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: [email protected] ; [email protected]
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
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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
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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: [email protected]
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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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);
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No sentido de se ob
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