XI LABORATÓRIO DE MANUTENÇÃO PREDITIVA E PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO ENERGÉTICO DE MOTORES DE INDUÇÃO DA SANEAGO

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1 XI LABORATÓRIO DE MANUTENÇÃO PREDITIVA E PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO ENERGÉTICO DE MOTORES DE INDUÇÃO DA SANEAGO Renato Milhomem de Oliveira (1) Técnico Industrial em Eletrotécnica pela Escola Técnica Federal de Goiás. Aperfeiçoamento em Automação de Sistemas Industriais pelo CEFET-GO. Graduando de Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Goiás. Trabalha desde 1985 na Saneamento de Goiás S/A - SANEAGO, nas áreas de desenvolvimento da manutenção eletromecânica, conservação de energia, automação de sistemas de saneamento e manutenção preditiva. Endereço (1) : Avenida Vereador José Monteiro, Setor Negrão de Lima- Goiânia - GO - CEP: Brasil - Tel: (62) automacao@saneago.com.br RESUMO É apresentado neste trabalho, o Laboratório de Manutenção Preditiva e para Avaliação de Desempenho Energético de Motores de Indução da Saneamento de Goiás S/A- SANEAGO. O referido Laboratório se traduz como uma aplicação altamente diferenciada da pesquisa científica voltada à redução de custos operacionais, baseada na avaliação de performance energética do principal equipamento consumidor de energia elétrica da empresa de saneamento em questão: o motor de indução. PALAVRAS-CHAVE: Energia Elétrica, Avaliação de Desempenho Energético, Manutenção Preditiva, Motor de Indução, Gestão Energética. INTRODUÇÃO A necessidade de redução de custos tem sido uma preocupação constante entre as empresas de saneamento ambiental no Brasil. Dentro deste âmbito, a Saneamento de Goiás S/A -SANEAGO iniciou no ano de 1991 um programa que prioriza a diminuição dos custos com energia elétrica: a Gestão Energética (GE). Resultados excelentes foram obtidos em economia de energia: decremento médio efetivo de 12% na conta de energia elétrica, economia de MWh no consumo do período, demanda mensal evitada de 3,26 MW e montante total economizado em energia elétrica da ordem de US$ ,00. A análise do perfil de desenvolvimento da GE implementada na SANEAGO, leva à conclusão de que o potencial de redução de custos com a energia elétrica baseado na administração de dados da mesma, está praticamente esgotado, restando à companhia, passar a promover avaliações de ordem operacional em seus Sistemas de Abastecimento de Água (SAA s). Uma das principais atividades inerentes à avaliação operacional, refere-se à obtenção e ao estudo do desempenho energético dos motores elétricos de indução pertencentes à SANEAGO, sendo estes, responsáveis por 95% da energia consumida pela empresa (equivalente à MWh/mês). Acresce-se à referida avaliação operacional, a aplicação de técnicas diferenciadas de Manutenção Preditiva (MP) voltadas à conservação de energia: Análise Vibracional Mecânica, Espectrometria de Corrente Elétrica e Análise de Fluxo Magnético de Motores de Indução, Termografia Infravermelha, Revitalização do Isolamento Elétrico de Motores de Grande Porte e ainda a Detecção e Supressão de Correntes Parasitas no Eixo de Motores. Para operacionalizar as atividades acima, a companhia viabilizou a construção e montagem do Laboratório de Manutenção Preditiva e para Avaliação de Desempenho Energético de Motores de Indução da SANEAGO, laboratório esse, que se traduz na instrumentalização da pesquisa científica voltada à redução dos custos operacionais. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 O referido Laboratório consumiu investimentos da ordem de R$ ,00 entre equipamentos diversos, instrumentação e suporte físico necessário, estando em sua fase final de estruturação. A expectativa de Economia de Energia a ser propiciada pela operacionalização contínua do Laboratório, totaliza um padrão realisticamente atingível em torno de 5% de redução da energia elétrica total consumida pela empresa: MWh/ano, ou uma economia em energia elétrica da ordem de US$ ,00/ano a favor da SANEAGO. PROPOSTA PARA ESTRUTURAÇÃO DO LABORATÓRIO Motivados pela análise particularizada de todo o padrão de desenvolvimento técnico da GE na SANEAGO no período de 1991 a 1998, acrescidos da ponderação devida ao quadro futuro das mesmas atividades; foi proposta a criação da estrutura técnico-operacional que possibilitará a avaliação seletiva do desempenho energético