, com e sem reatância de rede....................................................................................................................134 Figura 3.75: Comparação entre as componentes harmônicas incluídas na corrente quando o conversor é acionado para diferentes condições de carga e diferentes valores de impedância da reatância.......................................................................134 Figura 4.1: Comparativo entre motores Standard X Alto rendimento Plus..............146 Figura 4.2: Custos Motor Elétrico – Vida útil 10 Anos .............................................147 Figura 4.3: Setores de atividades que realizam avaliação energética.....................147 Figura 4.4: ...............................................................................................................148 Figura 4.5: Comparação de rendimento entre motores standard............................149 Figura 4.6: ...............................................................................................................150 Figura 4.7: ...............................................................................................................150 Figura 4.8: ...............................................................................................................150 Figura 4.9: ...............................................................................................................151 Figura 4.10: Amperímetro .......................................................................................152 Figura 4.11: .............................................................................................................153 Figura 4.12: Analisador de energia .........................................................................153 Figura 4.13: Registro do consumo de energia.........................................................154 Figura 4.14: Fator de carga médio ..........................................................................155 Figura 4.15: Medição do tempo de partida..............................................................156 Figura 4.16: Especialidades dos motores elétricos .................................................158 Figura 4.17: Acionamento de máquinas – Zanotti Elásticos....................................159 Figura 4.18: Registro do tempo de partida dos motores (configuração atual) – Zanotti Elásticos..................................................................................................................159 Figura 4.19: Configuração dos motores ..................................................................160 Figura 4.20: Registro do tempo de partida dos motores (configuração proposta) – Zanotti Elásticos......................................................................................................160 Figura 4.21: .............................................................................................................161 Figura 4.22: Ação sugerida X kWh economizado/ano.............................................163 Figura 4.23: Ação sugerida X R$ investido e economizado ....................................163 Figura 4.24: Ação sugerida X ROI...........................................................................163 Figura 4.25: Avaliação dos motores antes e depois da modificação.......................164 Figura 5.1: Evolução da manutenção nas empresas ..............................................165 Figura 5.2 ................................................................................................................169 Figura 5.3 ................................................................................................................170 Figura 5.4: Métodos de alinhamento.......................................................................171 Figura 5.5: Tipos de desalinhamento ......................................................................171 Figura 5.6: Alinhamento correto ..............................................................................171 Figura 5.7: Medição do desalinhamento paralelo e angular usando uma régua ou um pedaço de barbante ................................................................................................172 Figura 5.8: O alinhamento correto significa alinhar as ranhuras das polias. ...........172 Figura 5.9: Taxa de falha X Tempo.........................................................................174

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A expansão pura e simples da oferta de energia é uma solução incompleta. O Brasil deve priorizar no seu planejamento a conservação e a eficiência energética se quiser eliminar o risco de novo apagão. Mas, diferentemente do que ocorreu durante o racionamento em 2001, quando o estado interveio reat ivamente, desta vez sociedade, governo e indústria devem agir em sintonia e preventivamente. Antonio Dias Leite Ex-ministro de Minas e Energia 10


1 PANORAMA ENERGÉTICO BRASILEIRO A melhor distribuição dos recursos em eficiência energética é hoje um grande desafio para toda a sociedade, que já consegue visualizar problemas futuros pelo aumento excessivo do consumo de energia, que vêm crescendo gradativamente desde a década de 70. De 1970 a 2006, a capacidade de geração de energia elétrica no Brasil aumentou de 45.742 para 419.337 GWh/ano, porém o consumo de energia elétrica neste mesmo período cresceu 66% a mais, ou seja, apesar da produção interna ainda atender a demanda, em breve este cenário será alterado, tendo em vista a crescente automatização das indústrias e a “invasão” da tecnologia na vida e no trabalho das pessoas de um modo geral, tornando-a indispensável para a sobrevivência das famílias e principalmente das indústrias. Gráfico 1.1: Produção e consumo de energia elétrica no Br asil Energia Elétrica no B rasil 450.000

400.000

350.000

300.000

250.000 w G

200.000

150.000

100.000

50.000

0 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1997 1998 2000 2001 2002 2004 2006 PRODUÇÃO

CONSUMO TOTAL

Fonte: Dados retirados do Balanço Energético Nacional – 2007. Disponível em: http://ben.epe.gov.br

Em conseqüência deste intenso consumo, da falta de planejamento e de investimentos em geração e distribuição de energia e pela escassez de chuvas, em 2001 fomos surpreendidos pela maior crise das últimas décadas, na qual o nível de água dos reservatórios das hidroelétricas baixou e um racionamento de energia foi elaborado às pressas. O governo Fernando Henrique Cardoso, surpreendido pela necessidade urgente de cortar em 20% o consumo de eletricidade no país, estipulou benefícios aos consumidores que cumprissem a meta e punições para quem não conseguisse 11


reduzir seu consumo de luz. No final de 2001 felizmente choveu às catadupas e o racionamento pôde ser suspenso em fevereiro de 2002. Na época, havia grande possibilidade de ocorrer apagões no país, sobretudo nas grandes cidades. Felizmente a aplicação desses cortes — que produziríam severas perdas na economia brasileira — pôde ser evitada graças ao bom resultado da campanha de racionamento "voluntário" de energia. O escândalo do apagão foi uma crise nacional, sem precedentes no Brasil, que afetou o fornecimento e distribuição de energia elétrica. Prevenindo novos problemas, o Plano Nacional de Energia – PNE, estima que em 2030, com a construção de novas usinas, a produção deverá atingir um nível de 1.197,6 TWh/ano e assim atender toda a sociedade de modo eficiente. Atualmente, o consumo total de energia no Brasil atinge os 195.909 x 10³ tep, destacando-se um consumo de 42,7% dos derivados de petróleo (álcool, gasolina, óleo diesel e outros) e 16,5% de eletricidade, conforme gráfico abaixo. Gráfico 1.2: Consumo tot al de energia por fo nte

1.1 PERFIS DE CONSUMO O consumo de eletricidade na indústria, no comércio, nos serviços e nas residências tem crescido significativamente nos últimos anos, confirmando o comportamento dinâmico e contínuo das diversas atividades econômicas. Entre os fatores que explicam este comportamento se incluem o aumento do investimento externo direto, a recuperação da atividade agroindustrial e o aumento das exportações de produtos básicos e matérias-primas. No Brasil de toda a energia elétrica produzida, 45,3% é consumida pela indústria, segundo o EPE – Empresa de Pesquisa Energética. O gráfico abaixo demonstra o destino da energia produzida no país, classificando o setor industrial como maior responsável pelo aumento no consumo final de energia. 12


Gráfico 1.3: Mercado de forn ecimento por classe de consumo - Brasil

O consumo industrial de energia elétrica em (GWh) no país pode ser analisado através do gráfico abaixo que compara o consumo mensal entre os meses de maio/04 e abril/07 (36 meses). Observa-se um crescimento contínuo, destacando-se picos de consumo nos meses de agosto de 2004 e 2006 e julho de 2005 (período seco). Destaca-se ainda uma elevação do consumo nos primeiros quatro meses do ano de 2007 impulsionado pela aceleração das atividades econômicas. Gráfico 1.4: Consumo indu strial d e energia elétrica

O maior aumento do consumo de eletricidade está localizado nas indústrias de bebidas, alimentos, bens de capital e de consumo, além dos novos consumidores que foram incorporados à rede nacional, incluindo 440.000 famílias carentes beneficiados pelo programa Luz Para Todos, do Governo Federal. 13


A distribuição de energia elétrica consumida pelas indústrias por regiões do país pode ser analisada através do gráfico abaixo. O sudeste, região que concentra grande quantidade de indústrias registra o maior índice de consumo. Gráfico 1.5: Distribu ição do total do consu mo indu strial por região

.

Da energia consumida pela indústria 42%, segundo Balanço de Energia Útil - 2004 é utilizado apenas para o funcionamento de sistemas motrizes, o que significa que eles são os maiores vilões da conta de energia e que qualquer melhora em seu funcionamento pode alterar significativamente os totais gastos com eletricidade. Gráfico 1.6: Distri buição do co nsumo d e energia elétrica por uso fin al na indú stria

Fonte: Relatório Executivo – Pesquisa de posse de equipamentos e hábitos de uso - 2006

A seguir apresentaremos alguns gráficos com os valores de distribuição do consumo de energia por segmento.

14

Módulo 6 – Eficiência Energética em Apli cações de Motores Elétricos Gráfico 1.7: Distr ibuição do c onsum o de energia elétrica por setor

Alimentício e Bebidas

Metalúrgica básica

Borracha e Plástico

Químico

Têxtil

Minerais Não-metálicos (cerâmicos)

15


Minerais Não-metálicos (cimento)

Minerais Não-metálicos (vidros)

Gráfico 1.8: Distribuiç ão do cons umo de energia elétrica na força motriz


1.1.2 Barreiras para Realização de Trabalhos de Eficiência Energética As medidas adotadas em eficiência energéticas estão crescendo, entretanto existem várias características no mercado energético, que inibem a sua eficiência, por uma série de barreiras e imperfeições. Carência de pessoas/empresas técnicas especializadas, falta de fiscalização para cumprimento das normas e padrões para fabricação de equipamentos mais eficientes, ausência de conhecimento sobre os programas de financiamento do governo, cultura caracterizada pelo desperdício predominante em todos os segmentos da sociedade, organizações centralizando o poder de decisão e a falta de preocupação com o meio ambiente são exemplos claros de barreiras impostas pelas organizações. Contudo, a principal barreira é a difícil visualização dos benefícios oferecidos pelos investimentos em relação ao ret orno financeiro. Considerando que a força motriz é responsável pelo consumo de 68,3% de energia elétrica na indústria, as empresas passaram a incluir em suas prioridades projetos que envolvam eficiência energética, conforme gráfico abaixo:

16

Módulo 6 – Eficiência Energética em Apli cações de Motores Elétricos Gráfico 1.9: Setores que co locam a eficiênci a energética entre as 2 pr iorid ades


Entretanto, o tempo de retorno financeiro desejado pelas indústrias de até 01 ano (50,4%) não é atingido na grande maioria dos projetos que envolvam força motriz. Esta análise de retorno restrita há 12 meses impossibilita a visualização dos benefícios oferecidos no longo prazo pelos motores elétricos, já que sua vida útil é de no mínimo 10 anos. Gráfico 1.10: Tempo de retorno para projetos de Eficiência Energética


Deste modo pode-se avaliar que muitos projetos relacionados à Eficiência Energética não “caminham” devido à visão limitada das organizações em termos de retorno financeiro.

17


1.2 FATURA DE ENERGIA 1.2.1 Histórico do Faturamento do Setor Elétrico Brasileiro A reforma do Setor Elétrico Brasileiro começou em 1993 com a Lei nº 8.631, que extinguiu a equalização tarifária vigente e criou os contratos de suprimento entre geradores e distribuidores, e foi marcada pela promulgação da Lei nº 9.074 de 1995, que criou o Produtor Independente de Energia e o conceito de Consumidor Livre. Em 1996 foi implantado o Projeto de Reestruturação do Setor Elétrico Brasileiro (Projeto RE-SEB), coordenado pelo Ministério de Minas e Energia. As principais conclusões do projeto foram a necessidade de implementar a desverticalização das empresas de energia elétrica, ou seja, dividi-las nos segmentos de geração, transmissão e distribuição, incentivar a competição nos segmentos de geração e comercialização, e manter sob regulação os setores de distribuição e transmissão de energia elétrica, considerados como monopólios naturais, sob regulação do Estado. Foi também identificada a necessidade de criação de um órgão regulador (a Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL), de um operador para o sistema elétrico nacional (Operador Nacional do Sistema Elétrico - ONS) e de um ambiente para a realização das transações de compra e venda de energia elétrica (o Mercado Atacadista de Energia Elétrica - MAE). Concluído em agosto de 1998, o Projeto RE-SEB definiu o arcabouço conceitual e institucional do modelo a ser implantado no Setor Elétrico Brasileiro. Em 2001, o setor elétrico sofreu uma grave crise de abastecimento que culminou em um plano de racionamento de energia elétrica. Esse acontecimento gerou uma série de questionamentos sobre os rumos que o setor elétrico estava trilhando. Visando adequar o modelo em implantação, foi instituído em 2002 o Comitê de Revitalização do Modelo do Setor Elétrico, cujo trabalho resultou em um conjunto de propostas de alterações no setor elétrico brasileiro. Durante os anos de 2003 e 2004 o Governo Federal lançou as bases de um novo modelo para o Setor Elétrico Brasileiro, sustentado pelas Leis nº 10.847 e 10.848, de 15 de março de 2004 e pelo Decreto nº 5.163, de 30 de julho de 2004. Em termos institucionais, o novo modelo definiu a criação de uma instituição responsável pelo planejamento do setor elétrico a longo prazo (a Empresa de Pesquisa Energética - EPE), uma instituição com a função de avaliar permanentemente a segurança do suprimento de energia elétrica (o Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico - CMSE) e uma instituição para dar continuidade às atividades do MAE, relativas à comercialização de energia elétrica no sistema interligado (a Câmara de Comercialização de Energia Elétrica - CCEE). Em relação à comercialização de energia, foram instituídos dois ambientes para celebração de contratos de compra e venda de energia, o Ambiente de 18


Contratação Regulada (ACR), do qual participam Agentes de Geração e de Distribuição de energia elétrica, e o Ambiente de Contratação Livre (ACL), do qual participam Agentes de Geração, Comercialização, Importadores e Exportadores de energia, e Consumidores Livres. 1.2.2 Mudanças no Setor Elétrico Brasileiro Na última década, o Setor Elétrico Brasileiro sofreu diversas alterações até chegar ao modelo vigente. Veja a seguir uma tabela com um resumo das principais mudanças entre os modelos pré-existentes e o modelo atual, que acabaram por resultar em transformações nas atividades de alguns agentes do setor. Tabela 1.1: Mudanças no setor elétrico brasileiro Modelo Antigo (até 1995)

Modelo de Livre Mercado (1995 a 2003)

Novo Modelo (2004)

Financiamento através de recursos públicos

Financiamento através de recursos públicos e privados

Financiamento através de recursos públicos e privados

Empresas verticalizadas

Empresas divididas por atividade: geração, transmissão, distribuição e comercialização

Empresas divididas por atividade: geração, transmissão, distribuição, comercialização, importação e exportação.

Empresas predominantemente Estatais

Abertura e ênfase na privatização das Empresas

Convivência entre Empresas Estatais e Privadas

Monopólios - Competição inexistente

Competição na geração e comercialização

Competição na geração e comercialização

Consumidores Cativos

Consumidores Livres e Cativos

Consumidores Livres e Cativos

Tarifas reguladas em todos os segmentos

Preços livremente negociados na geração e comercialização

No ambiente livre: Preços livremente negociados na geração e comercialização. No ambiente regulado: leilão e licitação pela menor tarifa

Mercado Regulado

Mercado Livre

Convivência entre Mercados Livre e Regulado

Planejamento Determinativo Planejamento Indicativo pelo Grupo Coordenador do Conselho Nacional de Política Planejamento dos Sistemas Energética (CNPE) Elétricos (GCPS) Contratação: 100% do Mercado

Sobras/déficits do balanço energético rateados entre compradores

Planejamento pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE)

Contratação: 85% do mercado (até agosto/2003) e 95% mercado (até dez./2004)

Contratação: 100% do mercado + reserva

Sobras/déficits do balanço energético liquidados no MAE

Sobras/déficits do balanço energético liquidados na CCEE. Mecanismo de Compensação de Sobras e Déficits (MCSD) para as Distribuidoras.

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1.2.3 Fatura de Energia Elétrica Foi extraído do Manual de Tarifação da energia elétrica – Procel, programa nacional de conservação de energia elétrica. 1ª Edição - MAIO/2001, o que deve conter em uma fatura de energia. Art.83 A fatura de energia elétrica dever conter as seguintes informações: I: Obrigatoriamente: a) nome do consumidor; b) número de inscrição no CNPJ ou CPF quando houver; c) código de identificação; d) classificação da unidade consumidora; e) endereço da unidade consumidora; f) número dos medidores de energia elétrica ativa e reativa e respectiva constante de multiplicação da medição; g) data das leituras anterior e atual dos medidores, bem como da próxima leitura prevista; h) data de apresentação e de vencimento; i) componentes relativas aos produtos e serviços prestados, discriminando as tarifas aplicadas; j) parcela referente a impostos incidentes sobre o faturamento realizado; k) valor total a pagar; l) aviso de que informações sobre as condições gerais de fornecimento, tarifas, produtos, serviços prestados e impostos se encontram à disposição dos consumidores, para consulta, nas agências da concessionária; m) indicadores referentes a qualidades do fornecimento, de acordo com a norma específica; n) número de telefone da Central de Tele atendimento e/ou outros meios de acesso à concessionária para solicitações e/ou reclamações; o) número de telefone da Central de Tele atendimento da Agência Reguladora Estadual conveniada com a ANEEL, quando houver e; p) número 080061 2010 da Central de Tele atendimento da ANEEL. II: Quando pertencente: a) multa por atraso de pagamento e outros acréscimos moratórios individualmente discriminados; b) parcela referente ao pagamento (créditos) de juros do empréstimo compulsório/ELETROBRÁS; c) indicação do respectivo desconto sobre o valor da tarifa, em moeda corrente; d) indicação de fatura vencida, apontando no mínimo o mês/referência e valor em reais; e) indicação de faturamento realizado com base na média aritmética nos termos dos Arts. 57, 70 e 71, e o motivo da não realização da leitura; f) percentual do reajuste tarifário, o número da Resolução que o autorizou e a data de início de sua vigência nas faturas em que o reajuste incidir.

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Figura 1.1: Exemplo de fatura d e energia

1.3 LEI DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA Conservar energia não é uma novidade no Brasil, desde a década de 70 o governo vem buscando soluções para garantir o abastecimento de energia no país, de tal modo que os produtos comercializados sejam cada vez mais eficientes. Projetos como PROÁLCOOL (1975) e CONSERVE (1981) foram pioneiros na tentativa de diminuir o desperdício, contudo apenas com a criação do Programa Nacional de Energia Elétrica – PROCEL, em 1985, o país começou efetivamente a buscar a eficiência nos processos elétricos, mesmo porque as pressões internacionais para uma consciência ambiental passaram a aparecer também na forma de cláusulas nos empréstimos do setor de energia. 21


Desde então, outras ferramentas e órgãos foram criados para fiscalização das políticas que vinham sendo empregadas, como o Prêmio Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia (1993) e a Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL em 1996. Em 2001 o país passa por uma crise energética devido aos altos valores do petróleo, longo período sem investimentos no setor, agravado pela falta de chuvas. Tendo em vista este novo cenário, o governo decreta a Lei 10.295 10.295 que trata de estabelecer uma política nacional de eficiência energética para máquinas e aparelhos consumidores de energia, comercializados no país. A lei de “Eficiência Energética”, como é conhecida, determina que o Poder Executivo estabelecerá os níveis máximos de consumo ou mínimos de eficiência energética de máquinas e aparelhos consumidores de energia comercializados no País, tendo seus indicadores definidos posteriormente pelo Comitê Gestor de Indicadores e Níveis de Eficiência Energética – CGIEE de acordo com cada tipo de aparelho e máquina consumidora de energia. Para regulamentar a Lei 10.295, o decreto 4.508 é instaurado no dia 11 de dezembro de 2002 com a finalidade de definir os rendimentos nominais mínimos para motores elétricos: Capítulo I Art. Ar t. 1º Os 1º Os equipamentos objeto desta regulamentação correspondem aos motores elétricos trifásicos de indução rotor gaiola esquilo, de fabricação nacional ou importados, para comercialização ou uso no Brasil, incluindo tanto os motores comercializados isoladamente quanto os que fazem parte de outro equipamento. A Portaria Interministerial nº 553, 553, de 8 de dezembro de 2005, apresenta o Programa de Metas que complementa a regulamentação específica de motores elétricos de indução trifásicos, atendendo ao disposto no § 2º do art. 2º da Lei nº 10.295, de 17 de outubro de 2001 e faz valer: Art. Ar t. 4º 4º A data limite para fabricação no País ou importação dos motores objeto da regulamentação aqui tratada e que não atendam ao disposto no art. 3º deste Anexo será de quatro anos a partir da entrada em vigor desta portaria. Art. Ar t. 5º A 5º A data limite para comercialização no País dos motores referidos no art. 4º será de quatro anos e seis meses a partir da vigência deste ato. Através desta portaria ficam f icam estabelecidos os seguintes prazos limites para fabricação e comercialização de motores que não atinjam o nível mínimo de eficiência energética: Fabricação: Dezembro/2009. Comercialização: Junho/2010. OBS: Os documentos mencionados neste item podem ser encontrados na íntegra no final desta apostila.

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1.4 PROGRAMAS DE INCENTIVO A ECONOMIA DE ENERGIA 1.4.1 PROCEL O objetivo do PROCEL - Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica - é promover a racionalização da produção e do consumo de energia elétrica, para que se eliminem os desperdícios e se reduzam os custos e os investimentos setoriais. Em seus 20 anos de existência, o Procel já economizou 22 bilhões de quilowatt-hora, o que corresponde ao consumo do estado da Bahia, durante um ano, ou a cerca de 13 milhões de residências nesse mesmo período. Os investimentos realizados nas duas décadas correspondem a aproximadamente R$ 855 milhões, o que proporcionou investimentos postergados no sistema elétrica brasileiro da ordem de R$ 15 bilhões. Tabela 1.2: Resultados anuais obtidos pelo Procel 1986-2006 1986/ 2002 2002 2004 2005

2006

Inve In vest stiime ment ntos os El Elet etro rob brá rás/ s/Pr Proc ocel el (R (R$ $ mi millhõ hões es))

237, 23 7,85 85

14,,16 14

27,,18 27

37,1 37 ,17 7

29, 9,24 24

Investimentos RGR (R$ milhões)

386,90

25,10

54,00

44,60

77,80

Investimentos GEF (R$ milhões)

0,35

1,74

12,97

16,23

6,203

Investimentos Totais Realizados (R$ milhões)

625,08

41,00

94,15

98,02 113,24

Energia Economizada (GWh/ano)

15,405

1,817

2,373

2,158

2,845

Usina Equivalente (MW)

4,180

453

622

585

772

Redução de Demanda na Ponta (MW)

3,597

436

569

518

682

Investimentos Postergados (R$ milhões)

8.646

2.007

2.492

1.786

2.231

Para estimular o setor industrial a reduzir o desperdício de energia elétrica, a ELETROBRÁS/PROCEL no âmbito do PROCEL INDÚSTRIA – Programa de Eficiência Energética Industrial vem celebrando convênios com as Federações das Indústrias estaduais, visando desenvolver o programa junto às empresas, tendo como foco a redução de perdas nos sistemas motrizes. O Prêmio PROCEL – Prêmio Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia, de responsabilidade do Ministério de Minas e Energia, é concedido anualmente a várias Categorias, como Transportes, Setor Energético, Edificações, Imprensa, Micro e Pequenas Empresas e Indústria, premiando as ações que se destacaram pelo uso racional de energia e o combate ao seu desperdício. Cada categoria é coordenada por sua entidade representativa.

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O objetivo do Prêmio é estimular segmentos da sociedade a implementar ações que efetivamente reduzam o consumo de energia elétrica, derivados do petróleo ou gás natural, assim como a sua substituição eficiente por fontes renováveis. 1.4.2 PROINFA Criado em 2002 o PROINFA – Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica – é um importante instrumento para a diversificação da matriz energética nacional, garantindo maior confiabilidade e segurança ao abastecimento. O Programa, coordenado pelo Ministério de Minas e Energia (MME), estabelece a contratação de 3.300 MW de energia no Sistema Interligado Nacional (SIN), produzidos por fontes eólicas, biomassa e pequenas centrais hidrelétricas (PCHs), sendo 1.100 MW de cada fonte. Em relação ao abastecimento de energia elétrica do país, o PROINFA é um instrumento de complementaridade energética sazonal à energia hidráulica, responsável por mais de 90% da geração do país. Na região Nordeste, por exemplo, a energia eólica servirá como complemento ao abastecimento hidráulico, já que o período de chuvas é inverso ao de ventos. O mesmo ocorrerá com a biomassa nas regiões Sul e Sudeste, onde a colheita de safras propícias à geração de energia elétrica (cana-de-açúcar e arroz, por exemplo) ocorre em período diferente do chuvoso. O PROINFA conta com o suporte do BNDES, que criou um programa de apoio a investimentos em fontes alternativas renováveis de energia elétrica. A linha de crédito prevê financiamento de até 70% do investimento, excluindo apenas bens e serviços importados e a aquisição de terrenos, sendo que os investidores terão que garantir 30% do projeto com capital próprio. O Programa também permite maior inserção do pequeno produtor de energia elétrica, diversificando o número de agentes do setor. A Eletrobrás, no contrato de compra de energia de longo prazo (PPAs), assegura ao empreendedor uma receita mínima de 70% da energia contratada durante o período de financiamento e proteção integral quanto aos riscos de exposição do mercado de curto prazo e os contratos terão duração de 20 anos. 1.4.3 PROESCO O PROESCO é um projeto do Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social – BNDES – que visa o apoio a projetos que envolvem Eficiência Energética em empresas de Serviços de Conservação de Energia (ESCOs), usuários finais e empresas de geração, transmissão e distribuição de energia que contribuam para a economia de energia, aumentem a eficiência global do sistema energético ou promovam a substituição de combustíveis de origem fóssil por fontes renováveis. Dentre os focos de ação possíveis, destacam-se: 24


• Motores; • Otimização de Processos; • Ar condicionado e ventilação; • Refrigeração e resfriamento; • Gerenciamento energético; • Melhoria da qualidade da energia, inclusive correção do fator de potência; • Redução da demanda no horário de ponta do consumo do sistema

elétrico. O financiamento pode ser solicitado para a promoção de estudos e projetos, realização de obras, aquisição de instações, máquinas e equipamentos, serviços técnicos especializados e sistemas de informação, basta o solicitante apresentar um projeto que permita identificar, analisar e acompanhar detalhadamente o conjunto de ações e metas, através do qual pretenda contribuir para a conservação de energia. As operações financeiras podem ser realizadas de três formas: com risco total do BNDES, com risco para a instituição financeira ou em operações diretas. A taxa de juros será formulada de acordo com cada situação, sendo que o prazo total para pagamento é de até 72 meses com participação de 90% do BNDES. 1.4.4 Plano de Troca WEG O Plano de troca promovido pela WEG tem o intuito de auxiliar na conservação de energia através da aceitação de motores antigos, independentemente da marca e modelo, como parte do pagamento na aquisição de motores novos WEG Alto Rendimento Plus (WEG Motores – corrente alternada até 500 CV 4 pólos). A troca de motores usados por motores de alto-rendimento proporciona uma redução no consumo de energia elétrica, maior confiabilidade da planta, garantia de fábrica e padronização de produtos. A avaliação das sucatas também levará em consideração motores queimados ou quebrados, mas que contenham bobinado, rotor, carcaça, tampas e rolamentos. Para realização do plano de troca o cliente deverá efetuar uma nota de venda em nome da WEG, contemplando todos os motores na qual deseja sucatear. O valor da nota deverá ser o equivalente a 10% do valor total dos motores descritos na nota, sendo assim, o valor do desconto para o plano de troca será igual a 10%. Para motores com carcaças iguais e superiores a 225, será concedido um adicional de 5%. “Estes valores podem ser alterados pela WEG sem aviso prévio”. O cliente poderá transformar o somatório total de potência em crédito no prazo máximo de 12 meses da data de recebimento na WEG.

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2 TECNOLOGIA DE MOTORES ELÉTRICOS 2.1 PRINCÍPIOS DE MOTORES ELÉTRICOS O ano de 1866 pode ser considerado, em termos práticos, como o ano de nascimento da máquina elétrica, pois foi nesta data que o cientista alemão Werner Siemens inventou o primeiro gerador de corrente contínua auto-induzido. Entretanto, deve-se mencionar que esta máquina elétrica, que revolucionou o mundo em poucos anos, foi o último estágio de um processo de estudos, pesquisas e invenções de muitos outros cientistas, durante quase três séculos. Em 1600 o cientista inglês William Gilbert publicou, em Londres, a obra intitulada “De Magnete”, descrevendo a força de atração magnética. O fenômeno da eletricidade estática já havia sido observado pelo grego Tales, em 641 AC, ele verificou que ao atritar uma peça de âmbar com pano, esta adquiria a propriedade de atrair corpos leves, como pêlos, penas, cinzas, etc. A primeira máquina eletrostática foi construída em 1663, pelo alemão Otto Guericke, e aperfeiçoada em 1775 pelo suíço Martin Planta. O físico dinamarquês Hans Christian Oersted, ao fazer experiências com correntes elétricas, verificou ao acaso, em 1820, que a agulha magnética de uma bússola era desviada de sua posição norte-sul quando esta passava perto de um condutor no qual circulava corrente elétrica. Esta observação permitiu a Oersted reconhecer a íntima relação entre magnetismo e eletricidade, dando assim o primeiro passo em direção ao desenvolvimento do motor elétrico. O sapateiro inglês William Sturgeon, que paralelamente à sua profissão, estudava eletricidade nas horas de folga, baseando-se na descoberta de Oersted constatou, em 1825, que um núcleo de ferro envolto por um fio condutor elétrico transformava-se em imã quando se aplicava uma corrente elétrica, observando também que a força do imã cessava tão logo a corrente fosse interrompida. Estava inventando o eletroímã, que seria de fundamental importância na construção de máquinas elétricas girantes. Mas as experiências com o magnetismo e a eletricidade não cessaram. Em 1832, o cientista italiano S. Dal Negro construiu a primeira máquina de corrente alternada com movimento de vaivém. Já no ano de 1833 o inglês W. Ritchie inventou o comutador, construindo um pequeno motor elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um imã permanente. Para dar uma rotação completa, a polaridade do eletroímã era alternada a cada meia volta através do comutador. A inversão da polaridade também foi demonstrada pelo mecânico parisiense H. Pixii ao construir um gerador com um imã em forma de ferradura que girava diante de duas bobinas fixas com um núcleo de ferro. A corrente alternada era transformada em corrente contínua pulsante através de um comutador. Grande sucesso obteve o motor elétrico desenvolvido pelo arquiteto e professor de física Moritz Hermann Von Jacobi - que, em 1838, aplicou-o a uma lancha. 26


Somente em 1866 Siemens construiu um gerador sem a utilização de imã permanente, provando que a tensão necessária para o magnetismo podia ser retirada do próprio enrolamento do rotor, isto é, que a máquina podia auto excitar-se. O primeiro dínamo de Werner Siemens possuía uma potência de aproximadamente 30 watts e uma rotação de 1200 RPM. A máquina de Siemens não funcionava somente como gerador de eletricidade, podia também operar como motor, desde que se aplicasse aos seus bornes uma corrente contínua. Em 1879, a firma Siemens & Halske apresentou, na feira industrial de Berlim, a primeira locomotiva elétrica, com uma potência de 2kW. A nova máquina de corrente contínua apresentava vantagens em relação à máquina a vapor, à roda d’água e à força animal. Entretanto, o alto custo de fabricação e sua vulnerabilidade em serviço (por causa do comutador) marcaram-na de tal modo que muitos cientistas dirigiram suas atenções para o desenvolvimento de um motor elétrico mais barato, mais robusto e de menor custo de manutenção. Entre os pesquisadores preocupados com esta idéia destacam-se o iugoslavo Nicola Tesla, o italiano Galileu Ferraris e o russo Michael Von Dolivo Dobrowolsky. Os esforços não se restringiram somente ao aperfeiçoamento do motor de corrente contínua, mas também se cogitou de sistemas de corrente alternada, cujas vantagens já eram conhecidas desde 1881. Em 1885, o engenheiro eletricista Galileu Ferraris construiu um motor de corrente alternada de duas fases. Ferraris, apesar de ter inventado o motor de campo girante, concluiu erroneamente que motores construídos segundo este princípio poderiam, no máximo, obter um rendimento de 50% em relação à potência consumida. E Tesla apresentou, em 1887, um pequeno protótipo de motor de indução bifásico com rotor em curto-circuito. Também este motor apresentou rendimento insatisfatório, mas impressionou de tal modo que a firma norteamericana Westinghouse lhe pagou um milhão de dólares pelo privilégio da patente, além de se comprometer ao pagamento de um dólar para cada HP que viesse a produzir no futuro. O baixo rendimento deste motor inviabilizou economicamente sua produção e três anos mais tarde as pesquisas foram abandonadas. Foi o engenheiro eletricista Dobrowolsky, da firma AEG, de Berlim, que, persistindo na pesquisa do motor de corrente alternada entrou, em 1889, com o pedido de patente de um motor trifásico com rotor de gaiola. O motor apresentado tinha uma potência de 80 watts, um rendimento aproximado de 80% em relação à potência consumida e um excelente conjugado de partida. As vantagens do motor com rotor de gaiola em relação ao de corrente contínua eram marcantes: construção mais simples, silencioso, menor manutenção e alta segurança em operação. Dobrowolsky desenvolveu, em 1891, a primeira fabricação em série de motores assíncronos, nas potências de 0,4 a 7,5kW.

