Revista Tcnico-Cientfica |N15| Junho de 2015http://www.neutroaterra.blogspot.com

EUTRO TERRA

InstitutoSuperiordeEngenhariadoPorto EngenhariaElectrotcnica readeMquinaseInstalaesElctricas

Mantendo o compromisso que temos convosco, voltamos vossa presena

com mais uma publicao. Esta j a dcima quinta edio da nossa revista e

continua a verificarse um interesse crescente pelas nossas publicaes,particularmente em pases estrangeiros, como o Brasil, Angola, os Estados

Unidos e Alemanha. Este facto dnos a motivao necessria paracontinuarmos empenhados no nosso objetivo, ou seja, fazer desta revista uma

referncia a nvel nacional e internacional nas reas da Engenharia

Eletrotcnica em que nos propomos intervir.

Jos Beleza Carvalho, Professor Doutor

MquinasEltricasPg.05

EnergiasRenovveisPg.31

InstalaesEltricasPg.47

Telecomunicaes

Pg.53Segurana

Pg.57GestodeEnergiaeEficincia Energtica

Pg.61

AutomaoDomticaPg.67

N15 1semestrede2015 ano8 ISSN:16475496

EU

TR

O

TE

RR

A

FICHATCNICA DIRETOR: Jos Antnio Beleza Carvalho, DoutorSUBDIRETORES: Antnio Augusto Arajo Gomes, Eng.

Roque Filipe Mesquita Brando, DoutorSrgio Filipe Carvalho Ramos, Eng.

PROPRIEDADE: rea de Mquinas e Instalaes EltricasDepartamento de Engenharia ElectrotcnicaInstituto Superior de Engenharia do Porto

CONTATOS: jbc@isep.ipp.pt ; aag@isep.ipp.pt

ndice

03| Editorial

05| Mquinas Eltricas

Controlo vetorial (FOC) de um motor de induo trifsico aplicado a um veculo eltrico.

Pedro Melo

Manuteno e diagnstico de avarias em motores de induo trifsicos.

Pedro Melo

31| Energias Renovveis

Aproveitamento hidroeltrico da bacia do Douro: um olhar crtico.

Antnio Machado e Moura

Sistemas Elicos de Energia mais Leves que o Ar.

Andr Filipe Pereira Ponte; Jos Carlos P. Cerqueira; Mrio Andr S. Fonseca

47| Instalaes Eltricas

Energia em qualquer situao. Grupos eletrogneos.

Nelson Gonalves

53| Telecomunicaes

Resenha Histrica da Regulamentao de Infraestruturas de Telecomunicaes em Loteamentos,

Urbanizaes e Conjuntos de Edifcios (ITUR) em Portugal.

Antnio Gomes, Rui Castro, Srgio Filipe Carvalho Ramos

57| Segurana

Deteo de incndios em tneis rodovirios.

Carlos Neves

61| Gesto de Energia e Eficincia Energtica

Reduza a sua fatura de eletricidade e poupe dinheiro. Como optar pelo melhor comercializador de

energia.

Lus Rodrigues, Pedro Pereira, Judite Ferreira

67| Automao e Domtica

SMART CITY O Futuro j Acontece.

Paulo Gonalves

70| Autores

PUBLICAO SEMESTRAL: ISSN:16475496

EDITORIAL

3

Estimados leitores

Mantendo o compromisso que temos convosco, voltamos vossa presena com mais uma publicao. Esta j a dcima quinta

edio da nossa revista e continua a verificarse um interesse crescente pelas nossas publicaes, particularmente em pasesestrangeiros, como o Brasil, Angola, os Estados Unidos e Alemanha. Este facto dnos a motivao necessria para continuarmosempenhados no nosso objetivo, ou seja, fazer desta revista uma referncia a nvel nacional e internacional nas reas da

Engenharia Eletrotcnica em que nos propomos intervir. Nesta edio, destacamse os assuntos relacionados com as mquinaseltricas, as energias renovveis, as instalaes eltricas, as telecomunicaes, a gesto de energia e a eficincia energtica.

Nesta edio da revista, merece particular destaque a colaborao do Professor Doutor Machado e Moura, Professor

Catedrtico na FEUP, com a publicao de um importante artigo sobre Aproveitamento Hidroeltrico na Bacia do Douro.

Neste artigo, fazse uma breve resenha histrica da evoluo do aproveitamento dos recursos hdricos nacionais em termoshidroeltricos, bem como uma anlise da situao atual. O artigo destaca a insuficincia das obras hidrulicas at agora

realizadas a nvel das nossas principais bacias, em particular no caso da bacia portuguesa do Douro, e alerta para as nefastas

consequncias que poderiam advir caso a situao no se alterasse.

Os motores de induo (MI) com rotor em gaiola de esquilo so usados na maioria dos sistemas eletromecnicos e esto muito

disseminados nos atuais sistemas de variao de velocidade. A sua simplicidade e robustez, aliadas a baixos preos e ampla

gama de potncias disponveis, so as principais razes. Por estas razes, a sua manuteno revestese de enorme importncia.A monitorizao contnua dos equipamentos o elemento chave dos atuais sistemas de manuteno condicionada. A anlise

espectral da corrente absorvida pelo motor est muito implantada na indstria, mas apresenta vrias limitaes. Diversos

mtodos de deteo e diagnstico de avarias tm sido desenvolvidos, baseados nas mltiplas grandezas que caracterizam o

funcionamento do motor. Nesta edio da revista, apresentase dois artigos cientficos de enorme valor, que analisam aplicaodo controlo vetorial na utilizao de MI aplicados aos veculos eltricos, e um artigo sobre manuteno e diagnstico de avarias

em MI trifsicos.

O mercado liberalizado de comercializao de energia eltrica tem evoludo ao longo dos anos e cada vez mais o consumidor de

energia tem em seu poder enumeras opes de escolha. Em paralelo com a evoluo deste mercado anda o mercado do gs

natural. O consumidor, interessado no mercado liberalizado, deve ponderar a sua escolha no caso de ser consumidor de gs

natural. Nesta edio da revista apresentase um artigo Reduza a sua fatura de eletricidade e poupe dinheiro. Como optar pelomelhor comercializador de energia, onde analisado o processo de deciso da escolha do comercializador de energia mais

adequado a cada tipo de perfil de consumidor.

No mbito das telecomunicaes, nesta edio da revista apresentase um interessante artigo que faz uma resenha histrica daevoluo das telecomunicaes e da regulamentao das infraestruturas de telecomunicaes em loteamentos, urbanizaes e

conjuntos de edifcios em Portugal ao longo dos ltimos anos.

Nesta edio da revista Neutro Terra podese ainda encontrar outros assuntos muito interessantes e atuais, como um artigosobre Grupos Eletrogneos e os principais critrios que se devem adotar no seu dimensionamento, um artigo que aborda a

Deteo de Incndios em Tneis Rodovirios, e um artigo muito importante sobre Eficincia na Iluminao de espaos pblicos,

apresentandose o caso da cidade de gueda que foi premiada com o selo Smart City.Fazendo votos que esta edio da revista Neutro Terra v novamente ao encontro das expectativas dos nossos leitores,

apresento os meus cordiais cumprimentos.

Porto,junhode2015JosAntnioBelezaCarvalho

DIVULGAO

4

ENERGY OPEN DAY

28DE JULHO 2015Com o objetivo de promover o intercmbio entre a comunidade acadmica e o setor empresarial, o curso de Engenharia

Eletrotcnica Sistemas Eltricas de Energia do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP) organiza o evento Energy

Open Day no dia 28 de julho de 2015.

O evento constar de um Ted Talk durante a manh e da apresentao dos trabalhos de final de curso durante a tarde.

O Ted Talk contar com a presena de um painel de convidados que refletiro sobre as tendncias da energia, nos planos

tcnico, social e econmico, e sobre o papel que o ensino superior deve desempenhar na formao de engenheiros. Para

alm de profissionais da rea da Energia, neste painel tambm estar o historiador Joel Cleto, que apresentar uma

perspetiva diferente do tema.

Programa: 09:30h Acolhimento e boas vindas

10:00h Ted Talk Energia nos caminhos do Futuro

12:00h Coffee break e exposio dos trabalhos

13:00h Pausa para Almoo

14:30h Apresentao e avaliao de trabalhos de fim de curso

Inscrio gratuita mas obrigatria: aag@isep.ipp.pt

ARTIGO TCNICO

5

I. INTRODUO

Os motores de induo (MI) com rotor em gaiola de esquilo

esto muito disseminados nos atuais sistemas de variao de

velocidade (drives). A sua simplicidade e robustez, aliadas

a baixos preos (comparativamente com outras mquinas) e

ampla gama de potncias disponveis, so as principais

razes.

A evoluo verificada nos domnios da eletrnica de

potncia e nos sistemas de controlo (em particular, o

controlo digital), permitiram aplicar os MI em sistemas de

elevado desempenho dinmico (e.g., controlo de binrio

e/ou posio), substituindo os motores DC, cujas

caractersticas dinmicas e simplicidade de controlo os

tornavam a primeira escolha em tais aplicaes. Com efeito,

as drives baseadas em MI apresentam caractersticas

dinmicas em tudo semelhantes aos sistemas DC, incluindo a

possibilidade de funcionamento nos quatro quadrantes do

plano (T, nr). No entanto, a complexidade do conversores e,

sobretudo, dos sistemas de controlo muito mais elevada

nos sistemas AC. Os sistemas baseados no controlo vetorial

so os mais usuais nas drives baseadas nas mquinas AC

convencionais (assncronas e sncronas). Existem outras

metodologias tambm usadas na indstria (e.g., controlo

direto do binrio DTC), mas neste trabalho somente o

controlo vetorial ser abordado.

No domnio do controlo vectorial existem diversas variantes,

sendo o mtodo mais poderoso e utilizado o controlo por

orientao de campo (Field Oriented Control FOC). Desde

finais da dcada de 60 do sculo passado, tm vindo a ser

desenvolvidos vrios mtodos de controlo por orientao de

campo [1]. Na sua essncia, assentam numa filosofia

semelhante aos sistemas DC: controlo independente do

fluxo magntico e do binrio desenvolvido. A sua

implementao assenta na considerao de um referencial

que gira com velocidade instantnea igual do campo

girantegirante (referencial sncrono), estando alinhado, em

qualquer instante, com a posio desse mesmo campo .

O mais eficaz sem dvida o controlo por orientao do

campo do rotor, sendo por isso o mais usual. No entanto, a

implementao deste processo em AC bastante mais

complexa: para alm dos valores das amplitudes tambm

necessrio o controlo instantneo da posio relativa dos

fasores da expresso anterior, ou seja, imprescindvel o

conhecimento, em cada instante, da posio espacial do

fluxo do rotor em relao ao estator (i.e., referencial fixado

ao estator).