dos motores elétricos pertencentes à companhia. Acresce-se à referida avaliação de desempenho energético dos motores, a aplicação de técnicas diferenciadas de Manutenção Preditiva (MP) voltadas à conservação de energia: Análise Vibracional Mecânica, Espectrometria de Corrente Elétrica e Análise de Fluxo Magnético de Motores de Indução, Termografia Infravermelha, Revitalização do Isolamento Elétrico de Motores de Grande Porte e ainda a Detecção e Supressão de Correntes Parasitas no Eixo de Motores. A referida estrutura como um todo, traduz-se num Laboratório de Manutenção Preditiva e para Avaliação de Desempenho Energético de Motores Assíncronos de Indução; laboratório este; que além de levantar o padrão de desempenho energético do principal equipamento consumidor de energia elétrica da SANEAGO, permitirá também, a efetivação de um Programa de Troca Gradual e Racionalizada de todo o parque de motores pertencentes à Empresa por outros de melhor performance energética. Acresce-se ao aspecto anterior; o fato de que o referido Laboratório operacionalizará a eficientização da gestão de potência elétrica pelas unidades consumidoras da SANEAGO através da permuta de motores com características inadequadas de aproveitamento energético. METODOLOGIAS PARA ENSAIO DE MÁQUINAS GIRANTES Existem dois conjuntos de métodos distintos que direcionam a avaliação de desempenho de motores assíncronos de indução: os Métodos Diretos e os Indiretos. Os Métodos Diretos possibilitam o cálculo do rendimento do motor através da medição da potência elétrica absorvida pelo mesmo e da potência mecânica disponível no eixo. Apresentam-se como: - Método com Freio Mecânico; - Método com Dinamômetro; - Método com Máquina Calibrada; - Método da Oposição Elétrica e Mecânica. Nos Métodos Indiretos, o rendimento é obtido através do cálculo das perdas pela medição dos parâmetros do motor (através dos ensaios de rotor livre e de rotor bloqueado). Os Métodos Indiretos distinguem-se: - Método de Determinação de Perdas Separadamente para sua Adição; - Método de Determinação das Perdas Totais; - Método do Circuito Equivalente; - Método do Diagrama Circular Tipo L ; MÉTODO PROPOSTO E JUSTIFICATIVAS A adoção de qualquer um dos Métodos Diretos prescritos pela Norma da ABNT NBR 5383, implicam em investimentos para a montagem do Laboratório que fatalmente levariam o Projeto à sua inviabilidade financeira. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Dentre as metodologias indiretas, a de Determinação das Perdas Separadamente para Sua Adição e a de Determinação das Perdas Totais, exigem aplicação de carga nominal nos respectivos motores em teste. Os impedimentos voltam a ser o alto investimento exigido e a necessidade de uma Subestação à parte para atender os níveis de potência exigidos por esta configuração de ensaio. O Método Indireto do Circuito Equivalente é o método proposto neste projeto, devido aos aspectos justificados abaixo: - possibilita a estruturação do Laboratório comparativamente com baixo investimento financeiro; - não necessita de reestruturação significativa do Sistema de Suprimento de Energia Elétrica da Unidade que abrigará o Laboratório; - permite a aplicação do Método do Diagrama Circular Tipo L em situações de impossibilidade de utilização do Método do Circuito Equivalente ou vice-versa; - desenvolvidos os aplicativos computacionais específicos para cálculo dos parâmetros de máquina, o método proposto permite relativa simplificação dos passos para obtenção de variáveis de ensaio; - definidas a parametrização das variáveis e as condições críticas de ensaio, o método se desenvolve com uma estrutura operacional relativamente simples; A proposição deste Trabalho, é a de adoção do Método do Circuito Equivalente, com separação de perdas e sua correção para a temperatura de referência do motor. Acresce-se ao mesmo método, a expansão da análise de desempenho do motor através da utilização de simulação computacional através do Software de Engenharia P-SPICE of Microsim Corporation. Neste âmbito, será possível obter as condições de desempenho energético do motor em diferentes situações de carregamento mecânico, de condições de fornecimento de energia elétrica,de temperatura de funcionamento e de acionamento (o que complementa o método em sua eficiência). O Laboratório proposto neste Trabalho, terá seu primeiro estágio de