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2.2 TIPOS DE MOTORES

Split-Phase Capacitor de Partida Gaiola de Esquilo

Capacitor Permanente Pólos Sombreados Capacitor dois Valores

As sí n cr o no

Monofásico

Rotor Bobinado

Repulsão

Rotor Maciço

Histerese

Relutância Síncrono Ímãs Permanentes

Indução Motor CA

Linear Ímãs Permanentes

De Gaiola As sí n cr o no Rotor Bobinado Trifásico Pólos Lisos

Universal

Relutância Síncrono Ímãs Permanentes

Excitação Série

Pólos Salientes

Excitação Independente Motor CC

Excitação Compound Ímãs Permanentes Excitação Paralela

F a b r ic a d o p e l a W E G

Figura 2.1: Universo do s moto res elétrico s

2.2.1 Motores Assíncronos de Baixa Tensão Os motores assíncronos ou de indução, por serem robustos e mais baratos, são os motores mais largamente empregados na indústria. Nestes motores, o campo girante tem a velocidade síncrona, como nas máquinas síncronas.

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Teoricamente, para o motor girando em vazio e sem perdas, o rotor teria também a velocidade síncrona. Entretanto, ao ser aplicado o conjugado externo ao motor, o seu rotor diminuirá a velocidade na justa proporção necessária para que a corrente induzida pela diferença de rotação entre o campo girante (síncrono) e o rotor, passe a produzir um conjugado eletromagnético igual e oposto ao conjugado externamente aplicado. Este tipo de máquina possui várias características próprias, que são definidas e demonstradas em uma larga gama de obras dedicadas exclusivamente a este assunto. Nesta apostila veremos os princípios e equações básicas necessárias para o desenvolvimento do tema voltado à Conservação de Energia. A rotação do eixo do motor é expressa por:

n=

120 × f × (1 − s ) 2 p

Onde: n = Rotação do motor em condições nominais de operação (rpm); ƒ = Freqüência (Hz); p = Número de pares de pólos; s = Escorregamento. 2.2.2 Rotor Gaiola Os motores deste tipo também são comumente chamados de motores de GAIOLA DE ESQUILO, pois seu enrolamento rotórico tem a característica de ser curto-circuitado, assemelhando-se a tal, como mostrado na figura a seguir:

Figura 2.2: Motor assíncrono d e rotor gaiola

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2.3 PLACA DE IDENTIFICAÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS Número de Série Item do motor

Fator de Serviço Carcaça Potência

Esquema de ligação

Rotação Classe de isolamento

Regime de Serviço Grau de proteção

Corrente

Rolamento

Lubrificação

Tensão

- Carcaça: É definida, segundo norma ABNT, como sendo à distância do centro do eixo a base do pé do motor. - Potência: É o valor da potência mecânica que será fornecida na ponta do eixo do motor em condições nominais de operação. - Classe de Isolamento: Indica a máxima temperatura que o motor deve operar em regime continuo e a plena carga sem prejudicar a vida útil do material isolante. Conforme norma NBR-7094. - Tensão: Indica o valor de tensão que o motor deve operar em regime contínuo de funcionamento. - Regime de Serviço: Indica o grau de regularidade da carga a que o motor é submetido. - Grau de Proteção: Define a proteção da parte ativa do motor contra agentes sólidos, contato e contra líquidos. A Norma NBR-6146 define os graus de proteção dos equipamentos elétricos. - Rolamento: Indica o tipo de rolamento adequado para cada tipo de aplicação/especificações. - Corrente: Indica o valor de corrente absorvido, em condições nominais de operação. - Fator de Serviço: Fator que, aplicado a potência nominal do motor, indica a carga permissível, que pode ser aplicada continuamente ao motor, sob condições específicas. - Rotação: Rotação nominal do motor. - Categoria: Categoria de conjugado. - Freqüência: freqüência do motor. 30


2.4 EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA DE MOTORES ELÉTRICOS Os motores assíncronos atuais são baseados nos mesmos princípios físicos do motor construído por Dobrowolsky em 1889. Desde então, as pesquisas e desenvolvimentos concentram-se no aperfeiçoamento dos materiais condutores, magnéticos e isolantes utilizados nos motores. A evolução dos fios condutores, dos filmes isolantes, das chapas de aço, das ligas de alumínio e das técnicas de projeto ao longo do tempo tem contribuído para a redução do peso e do tamanho do motor elétrico. Como pode ser observado na Figura 1, o peso de um motor de mesma potência no decorrer do século XX foi reduzido aos dias atuais a 8% do peso de seu antecessor de 1891. Um dos maiores avanços tecnológicos se deve ao desenvolvimento dos materiais isolantes. No passado, o motor precisava trabalhar em baixas temperaturas devido à isolação dos fios que eram com dupla camada de algodão e que não possuíam grande capacidade de suportar temperaturas elevadas. Atualmente, os fios são esmaltados com vernizes e possuem camadas muito mais delgadas e apresentam rigidez dielétrica várias vezes superiores e uma capacidade de suportar temperaturas cada vez mais elevadas. Hoje, os fios de cobre (de idêntica seção) com esmalte ocupam menos espaço nas ranhuras, em torno de 22% do espaço ocupado por aquele fio com dupla camada de algodão, conforme pode ser visto na Figura 2. Devido a esse avanço tecnológico, o tamanho das ranhuras também diminuiu. Outro grande avanço tecnológico foi a evolução dos ímãs permanentes. No início do século XX, usava-se o ferro como ímã que possuía uma densidade de energia bastante baixa. Com a introdução de novas tecnologias e desenvolvimento de novos materiais, chegou-se à ímãs permanentes de terras raras, que possuem grande densidade de energia, como pode ser observado na Figura 3. Os ímãs permanentes de terras raras passaram a ser utilizados nos motores elétricos proporcionando uma redução das perdas no rotor e conseqüentemente um aumento no rendimento, entretanto estes materiais não são muito usados nos motores, pois o seu custo ainda é bastante elevado.

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Figura 2.3: Evolução do motor trifásic o AEG (relação peso/potência)

Figura 2.4: Espaço ocu pado por fios (de idêntica seção de cobr e) com div ersos tipo s de isolação

Figura 2.5: Evolução d os imãs

2.4.1 Chapas Magnéticas – Rendimento do Motor Uma das contribuições dos fabricantes de máquinas elétricas para a melhoria da qualidade da energia elétrica diz respeito ao desenvolvimento de máquinas com rendimentos mais altos. Sabe-se que os motores elétricos são responsáveis por cerca de 50% do consumo total de energia elétrica do Brasil. Assim, a redução das perdas nos motores contribui para diminuir o consumo total de energia do país. Motores com melhores rendimentos exigem o uso de materiais mais nobres ou de maiores quantidades de materiais, além do aperfeiçoamento nas 32


técnicas de projeto. A abaixo mostra as características diferenciadas dos motores da linha de Alto Rendimento.

Figura 2.6: Motor Alto Rendimento

Com relação à influência do processo de fabricação, a estampagem das chapas de aço provoca encruamento e rebarba na região de corte. A pressão de empacotamento pode danificar o revestimento isolante e processos como a prensagem na carcaça e a usinagem do rotor introduzem tensões mecânicas que afetam o comportamento magnético da chapa. O ensaio no quadro de Epstein não consegue detectar estes efeitos. Pode-se concluir que o processo de fabricação afeta especialmente as propriedades magnéticas dos aços siliciosos e o desempenho dos motores de pequeno porte. Por isso, após a estampagem, faz-se necessário o tratamento térmico para alívio de tensões para restabelecer tais propriedades. O aumento do rendimento nas máquinas elétricas está ligado ao aperfeiçoamento do projeto eletromagnético e do processo de fabricação, ao uso de maiores quantidades de materiais e de melhores materiais. No entanto, parece que o limite das propriedades eletromagnéticas de alguns materiais já foi atingido, como o cobre, o alumínio e mesmo as chapas de aço. Enquanto novos materiais não forem descobertos, o aumento do rendimento das máquinas será limitado pelo custo e pelo tamanho do motor. 2.4.2 Classes de Isolamento As classes de isolamento utilizadas em máquinas elétricas, e os respectivos limites de temperatura são descritos conforme NBR-7094, e ilustrados abaixo. Em motores normais são utilizados as classes B e F. Para motores especiais utiliza-se classe H.

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A E B F H (105º) (120º) (130º) (155º) (180º) Figura 2.7: Classes de i solamento

2.4.3 Materiais Isolantes 2.4.3.1 Filmes Isolantes São determinados de acordo coma a classe térmica do Motor. Classe Térmica

Espessura (mm)*

Material Base

0,125 - 0,19 - 0,25 - 0,35 Poliester Poliester isolado com “Dacron”(Fibra de 0,22 e 0,30 Classe F (155 °C) poliester + Resina acrílica ) Classe H 0,18 e 0,25 Poliamida Aromática * Conforme carcaça e projeto Classe B (130 °C)

2.4.3.2 Espaguetes – Isoladores Tubulares Classe Térmi ca F (155°C) H (180°C)

Material base Nome do Espaguete Poliester + resina acrílica Tramacril / Tramar Fiberglass + borracha de Trançasil-B / Tramar silicone

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Nome do Filme Melinex Thernomid Polivolterm Wetherm DMD Nomex


2.4.3.3 Verniz (Impregnação) Classe Térmica B (130°C) F (155°C) H (180°C) H (180°C)

Apli cação

Material Base

Nome do verniz Lacktherm 1310

Impregnação de estatores da Poliester fábrica II (Motores Nema) Impregnação de estatores das Lacktherm fábricas I(carcaca 63 a 100), Poliester 1314 III(225 a 355) e IV(112 a 200) Impregnação de estatores Epóxi Royal E524 Royal E524 especiais Impregnação de estatores da Resina – Poliéster Lacktherm fábrica III (carcaça 225 a 315S/M) Irrídico Insaturado 1317/90

2.4.3.4 Cabos de Saída Classe Térmica

B (130° C)

F(155° C)

H(180° C)

Bitolas 2, 4, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 50, 70, 95, 120

2, 4, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 50, 70, 95, 120 2, 4, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 50, 70, 95, 120 2, 4, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 50, 70, 95

H(180° C)

Especificação Nome do da Isolação Cabo Cabo isolado LM – 130 em borracha sintética a base de Etileno Propileno LME 130C (EPR), para 600V, cor preta Cabo isolado em borracha de silicone, Cofistrong para 600V, cor cinza Cabo isolado em borracha de silicone, Cofisil para 600V, cor azul Cabo isolado com dupla camada de borracha de silicone vulcanizada, Cofialt-3 para 3000V, com isolação em cor branca e cobertura em cor amarela

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Fornecedor Cofibam

Pirelli

Cofiban

Cofiban

Cofiban


2.4.3.5 WISE - WEG Insulation System Evolution

A WEG revolucionou o sistema de isolamento de seus motores. Aprimorando fio, filmes isolantes, sistema de impregnação, material impregnante, cabos e demais componentes presentes nas etapas produtivas. Com o uso crescente dos inversores de freqüência na adequação dos processos produtivos industriais, houve a necessidade da evolução dos motores, tornando-os aptos a operar em condições mais críticas, impostas pelo inversor ao sistema de isolamento do motor. A WEG por fabricar motores e inversores de freqüência, vem aprimorando ao longo dos anos o sistema de isolamento dos motores e a performance do conjunto, resultado do contínuo investimento em pesquisa e desenvolvimento. Assim sendo, visando maximizar a durabilidade e a confiabilidade dos motores a WEG desenvolveu o exclusivo sistema WISE (WEG Insulation System Evolution), resultado do aprimoramento dos materiais em todas as etapas produtivas relacionadas ao sistema de isolamento do motor, tais como o fio, os filmes isolantes, o sistema de impregnação, o material impregnante, os cabos e os demais componentes presentes no processo. Entre as vantagens do sist ema WISE, pode-se destacar: • O aperfeiçoamento do fio de cobre, produzido através de processo de fabricação inovador e com grau de pureza superior a 99,9%. • A esmaltação do fio de cobre realizada com vernizes desenvolvidos especificamente para a aplicação em motores elétricos (Linha LACKTHERM), conferindo excelentes propriedades de isolamento elétrico, alto poder de compactação, resistência superior à abrasão e, sobretudo, altíssima confiabilidade. • O processo de impregnação do estator feito com resinas de alto teor de sólidos e vernizes a base de água (hidrossolúveis), ecologicamente corretos, livres de solventes nocivos à saúde (de acordo com as diretrizes ISO 14000), responsável pela efetiva proteção do elemento isolante do motor, garantindo elevada rigidez mecânica ao conjunto, evitando possíveis vibrações e proporcionando maior resistência elétrica, mecânica e química. O sistema WISE inovou o sistema de isolamento dos motores e esta inovação foi padronizada para todos os motores trifásicos industriais WEG, incorporando melhorias e prolongando a vida útil dos motores. WISE, sinônimo de evolução, padronização e confiabilidade!

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Nota: Acima de 575V consultar WEG O sistema WISE inovou o sistema de isolamento dos motores WEG e esta inovação foi padronizada para todas as linhas de produtos, incorporando as melhorias e prolongando a vida útil dos motores WEG. WISE, sinônimo de evolução, padronização e confiabilidade! 2.4.4 Proteções 2.4.4.1 Termostatos: Características Bimetálicos

Aplicação

Baixo Custo Sinalizador para alarme Sensível a Temperatura e e/ou Desligamento Corrente Ligado na Bobina do Contator Tempo de Resposta Alto

Instalação Na cabeça de bobina do lado oposto a ventilação Nos Mancais Pode ser ligado em Série ou Individual

2.4.4.2 Termistores (PTC): Material Semicondutor pode ser: • PTC – Coeficiente de Temperatura Positivo • NTC – Coeficiente de temperatura Negativo Característic as Baixo custo Pequena dimensão Sem contatos móveis Elemento frágil Necessidade relé para comando e atuação

Apli cação

Sinalizador para alarme e/ou Desligamento

2.4.4.3 Termoresistência:

• Resistências Calibradas • Pt 100, Ni 100, Cu 100.

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Instalação Dentro da cabeça de bobina no lado oposto a ventilação Pode ser ligado em série ou individual


Característic as Apli cação Tempo de resposta curto ≤ 5s Monitoramento da temperatura Alto grau de precisão Vários níveis de sinalização e Monitorar a temperatura dos mancais e dos enrolamentos comando possíveis, dependendo do circuito controlador Alto custo dos elementos sensores

Instalação

Na cabeça de bobina e nos mancais

2.4.4.4 Protetores Térmicos Característica Bimetálico Pode ser do tipo manual ou automático Sensível a temperatura e corrente Mais usado em motores monofásicos Sempre inserido em série com os enrolamentos

Apli cação

Instalação Base do platinado

Proteção do motor

Caixa de ligação

Carcaça

2.4.4.5 Resistência de Aquecimento: Características Potência determinada por carcaça Frágil Tensão de alimentação em 110, 220 e 440V

Apli cação

Instalação Nas cabeças de bobina Reduzir a umidade no Pode ser interior dos motores inserido antes ou após a impregnação

Cuidados:

• Manuseio: devido à fragilidade das conexões e cabos; • Amarrações: pode romper o silicone;

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2.4.5 Mancais 2.4.5.1 Mancais de rolamento Mancais de rolamento, ou simplesmente rolamento, são mancais onde a carga é transferida através de elementos que apresentam movimento de rotação, conseqüentemente chamado atrito d e rolamento. Pista e xterna

Pista inte rna

Elemento rolante Gaiola

Figura 2.8: Rolamento r ígido d e uma carreira de esferas

2.4.5.2 Classificação dos Rolamentos Os rolamentos são classificados de acordo com: • Tipo do rolamento; • Largura; • Diâmetro do furo. X X X X O s d o is últim o s a lga rism o s, m u lt ip lic a d o s p o r 5, in d ic a m o d iâm e t ro d o f u ro d o ro la m e n t o e m O se g u n d o a lg a rism o in d ic a a la rg u ra e d iâm e t ro e x t e rn o d o r o l a m e n t o .

O p rim e iro a lga rism o o u sé rie d e le tra s in d ic a o t ip o d o ro la m e n t o .

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2.4.5.3 Vedações A indicação da vedação do rolamento vem após a numeração (sufixo).

• Z – proteção metálica (blindagem) em apenas um dos lados do rolamento; • 2Z – dupla proteção metálica (blindagem em ambos os lados do rolamento); • 2RS / DDU – dupla vedação de borracha, com contato (ambos os lados do rolamento). Exemplo: 6203 – ZZ: rolamento de esferas, série de largura 3, furo de 17mm, com dupla vedação metálica (blindagem). 2.4.5.4 Folgas Internas

• As folgas indicadas no rolamento são medidas radialmente (folga entre os elementos rolantes e as pistas); • São indicadas após a numeração do rolamento (sufixo); • Em ordem crescente: C1 - C2 - NORMAL - C3 - C4 - C5; 2.4.6 Lubrificação Os objetivos da lubrificação dos rolamentos são: • Reduzir o atrito e desgaste; • Prolongar a vida do rolamento; • Dissipar calor; • Reduzir temperatura; • Outros: vedação contra entrada de corpos estranhos, proteção contra a corrosão do mancal, etc. Os métodos de lubrificação se dividem em lubrificação a óleo e graxa. Em motores elétricos, a lubrificação com graxa é mais utilizada devido a sua simplicidade e baixo custo de operação. 2.4.6.1 Lubrificação com Graxa A graxa é um lubrificante líquido (óleo) engrossado para formar um produto sólido ou semi-fluido, por meio de um agente espessante. Outros componentes que confiram propriedades especiais podem estar presentes (aditivos). GRAXA = ÓLEO + ESPESSANTE + ADITIVOS

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Mineral; Sintético; Vegetal; Silicone.

Lítio Complexo de lítio; Complexo de cálcio; Uréia

Anti-Oxidante; Anti- Corrosivo; Anti-Desgaste Agente de Adesividade, etc.

2.4.6.2 Características da Lubrificação com Graxa Vantagens da Graxa: • Lubrificam e vedam; • Reduzem o barulho; • Não necessitam bombeamento. Desvantagens da Graxa: • Não trocam calor; • Não removem contaminantes; • Menor poder de penetração; • Não fluem. Por que relubrificar os ro lamentos? Rolamentos engraxados devem ser relubrificados se a vida útil da graxa for menor que a vida útil esperada do rolamento. O que influ encia na vida da graxa?

• Temperatura; • Contaminantes; • Vedações deficientes. O que acontece se o rolamento não é relubrifi cado?

• A graxa pode endurecer, perdendo suas propriedades lubrificantes; • Pode haver acúmulo de contaminantes, reduzindo drasticamente a vida útil do rolamento. 2.4.7 Vedação W3 Seal

O´ring Labirinto V´ring

Figura 2.9: Ilustr ação em co rte 3D de um motor com v edação W3 Seal 41


O W3 Seal é uma vedação composta de um labirinto taconite (vedação contra pó), um anel V’ring (vedação contra água) e anel O’ring (fixação e vedação do conjunto no eixo). No Anexo 1 ilustramos a composição desta vedação. Esta vedação é altamente eficaz contra a entrada de água e/ou acúmulo de impurezas nos mancais, e poderá ser instalado nos motores WEG grau de proteção IP55 desde que efetuadas as seguintes alterações:

• Para as carcaças 90S a 200L (standards) as tampas deverão ser substituídas por tampas apropriadas à vedação W3 Seal (estão disponíveis kits de vedação W3 Seal, composto de tampa e componentes de vedação); • Para carcaças da 225S/M a 355M/L (standards) os anéis de fixação externos dos rolamentos deverão ser substituídos por anéis de fixação externos apropriados à vedação W3 Seal (estão disponíveis kits de vedação W3 Seal, composto de anéis de fixação externos e componentes de vedação); 2.4.8 Técnicas de Construção Atualmente as Engenharias utilizam de várias técnicas (software) de construção e análise dos motores, as principais estão descritas abaixo: 2.4.8.1 SolidWorks – Modelagem 3D SolidWorks permite modelagem de sólidos e desenhos 2D. Características: - Cria modelos sólidos a partir de desenhos de partes/peças. - Cria modelos parametrizados para a confecção de linhas de produção.

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2.4.8.2 Ansys – Análise Estrutural do motor Software de elementos finitos utilizado na análise de deformações e simulação térmica de componentes mecânicos.

2.4.8.3 Motor-CAD Projeto Térmico de Motores Elétricos Módulos disponíveis permitem o cálculo térmico de: • Motores de indução. • Motores de relutância chaveada. • Motores de imãs permanentes.

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2.4.8.4 EFCAD Software de Análise Electromagnética Sistema de Elementos Finitos para Análise de Campos Eletromagnéticos. EFCAD é um pacote computacional desenvolvido para resolver a equação de Poisson relativa aos fenômenos térmico e eletromagnético.

2.4.8.5 Software para Projeto Eletromagnético de Motores e Geradores Características: - Analisa o desempenho de máquinas de indução monofásicas, bifásicas e trifásicas; - Considera desequilíbrio da fonte; - Considera todos os tipos de enrolamentos (simétricos e assimétricos); - Considera todas as assimetrias do núcleo magnético; - Baseado em um projeto existente; - Flexível de acordo com as necessidades do projeto; - Permite variar as principais dimensões da máquina

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2.5 PRODUTOS EFICIENTES E SUAS APLICAÇÕES 2.5.1 W22

O novo conceito em motor es elétricos Motores elétricos mais eficientes e com custos de operação reduzidos formam a base para o desenvolvimento da nova linha de motores trifásicos W22. Excelente relação custo benefício, redução do consumo de energia elétrica, baixos níveis de ruído e fácil manutenção são algumas das características que definem esse novo produto. Um motor que surge antecipando conceitos sobre economia, desempenho e produtividade. Redução do custo operacional Um produto que opera com alta eficiência, resultando em alta produtividade, gerando o máximo valor para o cliente é o que está por trás do conceito da linha W22. Economia de Energia Durante a vida útil de um motor elétrico, em média 90% dos custos de operação são referentes ao consumo de energia elétrica, enquanto somente 10% estão relacionados aos custos de aquisição, instalação e manutenção motor. A nova linha W22 excede os valores de rendimento previstos em norma, resultando em menor consumo de energia.elétrica. Sustentabilidade Sustentabilidade é a capacidade de criar processos, produtos, serviços, de forma a não causar impactos negativos ao planeta. Ecologicamente correto e economicamente viável esta é a linha W22 a mais alta tecnologia em sintonia com a preservação ambiental. Durabilidade O ferro fundido de alta resistência mecânica utilizado na fabricação dos motores industriais é produzido pela própria WEG, com um alto padrão de qualidade. Associando a qualidade do ferro fundido às vantagens de um design 45


inovador, à linha W22 oferece maior resistência ao impacto e melhor dissipação térmica, assegurando maior durabilidade e confiabilidade em aplicações severas. Conversor de Freqüência A linha W22 adota o exclusivo sistema de isolamento WISE (Weg Insulation System Evolution), desenvolvido pela WEG, que eleva a rigidez dielétrica do bobinado, permitindo a operação com inversores de freqüência até 690 Volts*. * Tensões acima de 690 V, sob consulta.

Extensão da Linha A plataforma W22, oferecendo alta eficiência, redução das intervenções para manutenção e baixo custo de operação, será a base para os futuros desenvolvimentos WEG. Em conjunto com os novos motores de imã permanente e motores Exd, uma concepção Eco de motores compactos com materiais de construção otimizados está sendo desenvolvida. Os princípios da linha W22 constituem a base para uma classe de motores elétricos de inegável sucesso a nível internacional. 2.5.2 Alto Rendimento Plus

Aplicações O motor Trifásico Alto Rendimento Plus pode ser aplicado em bombas, ventiladores, exaustores, britadores, moinhos, talhas, compressores e outras aplicações que requeiram motores assíncronos de indução trifásicos com o máximo de rendimento e consumo reduzido. Características • Grau de Proteção: IP55; • Vedação de mancais: V’Ring; • Carcaça: Ferro fundido; • Potências: 0,16 a 500cv (carcaças 63 a 355M/L); 46


• Isolamento: Classe "B" (carcaças 63 a 100L); • • • • • •

Classe "F" (carcaças 112M a 355M/L); Fator de serviço: 1,15; Rolamentos de esferas (com graxeira a partir da carcaça 225S/M); Rolamentos dianteiros de rolos:carcaças 355M/L (IV, VI e VIII pólos); Categoria: N; Tensões: 220/380; 380/660V (carcaças 63 a 200L); 220/380/440V (carcaças 225S/M a 355M/L); Cor: Verde RAL 6002.

Opcionais • Freqüência: 50Hz; • Grau de proteção: IPW55, IP56, IP65 e IP66; • Isolamento: Classe "F" (carcaças 63 a 100L); Classe "H" (carcaças 63 a 355M/L); • Outras tensões sob consulta; • Resistência de aquecimento; • Graxeiras nas carcaças 160M a 200L ; • Prensa-cabos; • 2ª ponta de eixo; • Placa de bornes (duplo aterramento); • Labirinto taconite (carcaças 90 a 355M/L); • Rolamentos de rolos na tampa dianteira a partir da carcaça 160M (IV, VI e VIII pólos); • PT100 nos mancais; • Eixo em aço inox; • Ventilador de alumínio; • Retentor; • Outros opcionais sob consulta. 2.5.3 Wmagnet

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Aplicações Os motores de ímãs permanentes Wmagnet são motores síncronos com características diferenciadas. Em contraste à gaiola de esquilo dos motores de indução, o Wmagnet possui ímãs de alta energia no interior do rotor em uma configuração especialmente desenvolvida para minimizar vibrações e ruído e maximizar a eficiência em toda a faixa de variação de velocidade, atendendo aplicações como compressores, elevadores, bombas centrífugas, ventiladores,exaustores, esteiras transportadoras, veículos elétricos e outras. Características • Extra Alto Rendimento; • Sistema de isolamento WISE; • Acionado por Inversor de freqüência com controle vetorial sensorless; • Grau de proteção: IP-55; • Potência: 11kW a 150kW; • Carcaça: 132S a 250S/M; • Faixa de rotação: 90 a 3600rpm; • Tensão: 380V; • Vedação dos mancais: V'ring • Isolamento: Classe "F"; • Fator de serviço: 1.00; • Forma construtiva: B3D; • Auto ventilado; • Graxeira; • Plano de pintura WEG 202P; • Acionado por inversor de freqüência WEG CFW09 PM. 2.5.4 Well

Aplicações A linha WELL (WEG Extra Long Life) foi especialmente projetada para maximizar a confiabilidade e produtividade do seu equipamento. Confiabilidade a toda prova para as indústrias de processamento contínuo, onde redução de intervenções para manutenção e baixos níveis de ruído são essenciais. 48


Características • Grau de proteção: IPW66; • Potência: 1 a 400cv; • Carcaças: 90S a 355M/L; • Polaridade: II, IV, VI e VIII pólos 220/380V (90S a 200L); • Tensão: 440volts com 6 cabos (225S/M a 355M/L); • Sobrelevação de temperatura dos mancais reduzida à 45ºC para os motores de IV, VI e VIII pólos e 50ºC para os motores de II pólos(alimentação senoidal e potência nominal) • Projeto mecânico otimizado provendo vida útil dos rolamento prolongada (L10 mínimo 50.000h para acoplamento direto); • Tolerâncias de batimento do eixo reduzidas conforme Norma NEMA MG1, Seção IV; • Exclusivo sistema de relubrificação por pressão positiva com pino graxeiro e válvula de expurgo automático, permitindo a relubrificação dos mancais dianteiro e traseiro em serviço; • Referência na indústria petroquímica no quesito vibração; • Nível de vibração reduzido de acordo com a NBR / IEC 34-14; • Planicidade dos pés inferior a 0,127mm, permitindo fácil instalação e alinhamento; • Sistema de vedação; • Vedação dos mancais: W3 Seal (exclusivo sistema de vedação WEG); • Sistema de Isolação WISE (WEG Insulation System Evolution); • Isolamento: Classe “F” (∆T 80ºK); • Fator de Serviço: 1.15; • Resistência de aquecimento; • Pintura interna anticorrosiva e componente usinados protegidos contra corrosão; • Acabamento em pintura epóxi, plano 211P; • Cor: Amarelo - Munsell 10YR 8/14; • Placa de bornes; • Defletora em ferro fundido e chapéu para montagem vertical; • Resistência de aquecimento; • Garantia diferenciada. Opcionais • Freqüência 50 Hz; • Outras tensões; • Planos de pintura; • Sensores de temperatura no bobinado (Termostato, PT 100, termistores); • Isolamento classe H; • Prensa cabos; • Rolamento de rolos na tampa dianteira a partir da carcaça 160 (IV, VI e VIII pólos); • Ventilador de alumínio, bronze ou ferro fundido; • Eixo em aço inox; • 2ª ponta de eixo; • Categoria de conjugado "H"; • Encoder; • Sistema de ventilação forçada; 49


• Fornecimento com freio; • Outros opcionais sob consulta.

2.5.5 Wmining

Aplicações A linha Wmining foi especialmente desenvolvida para operar nos diversos e severos ambientes do segmento de mineração. Motor com características eletromecânicas diferenciadas que proporcionam durabilidade, resistência e robustez, para oferecer uma solução dedicada a este segmento. Características • Grau de proteção: IPW-66; • Potências: 0,5 a 500cv; • Carcaças: 90S a 355M/L; • Polaridade: II, IV, VI e VIII pólos; • Tensões: 220/380V (até a carcaça 200L) e 220/380/440V (a partir da carcaça 225S/M); • Vedação dos mancais: W3 Seal (exclusivo WEG); • Caixa de ligação adicional (acima da carcaça 160); • Sistema de isolação WISE (WEG Insulation System Evolution); • Ventilador e tampa defletora em ferro fundido; • Isolamento classe “F” ( ΔT 80K); • Resistência de aquecimento; • Fator de Serviço: 1,15; • Proteção térmica no bobinado (alarme/desligamento); • Chapéu de proteção para formas construtivas na vertical com eixo para baixo; • Cor: Laranja Segurança (Munsell 2.5 YR 6/14). Opcionais • Dupla ponta de eixo; • Pintura interna anti-corrosiva; 50


• • • • • • •

Caixa de ligação adicional (abaixo da carcaça 160); Proteção com massa epóxi na passagem dos cabos; Isolamento: classe "H"; Placa de bornes; Outras tensões; Prensa cabos; Encoder.

2.5.6 Wdip

Aplicações A linha WDIP (WEG Dust Ignition Proof) foi especialmente desenvolvida para maximizar a segurança e a qualidade dos motores para aplicações em áreas classificadas como Zona 21, atendendo aplicações como processamento de grãos, cereais, fibra têxtil, tinta em pó, polímeros, etc. Este motor oferece segurança na presença de poeira combustível, em conformidade com as normas brasileiras NBR IEC 61241-0 e NBR IEC 61241-1. Características • Grau de proteção: IPW-66; • Termistor PTC 140°C - desligamento; • Plano de pintura 202 P - pintura antimicrobiana NOBAC; • Vedação mancais W3Seal (Retentor com mola 63, 71 e 80); • Isolamento "F" (∆T 80K) • Sistema de Isolação WISE (WEG Insulation System Evolution); • Fator de serviço 1.00; • Tensões: 220/380V ou 440V, com 6 cabos; • Placa Bornes; • Caixa de ligação adicional; • Apto a operar com inversor de freqüência.

51


2.5.7 Wwash

Aplicações A linha Wwash foi especialmente desenvolvida para atender os requisitos do setor Alimentício, Farmacêutico e outros que tenham a necessidade de higienização e limpeza do ambiente com água. Motor pintado com exclusiva tinta WEG NOBAC® que possuem propriedades antimicrobianas, fornecendo soluções confiáveis e de última geração para os casos onde a higiene e saúde são fundamentais. Características • Grau de proteção: IPW-56; • Potência: 0,16 a 50cv; • Carcaças: 63 a 200L (outras carcaças sob consulta); • Polaridade: II, IV, VI e VIII pólos; • Tensão: 220/380V, 380/660V, 440V, 220/380/440V; • Vedação dos mancais: Retentor de VITON (mola em aço inoxidável); • Sistema de Isolação WISE (WEG Insulation System Evolution); • Isolamento: Classe “F” (∆T 80K); • Fator de Serviço: 1.15; • Resistência de aquecimento; • Pintura interna anti-corrosiva; • Eixo e parafusos de fixação em aço inoxidável AISI 316; • Pintura WEG NOBAC®; • Cor: Branca (plano de pintura WEG 211P com acabamento PU). Opcionais • Defletora com chapéu para montagem vertical; • Flanges A, C e C-DIN; • Vedação dos mancais: W3 Seal (exclusivo sistema de vedação WEG); • Isolamento: Classe “H”; • Graxa especial para Câmaras Frigoríficas; • Linha motor para Redutor Tipo 1; • Outros opcionais sob consulta. 52


2.5.8 Roller Table

Aplicações Motor projetado exclusivamente para Laminadores e Mesa de Rolos, apropriado para trabalhar com inversor de freqüência. Motor de baixa manutenção, confeccionado em carcaça de Ferro Fundido Cinzento FC200, especialmente desenvolvido para atender a severidade do ambiente siderúrgico. Características • Grau de proteção: IPW-66 ; • Totalmente fechado sem ventilação; • Fator de Serviço: 1,00 ; • Categoria N; • Vedação dos mancais: W3 Seal (exclusivo sistema de vedação WEG); • Sistema de Isolação WISE (WEG Insulation System Evolution); • Carcaças: 132M, 160L, 180M, 200L e 225S/M (demais carcaças sob consulta); • Isolamento: Classe “H”; • Placa de bornes; • Dupla vedação com prensa cabos na passagem dos cabos; • Eixo, parafusos de fixação e placa de identificação em aço inox; • Pintura interna especial e pintura externa com acabamento em Poliuretano (Plano de pintura 212P); • Aletas Radiais/Circulares; • Cor: Verde (RAL 6002). Opcionais • Graxeira; • Freqüência 50Hz; • Categorias D e H; • Resistência de aquecimento; • Sensor de temperatura nos enrolamentos; • Dreno. 53


3 SELEÇÃO E APLICAÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS 3.1 DIMENSIONAMENTO DE MOTORES ELÉTRICOS 3.1.1 Potência Nominal Quando se deseja escolher um motor para acionar uma determinada carga, é preciso conhecer o conjugado requerido pela carga e a rotação que esta carga deve ter em condições nominais. Conhecendo-se também o tipo de acoplamento é possível saber qual é a rotação nominal do motor. Portanto a potência nominal da carga é dada por: PC

= 2.π .nC .C Cn

(3.1)

Onde: Pc = Potência nominal da carga em Watt; CCn = Conjugado nominal da carga em Nm; nC = Rotação nominal da carga em RPS. Na equação (3.1) considerou-se que o conjugado requerido pela carga é igual ao conjugado nominal do motor. Esta consideração só é verdadeira para acoplamento direto. Quando o acoplamento for com redução de velocidade, o conjugado requerido pela carga deve ser referido ao eixo do motor, da seguinte maneira: C n

=

1 η ac

×

nC n N

× C Cn

(3.2)

Onde: nC = Rotação da carga em RPS; CCn = Conjugado nominal da carga, dado em Nm; ηac = Rendimento do acoplamento; nN = Rotação nominal do motor em RPS. O rendimento do acoplamento é definido por: η ac

=

Pc Pn

(3.3)

Onde: Pc = Potência transmitida à carga em Watt; Pn = Potência nominal do motor em Watt. Na tabela 3.1, pode-se observar o rendimento de alguns tipos de acoplamentos mais utilizados.