II. ROTOR FOC

A implementao do controlo por orientao de campo

rotrico assenta na converso da mquina polifsica em

anlise (no necessariamente trifsica), num sistema bifsico

equivalente (eixos ortogonais dq) , definido no referencialsncrono r. A Figura 1 ilustra os conceitos associados aocontrolo por orientao do campo do rotor Rotor FOC (com

base em [2]).

Figura1.ControlopororientaodocampodorotoremMI

O Rotor FOC assenta na definio das equaes eltricas e

magnticas no referencial sncrono (r= 2f/p (rads1)),sendo a direo do fluxo do rotor alinhada, em cada

instante, com o eixo d desse referencial. As partes real e

imaginria do fasor espacial corrente estatrica (is) so,

respetivamente, if e iT, pelo que:

PedroMeloInstitutoSuperiordeEngenhariadoPorto

CONTROLO VETORIAL (FOC) DE UM MOTOR DE INDUO TRIFSICO APLICADO A

UM VECULO ELTRICO.

1 Poderserconsideradoqualquerumdoscamposgirantespresentesnomotor:estator,entreferroourotor.

ARTIGO TCNICO

6

if alinhada com r, regula o seu valor (eixo d);

iT desfasada de /2 rad. elctricos em relao a if, controlao binrio electromagntico desenvolvido (eixo q).

Em regime permanente temse:

r =Lmif (1)

Tel = KT r iT (2)

Em termos conceptuais, o controlo implementado no

referencial sncrono. No entanto, o controlador fsico

(hardware) actua ao nvel do referencial do estator, isto ,

sobre as tenses e correntes que alimentam o motor (3 fases

(ua, ub, uc), (ia, ib, ib)). A determinao instantnea de if e iTno referencial esttico (=0) fundamental. Uma vez queT= arctg(iT/if), a obteno do valor instantneo de f oponto central (simultaneamente, o mais exigente) na

implementao do Rotor FOC.

Rotor FOC Mtodo Indirecto

Sendo esta a metodologia mais usualmente empregue,

apresentase em seguida o modelo matemtico dorespectivo algoritmo de controlo. No essencial, f determinado atravs da medio de r e da estimao de dl(ver Figura 1).

Considerando a representao no sistema de eixos dq, noreferencial sncrono, as equaes elctricas do rotor de um

MI com gaiola de esquilo so dadas por:

Sendo: rd = r e rq =0, as equaes anteriores tomam aforma seguinte:

Poroutrolado,asequaesmagnticasdorotor,definidasnomesmoreferencial,tomamaseguinteforma:

Fixando: isd = if e isq = iT , vem que:

Substituindo estas ltimas expresses nas equaes

elctricas do rotor, obtmse:

[Tr0: constante de tempo do rotor c/ o estator em circuito

aberto)]

Com base nas equaes magnticas do estator, tambm

definidas no referencial r, o binrio electromagnticoinstantneo dado por:

Assim, a velocidade associada ao deslizamento, dl, expressaem funo de Tel er dada por:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

2Demodoasimplificararepresentao,naFigura1estosomenterepresentadososeixosd.

ARTIGO TCNICO

7

O campo girante do rotor gira com velocidade igual a r,relativamente ao referencial estatrico. Desta forma,

considerando um instante t0, tal que: f (t0)=f0; r (t0)=r0;dl(t0)=dl0, temse:

Atravs da velocidade instantnea do rotor (r), obtmse:

O valor de f ento obtido atravs de (ver Figura 1):

f (t)= dl(t)+r (t)

A converso entre as mesmas grandezas definidas nos

referenciais esttico e sncrono efetuada atravs da

transformada de Park. Atendendo ausncia das

componentes homopolares (dado que, usualmente, no

existe condutor neutro nos MI), esta transformada dada

por:

=

sin

III. SIMULAO

O modelo de simulao utilizado baseiase no contedo dobloco Field Oriented Control Induction Motor Drive,

integrado na Electric Drives Library do MATLAB/SIMULINK.

Existem diversas limitaes a considerar, sendo de referir:

As perdas do conversor de potncia no soconsideradas;

O modelo do motor no inclui as perdas no ferro;

No possvel efetuar frenagens regenerativas, somentedissipativas (i.e., sem recuperao de energia.

Em sntese, o modelo do sistema da cadeia de potncia do

veculo inclui somente a drive do motor e a transmisso

mecnica. Deste modo, a tnica principal ser dada ao

desempenho do controlador, baseado no Rotor FOC

(indireto). Em seguida, salientamse algumas das condiesmais relevantes a que o motor ser submetido.

Na figura 2, est representado o modelo considerado da

cadeia de potncia do veculo.

Figura2.Modelodinmicodoveiculo

Os principais blocos so o Driving Cycle (a verde, inclui o

ciclo de conduo prdefinido e os modelos do veculo e datransmisso) e o Field Oriented Control Induction Motor

Drive (a azul, representa a drive do motor de induo).

Ciclo de conduo + Modelo do veculo (dinmico e

transmisso)

Para a implementao dos modelos da transmisso mecnica

e da dinmica do veculo, recorreuse toolbox QuasiStaticSimulation Toolbox (QSS TB), desenvolvida por [3], em

ambiente MATLAB/SIMULINK. Esta toolbox foi

especificamente desenvolvida para a modelizao de

veculos hbridos e eltricos, com os seguintes elementos:

ciclos de conduo, modelo dinmico do veculo,

transmisso mecnica, motor de combusto interna e motor

eltrico, baterias, supercondensadores e clulas decombustvel (fuelcells). Na figura 3 esto representados oselementos utilizados neste trabalho.

(15)

(16)

(17)

(18)

ARTIGO TCNICO

8

A potncia instantnea pedida ao MI (Tload*r) calculadacom base no ciclo de conduo selecionado, no

comportamento dinmico do veculo (considera o atrito

resultante do contacto rodapavimento e a resistnciaaerodinmica do ar, em deslocamentos planos) e num

sistema de transmisso mecnico com uma razo constante.

A equao seguinte corresponde ao modelo dinmico do

veculo:

Mt Massa do veculo + massa equivalente dos elementos

mveis;

v(t) Velocidade instantnea do veculo, (direo

longitudinal);

Fd(t) Fora motora (instantnea) aplicada ao veculo,

segundo a direo longitudinal;

g Acelerao gravtica [9.8 ms2];Cr; CW Coeficiente de atrito de rolamento; coeficiente de

atrito aerodinmico;

; A Densidade do ar [1.294 kg/m3]; superfcie frontal doveculo.

O 1 membro da equao anterior representa a fora de

inrcia associada acelerao do veculo, considerando

tambm a variao da energia cintica acumulada nos

componentes do veculo animados de movimento rotativo

(Massa equivalente dos elementos mveis Tabela 3).

Com efeito, tais variaes da energia cintica so suportadas

pelo motor.

Os parmetros do veculo e do sistema de transmisso

considerados esto indicados, respetivamente, nas Tabelas 1

e 2:

Tabela1.Parmetros doveculo

Tabela2.ParmetrosdaTransmissoMecnica

A Tabela 3 contm os parmetros do MI considerado.

Tabela3.Parmetrosdomotordeinduo(7.5kW;400V;13A;50Hz;4plos;1440rpm)

Figura3.Ciclodeconduoemodelodoveculo(dinmica+transmisso

(19)

ARTIGO TCNICO

9

Drive do motor de induo trifsico

Na figura 4 est representado o modelo da drive do MI3

(conversor de potncia + controlador + Motor de induo) .

visvel a cadeia de transmisso de potncia (conversor +

motor de induo), bem como o controlador de velocidade e

o controlador vetorial bloco F.O.C.. O valor de referncia

do fluxo do rotor (Flux*) gerado pelo controlador de

velocidade. Deste modo, definida a gama de velocidades

associada a fluxo constante (binrio mximo constante) e a

zona de enfraquecimento de campo (potncia constante), de

acordo com a figura 5:

Figura5.ZonasdefuncionamentodoMI:Fluxoconstante(Baixasvelocidades)eenfraquecimentodecampo(Elevadasvelocidades)

O conversor do tipo fonte de tenso (Voltage Source

Inverter VSI), usual para a potncia do motor considerado.

composto por um retificador no controlado (ponte de

dodos Threephase diode rectifier) e um inversor (Threephase inverter) cuja tenso de sada regulada por PWM

(Pulse Width Modulation).

Existe a possibilidade de funcionamento nos 4 quadrantes,

atravs de frenagens dissipativa (i.e., no possvel a

recuperao da energia cintica do veculo): com efeito, h

somente uma resistncia de frenagem (bloco Braking

chopper), onde se d a dissipao da referida energia

cintica. Com vista a evitar sobretenses no barramento DC

(Vdc) devido a desaceleraes bruscas ou velocidades

excessivas nas descidas. A ao frenante associada

resistncia regulada atravs de um controlador histertico

de tenso (ON se Vdc Vmax; OFF se Vdc Vmin).

3 Asperdasnoferrodomotoreasperdasdoconversornosoincludas.4 Osmbolo*estassociadorepresentaodasgrandezasdereferncia.

Figura4.Estruturadadrive:conversor(vermelho),motor(verde)econtrolador(azul)

ARTIGO TCNICO

10

Rotor FOC

A Figura 6 ilustra o contedo do bloco F.O.C., onde

implementado o algoritmo da seco 2.1.

Figura6.ImplementaodoRotorFOC(indireto)

bem visvel o desacoplamento da regulao do fluxo

rotrico e do binrio: atravs do controlador PI do fluxo do

rotor (Flux_PI) gerado o sinal Phir*, sendo calculado o

valor de referncia Id* atravs de (1).

O bloco iqs* Calculation determina a referncia da

corrente associada ao binrio (Iq*), com base em (2).

Os blocos a verde esto associados transformada de Park

no referencial sncrono (ABCDQ) e respetiva inversa (DQABC). Neste referencial, o fluxo instantneo do rotor regido

por (11); o seu valor obtido atravs do bloco Flux

Calculation.

Finalmente, dl e f so calculados no blocoTeta_Calculation, atravs de, respetivamente, (14) e (17).

O dutycycle do trem de impulsos aplicado aos terminais dasgates dos IGBTs do inversor regulado em funo da

diferena entre Iabc* e Iabc bloco Current Regulator.

Anlise de Resultados

Nas figuras 710 esto representados os resultados obtidos,para o ciclo de conduo considerado (Japan: 11Mode ).

A figura 7 ilustra as referncias de velocidade (ciclo de

conduo) e binrio (eixo motor), bem como o desempenho

do MI3.

Figura7.Perfildevelocidadeebinrio

A velocidade rotrica segue de modo muito fiel a referncia

pretendida. Naturalmente, tal resulta do facto do perfil do

binrio motor desenvolvido seguir a respetiva referncia

(modo motor: valores positivos; frenagem: valores

negativos).

de salientar o ripple existente nos intervalos de

acelerao e desacelerao: sendo uma componente de alta

frequncia, o momento de inrcia do sistema

(motor+transmisso+carga) atenua quase na totalidade a

influncia desta componente, o que visvel no perfil de

velocidade obtido.

