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Utilização eficiente de energia em motores Humberto Jorge Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria.

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1 Utilização eficiente de energia em motores Humberto Jorge Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

2 22003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Introdução Os motores de indução representam 90% do consumo de energia em força motriz Nos países desenvolvidos os motores consumem metade da energia eléctrica Os sistemas que integram motores têm potenciais elevados de poupança de energia eléctrica

3 32003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Aplicações típicas de motores BombasCompressoresVentiladoresMoinhosMisturadoresElevadores Tapetes rolantes Electrodomésticos Equipamento de escritório etc.

4 42003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Consumo de EE na Indústria

5 52003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Sistemas de força motriz Em geral os sistemas de força motriz podem integrar 4 módulos: (a) Variador Electrónico de Velocidade (VEV) (b) Motor Eléctrico (c) Transmissão mecânica (d) Dispositivo de uso final.

6 62003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Utilização eficiente dos motores Dimensionamento correcto dos motores Utilização de motores de alto rendimento Utilização de transmissões mecânicas de baixas perdas Utilização de variadores electrónicos de velocidade para adaptar o regime de trabalho às flutuações de carga Optimização das condições de funcionamento

7 72003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Perdas e Rendimento As perdas num motor de indução correspondem à energia que não é convertida em trabalho útil, e que é transformada em calor. As perdas não só contribuem para a redução do rendimento do motor, mas também vão provocar um aumento da sua temperatura. Um aumento excessivo de temperatura pode conduzir a uma redução substancial da vida do motor.

8 82003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Perdas típicas nos motores

9 92003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Curvas Características Perdas Rendimento & F.P.

10 102003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Rendimento dos motores Motores de maior dimensão apresentam maior rendimento

11 112003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Variação do Cos com a carga I - Corrente total IP - Corrente activa IR - Corrente reactiva Cos - Factor de potência

12 122003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Factor de potência dos Motores de indução Característica construtiva Característica de utilização

13 132003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Desvantagens do sobre-dimensionamento Menor rendimento o rendimento dos motores reduz-se substancialmente, especialmente nos motores mais pequenos o rendimento dos motores reduz-se substancialmente, especialmente nos motores mais pequenos Menor factor de potência o factor de potência degrada-se rapidamente a partir da plena carga o factor de potência degrada-se rapidamente a partir da plena carga Maior custo da instalação do motor, da aparelhagem de accionamento associada (contactores, arrancadores, etc.) do motor, da aparelhagem de accionamento associada (contactores, arrancadores, etc.)

14 142003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Exemplo de dimensionamento Bomba de 24 kW/2900 rpm funcionando 4500 h/ano accionada por um de dois motores de 30 kW ou de 55 kW

15 152003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Condições ambientais e de manutenção Devem trabalhar a temperaturas baixas Os condutores de cobre têm menos resistência e portanto menos perdas Os condutores de cobre têm menos resistência e portanto menos perdas A vida do motor aumenta (por cada 10 ºC de elevação a duração do isolamento reduz-se a metade) A vida do motor aumenta (por cada 10 ºC de elevação a duração do isolamento reduz-se a metade) As necessidades de manutenção de motores de indução são essencialmente limpeza da carcaça, a fim de reduzir a temperatura, e nalguns casos lubrificação dos rolamentos

16 162003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Motores de alto rendimento Menores perdas => temperatura de funcionamento mais baixa => vida útil mais longa.

17 172003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Motores de alto rendimento (Algumas desvantagens) Aspectos menos positivos no funcionamento de um motor de alto rendimento, causados pela menor resistência do rotor: Diminuição do binário de arranque => problemas em cargas com elevada inércia. Diminuição do binário de arranque => problemas em cargas com elevada inércia. Aumento da corrente de arranque, o que pode ter implicações no dimensionamento da alimentação e accionamento do motor. Aumento da corrente de arranque, o que pode ter implicações no dimensionamento da alimentação e accionamento do motor. Diminuição do escorregamento, ou seja um pequeno aumento da velocidade do motor. Diminuição do escorregamento, ou seja um pequeno aumento da velocidade do motor.

18 182003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Exemplo Motores de 10hp podem apresentar velocidades à plena carga de 1460 RPM ou 1450 RPM, para motores de alto rendimento e standard respectivamente. Em bombas e ventiladores => a carga e o consumo sobem, anulando uma parte substancial da economia obtida com a introdução do motor de alto rendimento (a carga das bombas e ventiladores centrífugos cresce aproximadamente com o cubo da velocidade). Há possibilidade de evitar este aumento de carga através de ajustamentos na transmissão, na bomba ou sobretudo utilizando o controlo electrónico de velocidade. Motores de Alto Rendimento

19 192003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Decisão de Instalação de Motores de Alto Rendimento Instalação de um novo equipamento ou motor Para um uso superior a 2000h/ano um EEM é normalmente vantajoso (EEM vs Standard): O motor existente avariou Precisa de ser rebobinado. Se tem um número elevado de horas de funcionamento por ano, deverá ser considerada a sua substituição por um EEM. A diferença no investimento é significativamente maior que no caso anterior.

20 202003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Decisão de Instalação de Motores de Alto Rendimento O motor existente está fortemente sobredimensionado Se o motor tem um número elevado de horas de funcionamento por ano, deverá ser considerada a sua substituição por um EEM com uma potência não excedendo o máximo da potência mecânica requerida.

21 212003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Reparação/Rebobinagem Factores de índole técnica e económica que devem ser pesados aquando da decisão de reparar/substituir: Apurar previamente o estado geral do motor danificado a fim de prever em que condição ficará após a reparação; Apurar previamente o estado geral do motor danificado a fim de prever em que condição ficará após a reparação; Preço do motor e da reparação; Preço do motor e da reparação; Número de horas de operação; Número de horas de operação; Factor de carga; Factor de carga; Custo da electricidade; Custo da electricidade; No caso da substituição, e assumindo que um motor reparado sofre uma quebra de rendimento de 1%, a compra de um EEM é normalmente vantajosa do ponto de vista do tempo de retorno do capital investido ("payback time") e em termos de tempo de vida do motor.

