Utilização eficiente de energia em motores Humberto Jorge Mestrado em Engenharia Electrotécnica e...

Utilização eficiente de Utilização eficiente de energia em motoresenergia em motores

Humberto JorgeHumberto Jorge

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresComputadores

Gestão de Energia em Edifícios e na IndústriaGestão de Energia em Edifícios e na Indústria

222003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria

IntroduçãoIntrodução

Os motores de indução representam 90% Os motores de indução representam 90% do consumo de energia em força motrizdo consumo de energia em força motriz

Nos países desenvolvidos os motores Nos países desenvolvidos os motores consumem metade da energia eléctricaconsumem metade da energia eléctrica

Os sistemas que integram motores têm Os sistemas que integram motores têm potenciais elevados de poupança de potenciais elevados de poupança de energia eléctricaenergia eléctrica


Aplicações típicas de motoresAplicações típicas de motores

BombasBombas

CompressoresCompressores

VentiladoresVentiladores

MoinhosMoinhos

MisturadoresMisturadores

ElevadoresElevadores

Tapetes rolantesTapetes rolantes

ElectrodomésticosElectrodomésticos

Equipamento de Equipamento de escritórioescritório

etc.etc.


Consumo de EE na IndústriaConsumo de EE na Indústria

Energia electricaconsumida pela

indústria (100 %)

Força Moriz(64 %)

Ventil.Compress.Bombas

etc.

Perdas nos motores(11,3 %)

Perdas nas máq. etransmissão mecânicas

(20,7 %)

Perdastotais

(32 %)

Outrosusos

(36 %)

Energia útil(32 %)


Sistemas de força motrizSistemas de força motrizEm 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.

ENERGIA VARIADOR

ELECTRÓNICO

DE VELOCIDADE(VEV)

MOTORELÉCTRICO

TRANSMISSÃOMECÂNICA

Pperdas

DISPOSITIVODE USO FINAL

Pentrada

Psaída(útil)

Pperdas

Pperdas

Pperdas

PVEVPmotor Ptrans


Utilização eficiente dos Utilização eficiente dos motoresmotores

Dimensionamento correcto dos motoresDimensionamento correcto dos motores

Utilização de motores de alto rendimentoUtilização de motores de alto rendimento

Utilização de transmissões mecânicas de Utilização de transmissões mecânicas de baixas perdasbaixas perdas

Utilização de variadores electrónicos de Utilização de variadores electrónicos de velocidade para adaptar o regime de trabalho velocidade para adaptar o regime de trabalho às flutuações de cargaàs flutuações de carga

Optimização das condições de funcionamentoOptimização das condições de funcionamento


Perdas e RendimentoPerdas e RendimentoAs perdas num motor de indução correspondem à As perdas num motor de indução correspondem à energia que não é convertida em trabalho útil, e que é energia que não é convertida em trabalho útil, e que é transformada em calor.transformada em calor.

As perdas não só contribuem para a redução do As perdas não só contribuem para a redução do rendimento do motor, mas também vão provocar um rendimento do motor, mas também vão provocar um aumento da sua temperatura.aumento da sua temperatura.

Um aumento excessivo de temperatura pode conduzir Um aumento excessivo de temperatura pode conduzir a uma redução substancial da vida do motor.a uma redução substancial da vida do motor.

Eléctrica Potência

Perdas

Eléctrica Potência

Mecânica PotênciaRendimento 1


Perdas típicas nos motoresPerdas típicas nos motoresTipo deperdas

Localização Dependência Valor(%)

Perdas noCobre

Condutores do estator erotor

Crescem rapidamentecom a carga

18 %rotor37 %

estatorPerdas no

FerroCircuito magnético Constantes e

independentes dacarga

20

PerdasMecânicas

Rolamentos, ventoinhae parte rotativa

Constantes eindependentes dacarga

9

Perdassuplementares

Perdas devidas a: Saturação do ferro Acabamento das

superfícies do entreferro Harmónicos

Constantes eindependentes dacarga

16


CurvasCurvas CaracterísticasCaracterísticas

PerdasRendimento & F.P.