As influncias de Id e Iq (referencial sncrono) sobre,

respetivamente, o fluxo rotrico e o binrio desenvolvido

esto bem evidenciados na Figura 8.

0 20 40 60 80 100 1200

1000

2000

3000

4000

5000

Vel

ocid

ade

(rpm

)

0 20 40 60 80 100 120-20

-10

0

10

20Bi

nrio

(Nm

)

tempo [s]

RefMotor

ARTIGO TCNICO

11

Figura8.PerfisdeId eIq (referencialsncrono)

A fronteira entre zona de fluxo constante e

enfraquecimento de campo definida pela velocidade de

sincronismo do motor (ns) neste caso, 1500 rpm. Observase o valor constante de Id para nr < 1500 rpm. Para valores

superiores da velocidade (zona de enfraquecimento de

campo), Id varia de forma inversamente proporcional

velocidade. Por seu turno, visvel a semelhana entre os

perfis de Iq e do binrio desenvolvido: naturalmente, na

zona de enfraquecimento de campo, Iq tende a desviarse doperfil do binrio, de modo a compensar a diminuio do

fluxo rotrico, de acordo com (2).

Para o ciclo de conduo seleccionado, a potncia

instantnea inferior potncia nominal do motor

seleccionado (Figura 9).

Figura9.Ptil domotor

No entanto, tratandose de regimes dinmicos, necessriauma anlise mais profunda relativamente s condies de

funcionamento do motor. A ttulo de exemplo, na Figura 10

patente o risco de danos causados pelos efeitos trmicos,

atendendo aos intervalos em que a corrente se encontra

entre 20 A e 30 A (altas velocidades). Notar que o valor da

corrente de pico nominal do motor igual a: sqrt(2)*13=18,4

A).

Figura10.Correnteabsorvidapelomotor

A escolha da classe de isolamento do motor e a necessidade

de incluso de ventilao forada devero ser devidamente

ponderadas. As solicitaes mecnicas nas altas velocidades

(nomeadamente, nos rolamentos) outro fator a ser

analisado.

Por outro lado, o motor submetido a uma gama de

potncias bastante ampla. Tornase importante caracterizaro rendimento da mquina em mltiplos regimes de

funcionamento (motor e frenagem). Os mapas de eficincia

so usualmente empregues com este fim.

Na Figura 11 est representado o mapa da mquina usada

(modo motor 1 quadrante), bem como os regimes de

funcionamento impostos pelo ciclo de conduo escolhido

(vermelho).

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

Id (A

)

0 20 40 60 80 100 120-30

-20

-10

0

10

20

30

Iq (A

)

tempo [s]

0 20 40 60 80 100 120-4

-2

0

2

4

6

8

Pu (k

W)

tempo [s]

0 20 40 60 80 100 120-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Corr

ente

(A)

tempo (s)

ARTIGO TCNICO

12

Neste caso, o motor funciona com rendimentos

relativamente elevados, em quase todo o ciclo de conduo.

As zonas de rendimentos mais baixos situamse nas baixasvelocidades, com cargas baixas. Dependendo das

caractersticas dos ciclos de conduo e da razo de

transmisso, motor poder funcionar preponderantemente

em tais zonas. Nesses casos, com vista a melhorar o

rendimento da mquina, duas opes podero ser

consideradas:

Optar por um sistema de transmisso com mltiplas razes;

Incluir algoritmos de otimizao de fluxo, uma vez que aprincipal razo dos baixos rendimentos nas zonas referidas

se deve ao valor demasiado elevado do fluxo magntico,

face ao binrio exigido [4].

IV. CONCLUSES

Neste artigo procurouse incidir nos princpios de base docontrolo vetorial por orientao do campo rotrico, aplicado

aos motores de induo trifsicos. Os nveis de exigncia

dinmica associados aos sistemas de trao dos veculos

eltricos so muito elevados (e.g., funcionamento nos 4

quadrantes, mltiplos regimes de funcionamento com

variaes mais ou menos bruscas, rendimentos distintos).

Como tal, a opo por um MI3 (ou outras mquinas eltricas)

s vivel atravs de sistemas de controlo capazes de

dotarem as mquinas de comportamentos dinmicos que

estejam altura de tais exigncias o controlo vetorial

(Rotor FOC) a opo mais usual. Com base num modelo de

simulao, apresentouse um exemplo de aplicao numveculo eltrico, procurando tambm evidenciar algumas das

condies de funcionamento da mquina eltrica, e

respetivos impactos sobre a mesma. Por ltimo, de frisar o

carcter introdutrio com que se procuraram abordar estes

assuntos; essa a perspetiva com que se pretende que este

artigo seja encarado.

Referncias

[1] Marques, Gil (1999). Controlo de Motores Elctricos, IST.

[2] Krishnan, R. (2001). Electric Motor Drives Modeling, Analysis

and Control (1 edition), Prentice Hall, ISBN 13: 9780130910141.

[3] Guzzella, L., & Amstutz, A. (2005), The QSS Toolbox Manual,

Measurement and Control Laboratory Swiss Federal Institute

of Technology Zurich.

[4] P. Melo, R. d. Castro, and R. E. Arajo, Evaluation of an Energy

LossMinimization Algorithm for EVs Based on InductionMotor, Induction Motors Modelling and Control, Intech(2012)

Figura11.MapadeeficinciadoMI3epontosdefuncionamento

ARTIGO TCNICO

13

Resumo

Os motores de induo trifsicos so usados na maioria dos

sistemas eletromecnicos, pelo que a sua manuteno

revestese de enorme importncia. A monitorizao contnuados equipamentos o elemento chave dos atuais sistemas de

manuteno condicionada. A anlise espectral da corrente

absorvida pelo motor est muito implantada na indstria,

mas apresenta vrias limitaes. Diversos mtodos de

deteo e diagnstico de avarias tm sido desenvolvidos,

baseados nas mltiplas grandezas que caracterizam o

funcionamento do motor. A anlise no domnio das

frequncias, com recurso a tcnicas de processamento digital

de sinal, tem sido bastante explorada. Este artigo pretende

focarse nas principais causas e mtodos de diagnstico deavarias no estator e rotor dos motores de induo.

1. Introduo

Os motores eltricos so elementos centrais em qualquer

processo industrial atual. Na Unio Europeia, a sua utilizao

est associada a cerca de 70% da energia consumida no

sector industrial. Em Portugal, verificase um valorsemelhante para o mesmo sector, sendo que 30% do total de

energia eltrica consumida no pas da responsabilidade dos

motores eltricos [1]. Neste contexto, os motores de induo

trifsicos (MI3) assumem uma importncia determinante:

cerca de 90% dos motores de corrente alternada utilizados

so deste tipo, em particular, a variante de gaiola de esquilo.

Compreendese a importncia dos nveis de fiabilidadedestas mquinas, ao longo do seu tempo de vida til, na

generalidade dos processos produtivos. A variedade de

ambientes (mais ou menos agressivos), associada s

condies de funcionamento dos motores, so os principais

fatores que esto na origem do aparecimento de avarias:

para alm dos inconvenientes que podem surgir em termos

produtivos, esto normalmente associadas reduo do

tempo de vida til dos motores [2].

Os dispositivos de proteo convencionais dos motores

eltricos atuam somente aps a ocorrncia de falhas [3]

(e.g., rels & disjuntores magnetotrmicos: curtocircuitosentre fases ou faseterra, sobrecargas, defeitos terra,flutuaes e desequilbrios nas tenso; fusveis: curtocircuitos; protees diferenciais: contra contactos indiretos).

Se forem graves, tal implicar interrupes nos processos de

fabrico, podendo tambm provocar danos noutros

componentes dos sistemas eletromecnicos onde os

motores se inserem. Naturalmente, os custos associados

podero ser avultados, tanto em equipamentos como, mais

grave ainda, em vidas humanas.

Deste modo, a deteo antecipada de possveis avarias

revestese de enorme importncia: reduo dos custos demanuteno e tempos de interrupo, aumentando a

fiabilidade e o tempo de vida til dos motores e respetivos

acionamentos [2]. Atualmente, o diagnstico e deteo de

avarias assenta na monitorizao no intrusiva dos

componentes do sistema, conjugadas com tcnicas de

processamento digital de sinal, cuja anlise permite a

identificao de mltiplas avarias no motor.

Este trabalho est estruturado da seguinte forma: A Seco 2

apresenta alguns conceitos gerais sobre manuteno

condicionada de motores eltricos. Na Seco 3 descrevemse os principais tipos de avarias em MI3. A Seco 4 incide

sobre as avarias eltricas mais frequentes: falhas nos

enrolamentos do estator e quebra de barras no rotor. So

tambm abordados alguns dos mtodos mais relevantes que

tm sido aplicados na sua deteo. A Seco 5 referese aduas tcnicas aplicadas na deteo e diagnstico de falhas,

realando as suas vantagens e limitaes: a transformada

rpida de Fourier (FFT) e a transformada de Park. Na Seco

6 so apresentados os resultados de algumas simulaes de

avarias e respetivo diagnstico, com base nas tcnicas

anteriores. Finalmente, a Seco 7 contm as concluses

finais.

MANUTENO E DIAGNSTICO DE AVARIAS

EM MOTORES DE INDUO TRIFSICOS.

PedroMeloInstitutoSuperiordeEngenhariadoPorto

ARTIGO TCNICO

14

2. Manuteno Condicionada emMotores Eltricos

Tradicionalmente, as aes de manuteno em motores

eltricos baseavamse em mtodos intrusivos (e.g., ensaiosde isolamento massa, medio da temperatura e da

resistncia dos isolantes & ndice de polarizao, ensaios de

continuidade eltrica, anlise de lubrificantes, etc). Estas

tcnicas so normalmente implementadas nos perodos de

paragem das mquinas, no mbito de operaes de

manuteno preventiva sistemtica [4].

Nos ltimos anos, os sistemas de diagnstico e deteo de

avarias tm sido alvo de considerveis desenvolvimentos,

assentes na manuteno condicionada ou preditiva: a

monitorizao contnua do estado da mquina durante o seu

tempo de vida til (idealmente, tambm dos restantes

componentes do acionamento), de modo no intrusivo,

permite a identificao de falhas numa fase inicial, ou

mesmo a previso do seu aparecimento.

So vrios os benefcios da sua aplicao: aumento da

eficincia dos processos, diminuio de paragens no

planeadas, aumento da vida til dos equipamentos e,

igualmente importante, o registo detalhado das falhas

ocorridas nas mquinas [3], [4].

Na Figura 1 est representada a estrutura bsica destes

sistemas (retngulo cinzento).

