Utilização eficiente de energia em motores

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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 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 90% do consumo dos motores é devido aos motores de indução trifásicos, e os restantes 10% devem-se maioritariamente aos motores DC. Aplicações típicas dos motores: bombas, compressores, ventiladores, moinhos, misturadores, elevadores, tapetes rolantes, electrodomésticos e equipamento de escritório. Nos países desenvolvidos os motores utilizam cerca de metade da energia eléctrica consumida. Os sistemas que integram motores têm potenciais de poupança de energia eléctrica elevados. É a sua optimização energética mediante a utilização de tecnologias mais eficientes capazes de reduzir o consumo de electricidade em força motriz, podendo ainda conduzir a melhoramentos na qualidade do serviço. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

3 Aplicações típicas de motores
Bombas Compressores Ventiladores Moinhos Misturadores Elevadores Tapetes rolantes Electrodomésticos Equipamento de escritório etc. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

4 Consumo de EE na Indústria
Da análise da figura podemos concluir que apenas 50 % da energia consumida pelos motores é convertida em energia útil sendo as perdas próprias da ordem de 11,3 %. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

5 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. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

6 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 Os parâmetros que condicionam o rendimento dos motores eléctricos, são: Dimensionamento correcto dos motores, de modo a que o seu regime de funcionamento seja sempre próximo da situação de carga nominal (entre 75 % e a plena carga), isto é, o seu regime de funcionamento deve ser mantido na zona de rendimento máximo. Utilização dos motores de alto rendimento, permitindo reduzir o valor da potência de perdas entre 15 % e 35 % consoante a potência dos motores em questão. Utilização de transmissões de baixas perdas e sua manutenção periódica, aumentando o rendimento global do sistema. Utilização, sempre que as condições o permitam, de variadores electrónicos de velocidade ou de motores de várias velocidades, permitindo adaptar o regime de trabalho às flutuações de carga. Optimização das condições de funcionamento do dispositivo que faz a utilização final. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

7 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. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

8 Perdas típicas nos motores
Perdas no cobre por efeito de Joule - Estas perdas nos condutores de cobre dos enrolamentos do estator e na gaiola do rotor devem-se à passagem da corrente, sendo proporcionais ao quadrado da corrente e ao valor da resistência. Perdas magnéticas no ferro - As perdas no ferro estão associadas à variação no tempo do fluxo magnético, produzindo correntes induzidas no ferro (correntes de Foucault) e perdas por histerese (associadas aos ciclos de magnetização do ferro). Estas perdas são aproximadamente proporcionais ao quadrado da densidade do fluxo magnético. Perdas mecânicas - Estas perdas derivam do atrito nos rolamentos e da ventilação do motor (ventilador propriamente dito e o atrito cinético do rotor com o ar envolvente). Perdas suplementares - Estas perdas também conhecidas como perdas suplementares estão associadas a imperfeições no fabrico dos motores, nomeadamente às distorções do entreferro, às irregularidades na densidade de fluxo magnético no entreferro e à distribuição não uniforme da corrente nos condutores. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

9 Curvas Características
Rendimento & F.P. Perdas Devido às perdas constantes (soma das perdas magnéticas e das perdas mecânicas), o rendimento dos motores de indução cai substancialmente para cargas inferiores a 50% da carga nominal, como poder ser visto. Entre 50% e 100% da carga o rendimento dos motores de indução permanece aproximadamente constante. O ponto de máximo rendimento ocorre normalmente entre 75 e 100% da carga, dependendo do projecto do motor. EEM => poupanças significativas nos custos de funcionamento do motores (apresentam tipicamente menos 30-50% de perdas) Compensa o maior custo inicial de um motor eficiente relativamente aos motores standard em utilizações com grande números de horas/ano 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

10 Rendimento dos motores
Motores de maior dimensão apresentam maior rendimento 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

11 Variação do Cos j com a carga
I - Corrente total IP - Corrente activa IR - Corrente reactiva Cos j - Factor de potência 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

12 Factor de potência dos Motores de indução
Característica construtiva Característica de utilização 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