Rendimento dos motoresRendimento dos motores

Motores de maior dimensão apresentam maior rendimento


Variação do Cos Variação do Cos com a carga com a carga

I - Corrente total

IP - Corrente activa

IR - Corrente reactiva

Cos - Factor de potência


Factor de potência dos Motores Factor de potência dos Motores de induçãode indução

Característica construtiva Característica de utilização


Desvantagens do sobre-dimensionamentoDesvantagens do sobre-dimensionamento

Menor rendimentoMenor rendimento o rendimento dos motores reduz-se o rendimento dos motores reduz-se

substancialmente, especialmente nos motores mais substancialmente, especialmente nos motores mais pequenospequenos

Menor factor de potênciaMenor factor de potência o factor de potência degrada-se rapidamente a partir o factor de potência degrada-se rapidamente a partir

da plena cargada plena carga

Maior custo da instalaçãoMaior custo da instalação do motor, da aparelhagem de accionamento do motor, da aparelhagem de accionamento

associada (contactores, arrancadores, etc.)associada (contactores, arrancadores, etc.)


Exemplo de dimensionamentoExemplo de dimensionamentoBomba de 24 kW/2900 rpm funcionando Bomba de 24 kW/2900 rpm funcionando 4500 h/ano accionada por um de dois 4500 h/ano accionada por um de dois motores de 30 kW ou de 55 kWmotores de 30 kW ou de 55 kW

Motor de 30kW

Motor de 55kW

Regime de carga (%) 80 43Rendimento (%) 88 78

Factor de potência 0,87 0,73Potência absorvida em (kW) 27,27 30,77

Energia / ano (kWh) 122 715 138 465Encargo energia (0,06€/kWh) 7362,90 € 8307,90 €Diferença de encargos / ano 945 €


Condições ambientais e de Condições ambientais e de manutençãomanutenção

Devem trabalhar a temperaturas baixasDevem trabalhar a temperaturas baixas Os condutores de cobre têm menos resistência e Os condutores de cobre têm menos resistência e

portanto menos perdasportanto menos perdas A vida do motor aumenta (por cada 10 ºC de A vida do motor aumenta (por cada 10 ºC de

elevação a duração do isolamento reduz-se a elevação a duração do isolamento reduz-se a metade)metade)

As necessidades de manutenção de motores As necessidades de manutenção de motores de indução são essencialmente limpeza da de indução são essencialmente limpeza da carcaça, a fim de reduzir a temperatura, e carcaça, a fim de reduzir a temperatura, e nalguns casos lubrificação dos rolamentosnalguns casos lubrificação dos rolamentos


Motores de alto rendimentoMotores de alto rendimentoModificações Variação

(%)Redução das

perdasChapa magnética mais fina e demelhor qualidade

… Perdas no ferro

Aumento do comprimento docircuito magnético

15 a 35 Perdas no ferro

Optimização do entreferro … Perdas no ferro esuplementares

Aumento da secção dos enro-lamentos do rotor e do estator

20 Perdas no cobre

Optimização dos sistemas deventilação

… Perdas mecânicas

Rolamentos e lubrificantes demelhor qualidade

… Perdas mecânicas

Menores perdas => temperatura de funcionamento mais baixa => vida útil mais longa.


Motores de alto rendimento Motores de alto rendimento

(Algumas desvantagens)(Algumas desvantagens)Aspectos menos positivos no funcionamento de Aspectos menos positivos no funcionamento de um motor de alto rendimento, causados pela um motor de alto rendimento, causados pela menor resistência do rotor:menor resistência do rotor:

Diminuição do binário de arranque => problemas em Diminuição do binário de arranque => problemas em cargas com elevada inércia. cargas com elevada inércia.