Os programas de manuteno condicionada utilizados na

indstria assentam na medio e anlise de mltiplas

grandezas (e.g., mecnicas, eltricas, trmicas, etc.). A

utilizao de tcnicas de processamento digital de sinal tem

revelado um enorme potencial no diagnstico de avarias

(e.g., tenses, correntes, fluxos magnticos, descargas

parciais, vibraes, velocidade, binrio).

Figura1.Deteoediagnsticodeavariasemsistemaseletromecnicos

ARTIGO TCNICO

15

Atualmente, os sistemas industriais de diagnstico de avarias

de motores eltricos assentam na anlise espectral das

correntes absorvidas Motor Current Signature Analysis

(MCSA). No entanto, h algumas limitaes a considerar na

sua aplicao, sendo de salientar:

As caractersticas da mquina (e.g., assimetrias

construtivas no estator e rotor, saturao magntica)

podem levar a alteraes no sinal da corrente,

semelhantes ocorrncia de certas falhas, introduzindo

erros nos diagnsticos de deteo de falhas [3];

Em regimes transitrios de funcionamento ou se o motor

alimentado atravs de um conversor de frequncia.

A disseminao das tcnicas de anlise dos sinais das

grandezas do motor deve muito ao desenvolvimento e

variedade de sensores atualmente disponveis (e.g., fluxos

magnticos radiais e axiais, velocidade e posio do rotor,

binrio, vibraes, temperatura, etc.), bem como dos

sistemas de aquisio de dados e tcnicas de processamento

de sinal.

Deste modo, tornase possvel a deteo de mltiplas avariasno motor, atravs de uma monitorizao de largo espectro

[5], [6].

Os conversores de potncia utilizados no controlo dos

motores fomentam o aparecimento de avarias, limitando o

seu tempo de vida til. As tcnicas de deteo de avarias

atualmente mais usadas foram concebidas no mbito de

alimentaes sinusoidais. Deste modo, o desenvolvimento

de sistemas de deteo de falhas vocacionados para

alimentaes no sinusoidais revestese de extremaimportncia.

3. Tipos de Avarias emMotores de Induo [7]

As principais avarias em motores eltricos esto

fundamentalmente associados a falhas mecnicas e eltricas

causas internas. Existem tambm avarias com origens

externas ao motor; a disseminao dos conversores de

potncia na sua alimentao contribui para o aumento das

avarias. Na Tabela 2 so referidas as avarias mais frequentes.

Tabela2. TiposdeAvariasemMI

ARTIGO TCNICO

16

A figura 2 apresenta o peso relativo das avarias nos

principais constituintes do motor, com base em dois estudos,

efetuados em ambiente industrial [8]: o primeiro, pelo

Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), sendo o

segundo da responsabilidade do Electric Power Research

Institute (EPRI).

Figura2.Distribuiodasavariaspelosprincipaiscomponentesdomotor

Levantamentos adicionais permitiram reduzir o peso da

incerteza das causas de avarias (Outras), evidenciando que

as falhas nos rolamentos correspondem a mais de 50% do

total de avarias, enquanto as do estator situamse em cercade 20% [9].

No obstante algumas discrepncias, todos os resultados

evidenciam que as falhas mais frequentes ocorrem nos

rolamentos e no estator, principalmente, no isolamento dos

seus enrolamentos.

4. Mtodos de Deteo de Avarias

Nesta seco, apresentase as principais causas das avariasnos enrolamentos do estator e nas barras e anis rotricos,

seguida de uma descrio dos mtodos atuais mais

relevantes na sua deteo.

4.1. Avarias em enrolamentos estatricos

As avarias no estator podem ocorrer na sua estrutura

magntica (e.g., correntes de circulao entre lminas ou

entre enrolamentos e o circuito magntico), na carcaa do

motor (correntes de fugas para a terra) ou nos enrolamentos

estatricos (e.g., deteriorao/envelhecimento dos materiais

isolantes, deslocamento de condutores, etc.). Em todos os

casos, as avarias esto sempre associadas a falhas nos

isolantes, em particular, entre as espiras que compem as

bobinas dos enrolamentos.

Para alm de boas propriedades dieltricas (e.g., elevada

rigidez dieltrica e perdas reduzidas), os materiais isolantes

requerem tambm caractersticas complementares, tais

como tolerncia a temperaturas e respetivas variaes, a

esforos mecnicos (foras, vibraes e consequente

desgaste por abraso (e.g., testas das bobinas)), bem como a

ambientes quimicamente agressivos (contaminao &

corroso) [10]. O prprio processo de colocao das espiras

que compem os enrolamentos de fase do motor poder

alterar as propriedades dos materiais isolantes: em certos

casos, os impactos sofridos nesta fase so superiores queles

que se verificam no funcionamento posterior do motor [11].

Todas estas solicitaes afetam, em maior ou menor grau, o

processo de envelhecimento dos isolantes do motor.

So bem conhecidos os efeitos das temperaturas elevadas:

tratase de um dos principais fatores responsveis pelasavarias nos isolantes. Situaes extremas podero levar a

que aqueles materiais derretam tais avarias ocorrem em

intervalos de tempo muito curtos, uma vez que as subidas de

temperatura ocorrem muito rapidamente (e.g., curtocircuitos).

ARTIGO TCNICO

17

Funcionamentos com temperaturas elevadas (mas abaixo

dos casos anteriores), durante intervalos de tempo longos,

so o principal motivo do envelhecimento precoce dos

isolantes: dose alteraes qumicas nos materiais,tornandoos quebradios. Por outro lado, a expanso dosenrolamentos de cobre dse de um modo distinto dosmateriais isolantes que os revestem, pelo que estes so

tambm submetidos a esforos mecnicos deteriorantes

[12]. As falhas da decorrentes contamse entre as maisfrequentes, normalmente manifestandose a mdio/longoprazo. Com exceo das perdas por ventilao, as restantes

perdas no interior do motor (perdas por efeito de Joule,

magnticas, mecnicas e adicionais) contribuem para o valor

da temperatura mxima atingida no seu interior. Como tal,

os fatores de servio impostos ao motor, bem como as

respetivas duraes temporais, so determinantes na

ocorrncia destas avarias.

Um outro fenmeno igualmente responsvel pelo

envelhecimento dos materiais isolantes so as descargas

parciais (arcos eltricos que surgem no interior do prprio

isolante ou entre condutores e isolantes, devido a

distribuies no uniformes do campo eltrico que excedem

a sua rigidez dieltrica). Tipicamente, ocorrem em motores

de alta tenso (>2300 V) ou quando alimentados atravs de

inversores [10]. As descargas parciais so responsveis pela

deteriorao progressiva dos materiais isolantes; a sua

deteo difcil, uma vez que so caracterizadas por

amplitudes baixas com perodos muito curtos [10]. No

entanto, a sua monitorizao de extrema importncia, uma

vez que um meio eficaz de verificar o nvel de

envelhecimento dos isolantes [10], [12].

4.1.1. Deteo de Avarias

As falhas de isolamento podem ter consequncias muito

nefastas, tanto ao nvel do processo em curso e impactos

econmicos, como, principalmente, na segurana dos

operadores. Vrias tcnicas de diagnstico tm sido

desenvolvidas, baseadas em diferentes abordagens. A sua

aplicao dependente de vrios fatores: potncia nominal e

custo do motor, impacto da avaria, etc.

Alguns dos mtodos mais usuais so descritos em [13], [14],

sendo de destacar: utilizao da matriz de impedncias do

motor, anlise da potncia eltrica instantnea e anlises

espectrais (tenses, correntes, binrio eletromagntico,

fluxo magntico axial). Esta ltima referncia apresenta uma

descrio bastante exaustiva das causas de avarias em

enrolamentos estatricos de motores de induo e

respetivos mtodos de diagnstico.

H a distinguir os mtodos intrusivos que requerem a

paragem do motor (Offline) , dos mtodos no intrusivos(Online):

Off Line

Com vista a identificar o estado dos materiais isolantes, os

ensaios mais comuns so os seguintes: medio da

resistncia hmica, rigidez dieltrica, capacidade entre

condutores estatricos e o circuito magntico do estator

ligado terra e o fator de perdas do dieltrico (tang()).Podem ser tambm realizados ensaios de impulsos (e.g.,

ondas de choque) e ensaios de descargas parciais. Os

diferentes ensaios permitem efetuar anlises

complementares aos isolantes; o maior inconveniente da sua

realizao o facto de serem intrusivos e de colocar o motor

fora de servio [10]. Por estes motivos, os ensaios online,no intrusivos, tm merecido um maior interesse.

OnLine

A monitorizao da temperatura dos enrolamentos

estatricos a forma mais evidente de analisar o estado

e/ou risco de deteriorao dos seus isolantes. Tal poder ser

conseguido atravs da incluso de termopares nos prprios

enrolamentos (em motores de grande potncia), ou atravs

de cmaras termogrficas. Complementarmente, possvel

detetar avarias em partes especficas do motor, atravs de

aumentos anormais da temperatura (locais ou globais) e.g.,

avarias no sistema de ventilao, pontos mais quentes da

mquina, etc. Como tal, o recurso termografia temserevelado um instrumento valioso na deteo de avarias (no

apenas no estator).

ARTIGO TCNICO

18

A monitorizao online das descargas parciais uma formabastante eficaz de antecipao de avarias resultantes do

envelhecimento dos isolantes estatricos [10], [15]. Uma das

consequncias das descargas parciais nos enrolamentos

estatricos a produo de ozono, pelo que a monitorizao

da sua concentrao indicia o aparecimento destas avarias.

No entanto, este fenmeno tende a ocorrer pouco antes de

surgir a avaria, por isso deve ser usado de forma

complementar [7], [10]. Sendo necessria a instalao de

sensores e equipamentos especficos, somente em motores

de grande potncia (tenses nominais elevadas) ser

justificvel esta monitorizao.

4.2. Barras rotricas partidas

Este tipo de falhas esto normalmente associadas a barras

rotricas partidas ou anis de extremidade danificados. As

principais causas devemse aos seguintes fenmenos [13]:

Sobrecargas trmicas e/ou distribuies no uniformes

de temperatura na gaiola;

Rudo e vibraes, foras eletromagnticas excessivas

sobre as barras e anis (e.g., esforos de toro);

Imperfeies de construo (e.g., assimetrias na

distribuio das barras);

Perturbaes dinmicas causadas pelas cargas acionadas

e/ou pelos ciclos de funcionamento;

Causas ambientais (e.g., corroso);

Falhas mecnicas (e.g., problemas nos rolamentos,

separao de lminas do circuito magntico do rotor,

etc.).

Quando ocorrem, o motor poder funcionar ainda por algum

tempo, sem que se manifestem consequncias extremas

sobre a mquina.