54


Tabela 3.1: Rendim ento d e acoplamentos

TIPO DE ACOPLAMENTO

FAIXA DE RENDIMENTO (%)

Direto Embreagem Eletromagnética Polia com Correia Plana Polia com Correia em V Engrenagem Roda Dentada (Correia) Cardã Acoplamento Hidráulico

100 87 - 98 95 - 98 97 - 99 96 - 99 97 - 98 25 - 100 100

Obs .: Potência normalmente é expressa em kW, que é um múltiplo do Watt. Portanto: 1 kW = 1000 W. Outra unidade de potência muito utilizada na prática é o Cavalo Vapor (cv). A relação entre cv e kW é mostrada abaixo: 1 cv = 0,736 kW 3.1.2 Conjugado Resistente da Carga É o conjugado requerido pela carga e, portanto, depende do tipo de carga a ser acionada pelo motor. Porém todos podem ser representados pela expressão: C c

= C O + k c .n x

(3.4)

Onde: Cc = Conjugado resistente da carga em Nm; C0 = Conjugado da carga para rotação zero em Nm; kc = Constante que depende da carga; x = Parâmetro dependente da carga, pode assumir os valores -1, 0, 1, 2. De acordo com a equação (3.4) percebe-se que o conjugado da carga varia com a rotação n. Esta variação depende do parâmetro x, e assim as cargas podem ser classificadas em quatro grupos: 3.1.2.1 Conjugado Constante Para este tipo de carga o parâmetro x é zero (x = 0). Portanto: C c

= (C 0 + k c ) = Constante

(3.5)

Nas máquinas deste tipo, o conjugado permanece constante durante a variação de velocidade e a potência aumenta proporcionalmente com a velocidade. Logo: Pc = (C 0 + k c ) × n (3.6) 55


Onde: kc = Constante que depende da carga; Pc = Potência de carga. Este caso é mostrado na figura 3.1.

Figur a 3.1

Onde: M = Conjugado resistente da carga – Constante P = Potência proporcional ao número de rotações Exemplos de cargas com conjugados constantes: • Compressores a pistão; • Talhas; • Guindastes; • Bombas a pistão; • Britadores; • Transportadores contínuos. 3.1.2.2 Conjugado Linear Neste grupo o parâmetro x é igual a 1 (x = 1). Então: C c

= C 0 + (k c × n) = Linear

(3.7)

Nestes tipos de máquinas o conjugado varia linearmente com a rotação; já a potência, varia com o quadrado da rotação. Portanto: Pc

= (C 0 × n) + (k c × n 2 )

A figura 3.2 mostra este caso.

Figur a 3.2

56

(3.8)


Onde: M = Conjugado resistente de carga proporcional a n P = Potência proporcional a n 2 Exemplos de cargas com conjugado linear:

• Calandra com atrito viscoso (para calandrar papel). Obs .: Aplicação muito rara. 3.1.2.3 Conjugado Quadrático Neste caso tem-se x = 2 e o conjugado é dado por: C c

= C 0 + (k c × n 2 ) = Parabólico

(3.9)

Neste caso o conjugado varia com o quadrado da rotação e a potência com o cubo da rotação. Logo: Pc

= (C 0 × n) + (k c × n 3 )

(3.10)


Figur a 3.3

Onde: M = Conjugado resistente de carga proporcional a n 2 P = Potência proporcional a n 3 Exemplos de cargas com conjugado quadrático: • Bombas centrífugas; • Ventiladores; • Misturadores centrífugos. 3.1.2.4 Conjugado Hiperbólico Neste caso temos x = – 1, e o conjugado é dado por: C c

=

k c n

= Hiperbólico

57

(3.11)


Neste tipo de carga a constante C 0 pode ser considerado nulo. Pela expressão (3.2.4.1) percebe-se que para n = 0, o conjugado seria infinito, o que não tem sentido físico. Este fato na prática não acontece porque a rotação da máquina só pode variar entre um limite mínimo (n 1) e máximo (n2). A potência neste caso permanece constante, isto é, não varia com a rotação, ou seja: Pc

= k c = Constante

(3.12)


Figur a 3.4

Onde: M = Conjugado resistente de carga proporcional a n -1 P = Potência de carga constante Exemplos de cargas com conjugado hiperbólico: • Bobinadeira de papel; • Bobinadeira de pano; • Descascador de toras; • Tornos (análise feita com conjugado constante com elevado número de manobras, em geral motores de dupla velocidade); • Bobinadeira de fios. 3.1.3 Conjugados Não Definidos Neste caso a equação (3.4) não se aplica, pois não se pode determinar sua equação de maneira precisa, logo o seu conjugado deve ser determinado utilizando técnicas de integração gráfica. Na prática, analisa-se como conjugado constante, pelo máximo valor de torque absorvido.

58


A figura 3.5 mostra este tipo:

Figur a 3.5

3.1.4 Conjugado Resistente Médio da Carga Conhecendo-se a curva do conjugado da carga é possível determinar o conjugado médio. O conhecimento do conjugado médio é importante no cálculo do tempo de aceleração. A figura 3.6 mostra uma curva de conjugado e o conjugado médio da carga.

Figura 3.6: Curv a de Conjugados de Cargas

O conjugado médio da carga pode ser obtido graficamente, bastando que se observe que a área B 1 seja igual a área B 2. Analiticamente o conjugado médio da carga pode ser calculado como segue: O conjugado da carga é dado pela expressão (3.13), ou seja: C c

= C 0 + (k c × n x )

(3.13)

Para x = 0, 1, 2 o conjugado médio pode ser calculado como:

59


C cméd

C cméd =

=

1 n. 2 − n.1

∫

n1

n2

C c .dn

n1 1 C 0 + k c × n x ).dn ( ∫ n.2 − n.1 n 2

n1 ⎞ 1 ⎛ 1 ⎛ ⎞ 1 x + ⎜ (C 0 × n) + ⎜ × C cméd = k c × n ⎟ ⎟ n.2 − n.1 ⎜⎝ ⎝ x + 1 ⎠ n2 ⎠⎟

⎛ ⎛ n x2 +1 − n1 x+1 ⎞ 1 ⎞ ⎟ ⎟⎟ × C cméd = C 0 + ⎜ k c × ⎜⎜ ⎜ ⎟ ⎝ ⎝ n2 − n1 ⎠ x + 1 ⎠

(3.14)

Quando a carga parte do REPOUSO tem-se n 1 = 0, logo:

⎛ n x2 ⎞ ⎟⎟ C cméd = C 0 + ⎜⎜ k c × + x 1 ⎝ ⎠

(3.15)

Portanto, tem-se: 1)

Para cargas de conjugado constante (x = 0); C cméd = C 0

2)

+ k c = Constante

Para cargas de conjugado linear (x = 1); C cméd = C 0

3)

1 ⎞ + ⎛ ⎜ × k c × n2 ⎟ ⎝ 2 ⎠

(3.17)

Para cargas de conjugado quadrático (x = 2); C cméd = C 0

4)

(3.16)

1 ⎞ + ⎛ ⎜ × k c × n22 ⎟ ⎝ 3 ⎠

(3.18)

Para cargas de conjugado hiperbólico (x = -1);

Neste caso o conjugado é dado pela expressão (3.18), ou seja: C c

=

k c n

(3.19)

Supondo que a rotação da carga varia entre n 1 e n2, figura 3.7, o conjugado médio de carga é dado por: n 2 k 1 c C cméd = .dn ∫ n 2 − n 1 n1 n

60


C cméd =

⎛ n ⎞ k c × ln⎜⎜ 2 ⎟⎟ n 2 − n1 ⎝ n 1 ⎠

(3.20)

Figura 3.7: Conjug ado resistente médio para x = -1

3.1.5 Momento de Inércia da Carga O momento de inércia da carga acionada é uma das características fundamentais para o estudo da aplicação do motor elétrico. Tanto o momento do motor como da carga afetam o tempo de aceleração do motor. O momento de inércia é a grandeza que mede a "resistência" que um corpo oferece à uma mudança em seu movimento de rotação em torno de um dado eixo. Depende do eixo de rotação, da forma do corpo e da maneira como sua massa é distribuída. 2

A unidade do momento de inércia no sistema SI é o kgm . O momento de inércia de uma máquina, que tem rotação diferente da do motor (figura 3.8), deverá ser referido ao eixo do motor conforme expressão: J ce

⎛ n ⎞ = J c × ⎜⎜ C ⎟⎟ ⎝ n N ⎠

2

(3.21)

Onde: Jce = Momento de inércia da carga referida ao eixo do motor em kgm 2; Jc = Momento de inércia da carga em kgm 2.

Figura 3.8: Momento d e inércia em rotações diferentes

A inércia total vista pelo motor será: 61

Módulo 6 – Eficiência Energética Energética em Apli cações de Motores Elétricos J t = J m

+ J ce

(3.22)

Obs .: Uma grandeza muito usada para medir o momento de inércia é o "Momento de Impulsão", conhecido como GD 2 da carga, expresso em kgm2. Sua relação com o momento de inércia é dado por:

= J =

GD

2

(3.23)

4

3.1.6 Conjugado x Velocidade do Motor O motor de indução tem conjugado igual a zero à velocidade síncrona. À medida que a carga vai aumentando, a rotação do motor vai caindo gradativamente, até um ponto em que o conjugado atinge o valor máximo que o motor é capaz de desenvolver. Se o conjugado da carga aumentar mais, a rotação do motor cai bruscamente, podendo chegar a travar o rotor. rot or. Representando num gráfico a variação do conjugado com a velocidade para um motor, obtêm-se uma curva com o aspecto representado na figura 3.9.

Figura 3.9: 3.9: Curva Conju gado x Velocid Velocid ade

Nesta curva vamos destacar e definir alguns pontos importantes. Os valores dos conjugados relativos a estes pontos são especificados por norma (NBR 7094) e serão apresentados a seguir: 3.1.7 Conjugado Básico É o conjugado calculado em função f unção da potência e velocidade síncrona. C b

=

Pn

2.π .nS

Onde: Cb = Conjugado base em Nm; nS = Rotação síncrona em RPS; Pn = Potência nominal em W. 62


3.1.8 Conjugado Nominal ou de Plena Carga É o conjugado desenvolvido pelo motor à potência nominal, sob tensão e freqüência nominais. C n

=

Pn

2.π .n N

Onde: Cn = Conjugado Nominal em Nm; nN = Rotação nominal em RPS; Pn = Potência nominal em W. 3.1.9 Conjugado com Rotor Bloqueado Também denominado "Conjugado de Partida" ou "Conjugado de Arranque". É o conjugado mínimo desenvolvido pelo motor com rotor bloqueado. O valor do conjugado de partida depende do projeto do motor e normalmente é encontrado no catálogo ou na folha de dados do motor. O conjugado de partida pode ser expresso em Nm ou mais comumente em porcentagem do conjugado nominal, ou seja: C P (% ) =

C P ( Nm) C n ( Nm)

× 100

Obs .: Na prática, o conjugado de rotor bloqueado bloqueado deve ser o mais alto possível possível para que o motor possa vencer a inércia inicial da carga e possa acelerá-la rapidamente, principalmente quando a partida é com tensão reduzida. 3.1.10 Conjugado Mínimo É o menor conjugado desenvolvido pelo motor ao acelerar desde a velocidade zero até a velocidade correspondente ao conjugado máximo. Na prática, este valor não deve ser muito baixo, isto é, a curva não deve apresentar uma depressão acentuada na aceleração, para que a partida não seja muito demorada, sobreaquecendo o motor, especialmente nos casos de alta inércia ou partida com tensão reduzida. O conjugado mínimo também pode ser expresso em Nm ou em porcentagem do conjugado nominal. 3.1.11 Conjugado Máximo É o maior conjugado desenvolvido pelo motor, sob tensão e freqüência nominais, sem queda brusca de velocidade.

63


Na prática, o conjugado máximo deve ser o mais alto possível, por duas razões principais: motor deve ser capaz de vencer eventuais picos de carga, como pode acontecer em certas aplicações, como por exemplo: britadores, misturadores, calandras e outras. b) motor não deve perder bruscamente a velocidade quando ocorrem momentaneamente quedas excessivas de tensão. a)

O conjugado máximo normalmente é expresso em porcentagem do conjugado nominal. C máx(%)

=

C máx ( Nm) C n ( Nm)

3.1.12 Fatores de Correção dos Conjugados em Função da Tensão Quando a tensão aplicada ao motor for diferente da nominal, os conjugados e a corrente de partida deverão ser corrigidos. A correção deve ser feita através de fatores de multiplicação k 1, para a corrente de partida, e k 2 para os conjugados C P e Cmáx, tiradas da figura 3.10.

Um / Un Figura 3.10: Fatores de redução k 1 e k 2 em função das r elações de tensão tensão do motor e da rede Um /Um

Portanto:

⎛ I p ⎞ ⎛ I ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = k 1 × ⎜⎜ p ⎟⎟ ⎝ I n ⎠U ⎝ I n ⎠U

n

64


⎛ C P ⎞ ⎛ C ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = k 2 × ⎜⎜ P ⎟⎟ ⎝ C n ⎠U ⎝ C n ⎠U ⎛ C máx ⎞ ⎛ C ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = k 2 × ⎜⎜ máx ⎟⎟ ⎝ C n ⎠U ⎝ C n ⎠U n

n

3.1.13 Conjugado Motor Médio O conjugado mecânico no eixo do motor é dado pela expressão abaixo: 3. R2 . I 22 C M = 2.π .nS .S

(3.24)

Onde: R2 = Resistência de fase do rotor em Ohm; I2 = Corrente de fase do rotor em A; S = Escorregamento do motor em p.u; nS = Rotação síncrona. A equação (3.6.1) representa a curva de conjugado do motor, que após algumas simplificações pode ser representado pela expressão: C M

=

A − ( B × n)

(C × n 2 ) − ( D × n) + E

(3.25)

Onde: CM = Conjugado motor em Nm. n = Rotação do motor em RPS. A,B,C,D,E = Constantes positivas que dependem do projeto do motor. O valor das constantes depende do estado de saturação magnética do núcleo do motor. Representando a equação (3.25) em um gráfico, obtém-se a curva característica do conjugado do motor, figura 3.11:

Figura 3.11: Conjugado m otor m édio 65


Analiticamente o conjugado motor médio pode ser calculado pela integral: n ⎞ A − ( B × n) 1 1 ⎛ ⎜ ⎟ C mméd = 2 n2 − n1 n∫2 ⎜⎝ (C × n ) − ( D × n) + E ⎠⎟

(3.26)

Como esta integral é muito difícil de ser resolvida, na prática é feita a integração gráfica. Isto não é muito complicado, basta que se observe que a soma das áreas A 1 e A2 seja igual a área A 3 (ver figura 3.11). Usualmente tem-se: a)

Para motores categorias N e H: C mméd

b)

⎛ C C ⎞ = 0,45 × ⎜⎜ P + máx ⎟⎟ × C n ⎝ C n C n ⎠

(3.27)

Para motores categoria D: C mméd

= 0,60 ×

C P C n

× C n

(3.28)

Quando o conjugado nominal (C n) é dado em kgfm, basta multiplicar por 9,81 para obtermos em Nm. 3.1.14 Tempo de Rotor Bloqueado (t rb) Tempo de rotor bloqueado é o tempo necessário para que o enrolamento da máquina, quando percorrido pela sua corrente de partida, atinja a sua temperatura limite, partindo da temperatura atingida em condições nominais de serviço e considerando a temperatura ambiente no seu valor máximo. Este tempo é um parâmetro que depende do projeto da máquina. Encontra-se normalmente no catálogo ou na folha de dados do fabricante. A tabela 3.2 mostra os valores limites da temperatura de rotor bloqueado, de acordo com as normas NEMA e IEC. Tabela 3.2: Temperatura li mite de ro tor bloqu eado CLASSE TÉRMICA

B

F

H

TMAX

TMAX

NEMA MG1.12.53

IEC 60079-7

175 200 225

185 210 235

80 105 125

Para partidas com tensão reduzida o tempo de rotor bloqueado pode ser corrigido como segue: 66


t rb

⎛ U ⎞ = t b × ⎜⎜ n ⎟⎟ ⎝ U r ⎠

2

(3.29)

Onde: trb = Tempo de rotor bloqueado com tensão reduzida; tb = Tempo de rotor bloqueado à tensão nominal; Un = Tensão nominal; Ur = Tensão reduzida. 3.1.15 Tempo de Rotor Bloqueado em Relação a Classe Isolante Os tempos de rotor bloqueado apresentados em catálogos estão referenciados ao isolante classe “B”. Ao trocar-se o isolante para uma classe superior, pode-se aumentar o tempo de rotor bloqueado (t rb), da seguinte maneira: t rb = -4

TMÁX − TAMB − ΔTMOTOR k

2

Onde: k = 5,52 X 10 .[(Ip/In).J1] TMÁX =Temperatura máxima da classe para curta duração (picos de temperatura). TMOTOR = Elevação de temperatura do motor. (Ip/In) = Relação da corrente de partida. J1 = Densidade de corrente do motor. T AMB = Temperatura ambiente. A tabela 3.1 apresenta os valores limites para TMÁX e ΔTMÁX, para cada classe de isolante utilizada. Pode-se notar que o tempo de rotor bloqueado é inversamente proporcional 2 2 a (Ip/ In) ou J1 . Exemplos: Classe “F” em relação a classe “B”: 210 − 40 − 80 t rb( F) 90 k = = = 1,3846 t rb ( B) 185 − 40 − 80 65 k Portanto: trb(F) = 1,3846.trb(B)

Classe “H” em relação a classe “B”: t rb ( H ) t rb( B)

235 − 40 − 80 115 k = = = 1,7692 185 − 40 − 80 65 k 67


Portanto: trb(H) = 1,7692.trb(B) Classe “H” em relação a classe “F”: t rb ( H ) t rb( B)

Portanto: trb(H) = 1,2778.trb(F)

235 − 40 − 80 115 k = = = 1,2778 210 − 40 − 80 90 k

3.1.16 Tempo de Aceleração Tempo de aceleração é o tempo que o motor leva para acionar a carga desde a rotação zero até a rotação nominal. O tempo de aceleração permite verificar se o motor consegue acionar a carga dentro das condições exigidas pela estabilidade térmica do material isolante. O tempo de aceleração também é um parâmetro útil para dimensionar o equipamento de partida e o sistema de proteção. O ideal seria que o tempo de aceleração fosse bem menor que o tempo de rotor bloqueado. Quando não pode ser muito menor, pelo menos deve obedecer a relação abaixo: ta < trb x 0.8

(3.30)

Onde: trb = tempo máximo de rotor bloqueado. Para um movimento de rotação é válida a relação: CA = J

dw

(3.31)

dt

Onde: J = momento de inércia do corpo em kgm 2; C A = conjugado acelerador em Nm; w = velocidade angular em rad/s. A velocidade angular pode ser calculada por: w = 2.π .n

(3.32)

Para o caso em que o motor deve acionar uma carga, tem-se: J = Jt = Jm + Jce

(3.33)

Onde: Jt = inércia total referida ao eixo do motor (3.22).

68


O conjugado acelerador pode ser substituído sem perda de precisão pelo conjugado acelerador médio dado por: C AMÉD = Cmméd – Crméd

(3.34)

Onde: Crméd = R x Ccméd A figura 3.12, mostra o conjugado acelerador acelerador médio.

Figura 3.12: 3.12: Conjugado acelerador acelerador m édio

Substituindo (3.32), (3.33) e (3.34) em (3.31), tem-se: C mméd − C rméd

= ( J m − J ce ) × 2.π ×

dn dt

(3.35)

Portanto: dt = 2.π .

+ J ce × dn C mméd − C rméd J m

(3.36)

Integrando, tem-se: t a

J m + J ce

∫ dt = 2.π . C 0

t a

n

∫ mméd − C rméd 0

⎛ J m + J ce ⎞ ⎟⎟ = 2.π .n × ⎜⎜ − C C ⎝ mméd rméd ⎠

dn

(3.37)

3.1.17 Potência Dinâmica ou de Aceleração O tempo de aceleração sempre deve ser menor que o tempo de rotor bloqueado do motor.

69


A potência dinâmica é a potência necessária para acelerar a carga até a rotação nominal em um intervalo de tempo menor que o tempo de rotor bloqueado. Esta potência, na medida do possível, deve ser igual à potência nominal do motor. Porém dependendo das características da carga (inércia e conjugado), a potência dinâmica pode assumir valores bem maiores que a potência nominal. Nestes casos deverá ser feito um estudo técnico-econômico, para ver se é possível utilizar um acoplamento especial tal como hidráulico, eletromagnético ou de fricção (embreagem). Dependendo do estudo técnico-econômico pode tornar-se evidente que a melhor solução seria outro tipo de motor, por exemplo um motor de anéis ou motor de gaiola acionado por conversor de freqüência.

70


Tabela 3.3: 3.3: Tempo d e aceleração Conj. Resistente carga Curva:

de

Constante

Linear

Parabólico

Hiperbólico

• Calandras • Bombas de vácuo

• Bombas centrífugas • Ventiladores, Misturadores centrífugos • Compressor centrífugo

• Bobinadeira de fios, panos e papel • Descascador de toras • Tornos

N H

N

Corrente Contínua

Conjugado X Rotação

Exemplos Aplicação

de

• Compressores à pistão • Talhas à • Bombas pistão • Britadores • Transportadore s contínuos

Categoria do motor acionador

N H Ccn

Conjugado de Carga médio (Ccméd)

OBS:

Compressor parafuso 1,15.Ccn

a

Momento de inércia da carga referida ao motor Relação de transmissão Conjugado resistente médio

R =

Conjugado

N/H

C mméd = 0,45 × ⎜⎜

D

C mméd = 0,60 × ⎜⎜

motor médio

J ce

⎛ n ⎞ = J c × ⎜⎜ C ⎟⎟ ⎝ n N ⎠

C 0

+ C cn 2

⎛ n ⎞ . ln⎜⎜ N ⎟⎟ n N − n1 ⎝ n1 ⎠

C cn × n N

2

nC n N

C rméd = R × C cméd

⎛ C P ⎝ C n

+

C máx ⎞ C n

⎟⎟ × C n (×9,81) ⎠

⎛ C P ⎞ ⎟⎟ × C n (×9,81) C ⎝ n ⎠ ⎛ J + J ⎞ = 2.π .n N × ⎜⎜ m ce ⎟⎟ ⎝ C mméd −C rméd ⎠

Tempo de aceleração

t a

Unidades

J = momento de inércia (kgm2) C = Conjugado (Nm)

Quando se deseja mudar de classe de isolamento

2C 0 + C cn 3

De “B” para “F”

trb(F) = 1,3846.trb(B)

De “F” para “H”

trb(H) = 1,2778.trb(F)

De “B” para “H”

trb(H) = 1,7692.trb(B)

71

n = rotação (RPS) t = tempo (s)


3.1.18 Exercício 1 Deseja-se saber qual motor deve ser acoplado a um ventilador que possui as seguintes características: 1)

Características de rede de alimentação:

• U = 440V • F = 60 Hz • Partida Direta 2)

Característica do ventilador:

• Conjugado de Partida = 160 Nm; • Conjugado Máximo Aberto = 800 Nm; • Conjugado Máximo Fechado = 384 Nm; • Inércia da Carga = 100 Kgm²; • Rotação da Carga = 1180 RPM;

72


3.2 ESCOLHA DO TIPO DE CHAVE DE PARTIDA 3.2.1 Partida Direta Neste caso o motor parte com valores de conjugado (torque) e corrente de partida plenos, pois suas bobinas recebem tensão nominal conforme as figuras abaixo:

Figura 3.13: Ligação e tensão em tr iângulo (U ) (a); Ligação e tensão em estrela (UY) (b).

(a)

(b)

Figura 3.14: Diagrama de força (a); Diagrama de comando (b)

Sempre que a instalação permitir, o tipo de partida deve ser direta, já que o motor foi projetado para estas condições (corrente e tensões nominais). A corrente elevada de partida do motor ocasiona as seguintes conseqüências prejudiciais: 73


• Acentuada queda de tensão no sistema de alimentação da rede, o que ocasiona interferências em equipamentos instalados no sistema; • Exigência de superdimensionamento de condutores e componentes pois se não feito isto, ocorre a redução drástica da vida útil destes; • A imposição das concessionárias de energia elétrica, que limitam a queda de tensão na rede; Para evitar estes problemas, pode-se utilizar um sistema de partida com redução de tensão e conseqüente redução da corrente. 3.2.2 Partida Estrela-Triângulo Consiste na alimentação do motor com redução de tensão nas bobinas, durante a partida. Na partida executa-se ligação estrela no motor (apto a receber tensão de estrela – UY), porém, alimenta-se com tensão de triângulo (U Δ), ou seja, tensão da rede. Assim, as bobinas do motor recebem aproximadamente 58% ( 1/ 3 ) da tensão que deveriam receber.

Figura 3.15: Lig ação estrela com tensão de triângu lo (U )

Após a partida o motor deve ser ligado em triângulo, assim as bobinas passam a receber a tensão nominal.

Figura 3.16: Ligação tri ângulo co m tensão de triângulo

Este tipo de chave proporciona redução da corrente de partida para aproximadamente 33% de seu valor para partida direta. Apropriada para máquinas com conjugado resistente de partida até 1/3 do conjugado de partida do motor. 74


A chave estrela-triângulo é aplicada quase que exclusivamente para partidas de máquinas em vazio, ou com pouca carga. Somente depois de se ter atingido a rotação nominal a carga plena poderá ser aplicada. O conjugado resistente da carga não deve ultrapassar o conjugado de partida do motor, nem a corrente no instante da comutação deve atingir valores inaceitáveis (muito elevados), pois neste caso aquela redução de corrente do primeiro instante da partida não ocorreu no segundo momento. Ocorrem situações em que este tipo de partida não pode ser empregado, como é mostrado na figura a seguir.

Figura 3.17: Comportamento d a corrente na partida estrela-triângulo

O alto conjugado resistente (C R) faz com que na partida em estrela o motor acelere no máximo até 85% da rotação nominal e aí ocorre a comutação. Neste ponto a corrente que era aproximadamente igual à nominal, vai para 320% o que não traz vantagem pois na partida a corrente era de 190%. Na figura 3.18, observa-se um motor com as mesmas características, mas o conjugado resistente (C R) é bem menor. Na ligação estrela o motor acelera até 93% da rotação nominal e neste ponto a corrente é cerca de 50% e aí ocorre a comutação, subindo a corrente para 170%, ou seja, praticamente igual à corrente de partida em estrela. Neste caso a partida estrela-triângulo foi bem aplicada, pois não só reduziu a corrente de partida como acelerou o motor suficientemente.

75


Figura 3.18: Comportamento d a corrente na partida estrela-triângulo

É fundamental para a chave de partida estrela-triângulo que o motor tenha possibilidade de ligação em dupla tensão, (220/380V, 380/660V, 440/760V) e que a menor tensão coincida com a tensão da rede. Os motores deverão ter no mínimo seis bornes de ligação.

(a)

(b)

Figura 3.19: Diagrama de força (a) e comando (b), com relé de tempo Y

76


3.2.2.1 Seqüência Operacional (Com Relé de Tempo Estrela-Triângulo) O botão pulsador S1 aciona o relé de tempo KT1, que através do seu contato 15-18 energiza o contator estrela K3. Este, por seu contato 13-14 alimenta a bobina do contator de rede K1. O motor inicia a rotação em Estrela: O contator K1 retém-se por seu contato 43-44, e o contato 13-14 deste mantém a energização do relé de tempo KT1 e do contator estrela K3. Depois de decorrida a temporização selecionada em KT1, o mesmo abre seu contato 15-18, desenergizando o contator K3. Depois de decorrido o tempo pré-estabelecido de 100ms (fixo) o contato 25-28 do relé de tempo fechase, energizando o contator triângulo K2. O motor passa para a ligação Triângulo : O religamento, mesmo que acidental, de K3 é evitado pela existência do contato 21-22 de K2 no circuito de alimentação da bobina de K3. 3.2.3 Partida Compensadora Esta chave de partida alimenta o motor com tensão reduzida em suas bobinas, na partida. A redução de tensão nas bobinas (apenas durante a partida) é feita através da ligação de um autotransformador em série com as mesmas. Após o motor ter acelerado as bobinas voltam a receber tensão nominal. A redução da corrente de partida depende do Tap em que estiver ligado o autotransformador.

• TAP 65%  redução para 42% do seu valor de partida direta; • TAP 80%  redução para 64% do seu valore de partida direta. A chave de partida compensadora pode ser usada para motores que partem sob carga. O conjugado resistente de partida da carga deve ser inferior à metade do conjugado de partida do motor.

77


Figura 3.20: Característica de partida de moto r co m chave compensador a

(a)

(b)

Figur a 3.21: Diagrama de forç a (a) e comando (b)

Seqüência operacional : pressionando-se o botão pulsador S1 é acionado o contator K3 que curto-circuita o secundário do autotransformador. Este, através do seu contato 13-14, energiza a bobina do contator K2 que conecta o autotransformador à rede. 78


O motor parte sob tensão reduzida: o contator K2 retém-se por seu contato 13-14, e o contator K3 por este mesmo contato e por seu contato 13-14. Simultaneamente a energização de K2 ocorre a energização do relé de tempo KT2, que principia a temporização. Após o decurso desta o contato 15-16 de KT1 que atua sobre o circuito da bobina de K3, comuta. O contator K3 é desenergizado e fecha seu contato 21-22, situado no circuito da bobina do contator de rede K1, e este em conjunto com o contato 13-14 de K2, energiza-a. O contator K1 mantém-se por seu contato 13-14 e, através de 21-22 e 31-32 desenergiza K3 e K2 respectivamente. O motor passa a funcionar sob tensão nominal : o contato 31-32 de K1 impossibilita o acionamento, mesmo que acidental, do contator K3. Sob condições normais só é possível uma nova partida caso tenha sido acionado o pulsador SH0, ou pela abertura do contato 95-96 de FT1, em caso de sobrecarga. 3.2.4 Partida Série-Paralelo O motor parte com tensão reduzida em suas bobinas. A chave sérieparalelo proporciona uma redução de corrente para 25% do seu valor para partida direta. Apropriada para cargas com partida necessariamente em vazio, pois o conjugado de partida fica reduzido a ¼ de seu valor par tensão nominal (partida direta). Este tipo de chave é utilizada para motores de 4 tensões e no mínimo 9 cabos. Dividem-se em: a) Triângulo Série Paralelo ( - ) Chave de partida própria para motor com a execução dos enrolamentos em 220/380/440/660V ou 220/440V. A tensão da rede deve ser necessariamente 220V. Na partida executa-se a ligação triângulo série ( Δ) (apto a receber 440V) e aplica-se tensão de triângulo paralelo (220V). Logo as bobinas recebem 50% da tensão nominal.

79


Figura 3.22: Lig ação triângulo série ( ) com t ensão 220V

Após a partida o motor deve ser ligado em triângulo paralelo (ΔΔ) assim as bobinas passam a receber tensão nominal (220V).

Figura 3.23: Ligação tri ângulo paralelo (

) com t ensão 220V

b) Estr ela Série-Paralelo (Y-YY) Chave própria para motor com execução dos enrolamentos em 220/380/440/760V ou 380/760V. A tensão da rede deve ser necessariamente 380V. Na partida executa-se a ligação estrela-série (apto a receber 760V) e aplicase tensão de estrela-paralelo (380V). Logo as bobinas recebem 50% de tensão nominal.

Figura 3.24: Ligação estrela-série (Y) com tensão 380V

80


Após a partida o motor deve ser ligado em estrela paralelo (YY), assim as bobinas passam a receber tensão nominal (220V).