Aumento da corrente de arranque, o que pode ter Aumento da corrente de arranque, o que pode ter implicações no dimensionamento da alimentação e implicações no dimensionamento da alimentação e accionamento do motor.accionamento do motor.

Diminuição do escorregamento, ou seja um pequeno Diminuição do escorregamento, ou seja um pequeno aumento da velocidade do motor.aumento da velocidade do motor.


Exemplo

Motores de 10hp podem apresentar velocidades à plena carga de 1460 RPM ou 1450 RPM, para motores de alto rendimento e standard respectivamente.

Em bombas e ventiladores => a carga e o consumo sobem, anulando uma parte substancial da economia obtida com a introdução do motor de alto rendimento (a carga das bombas e ventiladores centrífugos cresce aproximadamente com o cubo da velocidade).

Há possibilidade de evitar este aumento de carga através de ajustamentos na transmissão, na bomba ou sobretudo utilizando o

controlo electrónico de velocidade.

Motores de Alto RendimentoMotores de Alto Rendimento


Decisão de Instalação de Decisão de Instalação de Motores de Alto RendimentoMotores 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.


Decisão de Instalação de Decisão de Instalação de Motores de Alto RendimentoMotores 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.


Reparação/RebobinagemReparação/RebobinagemFactores de índole técnica e económica que devem ser Factores de índole técnica e económica que devem ser pesados aquando da pesados aquando da decisão de reparar/substituirdecisão de reparar/substituir::

Apurar previamente o estado geral do motor danificado a fim de Apurar previamente o estado geral do motor danificado a fim de prever em que condição ficará após a reparação; prever em que condição ficará após a reparação;

Preço do motor e da reparação; Preço do motor e da reparação; Número de horas de operação; Número de horas de operação; Factor de carga;Factor de carga; Custo da electricidade;Custo da electricidade;

No caso da substituição, e assumindo que um motor reparado No caso da substituição, e assumindo que um motor reparado sofre uma quebra de rendimento de 1%, a compra de um sofre uma quebra de rendimento de 1%, a compra de um EEMEEM é normalmente vantajosa do ponto de vista do tempo de retorno é normalmente vantajosa do ponto de vista do tempo de retorno do capital investido (do capital investido ("payback time""payback time") e em termos de tempo de ) e em termos de tempo de vida do motor. vida do motor.


Controlo de VelocidadeControlo 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.


Aplicações com carga variável ou parcialAplicações com carga variável ou parcial Representam 60% das aplicações de força motriz Representam 60% das aplicações de força motriz

na indústriana indústria, e , e 80% no sector terciário80% no sector terciário

Ventiladores Bombas Máquinas de lavar Elevadores Serras de bancada Compressores

Desumidificadores Condicionadores de ar Correias transportadoras

Máquinas pneumáticas Escadas rolantes Etc.


Bombas e VentiladoresBombas e VentiladoresOs métodos convencionais de controlar caudais em bombas e ventiladores baseiam-se no uso de dispositivos de estrangulamento (válvulas, persianas, etc.) que restringem o caudal mas introduzindo simultaneamente perdas consideráveis.

Bomba


A velocidade de saída de um motor pode ser variado interpondo entre o motor e a carga de diversos tipos de dispositivos:

• caixas de velocidade com engrenagens

• sistemas de correia com polias de diâmetro variável

• embraiagens excêntricas de disco seco

• transmissões hidráulicas

• embraiagens electromagnéticas.

Métodos Convencionais de Métodos Convencionais de Controlo de VelocidadeControlo de Velocidade


Métodos Convencionais de Métodos Convencionais de Controlo de VelocidadeControlo de Velocidade

caixas de velocidade com engrenagenscaixas de velocidade com engrenagens

sistemas de correia com polias de sistemas de correia com polias de diâmetro variável diâmetro variável

embraiagens excêntricas de disco secoembraiagens excêntricas de disco seco

transmissões hidráulicastransmissões hidráulicas

embraiagens electromagnéticasembraiagens electromagnéticas..