A quebra de uma barra impede a circulao de corrente

nesse trajeto; se existirem correntes entre barras, a deteo

desta avaria tornase muito mais difcil, uma vez que taiscorrentes atenuam o desequilbrio provocado pelas barras

partidas [7].

4.2.1. Deteo de Avarias

A deteo destas avarias implica que o motor esteja a

funcionar em carga (em vazio, as correntes rotricas so

praticamente nulas).

A anlise espectral da corrente absorvida pelo motor temserevelado como uma ferramenta eficaz de deteo deste tipo

de avarias, contrariamente ao que sucede no caso das falhas

estatricas.

A quebra de uma barra rotrica implica uma alterao na

distribuio das correntes nas restantes barras aumenta a

corrente nas barras adjacentes [7].

Surgem interaes entre campos e correntes rotricas que

originam componentes alternadas no binrio desenvolvido,

provocando oscilaes na velocidade (dependentes da

inrcia da carga acionada). Em consequncia, surgem

componentes das correntes no estator, cujas frequncias

( ) se situam em torno da frequncia fundamental [16]:

1 2 , 1, 2, 3, (1)

Normalmente, atendendo atenuao provocada pela

inrcia da carga sobre estes fenmenos, as frequncias

laterais (2 ) so as mais significativas. Por outro lado, arelao entre as amplitudes destas componentes e a

amplitude da componente fundamental da corrente, reflete

a gravidade da falha ocorrida [5], [17].

5. Tcnicas de Deteo e Diagnstico de Avarias

5.1. Tcnicas de Processamento de Sinal

Atualmente, as tcnicas de manuteno condicionada, com

ARTIGO TCNICO

19

vista ao diagnstico de avarias em mquinas eltricas,

assentam na combinao de sistemas de aquisio de dados

a diversos algoritmos de processamento digital de sinal. A

anlise no domnio das frequncias est muito disseminada,

em particular, atravs da Transformada Rpida de Fourier

Fast Fourier Transform (FFT) e respetivas variantes. no

entanto de referir que a eficcia da FFT est associada a

sinais estacionrios (regimes permanentes de

funcionamento), exigindo um nmero elevado de amostras

do sinal a analisar, o que implica amostrar um amplo

intervalo de tempo. Um outro aspeto fundamental so as

dificuldades trazidas pela presena de rudo nos sinais

amostrados, incontornvel em ambientes industriais.

Assim, para regimes dinmicos de funcionamento e/ou para

eliminar a influncia do rudo, outros algoritmos de

processamento de sinal mais elaborados tm vindo a ser

considerados. No se pretende tratar aqui este assunto de

forma exaustiva. Com vista a aprofundar este tema,

sugeremse as referncias [18] e [19].

5.2. Transformada de Park

O vetor de Park da corrente eltrica de alimentao do

motor constitui tambm uma ferramenta de diagnstico de

avarias em mquinas eltricas de corrente alternada

convencionais [14].

Esta transformada permite representar uma mquina

polifsica convencional (iguais parmetros nas diferentes

fases, simetria de eixos magnticos, distribuies de campos

magnticos no espao do entreferro do tipo sinusoidal),

atravs de um sistema bifsico equivalente, representado

por um sistema de eixos ortogonais (ngulos eltricos), dq,animado com velocidade genrica . tambm possvel

considerar a existncia de assimetrias no sistema com

componentes homopolares da corrente no nulas, atravs

da incluso de um terceiro eixo, perpendicular ao plano dq.Para uma mquina trifsica, no referencial estatrico (=0), a

relao invariante entre as correntes definidas do domnio dq0 e as correntes nas fases (a,b,c) dada por:

1

0

(2)

Sendo vulgar a ausncia do condutor neutro nos motores de

induo, a componente homopolar (i0) nula, o que implica,

em qualquer instante:

0 (3)

Assim, as componentes do vetor de Park da corrente (id e iq)

so obtidas do seguinte modo:

4

5

A representao das componentes do vetor de Park da

corrente eltrica (id e iq) no referencial mencionado, tem

sido aplicada na deteo de curtocircuitos entre espiras dosenrolamentos estatricos.

Em condies de simetria das correntes em cada fase, a

representao no plano [id,iq] corresponde a uma

circunferncia. Havendo curtocircuitos entre espiras,surgem elipses cujas orientaes podem ajudar a identificar

a fase do motor onde ocorreu a avaria. Esta representao

apresenta algumas limitaes quando aplicado deteo de

outras avarias. Por exemplo, no caso da quebra de barras

rotricas, surgem componentes com frequncias 1 2em id e iq que no so representadas no plano definido por

estas correntes. Deste modo, foi proposta em [20] uma nova

metodologia de diagnstico, baseada na anlise espectral do

mdulo do vetor de Park, designada por EPVA (Extended

Park Vector Approach).

Atendendo a (3), (4) e (5), o mdulo do vetor (P) dado por:

(6)

ARTIGO TCNICO

20

Com efeito, havendo quebra de barras no rotor, o espectro

de P contm uma componente contnua resultante da

componente associada frequncia de alimentao das

correntes nas fases estatricas do motor , bem como duas

componentes associadas s frequncias 2sf_s e 4sf_s.Assim, tornase mais evidente a deteo deste tipo deavarias. Mais, sendo estas frequncias reduzidas, tambm

mais simples a eliminao do rudo que os sinais amostrados

possam conter.

O EPVA foi tambm aplicado no diagnstico de outras

assimetrias (e.g., desequilbrios no sistema de tenses de

alimentao e a ocorrncia de excentricidade esttica e/ou

desalinhamentos entre o motor e a carga mecnica a ele

acoplada) [21].

De referir ainda a aplicao deste mtodo na deteo de

curtocircuitos entre espiras nos enrolamentos estatricosde motores sncronos e assncronos [22]. Se o motor for

alimentado por um sistema de tenses equilibrado, no

havendo qualquer avaria, o contedo espectral do mdulo

do vetor de Park no contm nenhuma componente. No

caso de ocorrncia de curtocircuitos entre espiras, surgeuma componente espectral com o dobro da frequncia de

alimentao do motor (se no houver outras avarias). No

entanto, desequilbrios no sistema de tenses de

alimentao, bem como assimetrias construtivas no motor,

podem igualmente originar o aparecimento dessa

componente espectral, pelo que no possvel concluir se

existe realmente uma avaria deste tipo.

6. Simulaes de Avarias

Nesta seco so apresentados alguns resultados de

simulaes de avarias.

Na Figura 3 est representado o modelo de simulao

utilizado (MATLAB/SIMULINK): o bloco Motor_Induo

consiste no modelo dinmico do MI3 (espao de estados),

definido no sistema de eixos dq. A opo por um motor derotor bobinado permitiu simular avarias no rotor.

Dado que a anlise efetuada incide sobre grandezas do

estator, o modelo est definido no referencial esttico,

estando as fases estatricas ligadas em estrela.

Comease por salientar as principais restries e limitaesdo modelo:

As perdas no ferro no so includas;

As indutncias parciais de fugas (estator e rotor) so

assumidas como constantes, pelo que a influncia da

saturao nos trajectos dos fluxos magnticos de fugas

desprezada;

A influncia da saturao no trajecto do fluxo til

principal considerada somente em termos estticos,

i.e., a incluso da caracterstica em vazio do motor

permite ajustar no modelo os valores da indutncia de

magnetizao da mquina, em funo do valor eficaz da

corrente de magnetizao: o ciclo histertico do circuito

ferromagntico no considerado;

Tratase de um modelo de parmetros concentrados,assente no pressuposto da existncia de simetria na

disposio dos enrolamentos e homogeneidade das

propriedades do circuito magntico da mquina, bem

como na igualdade dos parmetros eltricos em cada

fase. Na ocorrncia de avarias, estas caractersticas

deixam de ser vlidas, pelo que a incluso no modelo de

tais alteraes apresenta diversas dificuldades e

limitaes. No obstante, pretendeuse evidenciar aspotencialidades de algumas das tcnicas de diagnstico,

em certos tipos de avarias e circunstncias concretas: os

resultados obtidos enquadramse no que foi exposto nasseces anteriores, sublinhando tambm a necessidade

de utilizao de modelos mais elaborados, que possam

incluir com maior profundidade os impactos das avarias

sobre a mquina.

ARTIGO TCNICO

21

Caractersticas do motor considerado:

Pn=3 kW; U=400 V; f=50 Hz; n=1450 rpm, 2 pares de plos

Os respetivos parmetros esto includos na tabela seguinte:

Tabela2.Parmetrosdomotor(referidosaoestator)

Rs; Rr resistncias hmica por fase, respetivamente, do

estator e do rotor;

ls; lr indutncias parciais de fugas por fase,

respetivamente, do estator e do rotor;

Lm indutncia de magnetizao.

No cenrio inicial, o motor alimentado tenso e

frequncia nominais, acionando uma carga do tipo

parablica (Tc), definida como:

4,87 10 8 ; ; 1. (7)

As avarias consideradas foram as seguintes:

Curtocircuitos entre espiras de uma fase estatrica;

Quebra de barras rotricas.

Posteriormente, analisouse a eficcia do diagnstico dasavarias no rotor para os seguintes casos:

Influnciadomomentodeinrciadosistemamecnico; Motoremvazio.O diagnstico implementado baseiase na FFT das correntesabsorvidas e na aplicao da transformada de Park

componentes (iq, id) e EPVA. Como tal, somente os regimes

permanentes de funcionamento sero alvo de anlise, no

sendo considerados para este efeito os perodos de

arranque. Finalmente, importa referir que os dados

apresentados foram obtidos com uma frequncia de

amostragem de 10 kHz.

Figura3.Modelodesimulao

ARTIGO TCNICO

22

6.1. Funcionamento Normal

Figura4.[correntes_estator];[binrio&velocidade];[componentes_Park

Figura5.[correntes_rotor];[FFT(Ia_estator),N=16384];[amplitude_Park]

ARTIGO TCNICO

23

O regime permanente corresponde a T=18 N.m; r=1450

rpm. Como espectvel, sendo uma sinuside pura, a FFT da

corrente absorvida apenas contm a frequncia de

alimentao. O mdulo do vetor de Park constante, pelo

que a caracterstica no plano [iq, id] uma circunferncia,

cujo raio igual ao mdulo referido.

6.2. CurtoCircuito numa Fase do Estator

Figura6.[correntes_estator];[binrio&velocidade];[amplitude_Park]

A transformada de Park permite representar simbolicamente

os campos girantes desenvolvidos na mquina, no plano

anterior. Neste caso, ntida a presena de um campo

girante perfeito: a sua amplitude mxima constante e

proporcional ao mdulo de Park; os raios da circunferncia

representam as posies instantneas do eixo magntico do

campo girante no sistema de coordenadas [iq, id].