Figura 3.25: Ligação estrela-paralelo com tensão 380V

Figura 3.26: Diagrama de força

Figura 3.27: Diagrama de comando 81


Seqüência operacional: o botão pulsador S1 aciona o contator K4, que conecta em série os seis conjuntos de bobinas do motor e este por seu contato 1314 energiza o contator de conexão a rede K1. O motor inicia rotação em conexão estrela-série: o contator K1, mantémse por seu contato 13-14 e o contator K4 por este mesmo contato e por seu contato 13-14. Os contatores K2 e K3 são impossibilitados, desde o início do ciclo, de energizarem-se, visto a existência do contato 21-22 do contator K4. No momento da energização do contator de conexão à rede K1, ocorre simultaneamente a energização do relé de tempo KT1, e inicia-se a temporização. Após o decurso desta, o contato 15-16 de KT1, comuta, assumindo a condição 15-18. O contator K4 é desenergizado e fecha seu contato 21-22, por intermédio deste e do contato de KT1, agora na posição 15-18 dá-se a energização de K3. Este por sua vez fecha seu contato 13-14 energizando K2. O motor passa à conexão estrela-paralelo (dupla estrela) : os contatores de rede K2 e estrela K3 mantêm-se pelo contato 13-14 de K2. O contato 21-22 do contator de rede K2 impossibilita a ligação, mesmo que acidental, do contator de conexão série K4. Uma nova partida, em condições normais, não é possível senão após o desligamento, por intermédio do botão pulsador S0, ou no caso de sobrecarga pela abertura dos contatos 95-96 dos relés de sobrecarga 1FT1 e/ou 2FT1. Nota: o contato 13-14 de K3, inserido no circuito da bobina de K2 gera a dependência de um conjunto de bobinas em relação ao outro, de forma a jamais permitir que sob condições normais, um destes opere isoladamente. 3.2.5 Comparativo Estrela Triângulo x Compensadora Tabela 3.4: Estrela Triângulo X Compensadora

Estrela-Triângulo Custo menor

Compensadora Custo maior Tipo de chave com maiores Menores dimensões dimensões Admite partidas com carga Deve partir praticamente a (pode variar o tap conforme vazio exigência da carga) Ex.: partidas longas Corrente de partida reduzida: Corrente de partida reduzida • No tap 80% para 64%; para 33% • No tap 65% para 42%.

82


3.2.6 Escolha da Chave em Função do Motor e da Rede Possibilidade de utilização de uma chave de partida em função da tensão da rede e de sua combinação de tensões (execução dos enrolamentos). Tabela 3.5: Chave de Partid a em função d a tensão da rede TIPO DE CHAVE DE PARTIDA

MOTOR

Execução dosNúmero Tensão enrolamentos de Cabos Rede

da

Direta

Triângulo Estrela EstrelaCompensadora SérieSérieTriângulo Paralelo Paralelo X

220

3

220

X

380

3

380

X

X

440

3

440

X

X

220/380

6

220

X

380

X

X

220/440

6

220

X

X

440

X

X

380/660

6

380

X

X

X

440/Y

6

440

X

X

X

220

X

X

X

380

X

440

X

220/380/440/YY 9/12

X

X

X X

X

X

X

Obs .: as chaves assinaladas podem ser utilizadas para respectiva execução de enrolamento, número de cabos e tensão de rede. Y e YY representam o esquema de execução dos enrolamentos em 760V, porém, sua utilização é somente para partida estrela-triângulo, ou seja, não se trata de uma tensão nominal. 3.3 VARIAÇÃO DE VELOCIDADE 3.3.1 Introdução Os motores elétricos constituem parte dos equipamentos amplamente utilizados na indústria sendo que, no Brasil, a fabricação de motores é um segmento importantíssimo da atividade econômica. Considerando-se que em aplicações industriais o rendimento médio dos motores elétricos é da ordem de 85%, cerca de 15% de toda energia elétrica consumida por estes equipamentos não são utilizadas para o desempenho de sua função no processo, sendo transformadas em calor devido às perdas. Portanto, o acionamento de máquinas e equipamentos mecânicos por motores elétricos é um assunto de extraordinária importância econômica. Os fundamentos técnicos e econômicos para a variação de velocidade de motores elétricos trifásicos, foram ampliados consideravelmente pelos avanços feitos 83


no desenvolvimento de componentes eletrônicos e de potência. O acionamento elétrico é um sistema capaz de converter energia elétrica em mecânica, produzindo trabalho e mantendo controle sobre tal processo de conversão. Um sistema de acionamento compreende o motor elétrico e seu equipamento de comando e/ou controle, os meios de transmissão (mecânicos) de energia do motor à máquina acionada para que esta realize a função desejada. Atualmente existem disponíveis vários tipos de conversores para acionamento e controle de velocidade, cada um adaptado aos diferentes tipos de motores. Embora os acionamentos CA sejam largamente utilizados, muitos sistemas podem ser acionados com motores CC, sob controle de um conversor CA-CC realimentado para melhor operação. Uma consideração importante é o fato de que em um motor CC o torque e a velocidade podem ser ajustados independentemente pela corrente e pelo fluxo de magnetização. Já os motores CA, com o avanço das tecnologias de acionamento por conversores de freqüência com controle vetorial, o torque e o fluxo de magnetização são controlados pela decomposição da corrente estatórica, conseguindo-se desta forma obter as mesmas características do acionamento por motores CC. 3.3.2 Sistema de Variação de Velocidade Uma das necessidades que sempre existiram, no passado, foi a variação de velocidade em motores de indução, pois a mesma é fixa e está relacionada com a característica elétrica construtiva do motor e a freqüência da rede a qual ele está ligado. Existem atualmente vários sistemas de variação de velocidade e que para melhor entendimento iremos classificá-los em:

• Variadores mecânicos; • Variadores hidráulicos; • Variadores eletromagnéticos; • Variadores eletroeletrônicos. 3.3.2.1 Variadores Mecânicos Os primeiros sistemas utilizados para conseguir velocidade diferente das velocidades proporcionadas pelos motores de indução foram os sistemas mecânicos, que são de simples construção, envolvem um baixo custo e atendem até hoje alguns processos que necessitam de variação de velocidade ou que possuem variação pequena, condicionada a certos limites (mecânicos e elétricos) do equipamento responsável pela variação de velocidade. Com o aumento da necessidade de variação de velocidade em vários processos mais complexos que exigem uma larga faixa de variação, precisão na velocidade ajustada, características de partida e parada do processo controladas, e outras características, foram sendo desenvolvidos vários métodos, os quais relacionaremos adiante. 84


3.3.1.2 Polias Fixas Este método permite variação discreta de velocidade. Este sistema de acoplamento é utilizado onde há necessidade de uma redução ou ampliação de velocidade, porém sempre fixas, sem a possibilidade de uma variação contínua. Uma vez definida uma rotação de operação e havendo a necessidade de uma nova, a máquina deve ser desligada para que seja possível realizar a troca das polias, ou das correias, dependendo do tipo de polia utilizado, para se obter uma nova relação de redução e assim conseguir a rotação desejada. O inconveniente em primeira análise deste método seria operacional, pois a troca constante de polias ou correias dificultaria o andamento do processo e, além disso, este tipo de equipamento geralmente oferece um baixo rendimento com o motor quase sempre operando nas suas condições nominais, independente das rotações desejadas na sua saída.

Figura 3.28: Sistema de variação por p olias fi xas de vários estágios

3.3.1.3 Polias Cônicas Este método permite variação contínua de velocidade. Neste sistema de acoplamento por polias permite-se que seja feita a variação de velocidade da máquina através de duas polias cônicas contrapostas conforme demonstrado no desenho a seguir:

85


Figura 3.29: Sistema de variação po r po lias cô nicas

Através do posicionamento da correia sobre a superfície das polias cônicas, é possível variar a velocidade da máquina, pois será alterado o diâmetro relativo das polias, e conseqüentemente a sua relação de redução. Este sistema é utilizado onde não é necessária uma faixa de variação de velocidade muito ampla, e que não requer também variações rápidas e precisas. É mais comumente utilizado para pequenos ajustes de sincronismo mecânico, de baixa precisão, entre acionamentos de vários pontos de uma mesma máquina. 3.3.1.4 Polias Variadoras Este método permite variação contínua de velocidade. Este sistema de acoplamento por polias é diferenciado, pois utiliza um dispositivo mecânico que consiste de duas flanges cônicas (que formam uma polia) que podem se movimentar sobre o eixo acionado, conforme mostra o desenho a seguir:

Figura 3.30: Sistema de variação po r po lias variador as

Percebe-se então que com o movimento de aproximação entre as duas flanges, a correia é forçada a subir e a se distanciar do eixo acionado, ou vice-versa,

86


mudando com isso o diâmetro relativo da polia e conseqüentemente a velocidade da máquina. Este sistema também é utilizado nas mesmas situações em que são utilizadas as polias cônicas, sendo que há o inconveniente de ser um equipamento de excessiva manutenção devido ao desgaste da correia. 3.3.1.5 Moto-redutores Este método permite variação discreta ou contínua de velocidade, em função do tipo de moto-redutor utilizado. Este sistema de acoplamento foi um avanço em relação aos anteriores, pois neste sistema já se consegue variar a rotação de saída através de um jogo de polias/engrenagens variáveis, embora devam ser considerados alguns limites descritos a seguir. Com o motor ligado diretamente à rede elétrica, independente da rotação desejada na saída, o motor sempre estará girando na sua rotação e freqüência nominal, e ainda o que é mais crítico, sempre consumindo potência nominal, havendo, portanto desperdício de energia elétrica. Não permitem controle remoto (comando à distância), exceto em casos com servoacionamentos. Para se fazer a variação de rotação, somente com um comando local (no equipamento) é que se consegue alterar a relação de reduções e conseqüentemente a rotação de saída do equipamento (mecanicamente). O rendimento do conjunto por sua vez é muito baixo, o que também desperdiça energia elétrica. São equipamentos limitados a baixas e médias potências, pois as engrenagens não suportam potências elevadas.

Figura 3.31: Sistema de variação por m oto-reduto res

3.3.3 Variadores Hidráulicos 3.3.3.1 Motor Hidráulico Este método permite variação contínua de velocidade. O motor hidráulico de deslocamento positivo é projetado e desenvolvido para converter a potência hidráulica de um fluído em potência mecânica. Esta conversão é feita através de um 87


dispositivo de engrenagens planetárias ou através de acionamento de pistões com controle efetuado por válvulas e que permite obter as seguintes características:

• Baixa rotação (5 a 500 RPM aproximadamente); • Elevado torque; • Permite rotação nos dois sentidos; • Motores de baixa potência; • Baixo custo. Para o acionamento dos motores hidráulicos é necessário que se tenha um sistema hidráulico a disposição (tubulações, bombas, motores elétricos auxiliares), que faz com que, em uma análise global do conjunto, o sistema tenha um rendimento baixo e um nível de manutenção elevado pela existência de várias partes mecânicas. O controle da variação de velocidade do motor é feita através da pressão do fluido injetado no motor (quanto maior a pressão, maior a velocidade) que é feito através de válvulas de estrangulamento no circuito hidráulico, ocasionado perdas elevadas. 3.3.3.2 Variador Hidráulico ou Hidrodinâmico Este método permite variação contínua de velocidade. O sistema consiste basicamente em um variador de velocidade de princípio hidrocinético, composto de um eixo de entrada, de rotação fixa, e de um eixo de saída, cuja rotação pode variar linearmente de zero até uma rotação muito próxima à do eixo de entrada. O princípio de operação pode ser demonstrado pelo seguinte: Colocando-se dois ventiladores frente a frente e fazendo-se a hélice de um deles girar, a hélice do segundo ventilador irá começar a girar também ao receber a corrente de ar. Se não houvesse perdas, a rotação do segundo ventilador seria praticamente a mesma que a do ventilador acionador. Agora se colocarmos entre os dois ventiladores uma folha de papelão, poderemos diminuir ou aumentar a rotação do segundo ventilador conforme o desejado, em função do fluxo de ar existente. No variador hidráulico, no lugar de ar usa-se óleo como fluido, e em vez das hélices, são usados discos aletados que são alojados em uma caixa fechada, montada sobre dois eixos independentes. Dentro desta caixa é colocado óleo até um nível determinado.

88


Figura 3.32: Sistema de variação por v ariador hid ráulico

3.3.4 Variadores Eletromagnéticos 3.3.4.1 Embreagens Eletromagnéticas Com os variadores eletromagnéticos mudou-se o conceito de variação exclusivamente mecânica para variação eletromecânica propriamente dita, através de técnicas baseadas nos princípios físicos das correntes de Foucault, utilizando um sistema de discos acoplados a bobinas que podem ter o seu campo magnético variável, variando-se assim o torque (e também a velocidade) na saída do variador. Algumas limitações devem ser observadas para a aplicação deste equipamento:

• A rotação máxima de saída é sempre a nominal do motor, nunca além desta; • Aqui também o motor sempre estará girando na rotação nominal, independente da rotação desejada no eixo de saída. Isto proporciona um consumo inadequado (desperdício de energia), quando se opera em rotações abaixo da rotação nominal; • O rendimento deste tipo de acionamento é muito baixo, pois apresenta perdas por aquecimento e ruído; • As manutenções preventivas e corretivas são freqüentes, pois existem muitas partes girantes as quais necessitam de ajustes constantes e substituições periódicas.

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Figura 3.33: Sistema de variação po r variador eletro magnético

3.3.5 Variadores Eletroeletrônicos 3.3.5.1 Acionamento com Motor Comutador de Corrente Alternada Este método permite variação contínua de velocidade. O motor comutador de corrente alternada (MOTOR SCHRAGE), cuja principal característica é a possibilidade de variar a rotação, são construídos para alimentação trifásica e monofásica. Os motores comutadores monofásicos encontram aplicação em tração elétrica, enquanto os motores comutadores trifásicos são usados para acionamentos industriais. Um diagrama esquemático para o motor Schrage é mostrado na figura a seguir. O rotor deste motor é provido de dois enrolamentos. O primeiro (w1), servindo como o primário, recebe a fonte de alimentação através de um conjunto de anéis deslizantes. O segundo enrolamento (wr) é ligado a um comutador semelhante ao enrolamento de armadura de um motor CC. Um terceiro enrolamento (ws) é colocado no estator, conectando cada uma das suas fases as respectivas escovas no comutador.

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Figura 3.34: a) Distrib uição de enrolamentos no moto r comu tador de cor rente alternada. b) Posição das escovas no com utador.

A velocidade do motor comutador é controlada pela variação simétrica da distância entre as escovas em relação ao respectivo eixo da fase do estator. Se as escovas são colocadas em repouso no mesmo segmento do comutador do eixo desta fase, isto significa que este motor operará como um motor de indução simples sem comutador. A curva conjugado x escorregamento típica pode ser visto na figura a seguir.

Figura 3.35: Curva característica de conju gado x rotação

Com o propósito de limitar a corrente de partida, um reostato de partida pode ser inserido no circuito de alimentação do estator. O motor Schrage tem usualmente uma faixa de controle de velocidade da ordem de 3:1. Qualquer necessidade de aumento da faixa de variação de velocidade causará o aumento das dimensões do motor resultando em um custo maior. O controle de velocidade com este tipo de motor prova ser efetivo porque as perdas são baixas. 91


O controle de velocidade pode ser feito acima ou abaixo da velocidade base. Desde que o fluxo magnético no enrolamento primário permaneça constante, o controle de velocidade será economicamente vantajoso quando aplicado a uma carga de torque constante. Os motores comutadores de corrente alternada possuem mais desvantagens do que os motores CC devido aos limites maiores de comutação. Devido a isto, os motores Schrage de três enrolamentos são construídos com um sensível aumento de dimensões e de custos em comparação com motores CC. Este tipo de motor portanto pode ser usado em aplicações onde faixa de variação de velocidade seja de 3:1 e onde o ciclo de trabalho não seja intermitente. 3.3.5.2 Acionamento com Motor Assíncrono de Anéis Este método permite tanto variações contínuas como também discretas de velocidade. Neste caso, a velocidade do campo girante é mantida constante, e a velocidade do rotor é alterada de acordo com as condições exigidas pela carga, através de: a) b) c)

variação da resistência rotórica; variação da tensão do estator; variação de ambas, simultaneamente.

Estas variações têm como conseqüência o aumento das perdas rotóricas, o que limita a utilização desse sistema. 3.3.5.2.1 Variação da Resistência Rotórica A variação da resistência do rotor somente é possível externamente ao mesmo. Portanto, este método limita-se apenas às aplicações com motor de rotor bobinado (de anéis). Pode-se conseguir o efeito de variação de velocidade através da variação da resistência do circuito rotórico da máquina, com tensão estatórica constante. Com o aumento da resistência, reduz-se inicialmente a corrente rotórica. Para manter-se o conjugado motor, a corrente deve ser aumentada através do aumento da tensão induzida, que é obtida, por sua vez, pelo crescimento do escorregamento. Geralmente, tais resistências são ligadas em estágios através de contatores, ou reostatos. Com o auxílio de uma ponte retificadora e tiristor existe a possibilidade de variação da resistência do rotor de forma contínua e sem comutação mecânica. Liga-se uma chave eletrônica (tiristor) em paralelo com uma resistência, que periodicamente abre e fecha. Alimentando-se este circuito com uma corrente contínua, pode-se variar a resistência em relação a fonte, através da variação da relação entre o tempo de ligação e o tempo de desligamento da chave. Este processo apresenta perdas ôhmicas na resistência.

92


Figura 3.36: Sistema de variação com pon te retificadora e tiri stor

O conjugado de partida define o valor máximo da resistência R. Em função disto, este valor limita a faixa de variação de velocidade através do controle da variação de resistência do rotor, especialmente com a diminuição do conjugado resistente. O reator L deve evitar um curto-circuito para o dispositivo de regulação fechado, e ao mesmo tempo promover uma circulação contínua de corrente no circuito CC. OBSERVAÇÕES E CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES: 1) A 2) A

faixa de controle da velocidade depende da carga; medida que a velocidade é reduzida, o motor perde consideravelmente a característica de pequena variação de velocidade em função de variações de carga; 3) Para utilizar-se completamente o motor, as mudanças de velocidade deveriam ser feitas com torque constante; 4) As perdas no circuito rotórico são proporcionais ao escorregamento e bastante significativas para conjugado resistente constante em toda faixa de velocidade. Em função destes aspectos, este sistema é utilizado principalmente em:

• aplicações de operação intermitente (curta duração), por exemplo: equipamentos de içamento como guindastes, talhas, guinchos, etc.; • cargas com característica de conjugado quadrático, desde que a faixa de variação de velocidade seja pequena; • faixa de potência típica: 5 a 50 kW.

93


3.3.6 Motores de Duas Velocidades com Enrolamento por Comutação de Pólos O sistema mais comum que se apresenta é o denominado Ligação DAHLANDER. Esta ligação implica numa relação de pólos de 1:2 com conseqüente relação de rotação de 1:2. Podem ser da seguinte forma:

• Conjugado Constante: O conjugado nas duas rotações é constante e a relação de potência é da ordem de 0.63:1. Neste caso o motor tem uma ligação de Δ/YY. Este caso se presta às aplicações cuja curva de torque da carga permanece constante com a rotação. • Exemplo: Motor 0.63/1 CV - IV/II pólos - Δ/YY. • Potência Constante: Neste caso, a relação de conjugado é de 1:2 e a potência permanece constante. O motor possui uma ligação YY/ Δ. Exemplo: 10/10 CV - IV/II pólos - YY/Δ • Conjugado Variável: Neste caso, a relação de potência será de aproximadamente 1:4. É muito aplicado às cargas como bombas, ventiladores. Sua ligação é Y/YY. Exemplo: 1/ 4 CV - IV/II pólos - Y/YY. Tabela 3.6: Resumo das ligações Dahlander ROTAÇÃO TIPO

BAIXA

ALTA

Conjugado Constante

Potência Constante

Conjugado Variável

3.3.6.1 Motores com mais de Duas Velocidades É possível combinar um enrolamento Dahlander com mais um enrolamento convencional, entretanto, essa prática não é comum e somente utilizado em aplicações muito especiais. Por exemplo, um motor Dahlander de 4/8 pólos mais um enrolamento de 6 pólos (motor de 4/6/8 pólos).

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3.3.7 Exercício 2 Para a aplicação do Exercício 1, dimensionar o motor considerando:

• •

Partida Compensadora com TAP de 65%; Redução de 5 vezes a velocidade da carga através de polia e correia;

3.4 ESPECIFICAÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS 3.4.1 Introdução Especificação é uma das etapas mais importantes no projeto e aplicação de um motor, visando assim, explorar ao máximo sua vida útil. Mas o que seria especificação de um motor elétrico? Nada mais é do que a utilização de um motor, equipado com acessórios e itens que proporcionarão uma maior resistência à interferência do ambiente em que será instalado. Esses acessórios serão subdivididos da seguinte forma: • Vedações de Eixo; • Pintura; • Dispositivos de Proteção Térmica; • Acessórios; • Graxas. 3.4.2 Vedações de Eixo A função de uma vedação no eixo é evitar a penetração de impurezas sólidas e líquidas no interior do motor protegendo, principalmente, os rolamentos. Dentre as existentes, segue:

• V’Ring; • Retentor; • Labirinto de Taconite; • W3Seal. 3.4.2.1 V’Ring Vedação utilizada nas linhas Standard e Alto Rendimento Plus como padrão IP55.

95


Figur a 3.37: Vedação V’Ring

Nota: Não é aconselhável utilizar este tipo de vedação em ambientes agressivos, onde os agentes líquidos e sólidos estão presentes em quantidades expressivas ou constantemente. 3.4.2.2 Retentor Vedação utilizada nas linhas Standard e Alto Rendimento Plus como IP56, onde sua aplicação suporta ambientes úmidos, ou com contaminantes líquidos. Os retentores convencionais são de nitrílica, onde suportam uma temperatura máxima de 120ºC. Acima desta temperatura, é necessária a utilização de retentores de viton.

Figur a 3.38: Vedação Retento r

3.4.2.3 Labirinto de Taconite Utilizado em motores submetidos a contaminantes sólidos e abrasivos – IP65. Este componente tem como finalidade garantir a proteção contra penetração de pó no interior do motor quando o ambiente assim exige. Esta vedação é efetuada pela graxa existente entre o labirinto (parte móvel) e a tampa do motor (parte estacionária).

Figura 3.39: Labirin to d e Taconit e

Nota: Utilizado a partir do modelo 90L até 355M/L. 96


3.4.2.4 W3 Seal Utilizado em motores submetidos a contaminantes líquidos e sólidos – IP66. Vedação composta de um labirinto taconite (vedação contra pó), um anel V’ring (vedação contra água) e anel O’ring (fixação e vedação do conjunto no eixo). Esta vedação é altamente eficaz contra a entrada de água e/ou acúmulo de impurezas nos mancais.

Figura 3.40: W3 Seal

Nota: Utilizado a partir do modelo 90L até 355M/L. 3.4.3 Pintura Este item será dividido em: • Plano de Pintura ; • Pintura Interna Anti-Corrosiva.

3.4.3.1 Plano de Pintura Os planos de pintura têm a função de oferecer ao motor uma maior proteção contra os agentes corrosivos, responsáveis pela danificação precoce de sua pintura, de acordo com seu ambiente de trabalho. Segue abaixo os planos de pintura existentes:

97


Tabela 3.7: Planos de Pintura

98


3.4.3.2 Pintura Interna Anti-corrosiva Pintura interna anti-corrosiva tem a função de proteger os componentes internos do motor, na presença de contaminantes em seu interior, sendo estes componentes o estator, rotor, tampas dianteira e traseira, caixa de ligação e principalmente o bobinado, evitando assim falhas por curto-circuito pela baixa isolação do enrolamento. É aconselhável utilizar este acessório em locais onde há interferência constante de agentes líquidos e sólidos.

Figura 3.41: Pintura interna anti-corro siva

3.4.4 Dispositivos de Proteção Térmica A proteção térmica é efetuada por meio de termos-resistência (resistência calibrada), termistores, termostatos ou protetores térmicos. Os tipos de detetores a serem utilizados são determinados em função da classe de temperatura do isolamento empregado, de cada tipo de máquina e da exigência do cliente. Os tipos de protetores utilizados pela WEG são: • Termo-resistência (PT100); • Termistores (PTC, NTC); • Termostatos; • Protetores Térmicos; • Resistência de Aquecimento. 3.4.4.1 Termo-resistência (PT100) São elementos onde sua operação é baseada na característica de variação da resistência com a temperatura intrínseca a alguns materiais (geralmente platina, níquel ou cobre). Possuem resistência calibrada, que varia linearmente com a temperatura, possibilitando um acompanhamento contínuo do processo de aquecimento do motor pelo display do controlador, com alto grau de precisão e sensibilidade de resposta. Sua aplicação é ampla nos diversos setores de técnicas de medição e automatização de temperatura nas indústrias. Geralmente, aplica-se em instalações de grande responsabilidade como, por exemplo, em regime intermitente muito irregular. Um mesmo detetor pode servir para alarme e para desligamento. Desvantagem: os elementos sensores e o circuito de controle possuem alto custo.

99


Figur a 3.42: Termo-Resistência (PT100)

3.4.4.2 Termistores (PTC, NTC) São detetores térmicos compostos de sensores semicondutores que variam sua resistência bruscamente ao atingirem uma determinada t emperatura.

• PTC – coeficiente de temperatura positivo; • NTC – coeficiente de temperatura negativo. O tipo “PTC” é um termistor cuja resistência aumenta bruscamente para um valor bem definido de temperatura, especificado para cada tipo. Essa variação brusca na resistência interrompe a corrente no PTC, acionando um relé de saída, o qual desliga o circuito principal. Também pode ser utilizado para sistemas de alarme ou alarme e desligamento (2 por fase). Para o termistor “NTC” acontece o contrário do PTC, porém, sua aplicação não é normal em motores elétricos, pois os circuitos eletrônicos de controle disponíveis, geralmente são para o PTC. Os termistores possuem tamanho reduzido, não sofrem desgastes mecânicos e têm uma resposta mais rápida em relação aos outros detetores, embora permitam um acompanhamento contínuo do processo de aquecimento do motor. os termistores com seus respectivos circuitos eletrônicos de controle oferecem proteção completa contra sobreaquecimento produzido por falta de fase, sobrecarga, sob ou sobretensões ou freqüentes operações de reversão ou ligadesliga. Possuem um baixo custo, relativamente ao do tipo PT-100, porém, necessitam de relé para comando da atuação do alarme ou operação.

Figur a 3.43: Termis tor es (PTC, NTC)

3.4.4.3 Termostatos São detetores térmicos do tipo bimetálico com contatos de prata normalmente fechados, que se abrem quando ocorre determinada elevação de 100


temperatura. Quando a temperatura de atuação do bimetálico diminuir, este volta a sua forma original instantaneamente permitindo o fechamento dos contatos novamente. Os termostatos podem ser destinados para sistemas de alarme, desligamento ou ambos (alarme e desligamento) de motores elétricos trifásicos, quando solicitado pelo cliente. São ligados em série com a bobina do contator. Dependendo do grau de segurança e da especificação do cliente, podem ser utilizados três termostatos (um por fase) ou seis termostatos (grupo de dois por fase). Para operar em alarme e desligamento (dois termostatos por fase), os termostatos de alarme devem ser apropriados para atuação na elevação de temperatura prevista do motor, enquanto que os termostatos de desligamento deverão atuar na temperatura máxima do material isolante.

Figura 3.44: Visualização do aspecto i nterno e externo do termos tato

3.4.4.4 Protetores Térmicos São do tipo bimetálico com contatos normalmente fechados. Utilizados, principalmente, para proteção contra sobreaquecimento em motores de indução monofásicos, provocado por sobrecargas, travamento do rotor, quedas de tensão, etc. São aplicados quando especificados pelo cliente. O protetor térmico consiste basicamente em um disco bimetálico que possui dois contatos móveis, uma resistência e um par de contatos fixos. O protetor é ligado em série com a alimentação e, devido à dissipação térmica causada pela passagem da corrente através da resistência interna deste, ocorre uma deformação do disco, tal que, os contatos se abrem e a alimentação do motor é interrompida. Após ser atingida uma temperatura inferior à especificada, o protetor deve religar. Em função de religamento, pode haver dois tipos de protetores:

• Protetor com religamento automático, onde o rearme é realizado automaticamente; • Protetor com religamento manual, onde o rearme é realizado através de um dispositivo manual. 101


Figura 3.45: Visualização do aspecto i nterno do prot etor térmico Tabela 3.8: Comparativa entre os sistemas de pro teção mais comu ns

Termoresistor (PT100)

Termistor (PTC e NTC)

Mecanismo de proteção

Resistência calibrada

Resistor de avalanche

Disposição

Cabeça de bobina

Cabeça de bobina

Forma de atuação

Comando externo de atuação na proteção

Comando externo de atuação na proteção

Corrente de comando

Corrente de comando

Temperatura

Temperatura

3 ou 6

3 ou 6

3 ou 6 1 ou 3

1

Alarme e/ou desligamento

Alarme e/ou desligamento

- Desligamento - Alarme e/ou desligamento

Desligamento

Limitação de corrente Tipo de sensibilidade Número de unidades por motor Tipos de comando

Termostato - Contatos móveis - Bimetálicos - Inserido no circuito - Cabeça de bobina - Atuação direta - Comando externo de atuação na proteção - Corrente do motor - Corrente do comando Corrente e temperatura

Protetor Térmico Contatos móveis Inserido no circuito

Atuação direta

Corrente do motor Corrente e temperatura

3.4.4.5 Resistência de Aquecimento Resistência de aquecimento é um acessório instalado na “cabeça de bobina”, onde têm a função de manter a temperatura interna do motor de 5 a 10ºC acima da temperatura ambiente, evitando assim a condensação de água no interior do motor. Para motores em estoque e recém desligado é recomendada a utilização da resistência de aquecimento.

102


Figura 3.46: Resistência de Aquecim ento Tabela 3.9: Tabela de especificação da resistência de aquecimento

Carcaça 63 / 71 / 80 90 / 100 112 132 / 160 180 / 200 225 / 250 280 / 315 355 / 315B

Quantidade resistências 1 x 7,5W 1 x 11 W 2 x 11 W 2 x 15 W 2 x 19 W 2 x 28 W 2 x 70 W 2 x 87 W

de Potência (W) 7,5 11 22 30 38 56 140 174

Total

NOTA: Nunca utilizar a resistência de aquecimento com o motor energizado. 3.4.5 Acessórios 3.4.5.1 Ventilador e Tampa Defletora de Ferro Fundido Ventilador e tampa defletora de ferro fundido são utilizados em locais onde há necessidade de uma maior robustez (rigidez mecânica) pela agressividade do ambiente e em locais onde o motor está exposto a produtos corrosivos (produtos químicos ou ambientes marítimos).

Figura 3.47: Ventilador e Tampa Defletora

103


3.4.5.2 Chapéu O chapéu é um acessório de fundamental necessidade em motores que operam na posição vertical, com a ponta do eixo para baixo (forma construtiva V1), pois sem esta proteção haverá uma grande probabilidade da entrada de contaminantes no interior do motor pela vedação do mancal traseiro.

Figura 3.48: Motor com c hapéu

3.4.5.3 Kit de Ventilação Forçada Motores auto-ventilados são aqueles que alimentados com tensão e freqüência nominal, possuem por concepção de projeto, uma ventilação suficiente para garantir uma temperatura de trabalho aceitável, através das trocas térmicas entre o equipamento e o meio ambiente. Nas aplicações de variação de velocidade, onde mesmo em baixas rotações a carga exige do motor um torque constante, é necessária a utilização do kit de ventilação forçada, pois com esta redução, a ventilação do motor será reduzida e a temperatura interna aumentará desordenadamente.

Figura 3.49: Motor equip ado com v entilação forçada

104


3.4.6 Exercício 3 Considerando que o motor dimensionado no Exercício 2, opere nas condições abaixo, especifique o motor e acessórios que melhor atendam a aplicação: 1) Aplicação: Ventilador do Forno de Cal; 2) Ambiente: Exposto a grande quantidade de pó de cal em suspensão (pó corrosivo); 3) Temperatura Ambiente: 50ºC 4) Dados de Processo: Equipamento trabalha 350 dias/ano, ficando aproximadamente 15 dias parado no ambiente de trabalho.

3.5 CONVERSORES ESTÁTICOS DE FREQÜÊNCIA 3.5.1 Introdução O mais eficiente método controle de velocidade de motores de indução trifásicos, com menores perdas no dispositivo responsável pela variação da velocidade, consiste na variação da freqüência (f 1) da fonte alimentadora através de conversores de freqüência, onde o motor pode ser controlado de modo a prover um ajuste contínuo de velocidade e conjugado com relação à carga mecânica. Conforme visto no capítulo II, através do equacionamento da máquina assíncrona, sabemos que para o conjugado desenvolvido pelo motor assíncrono vale a seguinte relação: C = φ m I . 2

e que o fluxo depende da relação U 1/f 1, desprezando-se a queda de tensão na resistência R1 e na reatância de dispersão X d1 do estator, pode-se dizer que :

105


φm =

U 1 f 1

Onde: φm = Fluxo de magnetização; I2 = Corrente do rotor; U1 = Tensão estatórica; f 1 = Freqüência da rede. Para possibilitar a operação do motor com torque constante para diferentes velocidades, deve-se fazer variar a tensão U 1 proporcionalmente com a variação da freqüência f 1 mantendo desta forma o fluxo constante. 3.5.2 Tipos de Conversores Estáticos de Freqüência Um conversor de freqüência converte a tensão da rede de amplitude e freqüência constantes em uma tensão de amplitude e freqüência variáveis. Esta conversão, pode ser obtida direta ou indiretamente:

• Conversão Direta: onde se enquadram os cicloconversores; • Conversão Indireta: onde se enquadram os conversores com Circuito Intermediário.