3AC

input

ACto DC

converterFilter

Inverter:DC to

variablevoltage

&frequency

AC Motor

DC linkLigação DC

Alimentaçãotrifásica

RectificadorCA para CC

Filtro

InversorCC para CA

comFrequência e

tensão variável

Motor

Variadores Electrónicos de Variadores Electrónicos de VelocidadeVelocidade (VEVs) (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


Características binário/velocidadeCaracterísticas binário/velocidade(motor de indução)(motor de indução)

Características binário/velocidade do motor de indução funcionando a frequência variável e com uma relação linear frequência /tensão


Tipos de VEV’sTipos de VEV’s


Utilização de VEV´s no Utilização de VEV´s no controlo de caudaiscontrolo de caudais

P1- Controlo por válvula

P2- Controlo de velocidade incluindo perdas no VEV

P3- Controlo de velocidade sem perdas no VEV


Bombas e VentiladoresBombas e Ventiladores

Ventilador


(a)

(c)

(d) (e)

(b)

Transmissão mecânicaTransmissão mecânicaTipicamente são usados 3 tipos de transmissão mecânica:

• Acoplamentos directos no veio; • Engrenagens; • Correias.

Os acoplamentos directos no veio são o tipo de transmissão mais utilizado (cerca de 50% das aplicações).

Engrenagens Correias


Transmissão mecânicaTransmissão 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.


Transmissão por correiaTransmissão por correia

1- Correias trapezoidais, 2- correias síncronas (dentadas)


Transmissão MecânicaTransmissão 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.


ExemplosExemplos

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


• Preço médio da electricidade : 0,045€/kWh

• Número de horas de funcionamento por ano:

a) Trabalho contínuo, sem paragens significativas: 8400 horas/ano;

b) Trabalho não contínuo : 4000 horas/ano

• Motor com a carga nominal

• Motor de Alto Rendimento (EEM) custa tipicamente mais 30 % que um Motor Standard (STD)

• EEMs possuem um rendimento superior (em média 3%)

• Após a reparação o rendimento decresce em média 1%

Considerações geraisConsiderações gerais


Poupanças anuais e Poupanças anuais e paybackpayback

kWhNPPoupança NEEMSTD

€11

anual Poupança

Preçode DiferençaPayback

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


Avaliação das opções na compra ou Avaliação das opções na compra ou substituição de motor de 45kWsubstituição de motor de 45kW

Poupanças anuais Payback simplesDiferença deRendimento

Diferença de custo 4000horas/ano

8400horas/ano

4000horas/ano

8400horas/ano

SituaçõesPossíveis:

% Contos Contos Contos anos/meses anos/meses

Compra de um EEMem vez de um

Standard3 90 56 117 1 ano e 7 meses 9 meses

Compra de Standardem vez daReparação

1 101 19 41 5 anos e 4 meses 2 anos e 6 meses

Compra de um EEMem vez daReparação

4 191 75 157 2 anos e 6 meses 1 ano e 3 meses

Rendimento (%) Preço (Contos)

Motor Standard 92 295

Motor de AltoRendimento

95 385

Reparação 91 194


Avaliação económica do Avaliação económica do investimento num VEVinvestimento num VEV

% CAUDAL

Nº DE HORAS

50 60 70 80 90 100

6

4,5

3

1,5

FUNCIONAMENTO DIÁRIO DO VENTILADOR

50 60 70 80 90 100

CURVA DO VENTILADOR

CURVA DO SISTEMA ESTRANGULADO

% CAUDAL

CURVAS CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA

6060

50

4030

10POTÊNCIA(kW)

ASSUMIR QUE:

POTÊNCIA VENTILADOR

=75KW

FUNCIONAMENTO

= 300 DIAS/ANO

CUSTO VEV+INSTALAÇÃO =7000 EUROS

PREÇO DO kWh

=0,06€ (tarifa fixa)

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