Figura7.[correntes_rotor];[FFT(Ia_estator),N=16384];[FFT(comp_altern_Park),N=16384]

0 1 2 3 4 5 6-100

0

100

200

Isa (

A)

0 1 2 3 4 5 6-100

0

100

Isb (

A)

0 1 2 3 4 5 6-100

0

100

Isc (

A)

tempo [s]

0 1 2 3 4 5 6-500

0

500

1000

1500

wr

(rpm

)

0 1 2 3 4 5 6-100

0

100

200

T (N

.m)

tempo [s]

4.04 4.045 4.05 4.055 4.06 4.065 4.07 4.075 4.08 4.085

10

10.5

11

11.5

12

tempo (s)

Am

plitu

de (A

)

Vector de Park

0 1 2 3 4 5 6-200

-100

0

100

Ira (

A)

0 1 2 3 4 5 6-100

0

100

Irb (

A)

0 1 2 3 4 5 6-100

0

100

Irc (

A)

tempo [s]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

frequncia (Hz)

ampl

itude

(A)

0 20 40 60 80 100 1200

50

100

150

200

250

300

350

400

frequncia (Hz)

Park

(A)

ARTIGO TCNICO

24

A implementao deste tipo de falhas foi feita atravs dos

blocos Falha_ Figura 6. Estes consistem na srie de uma

resistncia hmica com uma indutncia. Deste modo, os

parmetros Rs e ls foram previamente alterados, simulando

um curtocircuito entre espiras de uma fase; A incluso dosblocos anteriores nas outras fases permite assumir, do lado

das fontes de alimentao, a constncia daqueles

parmetros. Os resultados apresentados a seguir, assumem

uma diminuio em 30% do nmero de espiras do

enrolamento. O valor de ls foi alterado com base apenas na

diminuio do nmero de espiras, no considerando

possveis alteraes ao nvel da saturao do trajeto do fluxo

de fugas do estator. Deste modo, os novos valores

assumidos para aqueles parmetros foram os seguintes:

Rs= 0,71,115 = 0,7805 (8)

Ne nmero efetivo de espiras do enrolamento de uma fase

do estator;

fe f0 permeabilidades magnticas associadas ao trajetodo fluxo de fugas de uma fase do estator (respetivamente,

trajetos no material ferromagntico (fe) e no ar (0));

A seco reta associada ao trajeto do fluxo de fugas de uma

fase do estator;

lfe, l0 Comprimentos associados ao trajeto do fluxo de fugas

de uma fase do estator, respetivamente, no material

ferromagntico (fe) e no ar (0)).

Sendo a componente alternada do vetor de Park (100 Hz)

francamente menor do que nos casos anteriores, tambm o

so as oscilaes nas correntes rotricas e no binrio

desenvolvido. A sua FFT apresenta uma componente

associada frequncia de alimentao, visvel na modulao

da sua amplitude mxima. Este facto poder estar associado

influncia da reduo considerada do nmero de espiras

sobre o valor de ls, de acordo com (8). No entanto,

prematura uma concluso definitiva sem confirmao

experimental.

Figura8.a)c.c.(fase_a);b)c.c.(fase_b);c)c.c.(fase_c)

6.3. Quebra de Barras Rotricas

A opo pelo modelo de um motor de rotor bobinado,

permite efetuar algumas alteraes nos parmetros

rotricos. No entanto, a simulao de barras partidas feita

com vrias limitaes. Por um lado, no ser possvel

quantificar o nmero de barras afetadas; por outro lado,

invivel associar uma determinada barra com uma fase

equivalente rotrica. Inevitavelmente, tal foi feito no

modelo em questo: incluiuse um bloco Falha_ (R=4)em srie com a fase rotrica onde se pretendeu simular a

avaria (fase_a). Atendendo maior dificuldade em estimar o

impacto que uma avaria deste tipo ter no valor de lr, e

tendo presente que a anlise efetuada corresponde a um

regime de funcionamento com baixo deslizamento

(9)

-10 -5 0 5 10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

id (A)

iq (A

)

-10 -5 0 5 10

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

id (A)

iq (A

)

-10 -5 0 5 10

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

id (A)

iq (A

)

(a)

(b)

(c)

ARTIGO TCNICO

25

(Rr/s assume uma maior relevncia), apenas se efetuaram

alteraes no valor destes parmetros.

Figura9.[correntes_estator];[binrio&velocidade];componentes_Park]

Figura10.[correntes_rotor];[FFT(Ia_estator),N=16384];[amplitude_Park]

0 1 2 3 4 5 6-100

0

100

Isa

(A)

0 1 2 3 4 5 6-100

0

100

Isb

(A)

0 1 2 3 4 5 6-100

0

100

Isc (

A)

tempo [s]

0 1 2 3 4 5 6-500

0

500

1000

1500

wr

(rpm

)

0 1 2 3 4 5 6-100

0

100

200

300

T (N

.m)

tempo [s]

-15 -10 -5 0 5 10 15

-10

-5

0

5

10

id (A)

iq (A

)

0 1 2 3 4 5 6-100

0

100

Ira

(A)

0 1 2 3 4 5 6-100

0

100

Irb

(A)

0 1 2 3 4 5 6-100

0

100

Irc (

A)

tempo [s]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

frequncia (Hz)

ampl

itude

(A)

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

4

6

8

10

12

14

16

tempo (s)

Am

plitu

de (A

)

Vector de Park

ARTIGO TCNICO

26

Figura11.FFT(comp_altern_Park),N=16384

bem visvel o impacto da modulao da amplitude mxima

da corrente do estator na sua FFT. O deslizamento associado

ao regime de carga imposto ao motor igual a 3,33 %,

verificandose que as componentes principais estoassociadas a f_s (12), principalmente a que inferior

frequncia de alimentao bem patente o efeito da

inrcia do sistema, tal como referido em 4.2.1. As

caractersticas no plano [iq, id] evidenciam a ocorrncia e

intensidade da avaria: a frequncia de modulao da

amplitude mxima ( 3 Hz), provoca alteraes peridicas na

amplitude mxima do campo girante estatrico (de notar

que o campo girante praticamente perfeito, uma vez que:

50 Hz >> 3 Hz). ntida a correlao entre o valor desta

ltima frequncia e as bandas laterais do espectro da

corrente estatrica.

A diferena entre os valores mximo e mnimo do raio das

circunferncias traduz a intensidade da avaria.

A anlise da FFT da componente alternada do mdulo do

vector de Park complementar s anteriores, verificandoseque as componentes principais so dadas por 2sf_s e 4sf_s (aprox.), o que confirma o exposto na seco 5.2. A

frequncia de modulao da amplitude mxima da corrente

absorvida refletese na principal componente do mdulo dePark, bem como na componente oscilatria do binrio

desenvolvido.

6.3.1. Influncia do Momento de Inrcia

Com vista anlise do efeito da inrcia do sistema,

apresentamse os resultados seguintes. Para o cenrio inicialde avaria na fase_a do rotor, fixouse o momento de inrciaem 0,1 Kg.m2.

Figura12.[correntes_estator];[binrio&velocidade];[componentes_Park]

(9)

0 20 40 60 80 100 1200

50

100

150

200

250

300

350

400

frequncia (Hz)

Park

(A)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-100

0

100

Isa

(A)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-100

0

100

Isb

(A)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-100

0

100

Isc (

A)

tempo [s]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-500

0

500

1000

1500

wr

(rpm

)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-100

0

100

200

300

T (N

.m)

tempo [s]

-15 -10 -5 0 5 10 15

-10

-5

0

5

10

id (A)

iq (A

)

ARTIGO TCNICO

27

Figura13.[correntes_rotor];[FFT(Ia_estator),N=1638[[amplitude_Park]

So claramente visveis as oscilaes rotricas, que se

refletem em FFTs com contedos mais ricos. Com efeito, as

principais componentes do espectro da corrente absorvida

so dadas aproximadamente por (ver 4.2.1):

Figura14.FFT(comp_altern_Park),N=16384

Tambm na FFT da componente alternada de Park se verifica

que as principais componentes so as seguintes (aprox.):

2 3,33

4 6,7

6 10

6.3.2. Funcionamento em Vazio

De modo a analisar a influncia do regime de carga imposto

ao motor, considerouse a mesma avaria anterior, estandoagora o motor em vazio. Naturalmente, temse agoraJ=0,096 Kg.m2. Os resultados obtidos so os seguintes:

Figura15.[componentes_Park]&[FFT(Ia_estator),N=8192][amplitude_Park]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-100

0

100

Ira

(A)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-100

0

100

Irb

(A)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-100

0

100

Irc (

A)

tempo [s]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

frequncia (Hz)

ampl

itude

(A)

0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

tempo (s)

Am

plitu

de (A

)

Vector de Park

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

id (A)

iq (A

)

ARTIGO TCNICO

28

Figura15.[componentes_Park]&[FFT(Ia_estator),N=8192][amplitude_Park]

No h alteraes significativas relativamente ao

funcionamento sem avarias, o que est de acordo com o

exposto em 4.2.1. No sendo conclusivo o diagnstico, so

realadas as limitaes destas tcnicas na deteo de

avarias, quando o motor funciona com baixas fraes de

carga. O desenvolvimento de tcnicas cuja eficcia no

dependa da frao de carga revelase de grande importncia.

No obstante as limitaes do modelo considerado, a

aplicao da FFT e da Transformada de Park das correntes

permitiu diagnosticar as avarias simuladas, realando em

simultneo algumas das limitaes destas tcnicas.

7. Concluses

A monitorizao no intrusiva do estado dos equipamentos,

permitindo a deteo precoce de avarias, sem perturbao

dos processos, constitui a base dos atuais planos de

manuteno dos sistemas eletromecnicos (conversor de

potncia + motor + transmisso + carga).

A anlise atravs da FFT da corrente absorvida pelo motor

continua a ser o mtodo mais disseminado na indstria. No

entanto, apresenta vrias limitaes em certos tipos de

avarias, pelo que a complementariedade com outras

grandezas monitorizadas revelase fundamental, no sentidode obter sistemas de diagnstico mais eficazes. Por outro

lado, a restrio a sinais estacionrios, a necessidade de um

nmero elevado de amostras, bem como a procura de

tcnicas com maior imunidade ao rudo, tem levado

aplicao de tcnicas de processamento de sinal mais

elaboradas. No entanto, a maior complexidade em

implementlas e interpretao de resultados, tem colocadoalguns entraves sua aplicao na indstria.