implementação, de modo que possa englobar a avaliação de desempenho energético de motores assíncronos de indução até a faixa de 500 CV. META DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA INICIAL A expectativa de Economia de Energia a ser propiciada pela operacionalização contínua do Laboratório, totaliza um padrão realisticamente atingível em torno de 5% de redução da energia elétrica total consumida pela empresa: MWh/ano, ou uma economia em energia elétrica da ordem de US$ ,00/ano a favor da SANEAGO. FUNCIONAMENTO DO LABORATÓRIO A Figura 01 apresenta o Diagrama de Blocos que demonstra, de modo simplificado, a sistemática operacional envolvida no Laboratório. A referida metodologia segue os preceitos da NBR 5383 da ABNT e IEEE-120. O Laboratório consiste de um Sistema de Suprimento de Energia Elétrica Trifásico, que alimenta um Variador 3φ de Tensão de 150 kva, 380/380V e 0-100V a 600V, /Υ, com controle automático. Acresce-se o Sistema M1 para Transformação dos Sinais de Tensão, Corrente Elétrica, Potências Ativa Reativa e Aparente, Ângulo de Fase (θ) e de Fator de Potência (cos θ) aos valores adequados à aquisição de dados. Os sinais serão digitalizados em tempo real, podendo-se obter por programação via Software de Supervisão: valores RMS, de Pico e Médios (para as Tensões Elétricas, Correntes de Fase e Potências); além dos valores absolutos (para os ângulos de fase, fator de potência, temperatura e velocidade do motor). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 O motor ensaiado é submetido primeiramente ao Ensaio em Vazio, onde são determinadas as Perdas por Efeito Joule no enrolamento do estator, Perdas por Atrito e por Ventilação e Perdas no Ferro em Vazio (por Histerese Magnética, por Correntes de Foucault, juntamente com as Perdas Suplementares em Vazio nas partes metálicas do motor). Figura 1: Diagrama de Blocos da Sistemática Operacional do Laboratório. Controle do Ensaio Sistema 3φ de Suprimento de Energia Elétrica 380 / 220 V, 60 Hz Variador 3φ de Tensão com Controle Automático 150 kva; 380/380 V e V a V M 1 SISTEMA PARA AQUISIÇÃO DE DADOS MOTOR Em Teste I, A, kva, kvar, kw, cosφ, Rotação (rpm), Temperatura (ºC) Sistema para Travamento Mecânico do eixo do Motor MICROCOMPUTADOR Simulação Computacional do Modelo do Motor ( P-SPICE ) IMPRESSORA Gráficos Relatórios de Ensaio Posteriormente o motor é submetido ao Ensaio que permite separar as Perdas por Atrito e Ventilação, das Perdas no Ferro em vazio, por levantamento das características de corrente e potência absorvida em vazio em função da tensão. Em sequência, é realizado o Ensaio de Curto Circuito (através do Sistema de Travamento Mecânico do Eixo do Motor), onde são determinados os parâmetros para a formação do Circuito Equivalente e do Diagrama Circular L do motor. De forma seguida, é realizado o ensaio para determinar as Perdas Suplementares em Carga do motor, com a remoção do conjunto do rotor e realização de leituras de potência ativa e corrente absorvida. Todos os ensaios seguem prescrição da Norma NBR 5383/1982 e IEEE-120, sendo observadas as respectivas condições de controle sobre os mesmos: esquemas de ligações elétricas, instrumental adequado, instruções sistematizadas para a realização dos ensaios, obediência à determinadas condições ambientais para realização do método e controle de temperatura do motor. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 O modelo elétrico do motor baseado no circuito equivalente da máquina é calculado por aplicativos computacionais específicos e transferido para simulação junto ao software P-SPICE. Os resultados dessas simulações de desempenho energético e fichas com os dados de ensaio do motor, são transplantados para uma impressora, onde são geradas as Curvas de Desempenho do Motor e os respectivos Relatórios de Ensaio. MODELAGEM DO MOTOR A modelagem elétrica do motor é vista através da Figura 02, sendo o mesmo, composto por grandezas referentes ao estator e ao rotor, onde: R 1 : Resistência do Estator; jx 1 : Reatância Indutiva de Dispersão do Estator; R m : Resistência de Perdas no Núcleo do Estator; jx m : Reatância Indutiva de Magnetização; R 2 : Resistência do Rotor; S: escorregamento do motor; Figura 2: Modelo Elétrico do Motor de Indução Baseado no Circuito Equivalente da Máquina. ANÁLISE PERMITIDA PELA OPERACIONALIZAÇÃO DO LABORATÓRIO Neste sentido, será possível