Figura 3.50: a) Cicloconv ersor b) Formação da tensão

3.5.2.1 Conversor Regulador Direto – Cicloconversores O cicloconversor é um conversor regulador direto comutado pela rede, isto é, a tensão de comutação é fornecida diretamente pela rede de alimentação. Conforme a figura acima, ele consiste de 6 pontes trifásicas as quais em pares alimentam cada uma das fases da carga. As duas pontes, de cada fase, assim operam em um circuito antiparalelo, isto é, uma ponte fornece a corrente positiva e a outra ponte fornece a corrente negativa do meio ciclo de uma fase da carga (motor). As tensões de saída são obtidas pelo controle dos pulsos da tensão secundária do transformador do conversor. A freqüência de saída pode ser 106


determinada pela seleção dos intervalos de mudança da ponte direta para a ponte reversa. Este tipo de conversor é usado principalmente onde baixas freqüências (0 a 20 Hz) são ajustadas continuamente e em acionamentos de grandes potências. Isto se deve ao fato de que para freqüências maiores que 20 Hz, o intervalo de disparo dos tiristores para geração de uma onda fundamental de tensão já não é mais possível, pois ocorre uma distorção excessiva na forma de onda de saída, não existindo o comportamento de uma senóide. Exemplos de utilização :

• Laminadores de Tubo, com motores síncronos a baixa velocidade (12 a 20 RPM); • Refundição de Escórias, onde freqüências de 0 a 10 Hz são requeridas; • Moinhos de cimento, com motores síncronos de baixa rotação (velocidade até 15 RPM), com elevado número de pólos. 3.5.2.2 Conversor Regulador indireto - Conversores com Circuito Intermediário O conversor indireto é composto de um retificador (controlado ou não) que produz uma tensão contínua, e um inversor que produz a partir desta tensão contínua uma tensão alternada de freqüência variável. O desacoplamento entre o retificador e o inversor é feito com um circuito intermediário (link DC), de tal forma que a formação da tensão de saída é completamente independente da rede em termos de tensão e freqüência. Os conversores indiretos podem ainda ser classificados quanto às características de seu circuito intermediário:

• Circuito Intermediário com Corrente Imposta; • Circuito Intermediário com Tensão Imposta; 3.5.2.2.1 Técnica de Corrente Imposta Nos conversores de freqüência de corrente imposta, a corrente é fornecida ao motor de modo que a amplitude e o ângulo de fase da tensão dependam das condições da carga. Basicamente, o conversor é composto de um retificador controlado (tiristores), um circuito intermediário CC com uma indutância responsável pela corrente imposta, e de um inversor com diodos de bloqueio e capacitores de comutação, conforme descrito na figura:

107


M Motor

Figura 3.51: a) Bloco diagrama de conversor por co rrente impo sta b) Formas de onda de tensão e cor rente.

Os diodos de bloqueio servem para desconectar os capacitores do motor. Como neste circuito a relação de fase entre a tensão e a corrente do motor ajusta-se automaticamente de acordo com a carga este conversor é capaz de devolver energia à rede. Isto acontece se o ângulo de fase está acima de 90 o elétricos para s<0 (máquina operando como gerador). A polaridade da tensão do circuito intermediário inverte para que o retificador de entrada (ponte de tiristores) opere como inversor e devolva energia à rede. Portanto, este conversor está apto a operar nos 4 quadrantes sem custos adicionais. Através do inversor, a corrente definida no circuito intermediário resulta, em cada fase, em blocos de corrente (forma retangular) com 120º de duração e 60º de repouso. A tensão nos bornes da máquina é quase senoidal. Como o dispositivo de comutação opera em função da carga, este conversor é mais adequado a acionamentos monomotores. Comparando-se com os conversores de freqüência por tensão imposta, ele apresenta as seguintes vantagens: possibilidade de operação nos quatro quadrantes sem a necessidade de incremento de equipamentos adicionais; b) circuito de comutação extremamente simples e de custo relativamente pequeno; c) os tiristores do inversor têm aproveitamento otimizado quando a sua capacidade em função da forma retangular da corrente. a)

E as seguintes desvantagens: a) b) c)

o conversor e o motor devem ser adaptados um ao outro, com a corrente podendo variar dentro de certos limites; os capacitores de comutação têm que estar dimensionados de acordo com as reatâncias de dispersão do motor; adequado ao acionamento de um único motor (caracterizando-se desvantagem quando a aplicação requer acionamento multimotor onde não exista compromisso de funcionamento sempre de todos os motores).

108


Para o controle de motores síncronos o conversor de freqüência de corrente imposta possui, no inversor, pontes convencionais de tiristores, uma vez que o motor síncrono pode fornecer a potência reativa exigida pelo inversor para sua comutação e, portanto, sem os capacitores de comutação e diodos de bloqueio necessários para o controle de máquinas assíncronas. Este conversor de freqüência tem aplicação garantida onde as exigências da carga são atendidas de forma melhor pelos motores síncronos. As razões principais para a escolha deste tipo de motor são:

• acionamento de grande potência aliada a uma alta velocidade; • em motores de grande potência, estes dispõem de um rendimento consideravelmente maior do que o de um motor de indução (assíncrono); • características torque-velocidade durante a partida sensivelmente melhor do que nos motores de indução; • possibilidade de geração de potência reativa. 3.5.2.2.2 Técnica de Tensão Imposta Através de um conversor de freqüência de tensão imposta, a tensão do circuito intermediário CC (link DC) é imposta ao motor e a amplitude e o ângulo de fase da corrente do motor dependerão da carga a ser acionada. Sendo necessário para este tipo de conversor a característica de se manter a relação U/f constante, para se manter o fluxo de magnetização constante e conseqüentemente o torque disponível no motor igual ao nominal para qualquer rotação (conforme visto anteriormente), temos que a tensão deve variar proporcionalmente com relação a freqüência. Nos sistemas com tensão imposta existem várias formas de se obter esta relação U/f (tensão/freqüência) proporcional. Entre elas temos: 3.5.2.2.2.1 Tensão no Circuito Intermediário Variável Neste sistema, o retificador de entrada é composto por tiristores que são controlados de forma a fornecer uma tensão no circuito intermediário variável em função da freqüência de saída fornecida ao motor, freqüência esta que é determinada através da ponte de tiristores que comutam (liga/desliga) em uma seqüência controlada, de forma a se obter na saída um sistema trifásico com uma forma de onda de tensão conforme descrito abaixo. Com este sistema, é possível também utilizar-se uma ponte retificadora controlada na entrada com tiristores ligados em antiparalelo, podendo-se obter frenagem regenerativa com este conversor.

109


Figura 3.52: a) Retificador cont rolado direto b) Retificador con trolado antiparalelo

Figura 3.53: Forma de ond a de tensão e de corrente de saída com ci rcuit o in termediário variável

Outro sistema que utiliza circuito intermediário variável é o descrito a seguir:

Figura 3.54: Conversor co m circu ito int ermediário variável através de " CHOPPER"

Através deste sistema, a entrada é formada por um retificador não controlado com uma ponte de diodos, obtendo-se uma tensão U d1 fixa. Em seguida 110


esta tensão é modificada em função da freqüência de saída através do circuito CHOPPER, que é um conversor CC/CC, obtendo-se a tensão intermediária variável Ud2, que é aplicada à saída com freqüência variável através da ponte de transistores que comutam (liga/desliga) em uma seqüência controlada, de forma a se obter na saída um sistema trifásico com uma forma de onda de tensão conforme descrito anteriormente. 3.5.2.2.2.2 Tensão no Circuito Intermediário Constante Com este sistema, a tensão no circuito intermediário é constante e obtida através de uma ponte de diodos e um banco de capacitores que formam o circuito intermediário (link DC), cujo assunto será abordado em maiores detalhes no item a seguir. 3.5.3 Conversores de Freqüência com Modulação por Largura de Pulsos (pwm) 3.5.3.1 Generalidades Um conversor de freqüência com modulação por largura de pulsos consiste basicamente dos seguintes blocos, conforme mostra a figura a seguir: I - Fonte de tensão contínua elaborada a partir de uma ponte retificadora (diodos) alimentada por uma rede monofásica ou trifásica; II - Filtro capacitivo (link DC); III - Inversor constituído de transistores de potência;

Figura 3.55: Diagrama de blocos de converso r tip o PWM

A ponte retificadora de diodos transforma a tensão alternada de entrada em uma tensão contínua que é filtrada por um banco de capacitores. O circuito de corrente contínua é chamado de CIRCUITO INTERMEDIÁRIO. Esta tensão contínua alimenta uma ponte inversora formada por transistores de potência (BJT, IGBT ou MOSFET) e diodos de roda livre. O comando das bases dos transistores, feito pelo circuito de comando (que utiliza um microcontrolador), permite a geração de pulsos para o motor com tensão e freqüência controladas. O formato dos pulsos obedece ao princípio de modulação denominado PWM Senoidal, que permite um acionamento com corrente praticamente senoidal no motor. A configuração do módulo é composta de transistores de potência. Usando transistores, ao invés de tiristores, evitamos a utilização de elementos de comutação 111


para o desligamento dos tiristores, bastando remover a corrente de base dos transistores. Para formar um sistema de tensões trifásicas com um conversor, os transistores são chaveados com sinais gerados externamente, por um microcontrolador digital numa seqüência pré-estabelecida, gerando uma forma de onda retangular ou escalonada de um sistema trifásico, nos terminais de saída CA. Aumentando-se ou diminuindo-se a taxa de variação do chaveamento, pode-se alterar a freqüência do sistema trifásico gerado, inclusive aumentando a freqüência acima do valor da rede, uma vez que a conversão CC desacopla a saída da entrada. (Maiores detalhes vide anexo I). O circuito de controle é responsável pela geração dos pulsos de disparo dos transistores, monitoração e proteção dos componentes da potência, interpretação dos comandos, proteção e segurança. Comparados com tiristores, os transistores podem chavear muito mais rapidamente. Portanto, possuem uma vasta área de aplicação em inversores de alta freqüência que empregam modulação por largura de pulsos. A maior desvantagem é que os transistores necessitam de corrente contínua na base durante o estado de condução, mas o custo do circuito necessário para tal é compensado pela dispensa de elementos de comutação. A figura a seguir mostra os componentes de potência do circuito inversor básicos para um inversor trifásico, com diodos de circulação (roda livre) e com carga trifásica (indutiva).

Figura 3.56: a) Circuito in versor tri fásico com t ransistor es de potência. b) Forma de on da da tensão d e saída c) Forma de onda da co rrente de saída

A variação U/f é feita linearmente até a freqüência nominal do motor (50/60 Hz), acima desta, a tensão que já é a nominal permanece constante e há então apenas a variação da freqüência que é aplicada ao enrolamento do estator.

112


Figura 3.57: Curva representativa da variação U/f.

Com isto determinamos uma área acima da freqüência nominal que chamamos região de enfraquecimento de campo, ou seja, uma região onde o fluxo começa a decrescer e, portanto, o torque também começa a diminuir. Assim a curva característica conjugado x velocidade do motor acionado com conversor de freqüência pode ser colocada da seguinte maneira:

Figura 3.58: Curva característica conjug ado x v elocidade

Podemos notar então, que o conjugado permanece constante até a freqüência nominal e, acima desta, começa a decrescer. A potência de saída do conversor de freqüência comporta-se da mesma forma que a variação U/f, ou seja, cresce linearmente até a freqüência nominal e permanece constante acima desta.

Figura 3.59: Curva característica da potência d e saída do c onversor .

A figura a seguir mostra o comportamento conjugado x velocidade, idealizado da máquina assíncrona em todos os quadrantes de acionamento. Com a 113


variação da freqüência obtém-se um deslocamento paralelo da curva característica conjugado x velocidade em relação à curva característica para freqüência nominal (50 ou 60 Hz).

Figura 3.60: Curva característica conju gado x velocidade, em todo s quadrantes de acionamento.

Ou também de uma forma mais simplificada:

Figura 3.61: Exemplo de curv a de conjugado com tensão propor cional a freqüência.

Teoricamente existem duas faixas de atuação: uma com o fluxo constante, até a freqüência nominal, e outra, com enfraquecimento de campo, correspondente àquela acima da freqüência nominal, ou seja:

• f s = 0 Hz até f nom : U/f = constante = fluxo constante • f s maior do que f nom : U/f = enfraquecimento de campo. Entretanto, na realidade, para que essas duas faixas possam ser possíveis, há necessidade de se considerar os seguintes fatores: Se um motor autoventilado trabalha com velocidade menor do que a nominal, terá sua capacidade de refrigeração diminuída. 2) A corrente de saída dos conversores apresenta uma forma não perfeitamente senoidal, o que implica em harmônicas de ordem superior, que provocam um aumento de perdas no motor. 1)

Devido a isso, em caso de cargas com característica de conjugado constante (para maiores detalhes vide item capítulo V), é necessário reduzir-se o 114


conjugado e potências admissíveis no motor. Aconselha-se normalmente seguir a seguinte curva:

C CN

1/2

1,0

f/f n

Figura 3.62: Curva de conjug ado x freqüência para uso de moto r com converso r de freqüência.

3.5.4 Controle Escalar Entende-se por controle escalar o sistema de controle de velocidade feito por conversores de freqüência convencionais, onde é necessária apenas a variação de velocidade em aplicações normais e que não requerem elevadas dinâmicas e precisões, nem controle de torque (corrente). O circuito de potência do conversor é igual para os dois sistemas (escalar ou vetorial) conforme visto anteriormente, sendo que o que difere entre os dois é a forma com que é executado o controle de velocidade do motor. Em um sistema com controle escalar, é possível uma precisão de velocidade de até 0,5% da rotação nominal sem variação de carga, e de 3% a 5% com variação de carga de 0 a 100% do torque nominal. Pelo princípio de funcionamento e aplicação, são utilizados na maioria das vezes motores de indução convencionais sem nenhum sistema de realimentação de velocidade (tacogerador acoplado ao motor) em malha fechada. A faixa de variação de velocidade é pequena e da ordem de 1:10 (Ex: 6 a 60 Hz). Com estas características, o conversor de freqüência convencional (escalar), é utilizado em maior escala, pois apresenta um custo relativo menor que o conversor com controle vetorial, como também em relação a um acionamento por motor CC e conversor CA/CC. A fim de estabelecer um comparativo da precisão de regulação de velocidade, apresentamos a seguir uma tabela com valores característicos para um motor de 3 CV, 4 pólos, com variação de velocidade feita através de conversor de freqüência em quatro situações distintas: conversor direto, conversor com ajuste de compensação de escorregamento nominal, conversor com ajuste de compensação de escorregamento otimizado e conversor realimentado por tacogerador de pulsos acoplado ao motor.

115


CARG A FREQ. (HZ) 5 10 20 30 40 50 60 70 80

Tabela 3.9: Conversor sem e com compensação de escorr egamento n omin al SEM COMPENSAÇÃO COM COMPENSAÇÃO VAZIO 50% 100% VAZIO 50% 100% RPM

%

RPM

%

RPM

%

RPM

%

RPM

%

RPM

%

149 300 599 904 1208 1507 1807 2106 2404

0 0 0 0 0 0 0 0 0

99 266 571 880 1178 1480 1785 2068 2340

34 11 4,8 2,2 1,8 1,3 0,8 1,5 2,5

80 143 486 802 1107 1415 1715 1989 2262

46 52 19 10 7,7 5,6 4,7 5,2 5,7

176 326 628 934 1236 1535 1836 2133 2429

17 8 4,6 3,7 3 2,3 2 1,5 1,2

133 305 618 922 1223 1530 1820 2114 2420

11 1,6 3 2,4 1,9 2 1,1 0,6 0,8

130 253 579 891 1202 1511 1801 2090 2393

11 15 3,5 1 0 0,7 0 0,4 0,3

Tabela 3.10: Conversor com c ompensação de escorregamento o timizado e realimentação por tacogerador de pulsos. COM COMPENSAÇÃO OTIMIZADA COM REALIMENTAÇÃO POR TACO CARGA VAZIO 50% 100% VAZIO 50% 100% FREQ RPM % RPM % RPM % RPM % RPM % RPM % . (HZ) 5 187 24 176 17 145 3,3 160 6,6 160 6,6 160 6,6 10 336 12 328 9,3 322 7,3 312 4 312 4 311 4 20 641 6,8 633 5,5 634 5,5 612 2 612 2 611 2 30 944 4,8 937 4,1 940 4,4 910 1,1 910 1,1 910 1,1 40 1250 4,1 1238 3,1 1243 3,5 1212 1 1212 1 1211 1 50 1551 3,4 1537 2,4 1551 3,4 1510 0,6 1510 0,6 1509 0,6 60 1850 2,7 1838 2,1 1833 1,8 1810 0,5 1810 0,5 1810 0,5 70 2139 1,8 2122 1 2112 0,5 2109 0,4 2109 0,4 2109 0,4 80 2435 1,4 2412 0,5 2395 0,2 2409 0,3 2409 0,3 2409 0,3

3.5.5 Controle Vetorial Em aplicações onde se faz necessário uma alta performance dinâmica (resposta rápidas e alta precisão), o motor elétrico deverá fornecer essencialmente um controle preciso de torque para uma faixa extensa de condições de operações. Para tais aplicações os acionamentos de corrente contínua sempre representaram uma solução ideal, pois, a proporcionalidade da corrente de armadura, do fluxo e do torque num motor de corrente continua proporciona um meio para o controle de torque. Contudo, a busca por avanços tecnológicos significativos, tem diminuído esta hegemonia, e gradativamente, estão crescendo as opções por novas alternativas como o uso de acionamentos em corrente alternada do tipo controle vetorial. Principio do Controle Vetorial Para que se tenha um controle vetorial bom é necessário que o inversor tenha a capacidade de suprir a corrente desejada pelo controle, neste caso tem se que usar um inversor PWM em alta freqüência com uma tensão adequada em relação a tensão do motor. Neste caso como podemos impor a corrente pelos 116


reguladores de corrente a equação que descreve a tensão do motor em relação as suas características é resolvida pelo inversor e, portanto, pode ser suprimida do modelo matemático do motor. O fluxo rotórico, de modo semelhante ao acionamento da máquina de corrente continua e mantido no valor nominal em velocidade abaixo da velocidade nominal e trabalha reduzido em velocidade acima da nominal (enfraquecimento de campo). A diferença de velocidade (erro) é aplicada ao regulador de velocidade que atua sobre o valor de referencia de corrente isq, que é a responsável pelo torque do motor, variando este de modo a zerar o erro de velocidade. O encoder incremental acoplado ao eixo do motor fornece a referencia da velocidade real.

• Controle Vetorial Orientado ao Fluxo Estatórico (sensorless) No controle sensorless (sem encoder, ou seja, sem medida direta da velocidade) o valor da velocidade necessário para a regulação em malha fechada é estimado a partir dos parâmetros do motor e das variáveis disponíveis como: corrente e tensão do estator. Com estes valores pode ser calculado o fluxo estatórico através de λs=∫(VS - Rs.Is)dt, desta forma estima-se o fluxo rotórico a partir do fluxo estatórico. Embora isto envolva o calculo das indutâncias do motor, tornando desta forma a orientação de campo sensível a variação deste parâmetro. Desta forma o controle pelo fluxo estatórico é mais conveniente, resultando num sistema mais robusto. O principio de controle é igual ao do controle com encoder.

• Controle Vetorial Orientado ao Fluxo Rotórico (com encoder) Princípi o da Orientação de campo Se a posição do fluxo rotórico for conhecida pode se encontrar a direção das correntes no estator. Podemos decompor do vetor de fluxo rotórico as correntes isd e isq que definem o torque como: Te = K.imr .isq Temos para o torque uma relação semelhante ao de uma máquina CC. Onde imr= corrente de magnetização. A corrente de magnetização é controlada pela componente isd que pode ser comparada com a tensão de campo do motor CC. Neste caso controlando a amplitude do vetor da corrente estatórica e sua fase em relação ao fluxo rotórico é possível controlar o torque do motor de indução semelhante a uma máquina CC. Tendo então o controle do torque, pode ser adicionada uma malha fechada de velocidade, desta forma obtendo um acionamento completo. 117


SELF-COMMISSIONING O controle vetorial tem uma maior performance no acionamento do motor de indução do que o controle escalar. Nos diagramas de blocos vemos a existência de vários reguladores PI que precisam ter seus valores de controle adequados para cada acionamento para melhorar a estabilidade e boa resposta dinâmica. Para isto é preciso estimar algumas variáveis. Neste caso é preciso ter um bom conhecimento dos parâmetros do motor. Com o sistema self-commissioning o próprio inversor mede os parâmetros do motor. Para o ajuste dos reguladores, desta forma facilitando a colocação em operação. As medições feitas pelo inversor vetorial são:

• • • • • •

Medição da resistência estatórica; Medição da indutância de dispersão total; Ajuste dos reguladores de corrente; Medição da corrente de magnetização; Medição da constante rotórica; Medição da constante mecânica.

Operação

• Ajuste do regulador de velocidade Embora o inversor com encoder através do self-commisioning é necessário o ajuste dos parâmetros do regulador de velocidade em função da aplicação. Para o sistema com controle sensorless também é preciso um ajuste fino, pois o inversor não estima a constante mecânica da carga. Estes ajustes dos parâmetros P e I geram uma melhor estabilidade e resposta dinâmica.

• Operação Abaixo de 3 Hz O motor pode operar nesta freqüência desde que por um tempo pequeno caso contrario o inversor perde a orientação.

• Precisão Estática de Velocidade Depende apenas do método de medição e da precisão da referencia de velocidade.

• Ajuste Fluxo/Corrente de Magnetização/Enfraquecimento de Campo Quando o motor trabalha abaixo da rotação nominal com torque constante deve-se manter o fluxo do motor no seu valor máximo de modo a manter uma boa relação entre torque e corrente estatórica. Neste caso tem se que analisar a 118


capacidade do inversor em impor as correntes necessárias para que a orientação de campo não fique prejudicada e tem-se como resultado uma oscilação de velocidade e a impossibilidade de atingir a velocidade desejada. Neste ponto tem se que o inversor deva ter uma margem de tensão suficiente para a imposição das correntes mesmo na condição de tensão de rede baixa, para isso pode ser necessário reduzir o ponto de inicio do enfraquecimento de campo Como vimos, o controle vetorial representa, sem duvida, um avanço tecnológico significativo, aliado as performances dinâmicas de um acionamento CC e as vantagens de um motor CA, porem, em alguns sistemas que utilizam controle vetorial é necessário o uso de tacogerador de pulsos acoplado ao motor para que se tenha uma melhor dinâmica, o que torna o motor especial. Além disso, a função de regeneração é mais complicada, pois requer circuitos adicionais tais como ponte retificadora antiparalela na entrada e hardware adicional para regeneração, em comparação a um acionamento por motor CC e conversor CA/CC. 3.5.5.1 Observações e Considerações Importantes 1)

Quanto menor a tensão e a freqüência do estator, mais significativa é a queda de tensão no estator, de modo que para baixas freqüências, mantendo-se a proporcionalidade entre a freqüência e a tensão, o fluxo e conseqüentemente o conjugado da máquina diminui bastante. Para que isto seja evitado, a tensão do estator para baixas freqüências deve ser aumentada, através da compensação IxR, conforme figura a seguir:

Figura 3.63: Curva característica U/f com compensação IxR

Para a faixa compreendida entre 0 a aproximadamente 10 Hz, a relação entre U1 e Φ não é determinada facilmente, pois dependem tanto de f 1 (freqüência estatórica) como de f 2 (freqüência rotórica). Portanto, a elevação da tensão em baixas freqüências depende também da freqüência do escorregamento e conseqüentemente da carga. Relações U1/f 1 acima dos valores nominais estão limitadas em função de que para altos valores de tensão ocorre a saturação e o conseqüente enfraquecimento do campo. Combinando as equações já apresentadas e

2)

119


com a consideração de pequenos valores de escorregamento e supondo f 2 proporcional a f 1, podemos dizer que:

• o conjugado máximo decresce com o quadrado da velocidade (1/n 2); • o conjugado nominal decresce hiperbolicamente com a velocidade (1/n), e decresce aproximadamente com o quadrado do fluxo ( Φ2); • aproximadamente, a velocidade máxima com potência constante é: ⎛ C ⎞ n mx < ⎜⎜ mx ⎟⎟ × n nom ⎝ C nom ⎠

Figura 3.64: Enfraquecimento d e campo para valores d e tensão e freqüência acima dos nominais

Em função de que as formas de onda, tanto de tensão como de corrente, produzidas pelos conversores de freqüência não são senoidais, com um alto conteúdo de harmônicos de 5ª, 7ª, 11ª e 13ª ordem, as perdas nos motores são maiores. Portanto, faz-se necessário uma redução nas características nominais do motor de aproximadamente 10%.

3)

O controle de velocidade de máquinas assíncronas, principalmente em aplicações que exigem elevadas dinâmicas do acionamento, é mais difícil do que nas máquinas de corrente contínua. Ao contrário do motor CC, no qual as grandezas que resultam no conjugado motor, ou seja, a corrente de armadura e corrente de campo podem ser controladas, no motor assíncrono apenas a corrente do estator é acessível. A corrente de magnetização e a corrente do rotor podem ser determinadas apenas indiretamente. Entretanto, altas performances de acionamentos CA podem ser também alcançadas quando, por processos de decomposição vetorial, a corrente do estator é dividida em duas componentes, uma componente de fluxo e outra de torque, onde ambas são controladas independentemente, de forma análoga aos acionamentos com motores CC de excitação independente.

4)

120


3.5.6 Constituição Básica do Controlador Eletrônico Os controladores eletrônicos dos conversores de freqüência na atualidade são constituídos basicamente de controladores lógicos digitais, que executam todas as funções operacionais do conversor, como: geração dos pulsos de disparo dos transistores, monitoração e proteção dos componentes de potência, interpretação dos comandos, implementação das funções especiais de controle, etc. De uma forma genérica, o controlador pode ser basicamente dividido nas seguintes partes:

• Microcontrolador (CPU); • Memórias (EPROM - EEPROM - RAM); • Sistema de entrada e saída de dados. Cada parte do controlador tem uma função específica, ao qual veremos a seguir. Microcontrolador O microcontrolador, ou unidade central de processamento (UCP), é a unidade responsável em coordenar todas as tarefas e executar os cálculos. Ela também pode ser chamada de processador e pode ser dividida em três partes básicas: Unidade Lógica Aritmética (ULA), Unidade de Controle e Rede de Registradores. A unidade aritmética é a responsável pela execução dos cálculos com os dados. Por exemplo, as operações lógicas básicas (E, OU, etc.) entre dois dados ou as operações aritméticas como soma, divisão, subtração, multiplicação, etc. A unidade de controle é a responsável por gerar os sinais de controle para os sistemas, como leitura ou escrita da memória, de sincronização de interface de comunicação, enfim, todos os sinais de controle necessários para o sistema. A rede de registradores é constituída por uma série de registradores que são utilizados geralmente para armazenar dados temporariamente, dados que estão sendo manipulados pelo processador, ou registrador utilizado como contador de programa, ou ainda, registrador utilizado como armazenador de endereços, etc. Com o avanço da microeletrônica, a construção de microprocessadores dedicados (microcontroladores) tornou-se mais generalizada, onde todas as funções que anteriormente eram executadas através da utilização de vários circuitos integrados individuais, foram sendo condensadas em um único circuito integrado (CHIP). Daí então se tornou perceptível a distinção entre microprocessadores, que são circuitos integrados para aplicação genérica e microcontroladores, que são circuitos integrados para aplicações dedicadas. Memórias (EPROM - EEPROM - RAM) As memórias em circuito integrado podem ser divididas em dois grupos distintos:

• Memória ROM (Read Only Memory) - Memória apenas de leitura; 121


• Memória RAM (Random Acess Memory) - Memória de acesso aleatório. As memórias ROM são designadas como memórias de programa por serem memórias que não podem ser alteradas pelo programa, porém tem a vantagem de não perderem as suas informações mesmo quando é desligada a alimentação. As memórias ROM são utilizadas para armazenar os programas ou dados que não necessitam ser alterados. Entre os principais tipos de memórias ROM, podem ser destacados os seguintes:

• ROM MÁSCARA - São memórias nas quais as informações são gravadas em sua fabricação; • PROM (Programmable Read Only Memory) - São memórias que podem ser eletricamente programáveis, porém, depois de programadas, o seu conteúdo não pode ser mais alterado; • EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) - São memórias que podem ser eletricamente programáveis e podem ser apagadas posteriormente, para serem reutilizadas com uma nova programação. Para serem apagadas, estas memórias devem ser expostas à luz ultravioleta; • EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) Também são memórias que podem ser eletricamente programáveis e podem ser apagadas posteriormente, para serem reutilizadas com uma nova programação. Estas memórias podem ser apagadas através de sinais elétricos, o que as torna muito mais versáteis onde é necessário programar dados que devem ser alterados continuamente, mas que não podem ser perdidos quando da falta de alimentação. Este tipo de memória é que é utilizada internamente dos controladores dos conversores de freqüência, pois é nela que se armazenam os dados referentes aos parâmetros de operação e características de funcionamento do conversor, dados que são alterados conforme as características da aplicação e que não podem ser perdidos quando da desenergização do conversor. As memórias RAM são designadas como memórias de dados e são memórias que podem ser lidas ou gravadas pelo programa. As memórias RAM são utilizadas para armazenar temporariamente dados que são alterados no decorrer do programa. As memórias RAM possuem a característica de perder os dados armazenados quando da falta de alimentação, e atualmente, elas já se encontram incorporadas no mesmo circuito integrado do microcontrolador, visando a diminuição de espaço e número de componentes na placa de circuito impresso. Sistema de entrada e saída de dados O sistema de entrada e saída de dados é composto de dispositivos responsáveis pela interligação entre o homem e a máquina. São os dispositivos por onde o homem pode introduzir informações na máquina ou por onde a máquina pode enviar informações ao homem. Para os conversores de freqüência, podemos citar os seguintes dispositivos: 122


MÁQUINA : é um dispositivo de entrada/saída de • INTERFACE HOMEM x MÁQUINA: dados, onde o operador pode entrar com os valores dos parâmetros de operação do conversor, como: ajuste de velocidade, tempo de aceleração/desaceleração, freqüência máxima e mínima, limitações de corrente, etc. e também pode ter acesso aos dados de operação do conversor, como: velocidade do motor, corrente e tensão fornecida, freqüência aplicada, proteções atuadas, etc. ANALÓGICAS : são meios de controlar/monitorar • ENTRADAS E SAÍDAS ANALÓGICAS: o conversor através de sinais eletrônicos analógicos, isto é, sinais em tensão (0...10 Vcc) ou em corrente (0...20 mA, 4...20 mA) e que permitem basicamente fazer o controle de velocidade (entrada) e leituras de corrente ou velocidade (saída). DIGITAIS: são meios de controlar/monitorar o • ENTRADAS E SAÍDAS DIGITAIS: conversor através de sinais discretos (digitais) como chaves Liga/Desliga. Este tipo de controle permite basicamente ter acesso a funções simples como: seleção de sentido de rotação, bloqueio, seleção de velocidades préprogramadas, etc. SERIAL : este meio de comunicação • INTERFACE DE COMUNICAÇÃO SERIAL: permite que o conversor seja controlado/monitorado a distância através de um computador central, que permite ao mesmo ter acesso aos parâmetros de programação do conversor, da mesma forma como com a Interface Homem x Máquina. Esta comunicação é executada através de pares de fios, podendo ser conectados vários conversores em conjunto a um mesmo computador central como SDCD, CLP, etc., denominando-se de ligação em rede. Os sistemas de comunicação normalmente utilizados são RS 232 ou RS 485. 3.5.7 Aplicação de Conversores de Freqüência 3.5.7.1 Introdução Afirmar que uma carga mecânica requer uma determinada potência P, é a dizer que tal carga necessita de um dado conjugado C, a uma dada velocidade de rotação n . Matematicamente existem infinitas combinações de C e n de modo a resultar no mesmo valor de P; fisicamente, contudo, uma específica carga mecânica associa-se a um único par (C ( C,n ) e respectivamente a uma potência P, através da relação: P=

C × n k

123


Onde: P = Potência; C = Conjugado; n = Rotação; k = Constante relacionada com unidades utilizadas. A curva C em função de n é uma característica fundamental para o processo de seleção do motor adequado ao acionamento, sendo que o conjugado resistente depende da carga, mas todos podem ser representados pela expressão:

= C o + k c × n x Onde: Cc = Conjugado resistente da carga; Co = Conjugado da carga para rotação zero; kc = Constante que depende da carga; x = Parâmetro que depende depende da carga, carga, podendo assumir assumir os valores -1, 0, 1, 1, 2. C c

De acordo com a equação, percebe-se que o conjugado da carga varia com a rotação n. Esta variação depende do parâmetro “ x” , e em função deste as cargas podem ser classificadas em quatro grupos:

• Cargas com conjugado resistente CONSTANTE; • Cargas com conjugado resistente LINEAR; • Cargas com conjugado resistente QUADRÁTICO; • Cargas com conjugado resistente HIPERBÓLICO. 3.5.7.2 Critérios de Aplicação 3.5.7.2.1 Operação Abaixo da Rotação Nominal Considerando-se que as perdas no cobre são resultado da corrente do motor, então a perda de potência será proporcional à carga. Dessa forma, se o motor gira mais lento, com a mesma corrente nominal (determinada pela carga) gerando a mesma perda de potência que ocorre em velocidades mais elevadas, o motor se sobreaquece, pois há um menor fluxo de ar de refrigeração disponível quando o ventilador do motor se movimenta em velocidades menores (motores autoventilados). Quando o motor é utilizado em aplicações para controle de ventiladores ou bombas centrífugas, a carga normalmente diminui, conforme a velocidade se reduz, dessa forma o sobreaquecimento deixa de existir. Em aplicações onde o motor deve desenvolver pleno torque (100% da corrente) em baixa velocidade, o sobredimensionamento ou utilização de motores com um fator de serviço mais elevado se torna necessário.