A disseminao dos conversores de potncia na grande

maioria dos sistemas eletromecnicos industriais, ou mesmo

outras aplicaes dinamicamente exigentes, como os

veculos eltricos, tornam urgente o desenvolvimento de

sistemas de diagnstico de avarias que contemplem estas

condies. A capacidade de processamento dos

controladores j instalados, fornece uma plataforma para a

integrao de sistemas de diagnstico de avarias; o tipo de

controlo do motor ter uma influncia relevante naqueles

sistemas. A evoluo dos sistemas de diagnstico de avarias

dever assentar nos seguintes tpicos [18]:

1) Desenvolvimentodemodelosmaisdetalhadosdomotor,quepermitamainclusoediagnsticodeavarias;

2) Sensoresetcnicasdemonitorizaovocacionadosparaadeteodeavarias;

3) Tcnicasdediagnsticocommaiorsensibilidadeocorrnciadefalhas,simultaneamentemaisrobustasinflunciadacargaeinrcia;

4) Maiorintegraodosprocedimentosconvencionaisdediagnsticoeastcnicasdeintelignciaartificial.

O aumento da fiabilidade um objetivo sempre presente. Os

sistemas de deteo de avarias sero fundamentais na

obteno de sistemas eletromecnicos com maior tolerncia

a falhas. Em complemento, o dimensionamento de motores

com mltiplas fases (e respetivos conversores) ser tambm

um importante contributo na aproximao daquele objetivo.

(9)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

frequncia (Hz)

ampl

itude

(A)

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

5

10

15

20

25

tempo (s)

Am

plitu

de (A

)

Vector de Park

ARTIGO TCNICO

29

Referncias

[1] Medidas de Eficincia Energtica Aplicveis Indstria

Portuguesa: Um Enquadramento Tecnolgico Sucinto, ADENE

Agncia para a Energia, 2010.

[2] Kalpesh J. Chudasama, Vipul Shah, Induction Motor

Noninvasive Fault Diagnostic techniques: A Review,

International Journal of Engineering Research & Technology

(IJERT), Vol.1, Issue 5, July 2012.

[3] R. Fier et al., Diagnostic System for Online Detection of RotorFaults in Induction Motor Drives, IEEE International Symposium

on Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics & Drives

(SDEMPED), 2011.

[4] Erik L. Bonaldi, Levy E. L. de Oliveira, Jonas G. B. da Silva,

Germano L.Torresm, Luiz E. B. da Silva, PredictiveMaintenance by Electrical Signature Analysis to Induction

Motors, Induction Motors Modelling and Control, Prof. RuiEsteves Arajo (Ed.), ISBN: 9789535108436, InTech, 2012.

[5] M. El Hachemi Benbouzid, A Review of Induction Motors

Signature Analysis as a Medium for Faults Detection, IEEE

Transactions on Industrial Electronics, vol. 47, no. 5, pp. 984

993, Oct. 2000.

[6] Abdesselam Lebaroud, Amar Bentounsi, Detection

Improvement of the Broken Rotor Bars of IM After Supply

Disconnection, Journal of Electrical Engineering, Vol. 56, No.

1112, pp. 322326, 2005.

[7] H. A. Toliyat, S. Nandi, S. Choi, and H. MeshginKelk, ElectricMachines Modeling, Condition Monitoring and Fault

Diagnosis. CRC Press, ISBN 13: 9781420006285 (eBook PDF), 2013.

[8] Troubleshooting of Electric Motors Technical Report, ElectricPower Research Institute, 2000.

[9] A. H. Bonnett and C. Yung, Increased efficiency versus

increased reliability, IEEE Industry Applications Magazine, vol.

14, no. 1, pp. 2936, 2008.

[10] S. Lee and G.B. Kliman, An online technique for monitoring the

insulation condition of ac machine stator windings, IEEE

Transactions on Energy Conversions, vol. 20, no. 4, pp. 737745,

2005.

[11] E.L. Brancato, Insulation aging, IEEE Transactions on

Dielectrics and Electrical Insulation, vol. EI13, no. 4, 1978.

[12] G. Stone and J. Kapler, Stator winding monitoring, IEEE

Industry Applications Magazine, 1998.

[13] S. Nandi, H. Toliyat, and X. Li, Condition Monitoring and Fault

Diagnosis of Electrical Motors a Review, IEEE Transactions on

Energy Conversion, vol. 20, no. 4, pp. 719729, Dec. 2005.

[14] Srgio M. A. Cruz, Diagnstico e Anlise de Avarias nos

Enrolamentos Estatricos de Motores de Induo Trifsicos

Atravs da Aplicao do Mtodo dos Referenciais Mltiplos,

Dissertao de Doutoramento, Universidade de Coimbra,

Portugal, 2004.

[15] Neelam Mehala, Condition Monitoring and Fault Diagnosis of

Induction Motor Using Motor Current Signature Analysis,

Dissertao de Doutoramento, National Institute of Technology

Kurukshetra, India, 2010.

[16] F. Filippetti, G. Franceschini, C. Tassoni, and P. Vas, AI

techniques in induction machines diagnosis including the speed

ripple effect, in Proc. IEEE Industry Applications Society Annual

Meeting Conf., pp. 655662, 1996.

[17] Ian Culbert P., Wendell Rhodes, Using Current Signature

Analysis Technology to Reliably Detect Cage Winding Defects in

SquirrelCage Induction Motors, IEEE Transactions on IndustryApplications, vol. 43, no. 2, pp. 422428, 2007.

[18] A. Bellini, F. Filippetti, C. Tassoni, G.A. Capolino, Advances inDiagnostic Techniques for Induction Machines, IEEE

Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, n 12, pp. 41094126, 2008.

[19] Shahin H. Kia, Humberto H., GrardA. Capolino, Some DigitalSignal Processing Techniques for Induction Machines

Diagnosis, IEEE International Symposium on Diagnostics for

Electric Machines, Power Electronics & Drives (SDEMPED), 2011.

[20] Cruz, S. M. A. and Cardoso, A. J. M., "Rotor cage fault diagnosis

in threephase induction motors, by Extended Park's VectorApproach", Electric Machines and Power Systems, vol. 28, n 4,

pp. 289299, 2000.

[21] Cruz, S. M. A. and Cardoso, A. J. M., "Diagnosis of the multiple

induction motor faults using Extended Park's Vector Approach",

International Journal of Comadem, vol. 4, n 1, pp. 1925, 2001.

[22] Cruz, S. M. A., Cardoso, A. J. M., Stator winding fault diagnosis

in threephase synchronous and asynchronous motors, by theExtended Park's Vector Approach, IEEE Transactions on

Industry Applications, vol. 37, n 5, pp. 12271233, 2001.

DIVULGAO

30

CURSODEPSGRADUAOEMREABILITAODEINFRAESTRUTURASELECTROTCNICAS EMECNICASEMEDIFCIOS

Em Portugal a reabilitao urbana temse assumido como uma rea de interveno prioritria para o setor da construo,apoiando a recuperao, modernizao e valorizao do patrimnio edifcio e dos centros urbanos. Cruza elementos

essenciais da engenharia civil e arquitetura, mas requer tambm a coordenao com outras reas de especializao,

designadamente da engenharia eletrotcnica e mecnica para reforar o conforto, funcionalidades e sustentabilidade dos

projetos e empreendimentos.

A psgraduao em Reabilitao de Infraestruturas Eletrotcnicas e Mecnicas de Edifcios, do ISEP especializa profissionaispara responder aos desafios de infraestruturas eletrotcnicas e mecnicas na rea da revitalizao urbana e reabilitao de

edifcios, dotando os seus formandos de conhecimentos avanados ao nvel das instalaes e equipamentos eltricos,

eficincia energtica, domtica, segurana e telecomunicaes e ventilao e sistemas de elevao.

Privilegiando a aproximao a situaes reais de trabalho, o corpo docente da psgraduao ntegra docentes do ISEP eespecialistas do setor, assim como a colaborao de diversas empresas e entidades com interveno no domnio da

reabilitao urbana.

Destinatrios: Diplomados em engenharia eletrotcnica e engenharia mecnica interessados em desenvolver ou atualizar

conhecimentos avanados para a conceo e realizao de projetos de reabilitao de infraestruturas em edifcios.

Durao: 218 horas / 14 semanas letivas

Horrio: Pslaboral: quinta e sextafeira, 18:1023:30, e sbados, 08:3013:30.

Candidaturas: 1 fase: 29 de junho 17 de julho de 2015 / 2 fase: 718 de setembro de 2015 (condicionada s vagassobrantes)

Incio das atividades letivas: 8 de outubro de 2015

Mais informao: http://isep.ipp.pt/Course/Course/86

ARTIGO TCNICO

31

Resumo

No presente artigo, fazse uma breve resenha histrica daevoluo do aproveitamento dos recursos hdricos nacionais

em termos hidroeltricos, bem como uma anlise da

situao atual. Dse particular destaque vertentehidroeltrica, mas no se limita a ela. Mostrase ainsuficincia das obras hidrulicas at agora realizadas a

nvel das nossas principais bacias, em particular no caso da

bacia portuguesa do Douro, e alertase para as nefastasconsequncias que poderiam advir caso a situao no se

alterasse. O PNBEPH aprovado em 2007 veio contribuir para

relanar esta importante temtica, a qual pareceu

inexplicavelmente esquecida durante quase duas dcadas,

por parte das entidades s quais competia zelar pelo

interesse pblico e pela salvaguarda dos legtimos direitos e

expectativas das populaes nacionais.

1. Portugal e as Bacias Hidrogrficas na Pennsula Ibrica

Com uma rea total de cerca de 590 000 km2, dos quais 500

000 km2 pertencem a Espanha, a Pennsula Ibrica forma um

vasto promontrio de contorno poligonal situado no

extremo SW do continente europeu, sendo uma regio de

planaltos, os mais elevados da Europa, de que resulta a sua

elevada altitude mdia (660 m).

A pluviosidade em terras peninsulares revela uma

distribuio muito desigual. A zona costeira do Cantbrico e

do Atlntico at quase foz do Tejo recebe chuvas

abundantes (Ibria Hmida), enquanto que o centro

peninsular, o litoral atlntico ao sul do Tejo e todo o litoral

mediterrneo (quase dois teros da rea total peninsular)

recebem chuvas escassas (Ibria Seca).

Portugal partilha com Espanha alguns dos mais importantes

cursos de gua da Pennsula e correspondentes bacias, em

especial as dos rios Douro, Tejo e Guadiana.

Embora de reduzida extenso em territrio nacional, a bacia

do rio Minho uma das de maior escoamento mdio, quase

comparvel do Tejo, em virtude das elevadas precipitaes

mdias registadas no noroeste peninsular.

As duas bacias hidrogrficas mais importantes da Pennsula

Ibrica em termos de potencial hdrico (escoamento mdio

anual) so as do rio Douro e do rio Ebro, esta ltima

integralmente localizada em territrio espanhol. Seguemselhes em volume mdio anual gerado as do rio Tejo, rio

Minho, rio Guadiana e rio Guadalquivir. A variabilidade dos

regimes pluviomtricos na Pennsula Ibrica e a ausncia de

grandes massas de gelo nas cadeias montanhosas, capazes

de introduzir um efeito regularizador dos caudais durante o

vero, determinam uma grande irregularidade dos caudais

de todos os seus grandes rios, o que apenas pode ser

atenuado pela realizao de importantes obras hidrulicas,

capazes de proporcionar os meios de gesto adequada dos

caudais do regime natural.