22 222003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Controlo de Velocidade Uma grande parte das aplicações em que se utiliza força motriz beneficiaria, em termos de consumo de electricidade e desempenho global, se a velocidade do motor se ajustasse às necessidades do processo. Conduz em geral a uma poupança substancial de energia.

23 232003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Aplicações com carga variável ou parcial Representam 60% das aplicações de força motriz na indústria, e 80% no sector terciário

24 242003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Bombas e Ventiladores Os métodos convencionais de controlar caudais em bombas e ventiladores baseiam-se no uso de dispositivos de estrangulamento (válvulas, persianas, etc.) que restringem o caudal mas introduzindo simultaneamente perdas consideráveis. Bomba

25 252003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria A velocidade de saída de um motor pode ser variado interpondo entre o motor e a carga de diversos tipos de dispositivos: caixas de velocidade com engrenagens sistemas de correia com polias de diâmetro variável embraiagens excêntricas de disco seco transmissões hidráulicas embraiagens electromagnéticas. Métodos Convencionais de Controlo de Velocidade

26 262003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Métodos Convencionais de Controlo de Velocidade caixas de velocidade com engrenagens sistemas de correia com polias de diâmetro variável embraiagens excêntricas de disco seco transmissões hidráulicas embraiagens electromagnéticas.

27 272003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Variadores Electrónicos de Velocidade (VEVs) Os VEVs convertem a tensão da rede de 50 Hz numa tensão contínua e em seguida numa tensão com frequência variável sob controlo externo do utilizador que pode ir de 0 a 150 Hz consoante o tipo de aplicações. Diagrama geral dos variadores electrónicos de velocidade que utilizam inversores na saída

28 282003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Características binário/velocidade (motor de indução) Características binário/velocidade do motor de indução funcionando a frequência variável e com uma relação linear frequência /tensão

29 292003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Tipos de VEVs

30 302003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Utilização de VEV´s no controlo de caudais P1- Controlo por válvula P2- Controlo de velocidade incluindo perdas no VEV P3- Controlo de velocidade sem perdas no VEV

31 312003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Bombas e Ventiladores Ventilador

32 322003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria (a) (c) (d) (e) (b) Transmissão mecânica Tipicamente são usados 3 tipos de transmissão mecânica: Acoplamentos directos no veio; Engrenagens; Correias. Os acoplamentos directos no veio são o tipo de transmissão mais utilizado (cerca de 50% das aplicações). Engrenagens Correias

33 332003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Transmissão mecânica Acoplamentos directos: Os acoplamentos directos, se forem alinhados com precisão, possuem um rendimento muito elevado (99%). Engrenagens: As engrenagens simples ou redutoras, são tipicamente utilizados em cargas que requerem velocidades baixas (abaixo de 1200 rpm) e binário muito elevado (que utilizando correias poderia resultar em escorregamento). Existem vários tipos de engrenagens: helicoidais, de dentes direitos, cónicas e com sem-fim. Correias: Estas permitem mais flexibilidade no posiciona- mento do motor em relação à carga, e usando polias de diferentes tamanhos permitem reduzir/aumentar a velocidade. Existem vários tipos de correias: (a) Correias em V, (b) Correias com dentes, (c) correias síncronas, (d) correias lisas.

34 342003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Transmissão por correia 1- Correias trapezoidais, 2- correias síncronas (dentadas)

35 352003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Transmissão Mecânica Correntes: Tal como as correias síncronas, as correntes não têm deslizamento. Normalmente são usadas em aplicações onde é requerido uma velocidade reduzida e binário elevado, suportam ambientes com temperaturas elevadas e cargas de choque e têm um tempo de vida elevado se forem apropriadamente lubrificadas. O seu rendimento ascende aos 98% se forem sujeitas a uma manutenção periódica.

36 362003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Exemplos Compra de um motor de 45 kW para uma nova instalação (Pode ser comprado um motor standard ou um motor de alto rendimento) Substituição de um motor de 45 kW avariado por um motor novo (2 opção acima indicadas) ou reparação do motor

37 372003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Preço médio da electricidade : 0,045€/kWh Número de horas de funcionamento por ano: a) Trabalho contínuo, sem paragens significativas: 8400 horas/ano; b) Trabalho não contínuo : 4000 horas/ano Motor com a carga nominal Motor de Alto Rendimento (EEM) custa tipicamente mais 30 % que um Motor Standard (STD) EEMs possuem um rendimento superior (em média 3%) Após a reparação o rendimento decresce em média 1% Considerações gerais

38 382003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Poupanças anuais e payback STD - Rendimento do Motor Standard EEM - Rendimento do Motor de Alto Rendimento P N - Potência Nominal do Motor N - Nº de horas de funcionamento por ano /kWh - Preço da electricidade

39 392003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Avaliação das opções na compra ou substituição de motor de 45kW

40 402003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Avaliação económica do investimento num VEV % CAUDAL Nº DE HORAS ,5 3 1,5 FUNCIONAMENTO DIÁRIO DO VENTILADOR CURVA DO VENTILADOR CURVA DO SISTEMA ESTRANGULADO % CAUDAL CURVAS CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA POTÊNCIA(kW) ASSUMIR QUE: POTÊNCIA VENTILADOR =75KW FUNCIONAMENTO = 300 DIAS/ANO CUSTO VEV+INSTALAÇÃO =7000 EUROS PREÇO DO kWh =0,06 (tarifa fixa)


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