124


Figura 3.65 3.65:: Diminui ção de torque devido a redução de refrig eração eração do mo tor

Geralmente, em aplicações que possuam carga com conjugado constante e variação de velocidade de 0 a 50% da rotação nominal, utiliza-se o fator K de redução de potência, da figura anterior, ou se quisermos, poderemos utilizar o fator de serviço e/ou o aumento da classe de isolamento para manter o torque constante. OBSERVAÇÃO: Chama-se fator de serviço (FS) o fator que aplicado à potência nominal, indica a carga permissível que pode ser aplicada continuamente no motor, sob condições especificadas. Note que se trata de uma capacidade de sobrecarga contínua, ou seja, uma reserva de potência que dá ao motor uma capacidade de ainda suportar o funcionamento em condições desfavoráveis. O fator de serviço não deve ser confundido com a capacidade de sobrecarga momentânea, durante alguns segundos. O fator de serviço FS = 1,0 significa que o motor não foi projetado para funcionar continuamente acima da sua potência nominal. Isto, entretanto, não muda a sua capacidade para sobrecargas momentâneas. 3.5.7.2.2 Motores Autoventilados Para a operação com motores autoventilados padrões, é aconselhável a utilização de operação na faixa faixa entre 50% a 100% da rotação nominal, nominal, faixa em que o ventilador acoplado ao próprio eixo do motor ainda possui eficiência na refrigeração. Para rotações abaixo de 50%, em caso de cargas com conjugado constante, é necessário o sobredimensionamento da carcaça do motor, ou através do simples aumento da potência nominal do motor, ou então através da fabricação de um motor especial com a carcaça sobredimensionada, a fim de prover a devida refrigeração do motor. Para o cálculo da carcaça a ser utilizada, deve-se levar em consideração o torque necessário pela carga a ser acionada e a faixa de variação de velocidade. Definindo-se a velocidade mínima de operação, utiliza-se o gráfico abaixo:

125


CURVA DE DERATING 1 0.9

D

C

0.8 ) n T / 0.7 T

B

= R

0.6

E

A

T (

0.5 0.4 0.3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

f/fn Curva Derating Standard

Figura 3.66: Característica de conjug ado dispo nível x rotação em motores autov entilados CURVA DERATING TRECHO L IM IT E S

D E R A T IN G

T R = (f/fn) + 0.50

A

0

B

0.25

f/fn <0.50

T R = 0.4(f/fn) + 0.65

C

0.50

f/fn <0.83

T R = 0.3(f/fn) + 0.70

f/fn <0.25

D

0.83 f/fn <1.0

T R = 0.95

E

f/fn > 1.0

T R = 0.95 / (f/fn)

Pelo valor da freqüência mínima (rotação mínima) necessária à aplicação, utilizando o gráfico, defini-se o valor do conjugado máximo disponível (em p.u.) no motor sem ocorrer sobreaquecimento, utilizando a potência necessária ao acionamento. Com este valor, defini-se então o novo conjugado do motor (sobredimensionado) que deveria ser utilizado sem sobreaquecimento utilizando o conjugado necessário para acionar a carga, por: C ( sobre dim ensionado )

=

C ( c arg a ) K

Com o conjugado sobredimensionado obtido, define-se através de uma tabela de características de motores padrões, qual o motor que possui este conjugado. Este motor portanto terá a carcaça que permitirá a utilização na faixa de rotações necessária sem o problema de sobreaquecimento, fornecendo o conjugado necessário para acionar a carga. Pode-se então utilizar este motor diretamente, que estará sobredimensionado em carcaça e também em potência, ou então utilizar um motor que possua esta carcaça sobredimensionada, mas com a potência ajustada ao acionamento, através da bobinagem de enrolamentos em carcaça maior (motor especial). 126


3.5.7.2.3 Motores com Ventilação Independente Com a utilização de motores com ventilação independente, não existirá mais o problema de sobreaquecimento do motor por redução de refrigeração, podendo o mesmo ser dimensionado com a carcaça normal e potência necessária ao acionamento. Para motores com ventilação independente, o ventilador que era acoplado ao próprio eixo do motor agora é acoplado à um outro motor independente, que geralmente é acoplado ao motor principal por intermédio de uma flange defletora especial (reforçada) que permite o suporte mecânico do motor da ventilação.

Figura 3.67: Característica de conjugado d ispon ível x rotação em motores com ventilação independente

3.5.7.3 Operação Acima da Rotação Nominal Um motor padrão para operar em rede de freqüência de 50 ou 60 Hz pode girar a freqüências mais altas quando alimentado por um conversor de f reqüência. A velocidade máxima depende dos limites de isolação para a tensão do motor e seu balanceamento mecânico. Neste caso, como o motor funcionará com enfraquecimento de campo, a máxima velocidade estará limitada pelo torque disponível do motor e pela máxima velocidade periférica das partes girantes do motor (ventilador, rotor, mancais).

127


Figura 3.68: Diminu ição de torq ue devido ao aumento de velocidade

CASOS ESPECIAIS: A potência admissível de um conversor de freqüência é determinada levando-se em consideração, principalmente, dois fatores: • Altitude em que o conversor será instalado; • Temperatura do meio refrigerante; Conforme a NBR-7094, as condições usuais de serviço, são: a) b)

Altitude não superior a 1000 m acima do nível do mar; Meio refrigerante (ar ambiente) com temperatura não superior a 40ºC;

Nos casos em que o conversor deva trabalhar com temperatura do ar de refrigeração na potência nominal, maior do que 40ºC e/ou em altitude maior do que 1000m acima do nível do mar deve-se considerar os seguintes fatores de redução: 3.5.7.4 Operação em Ambientes com Temperatura Elevada A redução da potência (corrente) nominal do conversor de freqüência, devido à elevação da temperatura ambiente, acima de 40 oC e limitada a 50oC, é dada pela relação e gráfico a seguir: Fator de redução = 2%/ºC

Figura 3.69: Curva de redução de potência nom inal em funç ão do aumento da temperatura

128


3.5.7.5 Operação em Regiões de Altitude Elevada Conversores funcionando em altitudes acima de 1000 m apresentam problemas de aquecimento causado pela rarefação do ar e, conseqüentemente, diminuição do seu poder de arrefecimento. A insuficiente troca de calor entre o conversor e o ar circundante, leva a exigência de redução de perdas, o que significa também redução de potência. Os conversores têm aquecimento diretamente proporcional às perdas e estas variam, aproximadamente, numa razão quadrática com a potência. Segundo a norma NBR-7094, os limites de elevação de temperatura deverão ser reduzidos de 1% para cada 100 m de altitude acima de 1000 m. A redução da potência (corrente) nominal do conversor de freqüência, devido à elevação da altitude acima de 1000 m e limitada a 4000 m, é dada pela relação e gráfico a seguir: Fator de redução = 1%/100m 100 % 90 o ã ç u d e R e d r o t a F

80 70 60

0

1000

2000

3000

4000

Altitude (m)

Figura 3.70: Curva de redução de potência nom inal em funç ão do aumento d a altitude

3.5.7.6 Considerações sobre Acionamentos Multimotores Os conversores de freqüência podem alimentar múltiplos motores, controlando-os na mesma proporção para dar partida/parada em uma máquina, tal como um sistema transportador. 3.5.7.6.1 Sistema de Acionamento Multiconversores Para este acionamento considera-se a utilização de um conversor para cada motor, e o sincronismo entre os motores pode ser obtido utilizando-se uma lógica (equipamentos) auxiliar para permitir que se tenha a aceleração/desaceleração do sistema em conjunto para que não aconteçam sobrecargas individuais em alguns motores. Um sistema possível de se interligar os conversores é demonstrado na figura a seguir, em uma configuração designada "Mestre-Escravo", onde a referência principal de velocidade é colocada no conversor "Mestre", e a partir deste conversor 129


é enviado um sinal de referência de velocidade para o conversor seguinte, e assim sucessivamente para os demais conversores "Escravos" em cascata.

M 3~

M 3~

M 3~

Figura 3.71: Ligação de conversores em sincr onis mo " Mestre-Escravo"

Como características deste tipo de acionamento podemos citar: a) b) c)

A proteção de cada motor é feita individualmente e diretamente pelo respectivo conversor e fusíveis ultra- rápidos; A potência de cada conversor é a própria potência do motor acionado; Pode haver o desligamento e religamento de cada motor individualmente, caso não seja necessário o sincronismo entre todos os motores;

3.5.7.6.2 Sistema de Acionamento Monoiconversor Para este acionamento considera-se a utilização de um conversor para vários motores, e o sincronismo entre os motores é obtido pela simples injeção da mesma freqüência de alimentação para todos os motores. A figura a seguir demonstra a ligação destes motores:

M 3~

M 3~

M 3~

M 3~

Figura 3.72: Ligação de con versor a vários mo tores

Como características deste tipo de acionamento podemos citar:

130

Módulo 6 – Eficiência Energética em Apli cações de Motores Elétricos a) b) c)

A proteção de cada motor é feita através de um relé térmico adicional, individualmente para cada motor na saída do conversor; A potência do conversor é igual a somatória de todas as potências dos motores acionados; Não pode haver o desligamento e religamento de cada motor individualmente, pois isto seria encarado como a condição de uma partida direta do motor, ocasionando um pico de corrente no religamento que causaria o bloqueio do conversor por sobrecorrente. No caso de desligamento de um motor, é necessário o desligamento de toda a máquina para a posterior partida conjunta pela rampa de aceleração.

3.5.7.7 Considerações sobre Acionamento de Motor Monofásico O acionamento de motores monofásicos não pode ser feito através da utilização de conversores de freqüência, devido aos princípios físicos de funcionamento (partida) do motor. Em motores monofásicos, a partida é efetuada através da utilização de um enrolamento estatórico auxiliar e de um capacitor de partida, que de uma forma genérica, causam uma deformação no campo girante do motor, que por sua vez produz torque. Após o processo de partida, quando o motor atinge uma determinada velocidade, um contato auxiliar (centrífugo) desconecta o enrolamento auxiliar e o capacitor da rede, operando o motor apenas com o enrolamento principal conectado à rede. Caso fosse utilizado um conversor de freqüência, o mesmo teria de ter sua saída monofásica e haveria a necessidade da utilização do enrolamento auxiliar e do capacitor para a partida (criação de campo girante). Como a tensão de saída do conversor possui uma forma de onda pulsante (PWM), a utilização do capacitor se torna proibitiva, pois os pulsos de tensão causariam a destruição do capacitor. 3.5.8 Efeito dos Harmônicos na Rede 3.5.8.1 Fator de Potência e Fator de Deslocamento Quando se trabalha com retificadores a diodo e filtro capacitivo, deve-se ter um cuidado especial para não confundir o fator de potência com o fator de deslocamento (cos α). O fator de potência é dado por: FP =

P V ief

× I ief

Onde: FP = Fator de potência P = Potência média de entrada do circuito Vief = Valor eficaz da tensão senoidal de entrada Iief = Valor eficaz da corrente total de entrada. Devido a corrente de entrada possuir harmônicas, temos:

131


∑ Ii

Ii( t ) = Ii( t ) +

(n)

( t )

Sendo: Ii(t) = Corrente total de entrada ΣIi(n)(t) = Somatório das harmônicas de corrente n = Ordem da harmônica de corrente. Iief

2

= Ii( 1 )ef 2 + ∑ Ii( n ) ef 2

Como a transferência de potência ativa ocorre para harmônicas de tensão e corrente da mesma ordem, a potência média de entrada será definida por: P = V ief × Ii( 1 )ef

× cos ϕ

Onde: Ii(1)ef = Valor eficaz da componente fundamental da corrente de carga α = Ângulo de deslocamento entre a tensão e a componente fundamental da corrente de entrada. Portanto, substituindo (4) e (3) em (1), tem-se: Ii(1)ef

FP=

+ ∑ Ii

2 (1)ef

Ii

2 (n)ef

⋅ cosϕ

ou: 1

FP = 1+

2 ∑ Ii(n)ef

. cos ϕ

2

Ii(1)ef

Definindo-se taxa de distorção harmônica (TDH): TDH =

2 ∑ Ii (n)ef

Ii (1)ef

Obtém-se: FP =

1 2

. cosvarphi

1 + TDH

Dessa forma, para se ter fator de potência unitário, é necessário:

• Deslocamento nulo entre tensão de entrada e a fundamental da corrente de entrada (cos ϕ= 1); • Ausência de harmônicas de corrente. Portanto, se a forma de onda da corrente de entrada apresentar harmônicas (corrente não senoidal), o fator de potência deixará de ser unitário, mesmo que o fator de deslocamento (cos _) seja unitário. 132


Na figura 3.73 é possível observar que o fator de potência será igual ao fator de deslocamento para correntes de entrada puramente senoidais.

Figura 3.73: Exemplos q ue ilust ram as diferenças entre fator d e deslocamento e fator de potência

3.5.8.2 Utilização de Reatância de Rede A utilização de reatâncias trifásicas entre a rede e a entrada do conversor possibilita o efeito de filtragem das correntes de entrada reduzindo as harmônicas nestas. Como resultado tem-se:

• redução da corrente RMS de entrada; • aumento do fator de potência; • aumento da vida útil dos capacitores do circuito intermediário; • diminuição da distorção harmônica na rede de alimentação. A rede, ou transformador de alimentação, deverá apresentar uma capacidade mínima de 1,5 vezes a potência em kVA do conversor, para que este opere corretamente, sem problemas de aquecimento devido à existência de correntes harmônicas. Os critérios para utilização ou não destas são os seguintes: I) UTILIZAR QUANDO:

• conversor com corrente < 50A, potência da rede (ou transformador) de alimentação > 500 kVA e queda na cablagem de alimentação do conversor < 2% na corrente nominal de entrada; • conversores com corrente > ou = 50A alimentados direto da rede; • vários conversores em um painel alimentados pela mesma rede; • desejado fator de potência na entrada > 0,9 na condição nominal. II) NÃO UTILIZAR QUANDO:

• conversor com corrente < 50A, potência da rede (ou transformador) de alimentação < ou = 500 kVA; 133


• conversor com corrente < 50A, potência da rede (ou transformador) de alimentação >500 kVA e queda na cablagem de alimentação do conversor > 2% na corrente nominal de entrada; • forem utilizados transformadores, ou autotransformadores, para alimentação individual de conversores (potência menor que 3 vezes a potência em kVA do conversor). A própria reatância de dispersão de fluxo do transformador associado a resistência ôhmica dos fios fazem o papel da reatância de rede, sendo esta portanto, dispensável. Deve-se dimensionar estas reatâncias para uma queda de tensão de 2% a 4% da tensão nominal de entrada quando circular a corrente nominal do conversor. Isto se faz necessário pelo fato de que não se deve ter uma distorção na forma de onda da tensão de rede maior do que 4%.

Figura 3.74: Comparação entre as compo nentes harmônicas in cluídas na corrente quando o converso r é acionado para diferentes capacidades, com e sem reatância de rede.

Figura 3.75: Comparação entre as compo nentes harmônicas in cluídas na corrente quando o conv ersor é acionado para diferentes condi ções de carga e diferentes valores de impedância da reatância

3.5.8.3 Utilização de Filtro de Rádio Freqüência Os conversores de freqüência transmitem fortes ondas eletromagnéticas de alta freqüência, que podem interferir em outros equipamentos eletrônicos. Os seguintes cuidados reduzem esta interferência: 134


• instalação do conversor dentro de um painel metálico (aterrado); • uso de cabos blindados para conexões do motor; • aterramento de boa qualidade (baixa resistência); • uso de filtros supressores na alimentação do conversor. O uso de filtros supressores se faz necessário pelo fato de que na corrente pulsante que circula entre o conversor e a rede existem além das harmônicas de baixa ordem (harmônicas de 5ª, 7ª, 11ª e 13ª ordem basicamente), harmônicas de ordem superior que ultrapassam a freqüência de 100 kHz (rádio freqüência). A reatância de rede que está instalada na entrada do conversor é utilizada para reduzir principalmente as harmônicas de corrente de baixa ordem, sendo que esta não tem efeito algum para as harmônicas de alta freqüência. Para estas freqüências que não podem ser atenuadas pela reatância de rede, são utilizados o que se define por FILTROS DE LINHA. Estes filtros de linha são circuitos formados por capacitores e indutores associados, que podem efetuar a atenuação de determinadas freqüências críticas definidas a princípio. Estas freqüências críticas podem causar interferência eletromagnética em equipamentos sensíveis, tais como equipamentos de telecomunicações, sistemas digitais de computação, sistemas de transmissão de dados, etc. 3.5.8.4 Correção do Fator de Potência Cuidados para a instalação de bancos de capacitores na presença de harmônicos Um grande problema decorrente da necessidade de melhoria de fator de potência dos consumidores refere-se ao fato de que a aplicação conjunta de bancos de capacitores com os diversos tipos de cargas presentes nos sistema industriais, principalmente com conversores estáticos (CA/CC e CA/CA), requer uma análise particular sobre alguns cuidados especiais que devem ser tomados pelo consumidor. Estes cuidados geralmente levam a investimentos adicionais, como a aquisição de capacitores com tensões nominais mais elevadas do que o necessário, a instalação de reatores de dessintonia ou ainda, composição de filtros de harmônicos, quando os estudos indicam a possibilidade de condições de ressonância harmônica. Os conversores estáticos de potência (CA/CA ou CA/CC) são, na atualidade, as principais fontes de correntes harmônicas. São em geral de média potência, da ordem de quilowatts, e seu número tende a crescer rapidamente, principalmente para controle de motores de corrente alternada. Efeitos d os harmônicos sobre capacitor es Em muitos casos, os níveis de harmônicos por si só não apresentam maiores problemas. O problema, porém, pode agravar-se existindo a possibilidade de uma amplificação de corrente, pela ressonância entre os capacitores de potência e a indutância do sistema. Isto resultará em sobretensões e na circulação de correntes proibitivas para os capacitores. Haverá um aumento das perdas e conseqüente sobreaquecimento, levando muitas vezes a destruição do capacitor. 135


Deve-se ressaltar a dependência dos capacitores em relação à tensão de pico resultante (harmônicos inclusos) e ao problema de efeito corona (descargas eletrostáticas pontuais internas ao capacitor), podendo a sua vida útil variar de acordo com a expressão (1/s.t) 7,5, onde s é a sobretensão e t é a sobretemperatura (ambos em "p.u." do valor nominal). Como a tensão é medida em valor eficaz, o pico de tensão que contém harmônicos é geralmente maior que o da mesma tensão que não os contém. Assim, o dielétrico fica sujeito a um campo maior, o que pode romper o dielétrico e destruir o capacitor. Sobretensões decorrentes de harmônicos O processo mais seguro possível para se avaliar a influência de harmônicos em bancos de capacitores consiste em se fazer uma análise harmônica efetiva, comparando as medições de correntes e tensões harmônicas ao longo do sistema com os estudos do alcance das harmônicas no mesmo. De forma geral, nas condições normais de operação, seria suficiente especificar os bancos de capacitores com uma tensão nominal um pouco acima da tensão de operação do sistema. No entanto, deve ser analisado o fenômeno de amplificação harmônica pelo sistema de ressonância. As correntes harmônicas amplificadas podem causar a queima dos fusíveis, aquecimento e danificação dos capacitores. A existência da ressonância pode ser confirmada pela confrontação das medições de campo com resposta em freqüência do sistema, isto é, gráficos de impedância própria da barra em função da freqüência (na ressonância paralela, a impedância aparece como um pico). Solução para o probl ema de ressonância Para resolver o problema de ressonância, a solução mais utilizada é a instalação de reatores em série com o banco de capacitores (filtro LC), de forma a deslocar a freqüência para uma harmônica que não cause preocupação na amplificação das correntes. Deve-se ressaltar que embora os reatores sejam necessários para se evitar o efeito de amplificação de harmônicas, sempre que uma indutância é colocada em série com um capacitor, a tensão nos terminais desse último diminui na freqüência fundamental, assim como pode aumentar para freqüências diferentes da fundamental. Como exemplo, se a dessintonização é levada para o quarto harmônico, será encontrada uma sobretensão de 6,7% além daquela reserva de 10% permissível e já esgotada pelas variações da rede e desequilíbrio de bancos, podendo acarretar com isso uma sobretensão excessiva no capacitor, causando em alguns casos a sua destruição (rompimento do dielétrico). Os reatores de dessintonia por si só resolvem os problemas de ressonância. No entanto, quando a redução do conteúdo harmônico da instalação, principalmente na interface com a concessionária, é uma necessidade, filtros de harmônicos devem ser previstos, utilizando-se os bancos de capacitores para a composição dos mesmos. 136


3.5.9 Aplicações Típicas 3.5.9.1 Considerações Gerais Para a utilização de motores elétricos de indução para o acionamento das mais variadas cargas, devem ser levadas em consideração as características da carga acionada conforme descrito no item anterior, tanto para acionamentos com o motor operando com velocidade fixa como também para com velocidade variável, pois em função das características de partida, regime contínuo ou transitório, é que se pode fazer o correto dimensionamento do motor. Para as aplicações aqui ilustradas, levamos em consideração apenas o acionamento da carga através de motores de indução com conversores de freqüência, determinando suas vantagens e limitações. 3.5.9.2 Bombas Levando em consideração o acionamento de bombas de vários tipos, podemos fazer a separação destas entre dois grupos básicos pela sua característica de conjugado resistente, que são: 3.5.9.3 Bombas Dinâmicas ou Turbobombas Esta família de bombas (principalmente as BOMBAS CENTRÍFUGAS) possuem como característica ter o conjugado de forma quadrática, isto é, o seu conjugado resistente varia com o quadrado da rotação aplicada. Por exemplo, caso seja duplicada a rotação da bomba para se aumentar a vazão/pressão do sistema hidráulico, conseqüentemente deverá ser fornecido um conjugado quatro vezes maior para tal. Caso se deseje fazer controle de vazão/pressão através da variação da velocidade do motor, deve-se levar em consideração os seguintes itens com relação a faixa de variação de velocidade. Para rotações acima da nominal, deve-se utilizar apenas alguma margem de potência que o motor possa ter, sem que, entretanto, seja ultrapassada a sua potência nominal, para que não entre em condição de sobrecarga e acarrete em diminuição de sua vida útil. Para faixas de rotações entre rotação nula até a rotação nominal, não existem problemas com relação a sua operação, uma vez que, com a diminuição da rotação da bomba, haverá também uma diminuição do conjugado resistente da carga (de forma quadrática), diminuindo-se conseqüentemente a corrente aplicada ao motor, não havendo, portanto problemas de sobreaquecimento por redução de ventilação nem de sobrecarga no motor.

137


Este controle de vazão, através da variação de velocidade de bombas centrífugas, possibilita uma grande economia de energia, uma vez que em outros casos, o controle de vazão/pressão de sistemas hidráulicos é feito através de dispositivos limitadores (válvulas, recirculação, etc.), onde o motor que aciona a bomba opera sempre em condição de carga nominal, absorvendo potência nominal da rede. Em sistemas de controle de vazão/pressão utilizando conversores de freqüência, a potência absorvida da rede é apenas a necessária à condição de operação do sistema (função da carga). 3.5.9.4 Bomba de Deslocamento Positivo ou Volumétricas Esta família de bombas possui como característica ter o conjugado de forma constante para qualquer rotação, isto é, o seu conjugado resistente não varia com a rotação. Nesta família se enquadram as BOMBAS A PISTÃO, BOMBAS HELICOIDAIS e as BOMBAS DE ENGRENAGENS. Caso seja necessário fazer controle de vazão/pressão através da variação da velocidade do motor, deve-se levar em consideração que o motor não poderá operar acima da sua rotação nominal, pois isto significa operar em condição de sobrecarga. Para condições onde se necessita a operação com rotações abaixo da metade de sua rotação nominal (30 Hz), deverá ser considerado o problema de sobreaquecimento por redução de ventilação para motores convencionais. Problema este que pode ser contornado através do sobredimensionamento da carcaça do motor ou a utilização de ventilação forçada. 3.5.10 Ventiladores Esta aplicação possui como característica ter o conjugado de forma quadrática, isto é, o seu conjugado resistente varia com o quadrado da rotação aplicada, da mesma forma que foi considerado para as bombas centrífugas. Para a utilização de acionamento por conversores de freqüência para o controle de pressão/vazão, deve-se levar em consideração as mesmas características das bombas centrífugas, apenas tomando-se o cuidado de observar que certos ventiladores possuem inércias elevadas e que devem ser levadas em consideração para determinar o sistema de partida e tempos de aceleração. 3.5.11 Sistemas de Refrigeração e Ar Condicionado Para sistemas de refrigeração e ar condicionado, os conversores de freqüência são utilizados basicamente nos motores de acionamento das bombas e ventiladores do sistema.

138


A vantagem em se utilizar este equipamento está no fato de que a automação de grandes sistemas (por ex: Shopping Centers, prédios comerciais, pavilhões de exposições, etc.) se torna bem mais versátil e com possibilidade de racionalização do consumo de energia com respectiva economia. Com a utilização de conversores de freqüência, não é necessária a utilização de válvulas de controle de fluxo nas bombas ou dampers nos ventiladores/exaustores, possibilitando um controle automático por meio de um controlador central de temperatura, diminuindo-se os gastos com a utilização destes equipamentos e também a diminuição de manutenção das instalações. 3.5.12 Torno de Superfície / Laminador Desfolhador Esta aplicação tem como característica possuir o conjugado do tipo que varia inversamente com a rotação (hiperbólico), pois no processo deve ser obedecida a condição de que a velocidade tangencial da peça ou cilindro seja sempre constante, isto é, a velocidade superficial entre a peça e a ferramenta de corte (BIT) tem de ser constante. Esta velocidade é definida por: V t

= ω × r

Como:

ω = 2.π.n Então: V t

= π.n D .



V t

= 2π.n.r

Onde: Vt = Velocidade tangencial [m/s]; n = Rotação [RPS]; r = Raio [m]; D = Diâmetro [m]; ω = Velocidade angular [rad/s]. Nota-se então que, na medida em que o raio (ou diâmetro) da peça diminui, é necessário que a sua rotação aumente para que a velocidade tangencial (ou de superfície) permaneça constante. Sendo que a força de corte também é constante, o conjugado resistente oferecido pela carga é definido por: C c

= F c × r

Onde: Cc = Conjugado da carga; Fc = Força de corte; r = Raio. Dessa forma, na medida em que o raio (ou diâmetro) da peça diminui, o conjugado resistente também diminui. Destas duas considerações tem-se então que para peças de pequeno diâmetro a sua rotação deve ser alta e o conjugado

139


resistente é baixo, e que para peças de grande diâmetro a rotação deve ser baixa e o seu conjugado resistente é alto. Para o acionamento deste tipo de carga com motor de indução e conversor de freqüência, pode-se utilizar a faixa de rotação entre zero até a rotação nominal, levando-se em consideração o problema de sobreaquecimento do motor em baixas rotações. Outra forma de se poder fazer o acionamento é utilizando o motor operando acima de sua rotação nominal, entrando em sua região de enfraquecimento de campo, onde a curva de conjugado resistente da carga e o conjugado motor se assemelham, não havendo problemas de sobrecarga no motor e também não havendo problemas de sobreaquecimento por redução de ventilação. 3.5.13 Sistemas de Transporte Fazem parte desta família de aplicação as ESTEIRAS, CORREIAS, ROSCAS, CORRENTES, MESAS TRANSPORTADORAS, NÓRIAS, MONOVIAS, etc. Estas aplicações podem ser agrupadas, pois possuem as mesmas características quanto ao seu acionamento, tendo o conjugado resistente constante para toda a faixa de velocidade. Deverá ser tomado cuidado especial para condições onde seja necessária a operação com rotações abaixo da metade da rotação nominal do motor acionado, onde deverá ser considerado o problema de sobreaquecimento por redução de ventilação para motores convencionais. Problema este que pode ser contornado através do sobredimensionamento da carcaça do motor ou a utilização de ventilação forçada. Outro item que merece atenção é com relação a condição de partida do sistema, pois pode haver a possibilidade de se partir o sistema de transporte a vazio (conjugado resistente reduzido) ou carregado (conjugado resistente elevado). Para esta última condição, deve-se levar em consideração a sobrecarga inicial do sistema, que por sua vez levará a um sobredimensionamento da corrente nominal do conversor de freqüência, proporcional a sobrecarga exigida pelo sistema. IMPORTANTE Para sistemas de transportes inclinados em elevação, deve-se ter especial atenção na partida do mesmo, pois surge a condição de sobrecarga do motor, cuja a intensidade está diretamente relacionada com o grau de inclinação do mesmo. Quando o sistema de transporte apresenta inclinação em declive, pode ser necessária a utilização de frenagem do motor, que poderá ser efetuada por resistores auxiliares (frenagem reostática) ou através de sistemas regenerativos. A não utilização desta frenagem poderá acarretar em sobrecarga no conversor e conseqüente desligamento. Em ambos os sistemas deve-se utilizar motores com freio mecânico de estacionamento para que não haja movimentação do sistema quando da parada do motor, seja ela por parada normal, como também por parada acidental (queda de rede). 140


3.5.14 Extrusoras Estas máquinas têm como característica possuírem o conjugado resistente do tipo constante para qualquer velocidade. Deve-se novamente ter cuidado especial para condições onde seja necessária a operação com rotações abaixo da metade da rotação nominal do motor, onde deverá ser considerado o problema de sobreaquecimento pela redução de ventilação para motores convencionais. Problema este que pode ser contornado através do sobredimensionamento da carcaça do motor ou a utilização de ventilação forçada. Dependendo do material a ser extrudado, também se deve ter especial atenção à regulação de velocidade do acionamento (precisão de velocidade), pois para extrusoras de plástico ou borracha, a variação de velocidade permitida em relação à velocidade ajustada deve ser menor que 1%, caso que só é possível através de acionamentos com motor de corrente contínua ou conversores de freqüência com controle vetorial. Como exemplo destas extrusoras, temos as extrusoras de filme plástico e tubos de PVC ou polietileno, onde uma variação de velocidade acarreta em uma alteração do processo produtivo (espessura do filme plástico). Para outros materiais não críticos (ração, fio, etc.), pode-se utilizar conversores de freqüência convencionais. Outro detalhe que merece muita atenção é com relação a condição de partida do sistema, pois pode haver a possibilidade de se partir a extrusora carregada a quente (conjugado resistente normal) ou carregada a frio (conjugado resistente muito elevado). Para esta última condição, deve-se levar em consideração a sobrecarga inicial da extrusora, que por sua vez levará a um sobredimensionamento da corrente nominal do conversor de freqüência, proporcional a sobrecarga exigida pela extrusora. 3.5.15 Trefilas Para este tipo de equipamento, a característica de conjugado é constante para qualquer valor de velocidade, devendo-se atentar para a operação em baixas rotações com sobredimensionamento do motor como descrito anteriormente. Um outro fator a ser levado em consideração é a condição de sobrecarga na partida quando da introdução do material a ser trefilado, e que deve ser previsto quando do dimensionamento do conversor de freqüência. Outro fator importante a ser considerado é quando o sistema de trefilação é acionado por mais de um motor (vários puxadores com várias fieiras, com várias bitolas de fiação), onde em muitos casos é necessário o perfeito ajuste de velocidade entre os vários motores (sincronismo) com adequada distribuição de carga entre os puxadores. Em sistemas deste tipo deve-se fazer uma análise criteriosa a respeito da colocação de acionamento por conversores de freqüência convencionais, pois em muitos casos isto se torna proibitivo, sendo aconselhável a colocação de 141


acionamento através de motores de corrente contínua ou conversor de freqüência com controle vetorial, devido a precisão de velocidade, sincronismo e controle de carga (tração) necessários neste tipo de aplicação. 3.5.16 Misturadores Para este tipo de aplicação, a princípio não é possível determinar qual a característica particular do conjugado resistente, uma vez que as condições da carga (material a ser processado) podem variar durante o processo. Em muitos casos, durante o processo de mistura ou agitação, as características do material se modificam, em função da temperatura, viscosidade, pressão, etc., sendo necessário que seja feita uma análise especifica para a colocação de acionamento por conversores de freqüência, devendo-se ter cuidados com relação a faixa de variação de velocidade, conjugados inicial e final do processo (mínimo e máximo) e a existência de redutores mecânicos. 3.5.17 Sistemas de Elevação Fazem parte desta família de aplicações os GUINCHOS, GUINDASTES, PONTES ROLANTES (IÇAMENTO) e ELEVADORES EM GERAL. Nestes sistemas de elevação, a utilização de acionamentos por conversores de freqüência convencionais e motor de indução trifásico não é geralmente aconselhável, pois neste caso o motor não terá condições de fornecer conjugado com rotor parado (torque com rotação nula). Esta condição se faz necessária por existir, quando da partida no sistema de elevação (tanto na subida como na descida da carga), um pequeno intervalo de tempo entre a geração da rampa de aceleração e a conseqüente magnetização do motor (geração de correntes rotóricas induzidas devido ao escorregamento e conseqüente surgimento de conjugado motor), em que ocorre a inversão de rotação do motor e conseqüente queda da carga, podendo até haver o bloqueio do conversor pelo surgimento de picos de corrente consideráveis. Para este tipo de aplicação é mais indicada a utilização de acionamentos por motores de corrente contínua ou a utilização de conversores de freqüência por controle vetorial que tornam possível o fornecimento de torque mesmo com rotação nula. 3.5.18 Bobinadores/Desbobinadores Os bobinadores/desbobinadores são classificados em dois grupos, sendo:

• Bobinadores/desbobinadores AXIAIS; • Bobinadores/desbobinadores TANGENCIAIS. Os bobinadores/desbobinadores AXIAIS são sistemas acionados diretamente pelo eixo da bobina, tendo como característica possuir o conjugado do tipo que varia inversamente com a rotação (hiperbólico), pois no processo de 142


bobinagem, temos a condição às vezes necessária de que a velocidade tangencial do cilindro bobinador seja sempre constante durante todo o processo, isto é, a velocidade superficial da bobina ou a velocidade do material bobinado tem de ser constante. Esta velocidade é definida da mesma forma que nos casos de TORNO DE SUPERFÍCIE/LAMINADOR DESFOLHADOR já visto. Da mesma forma, para o acionamento deste tipo de carga com motor de indução e conversor de freqüência, pode-se utilizar a faixa de rotação entre zero até a rotação nominal, levando-se em consideração o problema de sobreaquecimento do motor em baixas rotações. Outra forma de se poder fazer o acionamento é utilizando o motor operando acima de sua rotação nominal, entrando em sua região de enfraquecimento de campo, onde a curva de conjugado resistente da carga e o conjugado motor se assemelham, não havendo problemas de sobrecarga no motor e também não havendo problemas de sobreaquecimento por redução de ventilação. Para sistemas de bobinamento, deve-se ter cuidado em relação ao material a ser bobinado, pois muitas vezes a colocação de conversores de freqüência convencionais se torna impraticável, devido a precisão de velocidade e controle de tração do material, sendo necessário acionamentos por motores de corrente contínua ou conversores de freqüência com controle vetorial. Existem vários tipos de bobinadores acionados pelo eixo da bobina onde não é necessário que a velocidade do material a ser bobinado seja constante, podendo no início a sua velocidade ser baixa e no final, alta. Nestas condições, a velocidade do motor não varia, sendo que a carga aumenta com o conseqüente aumento do diâmetro da bobina. Os bobinadores/desbobinadores TANGENCIAIS são sistemas acionados indiretamente, onde o acionamento do rolo bobinador é feito por um ou mais rolos suportes auxiliares, tendo como característica possuir o conjugado do tipo constante. A velocidade do motor permanece constante durante todo o processo, a fim de manter a velocidade superficial da bobina constante. Este sistema é bem mais simplificado, tendo-se apenas que atentar para a condição de operação do motor em baixas rotações (sobreaquecimento). 3.5.19 Fresadoras Esta aplicação tem como característica a necessidade de se manter a velocidade de desbaste (retirada de material) constante (velocidade superficial do rebolo constante). Para isto, é interessante que se possa aumentar a velocidade do rebolo conforme o desgaste do mesmo. Nesta condição, quando o rebolo é novo, a velocidade necessária é baixa e o conjugado alto. Conforme ocorre o desgaste do rebolo, a rotação aumenta e o conjugado diminui, podendo o motor operar acima de sua rotação nominal, entrando em sua região de enfraquecimento de campo, onde a curva de conjugado resistente da carga e o conjugado motor se assemelham. 143


3.5.20 Sistemas de Dosagem Entende-se por sistemas de dosagem as aplicações as quais utilizam conversores de freqüência para variar a rotação do motor responsável pela alimentação do sistema, em processos contínuos e que não envolvam controle preciso de quantidade, volume ou vazão. Temos como exemplo aplicações tais como: ESTEIRAS, ROSCA SEM FIM e BOMBAS. Nestes sistemas, a quantidade a ser fornecida não tem precisão, e o controle de velocidade do dosador é feito através do conversor de freqüência. A velocidade é determinada em função de parâmetros do processo, como corrente, pressão, vazão, temperatura, etc., através de um sistema de realimentação (malha fechada) com operação automática. Para a utilização de conversor de freqüência nestas aplicações, é necessário a utilização do Regulador PID Superposto para que o sistema responda de forma otimizada sem oscilações ou respostas muito lentas. Para o dimensionamento do motor deve-se levar em consideração os argumentos já discutidos. 3.5.21 Centrífugas As centrífugas são equipamentos utilizados para separação de compostos de várias naturezas. Entre estes equipamentos podemos salientar as CENTRÍFUGAS DE AÇÚCAR, ROUPA, PRODUTOS QUÍMICOS, etc. Este tipo de aplicação possui características de conjugado resistente baixo e inércia extremamente alta. O conjugado resistente é devido principalmente a atrito de rolamentos e resistência do ar. Neste tipo de aplicação os motores, bem como os conversores, devem ser sobredimensionados para permitir a aceleração da carga de alta inércia, levando-se em consideração o tempo de rotor bloqueado do motor (tempo permissível com corrente acima da nominal) e sobrecorrente admissível pelo conversor (atuação da proteção por sobrecarga). Esta aplicação possui grande potencial para conversores que permitam frenagem regenerativa, pois dependendo do ciclo de carga, a economia de energia proporciona um rápido retorno de investimento. Também podem ser utilizados conversores com frenagem reostática, porém com a energia de frenagem sendo dissipada em banco de resistores. Os acionamentos mais comuns em centrífugas são constituídos de um motor de dupla polaridade (ex: 4:24 pólos), acionados por chave compensadora, com limitação do número de partidas/hora, com conseqüente limitação da produção. Com a utilização de conversores, pode-se aumentar o número de partidas/hora e utilizar-se um motor de indução especial, com ventilação independente.

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3.5.22 Moinhos a Tambor Entre os tipos de moinho a tambor, salientam-se os MOINHOS DE BOLAS (indústria cerâmica) e por analogia do princípio de funcionamento, são aplicações semelhantes as MÁQUINAS DE LAVAR ROUPA INDUSTRIAL. Este tipo de aplicação possui característica de conjugado que varia linearmente com a rotação, ou seja, quanto maior a rotação, maior o conjugado resistente. Este sistema possui elevadas inércias na partida que dependem diretamente da quantidade de carga do moinho. Como exemplo, temos a pior condição quando o moinho está carregado pela metade, pois neste caso, o centro de gravidade é deslocado para uma posição diferente do centro do tambor (eixo acionado) causando o problema de excentricidade do acionamento. Devido a esta excentricidade, o conversor sofre uma sobrecarga e deve ser sobredimensionado em sua potência nominal. O acionamento típico para este tipo de carga é composto por um acoplamento hidráulico, para evitar esforços mecânicos, e a partida é feita por intermédio de chaves compensadoras. A aplicação de conversores de freqüência proporciona algumas vantagens em relação aos métodos convencionais, como:

• diminuição na corrente de partida; • facilidade para posicionar as bocas do moinho; • melhoria no fator de potência; • melhoria na qualidade do produto e principalmente, definindo-se um ciclo ideal de trabalho, ciclo este que depende das características do moinho e do produto a ser processado (moído, lavado, etc.), pode-se diminuir o tempo de processamento e com isso economizar energia.

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4 ANÁLISE TÉCNICA E ECONÔMICA DO CONSUMO DE ENERGIA EM MOTORES ELÉTRICOS Aplicações de investimentos dentro das empresas sempre são questionadas quanto à sua real necessidade e à atratividade do retorno esperado por eles. Indubitavelmente tais questionamentos são importantes para o correto direcionamento do capital da empresa, pois todo investimento, seja ele um alicate, um equipamento de grande porte ou um motor elétrico deve ir ao encontro dos objetivos da empresa. Neste item serão abordados os pontos que mais influenciam nas decisões: Por que se investir em eficiência energética, como diagnosticar a situação atual e em quanto tempo este investimento retornará para a empresa? 4.1 O INSUMO ENERGIA ELÉTRICA Nos capítulos anteriores foi bastante discutido o quadro energético nacional e os futuros impactos no custo da energia elétrica ocasionados pelo aumento da demanda e pelas ameaças para novas ofertas. Seguindo os mesmos preceitos, os motores elétricos devem ser vistos não somente como conversores eletromecânicos dos processos produtivos das plantas industriais, mas também como grandes consumidores de energia elétrica. A figura 5.1 mostra em quanto tempo um motor elétrico consome em custo com energia o equivalente ao seu valor de compra (considerando R$ 0,15/ kWh e operando vinte e quatro horas por dia).

Figura 4.1: Comparativo entre moto res Standard X Alto rendimento Plus

Observa-se que, em média, em menos de dois meses o valor de aquisição do motor já é equiparado pelo seu gasto com energia, o que por si só justificaria uma atenção na busca de motores com melhores rendimentos. É possível também verificar o maior custo de aquisição de motores alto rendimento em relação aos de padrão standard. 146


Na figura 4.2 fica mais evidente como o custo de aquisição dos motores é incipiente em relação ao consumo de energia elétrica quando os avaliamos ao longo de sua vida útil estimada, evidenciando o quanto custo adicional com motores de alto rendimento pode tornar-se irrelevante frente à economia de energia gerada.

Figura 4.2: Custos Mot or Elétrico – Vida útil 10 Anos

O insumo energia elétrica exerce peso significativo nos custos das empresas, que conseqüentemente influenciam na competitividade das mesmas. Ainda assim, são poucas as que avaliam de forma clara e objetiva ações relacionadas à conservação de energia e por isso mesmo decidem erroneamente sobre o destino dos investimentos. Prova maior pode ser conferida no relatório “Pesquisa de posse de equipamentos e hábito de uso (ano base 2005)”, divulgada em Março de 2008 pelo Procel, que revela que em média 61,1% das indústrias nacionais têm preocupação sobre o assunto, conforme a f igura 4.3.

Figura 4.3: Setores de atividades que realizam avaliação energética

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4.2 METODOLOGIA DE ANÁLISE DE CONSUMO DE ENERGIA EM MOTORES ELÉTRICOS 4.2.1 Rendimento (η) O motor elétrico é um conversor eletromecânico, ou seja, tem como finalidade transformar energia elétrica em mecânica. Como em qualquer processo de transformação, perdas ocorrem por motivos diversos.

Figura 4.4:

Para motores de corrente alternada de gaiola, as perdas podem ser dissociadas em: • Perdas Joule geradas pelo enrolamento do estator • Perdas Joule geradas pelo rotor • Perdas no ferro • Perdas mecânicas (mancais de deslizamento, rolamentos, ventilação etc.) • Perdas adicionais (harmônicas, rebarbas nos pacotes de chapas dos estatores etc.) Por definição, o rendimento do motor é definido como a relação entre a potência elétrica (entrada do motor) e a potência mecânica (fornecida na ponta do eixo), como visto na equação 4.1:

( 4.1)

Dessa maneira, percebe-se a importância do valor do rendimento para a análise de consumo de energia elétrica. Deve-se atentar, no entanto, que esse valor pode variar conforme algumas características que são detalhadas a seguir. 4.2.1.1 Data de Fabricação dos Motores A “idade” dos motores ganha relevância quando se avalia sob a perspectiva de evolução tecnológica. Conforme discutido no capítulo 2, as melhorias de 148


processos e materiais propiciaram aumentos significativos de desempenho dos motores elétricos, tanto em confiabilidade quanto em redução de perdas. O exemplo a seguir (figura 4.5) ilustra esses pontos a partir de dois motores com diferença de vinte anos entre as datas de fabricação, tempo suficiente para um acréscimo de 2,5% no rendimento

Figura 4.5: Comparação de rendim ento entre moto res standard

Apesar de aparentemente irrisório, o aumento de 2,5% no rendimento revela-se extremamente positivo quando o associamos à estimativa da vida útil dos equipamentos e os altos custos com energia elétrica, como discutido no início. 4.2.1.2 Rebobinamento do Enrolamento Estatórico Quantas vezes o motor elétrico pode ser rebobinado? O quanto de rendimento se perde após este procedimento? Estes são questionamentos comuns feito por profissionais que trabalham no setor de manutenção e sem resposta definida, pois não existem normas ou regras que estabeleçam tais números. Segundo dados da Electrical Apparatus Service Association Inc (EASA), o rendimento dos motores pode cair de 1 a 5% após um rebobinamento, e ir além se o procedimento se repetir. Deve-se atentar, no entanto, alguns pontos a considerar nesta análise: a) Casos de queima do motor • Caso a temperatura atingida pelo motor durante a queima for elevada o suficientemente para alterar as características magnéticas da chapa, aumentando as perdas no ferro • Queimas que danifiquem as chapas magnéticas (estator e/ou rotor), como por exemplo, um curto para a massa, que geram pontos de sobreaquecimento no motor (em alguns casos a chapa se funde formando

149


uma cavidade no pacote), provocando, além da perda de rendimento, uma redução da vida útil A seguir seguem alguns exemplos de queimas que afetam os valores de rendimentos dos motores:

Figura 4.6:

Figura 4.7:

Figura 4.8:

b) Casos de reparo do motor • No uso de procedimentos incorretos para aquecer o pacote de chapas do estator para a retirada do bobinado, sem controle da temperatura e sem aquecimento uniforme, podendo ocasionar pontos de sobreaquecimento no motor; 150


• Na retirada do bobinado, podendo "descolar" as chapas magnéticas, que também ocasionará pontos de sobreaquecimento; • Caso as espiras tenham um comprimento maior que o padrão de fábrica, gerando o aumento das perdas Joule. É importante ressaltar que queimas que não danificam as chapas magnéticas do estator, como curto entre espiras, por exemplo, não são potenciais de perdas de rendimento. Mas, durante o reparo, é necessário que as oficinas estejam capacitadas para executá-lo de acordo com orientações e procedimentos definidos pelo fabricante, garantindo a integridade do motor elétrico. 4.2.2 Carregamento dos Motores Um ponto importante nesta análise é saber qual potência de fato a aplicação exige, pois o valor do rendimento em motores elétricos varia exponencialmente de acordo com a mesma (figura 5.9). A essa variação de potência é dada o nome de percentual de carga dos motores, ou o quanto da potência nominal é realmente solicitada pelo processo.

Figura 4.9:

Como a potência nominal dos motores elétricos refere-se à potência mecânica fornecida na ponta do eixo para a movimentação da carga, o valor de rendimento torna-se imprescindível para a análise do consumo de energia elétrica, pois conforme a figura 4.9, quanto menor o percentual de carga, pior o rendimento, e conseqüentemente maior o consumo de energia elétrica devido ao maior índice de perdas. 4.2.2.1 Análise do Carregamento a Partir da Corrente de Operação A maneira mais confiável de análise de carga de motores é através da corrente de trabalho, comparando-a com os dados de fabricação dos equipamentos. 151


As medições podem ser realizadas através de amperímetros como ilustrado na figura 4.10:

Figura 4.10: Amperímetro

Importante mencionar que em medições desta natureza os aparelhos devem oferecer leituras em True RMS. Os instrumentos usuais de medição de tensão e corrente são projetados e construídos para uma adequada leitura de sinais perfeitamente senoidais. Em situações de presença de harmônicas, as leituras desses aparelhos podem apresentar erros grosseiros, chegando a até 40% inferior em relação ao sinal real. Em análises de consumo de energia tais erros podem comprometer a confiabilidade do trabalho. A seguir um exemplo de como os valores de carregamento e rendimento de um motor podem ser adquiridos através da corrente de trabalho: • Potência: 100 CV • 4 pólos • Fabricante: WEG • Data de fabricação: 01/07/2008 • Linha de produto: Alto Rendimento Plus • Correntes d e trabalho: 61,5A

152


Figur a 4.11:

Estas informações devem ser cuidadosamente cruzadas com as datas de fabricação e dos tipos de reparos sofridos pelos equipamentos, pois como visto anteriormente estes detalhes interferem diretamente no resultado final. 4.2.2.2 Influência do Regime de Operação dos Equipamentos Outro ponto de atenção nas análises é o regime de operação que o processo exige dos motores elétricos. A avaliação dos equipamentos em seu funcionamento padrão, no processo, é importante para se conhecer as variações de cargas e outras particularidades que não são devidamente transmitidas. O recurso melhor aplicado nessas situações é o analisador de energia (figura 4.12). Com ele é possível registrar e analisar graficamente os ciclos de operação, averiguando os dados de corrente de trabalho medidos com um amperímetro numa operação de intermitência intensa, por exemplo.

Figura 4.12: Analisador de energia 153


Os registros também são importantes para simulações mais precisas de consumo de energia, pois é possível verificar com detalhes os tempos de operação para cada variação da corrente de trabalho (figura 4.13).

Figura 4.13: Regist ro do consu mo de energia

4.2.3 Consumo de Energia em kWh/ano: Com os dados de percentual de carga e rendimento dos motores, basta preencher a equação 4.2:

(4.2)

Onde: %Carga = percentual de carga aplicada ao motor P(cv) = potência nominal do motor Hop = horas de operação por dia Dop = dias de operação no período desejado (meses, anos etc.) ηmotor = rendimento do motor para o %Carga aplicado ao motor Caso a potência nominal do motor seja em Kilowatt, deve-se excluir o multiplicador 0,736. A partir do percentual de carga verificado para os motores atuais, é possível simular o consumo com a substituição destes por outros com melhores rendimentos, desde que se tenham suas curvas de carga. Da diferença entre os consumos obtémse a economia de energia em kWh no período desejado.

(4.3)

154


Onde: kWhec = economia de energia em kWh/ano para o motor previsto kWhprevisto = consumo de energia em kWh/ano para o motor previsto kWhatual = consumo de energia em kWh/ano do motor atual 4.2.4 Motores Sobredimensionados Fugindo da idéia simplista de que, para realizar uma ação objetivando eficiência energética em motores basta trocar os antigos por outros da linha alto rendimento, é preciso esclarecer que um dos maiores problemas nas indústrias é a quantidade de motores mal dimensionados, muitos deles com sobra de potência, operando com baixos percentuais de carga (sobredimensionados), o que implica em baixos rendimentos e maior desperdício de energia. Dados do relatório “Pesquisa de posse de equipamentos e hábito de uso (ano base 2005)” revelam um baixo Fator de Carregamento (FC) nas indústrias nacionais, conforme a figura 4.14:

Figura 4.14: Fator de c arga médio

O FC é um dos índices que permite verificar o quanto a energia elétrica é utilizada de forma racional. Ele representa a razão entre a demanda média, durante um determinado intervalo de tempo e a demanda máxima registrada no mesmo período. Como o maior consumidor de energia elétrica nas indústrias são motores elétricos, podemos deduzir que muitos deles operam abaixo da sua condição nominal, indicando existir espaço para programas de eficiência energética que resultem na elevação do FC médio. Há casos também de motores que operam com cargas acima do especificado que, além de impactar negativamente no consumo, também reduz sua vida útil e pode resultar numa parada de processo ou, em outras palavras, prejuízo.

155


4.2.4.1 Repotenciamento de Motores Sobredimensionados Conforme discutido no item 4.2.2, o percentual de carga dos motores mostra o quanto de fato à aplicação exige de suas potências nominais. Essa é a premissa inicial para a análise de oportunidades de repotenciamento de motores. No exemplo da figura 5.11 a carga solicita do motor de 100 CV apenas 25% da sua nominal, ou seja, 25 CV. A análise de carga deve certificar-se de que todas as variáveis do processo estejam mapeadas, de forma a não impactar negativamente numa eventual substituição de motores. Para isso registros de operação através de analisadores de energia tornam-se essenciais. Em determinadas aplicações a maior exigência se dará durante a partida, necessitando o sobredimensionamento do motor devido ao tempo de rotor bloqueado. O tempo de partida deverá ser registrado através de medições com analisadores de energia, com capacidade de registros em décimos de segundos ou menos (figura 4.15), e a partir dessa informação redimensionar o motor conforme o capítulo 3.

Figura 4.15: Medição do tempo de partida

4.2.5 Considerações sobre Adaptações Elétricas e Mecânicas da Concepção Original A substituição de motores, apesar de relativamente simples, exige atenção algumas vezes negligenciada durante o processo: • Motores antigos possuem, em sua maioria, carcaças maiores que os atuais devido à evolução dos materiais e processos. Assim, é necessário que sejam verificadas as condições mecânicas de instalação: base de fixação e/ou dimensão da flange, dimensões do eixo e conseqüentemente esforço radial exigido e tipo e dimensões do acoplamento.

156


• Além das considerações acima, motores repotenciados exigem uma revisão da instalação elétrica: dimensionamento das proteções (fusíveis, relés etc) e dos acionamentos (contatores, chaves de partida etc). Em caso de repotenciamentos por subdimensionamentos, será necessário também revisar a capacidade dos alimentadores. 4.3 ANÁLISE ECONÔMICA Realizada a análise da viabilidade técnica da aplicação de ações para redução no consumo de energia elétrica, a determinação do tempo de retorno de investimento permitirá avaliar se o investimento será viável conforme a política da empresa. Uma forma simples de cálculo se dá pela equação 4.4:

(4.4)

O valor economizado será a diferença de consumo entre os motores onde o estudo foi focado e suas alternativas propostas. Após o período estimado do ROI, entende-se que a economia mensal de energia pode ser considerada como redução de custo com energia perpetuado indefinidamente. O valor investido pode assumir duas conotações: • Caso o estudo preveja a substituição de motores em operação por novos, o investimento será o valor integral com os custos projetados (motor elétrico padrão alto rendimento, proteções, instalação etc) • Caso o estudo oportunize uma necessidade de substituição, ou seja, onde inevitavelmente o motor deverá ser trocado (um reparo ou uma quebra ocasionando o sucateamento do equipamento), o investimento será a diferença entre o investimento e as alternativas possíveis (o custo do reparo ou um motor padrão Standard novo) 4.3.1 Características dos Motores e seus Impactos nos Valores de Investimento Da mesma forma que na análise técnica, a análise econômica exige precisão nas informações para que decisões equivocadas não sejam tomadas. Além de possíveis adaptações na instalação original, mencionado no item 5.2.5, a correta especificação dos motores também influenciará no valor estimado de investimento. Dados sobre eventuais especialidades (planos de pintura, vedações, proteções térmicas etc) bem como a forma construtiva dos mesmos (figura 5.16) devem ser considerados para o levantamento dos investimentos necessários.

157


Figura 4.16: Especialidades dos motor es elétricos

4.4 ESTUDO DE CASOS 4.4.1 Zanotti Elásticos Situada em Jaraguá do Sul, SC, a Zanotti Elásticos é uma empresa com um parque industrial com mais de 60 mil m² de área construída e cujo core business são fitas de cetim, fios elásticos revestidos, fios sintéticos e produtos sob fabricação especial. Atualmente está posicionada entre as maiores indústrias do mundo em seu ramo de atividade. 4.4.1.1 Desenvolvimento O trabalho realizado na Zanotti Elásticos teve como foco a redução de consumo de energia elétrica e a viabilidade de melhoria do sistema de acionamento de máquinas revestidoras de elástico. O projeto englobou um total de quarenta máquinas cujo acionamento original é feito por dois motores independentes de 20 CV – 4 pólos que acionam toda a máquina por um sistema de polias, fusos e correias (figura 5.17). Nas medições realizadas foi verificado que os motores operavam com no máximo 60% de carga cada um, e, portanto havia realmente um grande potencial de melhorias.

158


Figura 4.17: Acion amento de máquinas – Zanotti Elásticos

Assim, foi instalado o analisador de energia em algumas máquinas e durante todo o processo de fabricação a carga requerida pelos motores foi analisada. Nesta avaliação foi possível verificar que a partida dos motores gerava um grande pico de corrente e, até que o segundo motor partisse, ele se tornava uma carga a mais para o primeiro, tornando assim a partida do conjunto pesada e lenta, como mostrado na figura 5.18, onde a partida completa do conjunto levou aproximadamente 40 segundos e o pico de corrente foi de aproximadamente 180 A, o que a longo prazo influenciaria negativamente na vida útil dos motores.

Figura 4.18: Registro do tempo de partida dos moto res (configur ação atual) – Zanotti Elásticos

159


4.4.1.2 Proposta e Resultados A partir da análise das curvas da partida e regime das máquinas foi feita uma proposta de utilização de apenas um motor, com potência de 25 CV – 4 pólos e adaptação de um mancal no local do motor que seria retirado, como mostra a figura 4.19.

Figura 4.19: Configu ração dos mo tores

Como pode ser visto na figura 4.20, o processo de partida se tornou mais suave, com um pico de corrente muito menor e uma aceleração real a carga em menor tempo (pico de aproximadamente 60 A e aceleração da carga em 30 segundos).

Figura 4.20: Registro do t empo de partida dos mot ores (configu ração propo sta) – Zanotti Elásticos

Os valores medidos antes e depois das modificações encontram-se na tabela comparativa a seguir:

160

Módulo 6 – Eficiência Energética em Apli cações de Motores Elétricos Tabela 4.1: Projeto Original X Modificação WEG Projeto orig inal Modificação WEG Custo unitário (R$/kWh)

R$ 0,16565

Horas de operação / dia

24 horas

Dias de operação / ano

297 dias

kWh médio (kWh)

19,061

10,915

Consumo anual (kWh)

135.866,808

77.802,12

Cust o anual (R$)

R$ 22.506,34

R$ 12.887,92

Cálculo do Retorno sobre o Investimento (ROI) considerando: • Economia: R$ 9.618,42 / ano • Investimento: R$ 2.689,32 (aquisição de motor) • Adaptaçõ es m ecânicas: R$ 1.000,00 (aquisição de acoplamento) • Mão-de-obra: R$ 276,00 (6h eletricista: R$25,00/h + 6h mecânico: R$ 21,00/h) ROI = 0,41 anos = Cinco meses Após a aprovação do projeto, as modificações foram realizadas como mostra a figura 4.21, onde aparecem fotos do local antes e depois da alteração do projeto.

Figur a 4.21:

4.4.1.3 Considerações As medições para esta análise foram realizadas exatamente na mesma máquina, porém, não há garantias de que as cargas aplicadas nos dias em questão fossem as mesmas. Da mesma forma, as manutenções sofridas pela máquina podem ter contribuído para que na primeira medida houvesse maiores perdas. 161


4.4.2 Buaiz Alimentos Situada em Vitória, ES, e no ramo alimentício desde a década de 50, a Buaiz Alimentos é composta por três fábricas: o Moinho Vitória, Mistura para Bolo e a Torrefadora Café Numero Um, oferecendo uma gama de produtos comercializados tanto da linha doméstica quanto de insumos para indústrias de mesmo segmento. Atualmente possui um centro de distribuição, de onde os produtos são distribuídos para os estados do Espírito Santo, Rio de Janeiro, parte de São Paulo, Minas Gerais e Bahia. 4.4.2.1 Desenvolvimento Seguindo a mesma metodologia já apresentada, este segundo estudo de caso teve maior foco nas substituição direta ou com pequenas alterações de potência em um grupo de motores e visualização do resultado final. O diagnóstico energético foi realizado durante o período de dez dias no mês de Março de 2006. No estudo foram considerados alguns equipamentos cujas aplicações englobavam motores antigos de diversas potências e/ou com várias rebobinagens, das áreas de beneficiamento, café, fábrica de pré mistura, moinhos, silos, e transporte. 4.4.2.2 Propostas e resultados Os resultados do diagnóstico realizado nos 193 motores foram: • Cento e cinquenta e seis motores recomendados para substituição por motores de Alto Rendimento Plus; • Oito motores recomendados para repotenciamento (Potência sugerida menor que a atual); • Quinze motores recomendados para repotenciamento (Potência sugerida maior que a atual); • Quatorze motores recomendados a não serem substituidos por serem novos ou já serem de alto rendimento; Os valores de economia e investimento para cada condição analisada podem ser observados nos três gráficos a seguir, que mostram respectivamente: os quilowatts (kW) economizados, os reais (R$) economizados/investidos e o Retorno sobre o Capital Investido (ROI), bem como a soma das condições.

162


Figura 4.22: Ação su gerida X kWh economizado/ano

Figura 4.23: Ação sug erida X R$ investido e econo mizado

Figur a 4.24: Ação sug erida X ROI

4.4.2.3 Considerações Os valores de consumo e economia foram todos baseados em cálculos e projeções matemáticas a partir de medições pontuais, podendo haver desvios se comparado com o regime de operação. Para se realizar a comprovação dos resultados calculados foram então realizadas novas medidas, e embora tal processo não tenha sido feito em todos os motores os resultados podem ser extrapolados: 163


Antes

Depois

Figura 4.25: Avaliação dos motor es antes e depois da modi ficação

• Os vinte e seis motores analisados representam aproximadamente 27% dos 2.401 kW totais do trabalho realizado • Os ganhos em kWh / ano medidos superam os 300.000 kWh / ano, e representam aproximadamente 40% dos 750.000 kWh / ano previstos • A economia em kWh consumido atingiu aproximadamente 13% a mais que o previsto.

164


5 MANUTENÇÃO EFICIENTE Atualmente as equipes de manutenção estão mais enxutas e cada dia que passa as exigências fica mais criteriosas, equipamentos mais automatizados e com uma eletrônica de última geração incorporado, com isto as equipes de instalação, manutenção e operação devem estar em constante desenvolvimento profissional para atender com mais rapidez as necessidades da fábrica.

Figura 5.1: Evoluç ão da manutenção nas empr esas

4ª Geração A expectativa do cliente é sempre de obter maior produtividade com menores custos operacionais, com equipes mais “enxutas”, equipamentos confiáveis e mais complexos, menos paradas programadas para manutenção e sempre apresentando melhoria contínua. O objetivo é ter uma engenharia de manutenção focada sempre em resultados, sempre procurando pontos de melhorias. Indicador es de Manutenção A partir da última pesquisa realizada pela ABRAMAN – Associação Brasileira de Manutenção em 2007 foi elaborada uma série de gráficos com os indicadores de manutenção no Brasil. A pesquisa mostra entre outros fatores o perfil de como estão os custos de manutenção e sua evolução ao longo dos anos, com ocorre a contratações de terceiros, quanto representa o custo do estoque, etc.

165


5.1 A SITUAÇÃO DA MANUTENÇÃO NO BRASIL Gráfico 5.1: Custo Total

Gráfico 5.2: Contratações

Gráfico 5.3: Custo s

Gráfico 5.4: Estoque

Gráfico 5.5: Indicadores

Gráfico 5.6: Manutenções

166

Módulo 6 – Eficiência Energética em Apli cações de Motores Elétricos Gráfico 5.7: Idade Média

Gráfico 5.8: Disponibi lidade

Gráfico 5.9: Tendências na Manutenção

Fonte: ABRAMAM – Documento Nacional 2007

5.2 INSTALAÇÃO EFICIENTE 5.2.1 Instruções Gerais Todos os profissionais que realizam serviços em equipamentos elétricos, seja na instalação, operação ou manutenção, deverão ser permanentemente informados e atualizados sobre as normas e prescrições de segurança que regem o serviço, e aconselhados a segui-las. Cabe ao responsável certificar-se antes do início do trabalho, de que tudo foi devidamente observado, e alertar seu pessoal para os perigos inerentes à tarefa proposta. Recomenda-se que este serviço seja efetuado por pessoal qualificado. Como medida de segurança, os equipamentos para combate a incêndios e avisos sobre primeiros socorros não deverão faltar no local de trabalho, devendo estar sempre em locais bem visíveis e de fácil acesso.

167


5.3 MANUTENÇÃO EFICIENTE 5.3.1 Montagem e desmontagem de rolamentos • Montagem por aquecimento indutivo; • Aquecimento entre 80°C a 100°C. Não ultrapassar 120°C; • Sensor de temperatura colocado no anel interno;

• Montagem com prensa e dispositivos (buchas) apropriados para instalação (força aplicada no anel interno); • Dispositivos no mercado com buchas e martelos para uma correta instalação manual;

• Na desmontagem utilizar saca manual ou saca hidráulico;

• Não utilizar maçarico na montagem ou desmontagem;

Não utilizar martelos na desmontagem (danos no eixo);

168


5.3.2 Lubrificação Procedimento: • Limpar o pino graxeiro e a região ao redor com pano de algodão; • Caso não possa ser relubrificado em operação, parar o motor e adicionar metade da graxa; • Rodar o motor por um minuto, e pará-lo novamente; • Adicionar o restante da graxa e liberá-lo para operação normal. Cuidados básicos • Acionar a pistola engraxadeira em uma balança para medir a quantidade de graxa expelida; • Evitar a mistura de graxas; • Manter a superfície da graxa nivelada e o recipiente fechado. O que modifi ca o período de relubrifi cação? • Tipo do rolamento (esferas, rolos, contato angular, etc.); • Graxa utilizada; • Rotação de trabalho do motor; • Quanto maior a rotação menor é o período de relubrificação; • Posição de trabalho do motor (horizontal ou vertical); • Temperatura de trabalho do rolamento. Posição de trabalho • Motores projetados para operar na horizontal e que opera na vertical, reduzir o período de relubrificação pela metade. • Temperatura de operação • A cada 15 ºC acima da temperatura de projeto, o período de relubrificação é reduzido pela metade.

Figura 5.2

169


5.3.3 Alinhamento

Figur a 5.3

Desalinhamento custa tempo e dinheiro Mais de 50% de avarias em máquinas rotativas são causadas por desalinhamento de eixos. Essas avarias causam um aumento de parada de máquinas, o que se traduz diretamente em custos mais elevados. Adicionalmente, um alinhamento incorreto solicita mais os componentes de máquina, resultando num maior desgaste, bem como, num maior consumo de energia. Para tanto, as indústrias gastam, a cada ano, enormes somas para remediar os efeitos de eixos desalinhados. Contudo, o desalinhamento pode ser facilmente eliminado, por meio de uma manutenção preventiva. Portanto, um alinhamento adequado economiza não apenas o dinheiro, mas vai manter o seu maquinário em funcionamento por mais tempo, e de maneira mais eficiente. Os métodos tradicionais de alinhamento freqüentemente não produzem o rigoroso grau de precisão exigido pelo atual maquinário de precisão. Os métodos rudimentares ainda em uso hoje em dia podem ser rápidos, mas são também imprecisos. Outros métodos tradicionais, que empregam mostradores, não proporcionam um elevado grau de precisão, mas exigem operadores especializados e consomem muito tempo.