A partilha das bacias comuns aos dois pases foi alvo de

sucessivos convnios lusoespanhis, celebrados pelosgovernos dos dois pases, aps laboriosas, longas e nem

sempre pacficas negociaes. A particularidade de Portugal

possuir as partes de jusante das bacias um fator

importante a ter em conta e que nos poderia priori

favorecer. Todavia o notvel conjunto de obras hidrulicas

realizadas pelos nossos vizinhos na parte de montante das

bacias partilhadas, possibilitandolhes capacidades dearmazenamento que, em alguns casos, so superiores aos

valores de escoamento anual mdio das respectivas bacias,

tem criado dificuldades negociais acrescidas aos

negociadores portugueses que so confrontados com

situaes quase inultrapassveis. A ltima conveno lusoespanhola celebrada no final dos anos noventa bem a

imagem da situao desigual em termos de base de

negociao criada, levando a aceitar como bom, aquilo que,

na verdade, insuficiente.

AntnioMachadoeMouraFaculdadedeEngenharia

UniversidadedoPorto

APROVEITAMENTO HIDROELTRICO DA BACIA DO DOURO:

UM OLHAR CRTICO

ARTIGO TCNICO

32

2. Potencial hidroeltrico portugus e seu

aproveitamento

Embora seja difcil de quantificar com a preciso desejvel, e

sejam dependentes de um complexo conjunto de

parmetros, alguns dificilmente quantificveis, os vrios

estudos realizados por diversas entidades apontam para

valores da ordem dos 32 TWh para o potencial energtico

bruto total dos nossos cursos de gua, dos quais cerca de 25

TWh e 21 TWh so considerados como tcnica e

economicamente aproveitveis, respetivamente.

O incio do aproveitamento e utilizao deste potencial

energtico iniciouse em Portugal em finais do sculo XIX,mais propriamente na ltima dcada desse sculo e o incio

do sculo XX assistiu ao progressivo aparecimento de largas

dezenas de realizaes de aproveitamentos hidroeltricos, a

maioria de potncia muito reduzida, inferior a 100 kW.

Merece especial referncia a Lei n. 2002, publicada em 26

de Dezembro de 1944, da autoria do grande paladino da

eletrificao do Pas que foi o Engenheiro Ferreira Dias

(19001966). este diploma que vem estabelecer de formacoerente e sistematizada as bases da produo, transporte e

distribuio da energia eltrica no nosso pas [10].

Em Outubro de 1945 so constitudas as empresas HidroEltrica do Cvado (HICA) e HidroEltrica do Zzere (HEZ),dandose incio construo dos dois primeiros grandes

aproveitamentos hidroeltricos portugueses: Castelo de

Bode (Figura 1) no Zzere e Venda Nova no Rabago

(Central de Vila Nova), os quais viriam a ser inaugurados j

no incio da dcada de 50, mais precisamente em 1951. Em

1947 surge a Companhia Nacional de Eletricidade (CNE),

qual outorgada a concesso da rede de transporte, com a

misso de interligar os sistemas produtores do Cvado e

Zzere entre si e com os sistemas existentes, alm de

garantir o abastecimento aos grandes centros de consumo.

Na dcada de 50 so criadas a HidroEltrica do Douro (HED)e a Empresa Termoeltrica Portuguesa (ETP) e tm lugar os

desenvolvimentos dos sucessivos aproveitamentos

realizados nas bacias do Cvado e Zzere, bem como o incio

do aproveitamento do Douro Internacional, assistindoseento a uma autntica dcada de ouro no campo da

hidroeletricidade.

Os anos sessenta correspondem a uma nova fase do

desenvolvimento do sistema electroprodutor uma vez que o

crescimento dos consumos justifica a introduo de grupos

trmicos de grande dimenso por razes de garantia da sua

satisfao a nvel global. Surgem assim as centrais

termoeltricas da Tapada do Outeiro e do Carregado e

assistese a uma desacelerao na evoluo do subsistemahidrulico, o qual regista uma retoma na segunda metade da

dcada com o lanamento dos primeiros escales do Douro

Nacional (Carrapatelo, Rgua e Valeira).

Figura1.AproveitamentohidroeltricodeCastelodeBodenorioZzere(1951)

ARTIGO TCNICO

33

j aproveitados e em construo temos cerca de 11,6 TWh(no considerando o PNBEPH)

identificados como candidatos a integrao no sistemaelectroprodutor esto cerca de 6,6 GWh (aproveitamentos

de grande e mdia dimenso)

restam cerca de 2 TWh realizveis em aproveitamentos depequena dimenso (minihdricos)

Em termos de potncia instalada, a componente

hidroeltrica corresponde a cerca de 45% da potncia total,

representando, em ano mdio, cerca de 30% da emisso

total de energia.

A relevncia destes valores, mas sobretudo a importncia

decisiva dos aproveitamentos hidroeltricos em termos da

gesto do sistema electroprodutor pela sua excelente

flexibilidade na adaptao ao regime do diagrama de cargas,

aliados, em certos casos, sua misso como

aproveitamentos de fins mltiplos, aconselham claramente

uma intensificao do programa de realizaes

hidroeltricas, uma vez que ainda falta aproveitar mais de

50% do potencial nacional. Alis, no panorama europeu, a

nossa posio muito pouco lisonjeira, como se pode

verificar na figura 2.

De assinalar ainda nesta dcada a criao, em Dezembro de

1969, da Companhia Portuguesa de Eletricidade (CPE)

resultante da fuso das grandes empresas do sector da

produo e transporte de energia eltrica: HICA, HEZ, HED,

ETP e CNE.

As dcadas de setenta e oitenta so em geral caracterizadas

por elevadas taxas de crescimento dos consumos de

eletricidade, consequncia do desenvolvimento econmico

do pas e de outros fatores, designadamente a eletrificao

em superfcie levada a cabo. Este crescimento de consumos

satisfeito pela continuao da introduo de grupos

trmicos de cada vez maior dimenso e pelo prosseguimento

do programa hidroeltrico. Entretanto, em Junho de 1976,

na sequncia do DecretoLei n. 502, criada a Eletricidadede Portugal Empresa Pblica (EDP), a qual tem por objetivoprincipal o estabelecimento e a explorao do servio

pblico de produo, transporte e distribuio de energia

eltrica no territrio do continente. A EDP o resultado da

fuso da CPE, entretanto nacionalizada (1975), com mais

onze empresas do sector eltrico ligadas pequena

produo e distribuio de energia eltrica.

Chegados ao final da primeira dcada do sculo XXI, a

situao do aproveitamento dos nossos recursos

hidroeltricos podia caracterizarse sucintamente doseguinte modo:

Figura2.Potencialhidroeltricoaproveitadonofinalda1dcadasc.XXI(REN)

ARTIGO TCNICO

34

3. A valia atual dos aproveitamentos hidroeltricos

A valia de um aproveitamento hidroeltrico era medida em

termos da energia eltrica que poderia fornecer em ano

mdio, ou seja, em certa medida, em termos do combustvel

fssil que poderia poupar ao sistema electroprodutor. A

valorizao da energia hidroeltrica assentava assim numa

comparao tcnicoeconmica direta com a soluoalternativa termoeltrica, a qual correspondia a um

agravamento da nossa dependncia do exterior. O

aproveitamento hidroeltrico corresponde explorao de

um recurso endgeno, no poluente, alm de outras

excelentes caractersticas que o permitem apreciar luz de

outros critrios mais abrangentes e que traduzem uma

reapreciao em alta do seu verdadeiro valor. Hoje existe a

noo plena que a valia de um aproveitamento hidroeltrico

deve ser encarada com base numa multiplicidade de fatores,

que conduzem a uma revalorizao dos mencionados

aproveitamentos face anlise clssica. So eles a valia

dinmica, a de emergncia e a ambiental.

A valia dinmica corresponde, basicamente, caracterstica

dos centros produtores hidroeltricos poderem responder,

sem qualquer dificuldade e em tempo muito curto, a

grandes variaes da procura ou at da oferta, devido sada

intempestiva de grandes unidades termoeltricas. Esta

componente da valia eltrica depende de diversos fatores,

como, por exemplo, a maior ou menor capacidade de

armazenamento / regularizao e a existncia ou no de

equipamento reversvel (turbinamento/ bombagem).

Os aproveitamentos de grande capacidade de regularizao

prestam ainda um servio adicional inestimvel em termos

da garantia do abastecimento global da procura em

situaes muito crticas, evitando o aparecimento de ruturas

do sistema electroprodutor, a que corresponde uma valia

adicional designada por valia de emergncia.

Por outro lado, tambm a produo termoeltrica contribui

com emisso de gases nocivos para o ambiente,

nomeadamente os gases de efeito de estufa (CO2) e,

tambm, de SO2, NOx e cinzas, principalmente no caso de o

combustvel ser o carvo (em vez do gs natural). Como se

sabe, o peso da componente ambiente na avaliao de

projetos de produo de energia eltrica preponderante,

pelo que nos surge aqui a noo de valia ambiental associada

a um projeto hidroeltrico.

Assim, em sntese, vemos que associado a um projeto

hidroeltrico aparece um valor econmico que constitudo

pela soma de vrias parcelas, a saber: a valia eltrica de

referncia, a valia dinmica, a valia de emergncia (nos casos

dispondo de uma importante reserva e de localizao

estratgica) e a valia ambiental. Este conjunto de valias

permite equacionar de forma mais correta e adequada a

opo de construo ou no de um dado aproveitamento em

comparao com outro.

Importa sublinhar que o uso da gua deve ser feito

prioritariamente com outros fins que no apenas a produo

de energia eltrica, nomeadamente o abastecimento das

populaes e a agricultura, pelo que na maior parte dos

casos as novas realizaes devem ser encaradas sob uma

tica mais abrangente, como potenciais Aproveitamentos de

Fins Mltiplos. Entre as diversas funes associadas a esses

aproveitamentos poderamos citar, nomeadamente:

o abastecimento de gua (populaes, indstria epecuria) e rega;

a contribuio para mitigar os efeitos danosos emsituaes extremas de escassez ou abundncia excessiva

de caudais (garantia de caudais ecolgicos e ambientais

satisfatrios a jusante, visando reduzir os efeitos da

poluio difusa; contribuio para o amortecimento dos

caudais de ponta de cheia);

a possibilidade de criao de reservas de gua para facilitaro combate ao terrvel flagelo dos incndios florestais

a criao de condies necessrias navegabilidadecomercial e turstica (no caso de certos cursos de gua e

em determinadas zonas mais ou menos extensas dos

mesmos);

ARTIGO TCNICO

35

No sentido de se ob