13 Desvantagens do sobre-dimensionamento
Menor rendimento 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 Maior custo da instalação do motor, da aparelhagem de accionamento associada (contactores, arrancadores, etc.) 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

14 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 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

15 Condições ambientais e de manutenção
Devem trabalhar a temperaturas baixas 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) 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 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

16 Motores de alto rendimento
Relativamente aos motores standard, os motores de alto rendimento apresentam uma melhoria de rendimento de 10% na gama CV. São mais volumosos e apresentam um acréscimo de preço de 25% a 30% relativamente às versões standard, pois usam mais matérias-primas. Por apresentarem menores perdas, funcionam a temperaturas mais baixas, aumentando assim o seu tempo de vida. As técnicas utilizadas para aumentar o rendimento dos motores incluem: Aumento da secção dos condutores no estator; Aumento do comprimento do circuito magnético: uso de lâminas de chapa magnética mais finas e com materiais de melhores características (ciclo de histerese mais estreito e maior resistividade) para igualmente reduzir as perdas magnéticas; Redução da potência de ventilação (uma vez que as perdas do motor de alto rendimento são menores) e utilização de rolamentos com baixo atrito; Optimização do entreferro tendo em vista a sua redução; Melhoria do acabamento das superfícies para diminuir as correntes de magnetização necessárias e as perdas extraviadas. Os EEMs são mais volumosos e mais caros que os motores standard pois usam maior quantidade de matérias-primas, sendo também algumas destas de superior qualidade. Tipicamente custam mais 25-30% que os motores standard. Menores perdas => temperatura de funcionamento mais baixa => vida útil mais longa. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

17 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. 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. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

18 Motores de Alto Rendimento
Exemplo Motores de 10hp podem apresentar velocidades à plena carga de 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. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

19 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. Com a excepção de motores pequenos (menos que 5 kW), a reparação de um motor custa cerca de 30-50% do preço de um motor de alto rendimento. A diferença no investimento é significativamente maior que no caso anterior. Instalação industrial: Para 2000 horas por ano => payback < 3 anos; 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

20 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. 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. Esta substituição é particularmente vantajosa em empresas que têm um parque numeroso de motores instalados. O motor sobredimensionado depois de ser substituído pode servir como unidade de substituição. A substituição de motores standard que se encontram em bom funcionamento raramente é atraente do ponto de vista económico pois neste caso o investimento adicional representa 100% do custo do motor de alto rendimento. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

21 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; Preço do motor e da reparação; Número de horas de operação; Factor de carga; 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. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

22 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. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

23 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 Estes tipos de cargas, associadas à movimentação de fluidos por acção centrífuga, representam 60% das aplicações de força motriz na indústria, sendo aquela percentagem ainda mais significativa nas indústrias de papel, refinarias e outras indústrias químicas, e representam 80% das aplicações de força motriz no sector terciário. Nas bombas, ventiladores e compressores centrífugos existe uma relação de tipo aproximadamente cúbico entre a velocidade de rotação e a potência mecânica absorvida. O caudal é aproximadamente proporcional à velocidade de rotação => reduzindo o caudal em 20%, o consumo de energia eléctrica pode ser reduzido a metade. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

24 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. A Figura anterior representa dois processos de controlo de caudal numa bomba. O ponto de funcionamento do sistema deriva da intersecção da curva característica da bomba, com a característica da carga (conduta mais válvulas). Quando se pretende reduzir o caudal correspondente ao ponto de funcionamento A, pode-se apertar uma válvula que faz deslocar o ponto de funcionamento para B. Alternativamente reduzindo a velocidade do motor/bomba, o ponto de funcionamento desloca-se para C, produzindo uma redução de caudal semelhante ao obtido no ponto B. No primeiro caso há um desperdício de potência relativamente à redução de velocidade, proporcional ao caudal e à diferença de elevação entre os pontos B e C. Bomba 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

25 Métodos Convencionais de Controlo de Velocidade
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. 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. Estes tipos de soluções para controlo de velocidade estão a cair em desuso devido a serem volumosas, nalguns casos de baixo rendimento (transmissões hidráulicas e embraiagens electromagnéticas) e necessitarem de manutenção periódica. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