170


Figura 5.4: Métodos de alinhamento

Figura 5.5: Tipo s de desalinhamento

O que é exatamente o desalinh amento? O desalinhamento ocorre quando os centros de dois eixos em uma máquina não estão alinhados um com o outro. Existem dois tipos de desalinhamento: o paralelo e o angular. Na maioria dos casos, o desalinhamento de uma máquina é causado por uma combinação desses dois tipos. As vantag ens de u m alinhament o correto:

Figura 5.6: Alinhamento cor reto

• Vida mais longa para os rolamentos; • Menor esforço sobre os acoplamentos, reduzindo e risco de superaquecimento e quebras; • Menor desgaste de vedações, baixando o risco de contaminação e de vazamento de lubrificante; • Menor consumo de energia; 171


• Menos vibração e ruídos; • Aumento de disponibilidade de funcionamento. Desalinhamento d e polias Um dos motivos mais comuns para a interrupção não planejada da operação das máquinas acionadas por correias é o desalinhamento das polias. O desalinhamento das polias pode aumentar o desgaste das polias e das correias, bem como aumentar os níveis de ruído e vibração operacionais, o que pode resultar na parada não programada das máquinas. Outro efeito colateral do aumento da vibração é a falha prematura dos rolamentos. Essas falhas também podem ser causa para uma parada não programada de máquinas.

Figura 5.7: Medição do d esalinhamento paralelo e angular usando um a régua ou um p edaço de barbante

Métodos tradicionais de alinhamento de polias Esses métodos, que são os mais amplamente usados, envolvem o uso apenas da visão combinada com uma régua e/ou pedaço de barbante. A vantagem destes métodos tradicionais é o tempo curto necessário para realizar o ajuste, embora o uso de uma régua demande mais tempo do que o uso apenas da visão. A maior desvantagem destes métodos é a falta de precisão. Alguns fabricantes de correias e polias recomendam um desalinhamento máximo horizontal de 0,5°, ou até 0,25°, o que é impossível de se conseguir usando apenas a visão.

Figura 5.8: O alinhamento c orreto si gnifi ca alinhar as ranhuras das polias.

Métodos a laser de alinhamento de pol ias Uma ferramenta de alinhamento de polias a laser proporciona um alinhamento muito mais rápido e preciso do que os métodos tradicionais. As ferramentas de alinhamento de polias disponíveis no mercado podem ser classificadas de acordo com o modo como elas são fixadas nas polias e o mecanismo que utilizam para realizar o alinhamento.

172


Em geral, existem dois grupos: ferramentas que alinham a face da polia e ferramentas que alinham as ranhuras das polias. A maior desvantagem das ferramentas que usam a face ou a lateral das polias como referência de alinhamento de polias e correias é que apenas a face das polias é usada como referência. Isso significa que apenas as faces das polias são alinhadas umas com as outras e não necessariamente as ranhuras nas quais as correias trabalham. Este método resulta em níveis variados de precisão quando as polias apresentam espessuras diferentes ou são de marcas ou fabricantes diversos. As ferramentas que alinham as ranhuras das polias permitem o alinhamento onde ele é mais importante: nas ranhuras da polia, aumentando consideravelmente a precisão, independentemente da espessura, marca ou fabricante das polias. O alinhamento preciso das polias e correias podem ajudá-lo a:

• Aumentar a vida útil dos rolamentos; • Aumentar o tempo operacional, a eficiência e a produtividade das máquinas; • Reduzir o desgaste das polias e correias; • Reduzir o atrito e, dessa forma, o consumo de energia; • Reduzir o ruído e a vibração operacionais; • Reduzir os custos com substituição de componentes e tempo de paradas não programadas das máquinas;

Desalinhamento Desalinhamento Desalinhamento Alinhamento em ângulo em ângulo paralelo correto vertical horizontal

173


5.4 MÉTODOS DE MANUTENÇÃO

Figura 5.9: Taxa de falha X Tempo

Na primeira fase ocorre à mortalidade infantil devido a máquina nova, a taxa de falha é decrescente, o que indica que o sistema tem falhas inerentes de projeto ou de montagem que vêm sendo corrigidas pela manutenção ou operação. Em geral, as falhas nesta fase são prematuras e decorrem de má especificação de projeto ou por falhas na fabricação de componentes. Se não há uma prática de correção de falhas, a tendência é que a taxa de falhas seja alta e se mantenha ao redor do mesmo valor, o que caracteriza outra fase. Uma estratégia coerente de manutenção para esta etapa da vida do equipamento é a manutenção corretiva, aquela manutenção que não apenas repara o sistema, mas corrige o erro de projeto que permitiu que a falha ocorresse. Na segunda fase é a vida de operação normal do equipamento, esta fase de maturidade, as falhas prematuras não ocorrem mais, pois todos os erros de projeto já foram corrigidos ou a manutenção não se preocupa em corrigir as falhas que ocorrem apenas repará-las. As falhas que ocorrem nesta fase são aleatórias, devidas a incidentes imprevisíveis, tais como catástrofes naturais, ou erros de operação, nos quais o sistema produtivo é exposto a quantidades de energia liberadas em uma taxa que o sistema não suporta. Se o sistema já está livre de falhas prematuras e está na maturidade, o melhor é não fazer nenhuma manutenção ou, no máximo, fazer manutenção preditiva, ou seja, aquela manutenção em que monitoram-se alguns parâmetros significativos que se desviarão quando a máquina apresentar o envelhecimento natural. Na terceira fase, a mortalidade por equipamento velho, o equipamento entrou em desgaste irreversível. Nesta fase, a melhor estratégia é a manutenção preventiva, pois é nesta fase que vale a pena trocar antecipadamente os componentes frágeis, aqueles que, se não falharem imediatamente, falharão em curto prazo.

174


5.4.1 Manutenção Corretiva É a situação na qual o equipamento é utilizado até a quebra, onde será posteriormente reparado ou substituído por outro equipamento. Geralmente indústrias que usam máquinas de baixo custo e tem equipamentos reserva utilizam este tipo de manutenção. O monitoramento dos equipamentos não é vantajoso visto que não há vantagens econômicas ou de segurança em conhecer quando a falha irá ocorrer. 5.4.2 Manutenção Preventiva Quando não há máquinas reserva ou paradas de produção resultam em grandes perdas, a manutenção realizada em intervalos periódicos, chamada preventiva, pode ser utilizada. Os intervalos de serviço são determinados para que a máquina não apresente falha dentro deste período. No entanto a experiência tem mostrado que na maioria dos casos a manutenção preventiva é antieconômica, uma vez que paradas podem ser programadas quando o equipamento ainda apresenta condição de uso, sendo que peças boas freqüentemente são substituídas por peças novas. Outro fator importante, a interferência humana, pode reduzir a confiabilidade do equipamento após a intervenção. Cita-se montagens de rolamento inadequadas, contaminação do lubrificante devido à abertura do equipamento, danos ao enrolamento de motores por batidas durante montagem/ desmontagem, etc. 5.4.3 Manutenção Preditiva A manutenção preditiva dos motores elétricos resume-se numa inspeção periódica realizando alguns testes para identificar as falhas logo no início. A freqüência com que devem ser feitas as inspeções, depende do tipo de motor e das condições locais de aplicação. Este tipo de inspeção ajuda a diminuir aos custos de manutenção em função dos defeitos ainda estarem em desenvolvimento. Os principais tipos de inspeções são: • Níveis de isolamento; • Desempenho elétrico (corrente, tensão, potência, etc.); • Temperatura de trabalho do motor e rolamentos; • Lubrificação dos mancais; • Vibração; • Sensitiva (análise visual).

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REFERÊNCIAS BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL. Empresa de Pesquisa Energética. Disponível em: < http://ben.epe.gov.br >. BANCO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO E SOCIAL – BNDES. Disponível em: < http://www.bndes.gov.br >. PEREIRA, Luís Alberto. Análise Econômi ca da Aplicação de Motores de Indução de Alto Rendimento. PUC-RS. Disponível em: < www.ee.pucrs.br >. PLANO NACIONAL DE ENERGIA – PNE 2030. Empresa de Pesquisa Energética. Disponível em: http://www.epe.gov.br >. PROGRAMA DE INCENTIVO ÀS FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA ELÉTRICA – PROINFA. Disponível em: < http://www.mme.gov.br >. PROGRAMA NACIONAL DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA – PROCEL. Disponível em: < http://www.eletrobras.com.br/procel >. WIKIPÉDIA. A enciclopédia livre. Disponível em: < http://www.wikipedia.org >.

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ANEXOS ANEXO I – LEI Nº 10.295, DE 17 DE OUTUBRO DE 2001.

Presidência da República Casa Civil Subchefia para Assuntos Jur ídicos LEI No 10.295, DE 17 DE OUTUBRO DE 2001. Regulamento

Dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia e dá outras providências.

O PRESIDENTE DA REPÚBLICA Faço saber que o Congresso Nacional decreta e eu sanciono a seguinte Lei: Art. 1o A Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia visa a alocação eficiente de recursos energéticos e a preservação do meio ambiente. Art. 2o O Poder Executivo estabelecerá níveis máximos de consumo específico de energia, ou mínimos de eficiência energética, de máquinas e aparelhos consumidores de energia fabricados ou comercializados no País, com base em indicadores técnicos pertinentes. § 1o Os níveis a que se refere o caput serão estabelecidos com base em valores técnica e economicamente viáveis, considerando a vida útil das máquinas e aparelhos consumidores de energia. § 2o Em até 1 (um) ano a partir da publicação destes níveis, será estabelecido um Programa de Metas para sua progressiva evolução. Art. 3o Os fabricantes e os importadores de máquinas e aparelhos consumidores de energia são obrigados a adotar as medidas necessárias para que sejam obedecidos os níveis máximos de consumo de energia e mínimos de eficiência energética, constantes da regulamentação específica estabelecida para cada tipo de máquina e aparelho. § 1o Os importadores devem comprovar o atendimento aos níveis máximos de consumo específico de energia, ou mínimos de eficiência energética, durante o processo de importação. § 2o As máquinas e aparelhos consumidores de energia encontrados no mercado sem as especificações legais, quando da vigência da regulamentação específica, deverão ser recolhidos, no prazo máximo de 30 (trinta) dias, pelos respectivos fabricantes e importadores. § 3 o Findo o prazo fixado no § 2 o, os fabricantes e importadores estarão sujeitos às multas por unidade, a serem estabelecidas em regulamento, de até 100% (cem por cento) do preço de venda por eles praticados. Art. 4o O Poder Executivo desenvolverá mecanismos que promovam a eficiência energética nas edificações construídas no País. Art. 5 o Previamente ao estabelecimento dos indicadores de consumo específico de energia, ou de eficiência energética, de que trata esta Lei, deverão ser ouvidas em audiência pública, com divulgação antecipada das propostas, entidades representativas de fabricantes e importadores de 177

Módulo 6 – Eficiência Energética em Apli cações de Motores Elétricos máquinas e aparelhos consumidores de energia, projetistas e construtores de edificações, consumidores, instituições de ensino e pesquisa e demais entidades interessadas. Art. 6o Esta Lei entra em vigor na data de sua publicação. Brasília, 17 de outubro de 2001; 180 o da Independência e 113o da República. FERNANDO HENRIQUE CARDOSO José Jorge Pedro Parente

Este texto não substitui o publicado no D.O.U. de 18.10.2001

178


ANEXO II – DECRETO 4.508, DE 11 DE DEZEMBRO DE 2002

Presidência da República Casa Civil Subchefia para Assuntos Jur ídicos DECRETO Nº 4.508, DE 11 DE DEZEMBRO DE 2002. Dispõe sobre a regulamentação específica que define os níveis mínimos de eficiência energética de motores elétricos trifásicos de indução rotor gaiola de esquilo, de fabricação nacional ou importados, para comercialização ou uso no Brasil, e dá outras providências. O PRESIDENTE DA REPÚBLICA, no uso da atribuição que lhe confere o art. 84, inciso IV, da Constituição, e tendo em vista o disposto na Lei no 10.295, de 17 de outubro de 2001, e no Decreto n o 4.059, de 19 de dezembro de 2001, DECRETA: Art. 1o Fica aprovada a regulamentação específica que define os níveis mínimos de eficiência energética de motores elétricos trifásicos de indução rotor gaiola de esquilo, de fabricação nacional ou importados, para comercialização ou uso no Brasil, na forma dos Anexos I e II deste Decreto. Art. 2o O estabelecimento dos níveis máximos de consumo de energia, ou mínimos de eficiência energética dos demais aparelhos e máquinas, bem como os programas de metas previstos no art. 2o da Lei no 10.295, de 17 de outubro de 2001, serão objeto de regulamentações específicas por meio de portarias interministeriais dos Ministérios de Minas e Energia, da Ciência e Tecnologia e do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior, após aprovação do Comitê Gestor de Indicadores e Níveis de Eficiência Energética - CGIEE. Art. 3o Este Decreto entra em vigor na data de sua publicação. Brasília, 11 de dezembro de 2002; 181o da Independência e 114o da República. Este texto não substitui o publicado no D.O.U. de 12.12.2002 FERNANDO HENRIQUE CARDOSO Francisco Gomide Benjamin Benzaquen Sicsú Ronaldo Mota Sardenberg

179

Módulo 6 – Eficiência Energética em Apli cações de Motores Elétricos Anexo I REGULAMENTAÇÃO ESPECÍFICA QUE DEFINE OS NÍVEIS MÍNIMOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE MOTORES ELÉTRICOS TRIFÁSICOS DE INDUÇÃO ROTOR GAIOLA DE ESQUILO CAPÍTULO I CARACTERIZAÇÃO DO PRODUTO Art. 1o Os equipamentos objeto desta regulamentação correspondem aos motores elétricos trifásicos de indução rotor gaiola de esquilo, de fabricação nacional ou importados, para comercialização ou uso no Brasil, incluindo tanto os motores comercializados isoladamente quanto os que fazem parte de outros equipamentos. Parágrafo único. Os motores objeto desta regulamentação possuem as seguintes características: I - para operação em rede de distribuição de corrente alternada trifásica de 60 Hz, e tensão nominal até 600V, individualmente ou em quaisquer combinações de tensões; II - freqüência nominal de 60 Hz ou 50 Hz para operação em 60 Hz; III - uma única velocidade nominal ou múltiplas velocidades para operação em uma única velocidade nominal; IV - nas potências nominais de 1 a 250cv ou hp (0,75 a 185kW) nas polaridades de 2 e 4 pólos; nas potências de 1 a 200cv ou hp (0,75 a 150kW) na polaridade de 6 pólos e nas potências de 1 a 150cv ou hp (0,75 a 110kW) na polaridade de 8 pólos; V - para operação contínua, ou classificado como operação S1 conforme a Norma Brasileira NBR 7094/2000, da Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT; VI - desempenho de partida de acordo com as características das categorias N e H da norma NBR 7094/2000, da ABNT, ou categorias equivalentes, tais como A ou B ou C da "National Equipment Manufacturers Association" - NEMA; e VII - seja do tipo totalmente fechado com ventilação externa, acoplada ou solidária ao próprio eixo de acionamento do motor elétrico. Art. 2o O Anexo II apresenta esclarecimentos adicionais que contribuem para a caracterização dos motores abrangidos. Parágrafo único. O Comitê Gestor de Indicadores e Níveis de Eficiência Energética - CGIEE, instituído pelo Decreto no 4.059, de 19 de dezembro de 2001, poderá, com apoio de grupo técnico, elaborar documentos complementares que se fizerem necessários para identificar os motores de que trata esta regulamentação. CAPÍTULO II RENDIMENTOS NOMINAIS MÍNIMOS E PROCEDIMENTOS DE ENSAIOS Art. 3o O indicador de eficiência energética a ser utilizado é o rendimento nominal.

180

Módulo 6 – Eficiência Energética em Apli cações de Motores Elétricos Art. 4o O método de ensaio para determinação do rendimento nominal é a variação do Método 2 - Ensaio Dinamométrico com medição indireta das perdas suplementares e medição direta das perdas no estator (I2R), no rotor (I2R), no núcleo e por atrito e ventilação, descrito na norma NBR 5383 -1 /2001 da ABNT - Máquinas Elétricas Girantes - Parte 1 - Motores de Indução Trifásicos Ensaios. O rendimento nominal deve ser determinado nas condições de tensão nominal, freqüência nominal e potência de saída nominal no eixo do motor. Art. 5o Os níveis mínimos de rendimento nominal a serem atendidos estão definidos na tabela abaixo, incluindo as linhas de motores padrão e alto rendimento. § 1o Estes valores estão sujeitos às tolerâncias descritas na norma NBR 7094/2000 da ABNT. § 2o Entende-se por motores da linha padrão e da linha de alto rendimento os motores elétricos trifásicos de indução rotor de gaiola de esquilo caracterizados tecnicamente nos arts. 1 o e 2o e com rendimentos nominais mínimos iguais ou superiores aos estabelecidos na tabela a seguir. TABELA - RENDIMENTOS NOMINAIS MÍNIMOS PADRÃO

ALTO RENDIMENTO

Pólos

Pólos

cv ou hp

Kw

2

4

6

8

2

4

6

8

1,0

0,75

77,0

78,0

73,0

66,0

80,0

80,5

80,0

70,0

1,5

1,1

78,5

79,0

75,0

73,5

82,5

81,5

77,0

77,0

2,0

1,5

81,0

81,5

77,0

77,0

83,5

84,0

83,0

82,5

3,0

2,2

81,5

83,0

78,5

78,0

85,0

85,0

83,0

84,0

4,0

3,0

82,5

83,0

81,0

79,0

85,0

86,0

85,0

84,5

5,0

3,7

84,5

85,0

83,5

80,0

87,5

87,5

87,5

85,5

6,0

4,5

85,0

85,5

84,0

82,0

88,0

88,5

87,5

85,5

7,5

5,5

86,0

87,0

85,0

84,0

88,5

89,5

88,0

85,5

10

7,5

87,5

87,5

86,0

85,0

89,5

89,5

88,5

88,5

12,5

9,2

87,5

87,5

87,5

86,0

89,5

90,0

88,5

88,5

15

11

87,5

88,5

89,0

87,5

90,2

91,0

90,2

88,5

20

15

88,5

89,5

89,5

88,5

90,2

91,0

90,2

89,5

25

18,5

89,5

90,5

90,2

88,5

91,0

92,4

91,7

89,5

30

22

89,5

91,0

91,0

90,2

91,0

92,4

91,7

91,0

40

30

90,2

91,7

91,7

90,2

91,7

93,0

93,0

91,0

50

37

91,5

92,4

91,7

91,0

92,4

93,0

93,0

91,7

60

45

91,7

93,0

91,7

91,0

93,0

93,6

93,6

91,7

75

55

92,4

93,0

92,1

91,5

93,0

94,1

93,6

93,0

100

75

93,0

93,2

93,0

92,0

93,6

94,5

94,1

93,0

125

90

93,0

93,2

93,0

92,5

94,5

94,5

94,1

93,6

181

Módulo 6 – Eficiência Energética em Apli cações de Motores Elétricos 150

110

93,0

93,5

94,1

175

132

93,5

94,1

200

150

94,1

94,5

250

185

94,1

94,5

92,5

94,5

95,0

95,0

94,1

94,7

95,0

95,0

94,1

95,0

95,0

95,0

95,4

95,0

93,6

CAPÍTULO III PLACA DE IDENTIFICAÇÃO DO MOTOR Art. 6o A placa de identificação permanente de um motor deve conter claramente o rendimento e o fator de potência nominais do motor, observados os demais requisitos definidos na norma NBR 7094 da ABNT. CAPÍTULO IV AVALIAÇÃO DA CONFORMIDADE E LABORATÓRIOS Art. 7o O processo de avaliação da conformidade para verificação dos níveis mínimos de eficiência energética dos motores trifásicos, caracterizados em conformidade com o Capítulo I desta regulamentação, é o da etiquetagem, realizado pelo Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial - Inmetro, por meio do Programa Brasileiro de Etiquetagem - PBE. § 1o Antes da comercialização de um modelo básico de motor, este deverá ser submetido pelo fabricante ou importador ao Inmetro para autorização de comercialização no Brasil. Entende-se por modelo básico um motor que represente um conjunto de motores com mesmas características elétricas e mecânicas e produzido por um mesmo fabricante. § 2o A autorização de comercialização conferida pelo Inmetro não isenta o fabricante ou importador da responsabilidade de comercializar seus equipamentos dentro dos índices mínimos de eficiência definidos nesta regulamentação. Art. 8o Os laboratórios responsáveis pelos ensaios que comprovarão o atendimento dos níveis mínimos de rendimento nominal dos motores fabricados ou comercializados no País são aqueles credenciados ou designados pelo Inmetro. Parágrafo único. Os laboratórios credenciados ou designados pelo Inmetro estão relacionados no campo específico, para esta regulamentação, na página eletrônica do Inmetro. Art. 9o O CGIEE poderá, eventualmente, e com o conhecimento do Inmetro, designar outros laboratórios capacitados para realizar os ensaios pertinentes, quando os credenciados ou reconhecidos não puderem atender às solicitações ou ficarem impedidos momentaneamente de atender aos pedidos. Nesse caso, os laboratórios deverão ser previamente auditados por técnicos indicados pelo Inmetro, com base na norma NBR ISO 17.025, da ABNT, e o ensaio acompanhado por especialista indicado pelo Inmetro. CAPÍTULO V MOTORES COMPONENTES DE OUTRAS MÁQUINAS Art. 10. As máquinas motrizes de uso final que tenham regulamentação esp ecífica relativa a níveis mínimos de eficiência ou máximos de consumo de energia, conforme Decreto n o 4.059, de 2001, não estão abrangidos por esta regulamentação.

182

Módulo 6 – Eficiência Energética em Apli cações de Motores Elétricos Parágrafo único. Entende-se por máquinas motrizes de uso final os equipamentos que possuem motores como um dos seus componentes. Art. 11. As máquinas motrizes de uso final que não se enquadram no art. 10 devem possuir, na sua placa de identificação ou em placa adicional, os dados do motor ou dos motores componentes, explicitando as informações de rendimento e fator de potência nominais. Art. 12. Caberá aos fabricantes das máquinas motrizes de uso final, a com provação perante o Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior ou ao órgão por ele indicado, de que um determinado motor componente de um modelo básico de máquina motriz de uso final, não está abrangido por esta regulamentação. Art. 13. Os motores, tanto da linha padrão quanto de alto rendimento, componentes de máquinas motrizes de uso final que são fabricados ou importados em carcaças inferiores às referenciadas pela norma NBR 7094/2000, da ABNT, conforme correspondência entre potência nominal e velocidade síncrona, também estão cobertos por esta regulamentação. Parágrafo único. O prazo e a condição de adequação para os motores abrangidos pelo caput deste artigo, quando se tratar de modificações onerosas, encontram-se explicitados nos arts. 19 e 20 desta regulamentação. CAPÍTULO VI MOTORES E MÁQUINAS MOTRIZES DE USO FINAL IMPORTADOS Art. 14. As empresas importadoras de motores e de máquinas m otrizes de uso final, abrangidos por esta regulamentação, devem comprovar o atendimento aos níveis mínimos de eficiência energética durante o processo de importação. Art. 15. No processo de importação dos motores e de m áquinas motrizes de uso final de que trata esta regulamentação, deverá haver a anuência do Inmetro para concessão da Licença de Importação, obtida previamente ao embarque no exterior. CAPÍTULO VII FISCALIZAÇÃO E PENALIDADES Art. 16. A fiscalização do cumprimento das disposições contidas nesta regulam entação, em todo o território nacional, será efetuada pelo Inmetro e pelas entidades de direito público com ele conveniadas. Parágrafo único. O não-cumprimento da presente regulamentação, acarretará aos infratores, a aplicação das penalidades previstas na Lei no 10.295, de 17 de outubro de 2001. CAPÍTULO VIII VIGÊNCIA Art. 17. A data-limite para fabricação no país ou impor tação do exterior de motores que não fazem parte de máquina motriz de uso final e que não atendam ao disposto nesta regulamentação é a da entrada em vigor deste Decreto. Art. 18. A data-limite para comercialização dos motores fabricados no país ou importados do exterior que não fazem parte de máquina motriz de uso final e que não atendam ao disposto nesta regulamentação é 28 de fevereiro de 2003.

183

Módulo 6 – Eficiência Energética em Apli cações de Motores Elétricos Parágrafo único. Os conhecimentos de embarque dos motores importados referentes ao caput deste artigo, deverão ter sido emitidos até a data de entrada em vigor desta regulamentação. Art. 19. A data-limite para fabricação no país ou importação do exterior de máquinas motrizes de uso final cujos motores componentes são abrangidos e que não atendam ao disposto nesta regulamentação é 28 de fevereiro de 2003. Parágrafo único. Para as máquinas motrizes de uso final para as quais o atendimento desta regulamentação implicar em modificações onerosas, financeiramente, tecnicamente ou operacionalmente, comprovadas junto ao Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior - MDIC ou ao órgão por ele indicado, o prazo do caput fica estendido para 30 de setembro de 2003. Art. 20. A data-limite para comercialização de máquinas motrizes de uso final cujos m otores componentes não atendam ao disposto nesta regulamentação é 31 de julho de 2003. Parágrafo único. Para as máquinas motrizes de uso final para as quais o atendimento desta regulamentação implicar em modificações onerosas, financeiramente, tecnicamente ou operacionalmente, comprovadas junto ao Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior - MDIC ou ao órgão por ele indicado, o prazo do caput fica estendido para 30 de dezembro de 2003. Anexo II ESCLARECIMENTOS PARA CARACTERIZAÇÃO DOS PRODUTOS OBJETO DESTA REGULAMENTAÇÃO Este Anexo apresenta esclarecimentos adicionais para caracterizar os motores objeto desta regulamentação, conforme descrito a seguir: I - Motores de Velocidade Variável Motores de várias velocidades nominais e motores com inversores embutidos não são equipamentos abrangidos por esta regulamentação, já que os seus projetos são para uso em velocidade variável. No entanto, os motores que sejam de velocidade única, que atendem aos outros critérios definidos neste Anexo, e que podem ser usados com inversores em aplicações de velocidade variável como uma característica adicional, são equipamentos abrangidos por esta regulamentação. Em outras palavras, ser adequado para uso com um inversor não exime um motor das exigências aqui definidas. II - Motores com Selo Mecânico ou Retentores Quando o motor sem selo mecânico ou retentor é abrangido por esta regulamentação, o motor com selo mecânico correspondente também é abrangido. É obrigatório que o rendimento do referido motor seja aferido em ensaios com a retirada dos selos ou retentores instalados. III - Motores de Potência Intermediária Os motores elétricos construídos para potências intermediárias às potências definidas na TABELA do art. 5o do Anexo I serão referidos como "motores com potências intermediárias". Os motores com potências intermediárias são abrangidos por esta regulamentação. O valor do rendimento mínimo que se aplica é o da potência adjacente mais próxima da potência nominal do 184

Módulo 6 – Eficiência Energética em Apli cações de Motores Elétricos mesmo. Para motores com potências intermediárias eqüidistantes de duas potências adjacentes, deverá ser exigido o rendimento do motor com potência nominal superior a dele. IV - Motores para Bombas Mono bloco Um motor elétrico, com as características definidas no art. 1 o do Anexo I, e que possa ser acoplado a uma bomba está abrangido por esta regulamentação. V - Motores Acop lados a Acionador es Mecânicos Um motor elétrico, com as características definidas no art. 1º do Anexo I, que é conectado a um acionador mecânico de engrenagens ou a um conjunto de engrenagens por intermédido de acoplamento direto, correias, parafusos, ou outros meios, é equipamento abrangido por esta regulamentação. VI - Motores co m Rolamentos Especiais Um motor elétrico, com as características definidas no art. 1 o do Anexo I, cuja aplicação exige rolamentos de rolos ou rolamentos para carga axial, está abrangido por esta regulamentação. É permitido que o rendimento do motor seja aferido em ensaios com a utilização de rolamentos de esferas radiais. VII - Motores Especiais Motores elétricos de indução trifásicos com projetos elétricos e mecânicos especiais para aplicações específicas estão excluídos desta regulamentação. Os fabricantes destes motores deverão comprovar esta exclusão junto ao Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior ou ao órgão por ele indicado. VIII - Motores em Áreas Classificadas Motores elétricos certificados para áreas classificadas, com exceção daqueles do tipo não acendíveis, não estão abrangidos por esta regulamentação. Os fabricantes destes motores deverão comprovar esta exclusão junto ao Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior ou ao órgão por ele indicado.

185


ANEXO III – PORTARIA INTERMINISTERIAL Nª 553, DE 08 DE DEZEMBRO DE 2005

PORTARIA INTERMINISTERIAL Nº 553, DE 8 DE DEZEMBRO DE 2005. OS MINISTROS DE ESTADO DE MINAS E ENERGIA, DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA, E DO DESENVOLVIMENTO, INDÚSTRIA E COMÉRCIO EXTERIOR, no uso da atribuição que lhes confere o art. 87, parágrafo único, inciso II, da Constituição, tendo em vista o disposto na Lei nº 10.295, de 17 de outubro de 2001, no Decreto nº 4.059, de 19 de dezembro de 2001, e no art. 2º do Decreto nº 4.508, de 11 de dezembro de 2002, e considerando que o art. 2º da Lei nº 10.295, de 17 de outubro de 2001, estabelece que compete ao Poder Executivo estabelecer os níveis máximos de consumo específico de energia, ou mínimos de eficiência energética; foi instituído o Comitê Gestor de Indicadores e Níveis de Eficiência Energética CGIEE, com a finalidade de elaborar regulamentação específica para cada tipo de aparelho e máquina consumidora de energia, e estabelecer Programa de Metas com indicação da evolução dos níveis a serem alcançados para cada equipamento regulamentado; a regulamentação específica de motores elétricos trifásicos de indução rotor gaiola de esquilo, bem como os níveis mínimos de eficiência energética estão contemplados no Decreto nº 4.508, de 11 de dezembro de 2002; e o Programa de Metas deve ser estabelecido por meio de Portaria Interministerial; resolvem: Art. 1º Aprovar o Programa de Metas de motores elétricos de indução trifásicos, na forma constante do Anexo à presente Portaria. Art. 2º Esta Portaria entra em vigor na data de sua publicação. SILAS RONDEAU CAVALCANTE SILVA Ministro de Estado de Minas e Energia

SÉRGIO MACHADO REZENDE Ministro de Estado da Ciência e Tecnologia

LUIZ FERNANDO FURLAN Ministro de Estado de Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior Este texto não substitui o publicado no D.O.U. de 12.12.2004.

186


Anexo PROGRAMA DE METAS Art. 1º Este Programa de Metas complementa a regulamentação específica de motores elétricos de indução trifásicos, atendendo ao disposto no § 2º do art. 2º da Lei nº 10.295, de 17 de outubro de 2001. Art. 2º A caracterização do produto objeto desta Portaria é apresentada nos arts. 1º e 2º do Anexo I do Decreto nº 4.508, de 11 de dezembro de 2002. Art. 3º Fica estabelecido que os níveis mínimos de rendimento nominal a serem atendidos pelos motores elétricos de indução trifásicos, caracterizados no art. 2º deste Anexo, estão definidos na TABELA 1 - RENDIMENTOS NOMINAIS MÍNIMOS, sem a distinção dos níveis de rendimento nominal entre as linhas padrão e alto rendimento de motores elétricos de indução, definidas no art. 5º do Anexo I do Decreto nº 4.508, de 2002. Parágrafo único. Os valores constantes desta regulamentação estarão sujeitos às tolerâncias descritas na norma NBR 7094/2000 da ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. TABELA 1 - RENDIMENTOS NOMINAIS MÍNIMOS Potência nominal Cv ou hp kW 1,0 0,75 1,5 1,1 2,0 1,5 3,0 2,0 4,0 3,0 5,0 3,7 6,0 4,5 7,5 5,5 10 7,5 12,5 9,2 15 11 20 15 25 18,5 30 22 40 30 50 37 60 45 75 55 100 75 125 90 150 110 175 132 200 150 250 185

Pólos 2 80,0 82,5 83,5 85,0 85,0 87,5 88,0 88,5 89,5 89,5 90,2 90,2 91,0 91,0 91,7 92,4 93,0 93,0 93,6 94,5 94,5 94,7 95,0 95,4

187

4 80,5 81,5 84,0 85,0 86,0 87,5 88,5 89,5 89,5 90,0 91,0 91,0 92,4 92,4 93,0 93,0 93,6 94,1 94,5 94,5 95,0 95,0 95,0 95,0

6 80,0 77,0 83,0 83,0 85,0 87,5 87,5 88,0 88,5 88,5 90,2 90,2 91,7 91,7 93,0 93,0 93,6 93,6 94,1 94,1 95,0 95,0 95,0

8 70,0 77,0 82,5 84,0 84,5 85,5 85,5 85,5 88,5 88,5 88,5 89,5 89,5 91,0 91,0 91,7 91,7 93,0 93,0 93,6 93,6

Módulo 6 - Eficiência Energética.pdf

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