desenvolver um Programa de Substituição Programada do parque de motores elétricos por outros de melhor performance através dos indicadores de desempenho energético gerados pelo Laboratório, assim como a gestão de potência baseada nos equipamentos já existentes. O Laboratório permite: - obter os parâmetros de funcionalidade dos motores em condições reais e adversas de operação, através de simulação computacional via Software de Engenharia P-SPICE: funcionamento com tensão nominal, acima e abaixo da nominal, funcionamento com desequilíbrio de tensão, avaliação das curvas de potência, velocidade, rendimento, conjugado e quaisquer perdas diversas nessas condições; - simular computacionalmente as condições das variáveis elétricas e mecânicas do motor em regime transitório (de partida) e em regime permanente, inclusive nas condições de acionamento com Inversores de Frequência (nas modalidades: Controle Escalar V/f e Controle PWM que faz a modulação por largura de pulso); - simular via P-SPICE, as variáveis de desempenho dos motores em função da variação da temperatura de funcionamento e o comportamento do motor em condições de presença de componentes harmônicos através da Série de Fourier; - identificar seletivamente os motores com baixo nível de desempenho energético, a fim de se proceder a troca dos mesmos por outros de melhor performance, através de um cronograma de desembolso programado em função da economia de energia a ser obtida com a instalação dos novos equipamentos; - identificar os níveis de prioridade de troca dos motores inadequados, pela avaliação de seu padrão de desempenho energético; ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 - obter a eficientização da Gestão de Potência Elétrica: efetuando-se a avaliação de utilização da potência mecânica disponível, e consequentemente, identificando possíveis permutas entre os motores com um aproveitamento de carga abaixo do adequado; - formação de um Banco de Dados com os parâmetros de desempenho energético de todos os motores da SANEAGO, inclusive com avaliação da perda de eficiência energética em função do envelhecimento dos motores; APRESENTAÇÃO DO LABORATÓRIO A figura 03 apresentada a seguir, demonstra a disposição física inerente ao Laboratório de Manutenção Preditiva e para Avaliação de Desempenho Energético de Motores Assíncronos de Indução da SANEAGO. A legenda que incorpora a figura, especifica detalhadamente a composição estrutural de cada equipamento envolvido na montagem. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Figura 3: Laboratório de Manutenção Preditiva e para Avaliação de Desempenho Energético de Motores de Indução da SANEAGO. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 CONCLUSÃO O quadro inerente ao gerenciamento da energia elétrica, é o de elevação dos custos de produção da mesma, face ao esgotamento dos recursos naturais, agravado pelo crescente aumento de demanda de água e esgoto. Em conseqüência desses aspectos, a tendência do setor de saneamento ambiental é a de operar com perspectivas de elevação do consumo de energia elétrica. A alternativa proposta através da estruturação deste Laboratório, é a mais conveniente dentre todas as opções de trabalho condizentes com a realidade da GE na SANEAGO, sendo uma solução de custos de implementação significativamente reduzidos e com resultados expressivos em termos de economia de energia. O Laboratório além de racionalizar e traçar as linhas de desembolso programado de recursos por parte da SANEAGO (para a troca desses equipamentos), ainda servirá de substancial contribuição à determinação das condições de funcionamento destes motores através de chaves tiristorizadas, o que propiciará a otimização dos processos de Automação dos SAA s, com redução dos custos de manutenção e aumento da eficiência energética dos mesmos. Além da obtenção da eficientização energética dos motores da companhia, +o Laboratório incorpora as atividades relacionadas à Manutenção Preditiva voltada à conservação de energia nos maiores SAAs (perspectiva de economia de energia da ordem de 10% nos sistemas onde a MP venha a ser sistematizada em sua integralidade). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. FITZGERALD, E. Máquinas Elétricas. Mc Graw-Hill, DEL TORO, V. Fundamentos de Máquinas Elétricas. Prentice-Hall do Brasil, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8