26 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. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

27 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 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

28 Características binário/velocidade (motor de indução)
Características binário/velocidade do motor de indução funcionando a frequência variável e com uma relação linear frequência /tensão 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

29 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria
Tipos de VEV’s A aplicação de VEVs pode dar lugar a efeitos indesejáveis tais como a produção de harmónicos (tanto para o motor como para a rede), baixo factor de potência e interferência electromagnética. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

30 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 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

31 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria
Bombas e Ventiladores Os VEVs permitem obter economias substanciais da energia quando aplicados ao controlo de caudais de bombas, ventiladores e compressores centrífugos. Usando uma válvula convencional, verifica-se que reduzindo o caudal, a potência absorvida pouco decresce. Se pelo contrário, a redução do caudal é conseguida através da redução da velocidade da bomba, então a potência absorvida decresce fortemente. Recorde-se que a potência mecânica requerida varia aproximadamente com o cubo da velocidade => poupança significativa de electricidade, mesmo tendo em consideração as perdas nos circuitos electrónicos do VEV. O rendimento típico dos VEVs é de 95-97% à plena carga, decrescendo lentamente à medida que a carga se reduz. Ventilador 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

32 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria
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). (a) (c) (d) (e) (b) Engrenagens Correias 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

33 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. Acoplamentos directos: Os acoplamentos directos, se forem alinhados com precisão, possuem um rendimento muito elevado (99%). Numa situação de desalinhamento, não só baixa o rendimento, como conduz à falha precoce dos rolamentos. O uso de acoplamentos está limitado a aplicações onde a velocidade da carga não varia em relação à velocidade do veio. 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. As perdas neste tipo de transmissão resultam da fricção entre as engrenagens e rolamentos/vedantes, da ventilação, e da viscosidade dos lubrificantes. As engrenagens helicoidais e cónicas possuem tipicamente um rendimento de 98 % por andar, enquanto que as com sem-fim possuem um rendimento a oscilar entre 50 e 94%, sendo mais baixo quanto maior for a taxa de redução de velocidade. -Correias: Cerca de 1/3 das aplicações de motores usam correias. Estas permitem mais flexibilidade no posicionamento 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. O tipo de correia mais usado é em V, possuindo um rendimento típico de 90-96%, dependendo este essencialmente da sua elasticidade e escorregamento. A tensão desta determina o seu desempenho. Se tiver tensão excessiva, poderá culminar no desgaste acelerado da própria correia, dos rolamentos e dos veios. Tensão demasiado reduzida pode leva ao aumento do escorregamento, perdas e consequentemente falha prematura da correia. Este tipo de transmissão necessita de ajuste de tensão periódico. O tipo de correia mais eficiente é a síncrona, possuindo rendimento da ordem dos 98-99%. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

34 Transmissão por correia
A transmissão por correia é feita com rendimento elevado - tipicamente 95 %. As correias dentadas reduzem as perdas em 2% a 3% relativamente às correias normais, pois são mais fáceis de dobrar 1- Correias trapezoidais, 2- correias síncronas (dentadas) 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

35 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. 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

36 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 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

37 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria
Considerações gerais 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% 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

38 Poupanças anuais e payback
STD - Rendimento do Motor Standard EEM - Rendimento do Motor de Alto Rendimento PN - Potência Nominal do Motor N - Nº de horas de funcionamento por ano €/kWh - Preço da electricidade 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

39 Avaliação das opções na compra ou substituição de motor de 45kW
2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

40 Avaliação económica do investimento num VEV
% CAUDAL Nº DE HORAS 6 4,5 3 1,5 FUNCIONAMENTO DIÁRIO DO VENTILADOR ASSUMIR QUE: POTÊNCIA VENTILADOR =75KW FUNCIONAMENTO = 300 DIAS/ANO CUSTO VEV+INSTALAÇÃO =7000 EUROS PREÇO DO kWh =0,06€ (tarifa fixa) CURVA DO VENTILADOR CURVA DO SISTEMA ESTRANGULADO % CAUDAL CURVAS CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA 60 50 40 30 10 POTÊNCIA(kW) 2003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria