PROF. DR. ARNULFO BARROSO DE VASCONCELLOS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL ESTUDO DO IMPACTO DO SISTEMA DE ACIONAMENTO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO NA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E NA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA: UM ESTUDO DE CASO ELEVADOR DE CANECAS. LUIZ DE ANNUNCIAÇÃO PROF. DR. ARNULFO BARROSO DE VASCONCELLOS Cuiabá, MT, março de 2011

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL ESTUDO DO IMPACTO DO SISTEMA DE ACIONAMENTO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO NA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E NA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA: UM ESTUDO DE CASO ELEVADOR DE CANECAS LUIZ DE ANNUNCIAÇÃO Dissertação apresentada junto ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental da Universidade Federal de Mato Grosso, como requisito para obtenção do título de Mestre. PROF. DR. ARNULFO BARROSO DE VASCONCELLOS Cuiabá, MT, março de 2011

3 Dados Internacionais de Catalogação na Fonte A615e Annunciação, Luiz de. Estudo do impacto do sistema de acionamento de um motor de indução trifásico na eficiência energética e na qualidade da energia elétrica : um estudo de caso elevador de canecas / Luiz de Annunciação xii, 126 f. : il. (algumas color.) ; 30 cm. Orientador: Arnulfo Barroso de Vasconcellos. Dissertação (mestrado) Universidade Federal de Mato Grosso, Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia, Programa de Pós- Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental, Cuiabá, Inclui bibliografia. 1. Maquinas de indução - Acionamento. 2. Motor elétrico de indução Partida direta. 3. Conversor de frequência. 4. Eficiência energética. 5. Energia elétrica - Qualidade. I. Título. CDU Ficha Catalográfica elaborada pelo Bibliotecário Jordan Antonio de Souza - CRB1/2099 Permitida a reprodução parcial ou total desde que citada a fonte

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5 DEDICATÓRIA A Deus pela vida, a querida Vera Lúcia Cunha, as minhas filhas, Ana Paula, Ana Cláudia e Maria Luiza, pelo amor e compreensão.

6 AGRADECIMENTOS Ao Prof. Dr. Arnulfo Barroso de Vasconcellos, pela orientação e principalmente pelo incentivo, apoio, pela confiança e grande amizade, ingredientes que possibilitaram a realização deste trabalho. Ao Prof. Dr. Mário Kiyoshi Kawaphara e Prof. Msc. José Mateus Rondina por sua ajuda no esclarecimento das minhas dúvidas. Aos professores doutores José Antônio Lambert e Douglas Queiroz Brandão pelo grande empenho dedicado à realização deste curso. A todos os professores do Programa de Mestrado em Engenharia de Edificações e Ambiental da Universidade Federal de Mato Grosso, sempre dedicado na multiplicação do conhecimento. Aos professores do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso: Prof. Dr. Joaquim de Oliveira Barboza, Profª. PhD Teresa Irene Malheiros, Prof. Msc. Bernanci Pedroso de Almeida, Profª. Msc. Ângela Santana de Oliveira, Profª Msc. Flávia Girardo Botelho e Prof. Msc. Edilson Alfredo da Silva. Aos bolsistas do Programa de Pesquisa do Departamento de Engenharia Elétrica: Érica Tiemi Anabuki, Luciana Oliveira da Silva e Thiago Vieira da Silva. Aos colegas de mestrado da turma 2009, ao mestrando André Luiz Amorim da Fonseca, que me deram apoio na realização deste trabalho. Ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso Campus Cuiabá, onde ministro aulas há mais de 25 anos. À Empresa BIOTERRA, indústria de reciclagem, na pessoa do engenheiro eletricista Anselmo Rondina, que forneceu materiais para o experimento no laboratório.

7 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... I LISTA DE TABELAS... IX 1 INTRODUÇÃO CONSIDERAÇÕES INICIAIS CONTEXTUALIZAÇÃO DA PESQUISA ESTADO DA ARTE DELIMITAÇÃO DO TEMA CONTRIBUIÇÃO DESTA PESQUISA ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA MÁQUINAS DE INDUÇÃO O motor elétrico de indução Motores elétricos de indução de alto rendimento Curvas Características e Comportamento do Motor de Acordo com os tipos de Carga Rendimento versus Cargas do motor de indução Fator de Potência versus Carga motor de indução Interação entre o motor e a carga acionada com conversor de frequência Tipos de carga Cargas de torque variável Cargas de torque constante Cargas de torque hiperbólico Regimes de Operação Regime de Velocidade Variável Regime de Velocidade Constante Acoplamento Motor-Carga Máquinas de Elevação e Transporte Classificação das Máquinas de Transporte Elevadores de Canecas CONVERSOR DE FREQUÊNCIA Aplicação do Conversor de Frequência no Acionamento de Elevador de Canecas Princípio de Funcionamento do Conversor de Frequência Retificador Circuito Intermediário Inversor Circuito de Controle Aplicação do Conversor de Frequência...30

8 Acionamento de um Motor de Indução Assíncrono Variação da Velocidade do Motor de Indução com conversor A QUALIDADE DA ENERGIA VERSUS EFICIÊNCIA ENERGÉTICA A Qualidade da Energia Elétrica Normas e Organizações Relacionadas com Qualidade da Energia Principais Distúrbios Associados à Qualidade da Energia Elétrica Harmônicos Harmônicos presentes na tensão de alimentação de um motor de indução Classificação das harmônicas A Eficiência Energética O Consumo da Energia Elétrica Eficiência Energética do Elevador de Canecas MATERIAIS E MÉTODOS Laboratório de Eficiência Energética da Universidade Federal de Mato Grosso Medições realizadas no laboratório Análise da Qualidade de Energia Elétrica Tensão e Corrente do Sistema Análise dos Resultados Acionamento com Partida Direta Acionamento com conversor de frequência Impactos provocados na Potência Ativa, Potência Reativa, Potência Aparente e no Fator de Potência pelo acionamento convencional versus conversor de frequência CONCLUSÕES SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS

9 i LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Comportamento do rendimento versus carga motor de indução... 9 Figura 2 - Comportamento do FP versus carga motor de indução...10 Figura 3 - Variação linear do torque...11 Figura 4 - Torque constante...12 Figura 5 - Torque proporcional a frequência...12 Figura 6 - Diagrama representativo do acoplamento motor-carga...14 Figura 7 - Principais grupos de máquinas de elevação e transporte...16 Figura 8 - Alimentação do elevador de canecas contínuo por gravidade Figura 9 - Descarga natural (a caneca da frente guia o material) Figura 10 - Elevador de canecas contínuo de correia...18 Figura 11 - Elevador de canecas contínua de corrente...18 Figura 12 - Elevador de canecas centrífugo de correia...19 Figura 13 - Elevador de canecas centrifuga de corrente...20 Figura 14 Diagrama simplificado de um Conversor de frequência Figura 15 - Tensão monofásica e trifásica Figura 16 - Retificador não controlado...23 Figura 17 - Saída de um retificador não controlado Figura 18 - Condução do tiristor Figura 19 Circuito representativo retificador controlado trifásico Figura 20 - Circuito intermediário...25 Figura 21 - Inversores fonte de tensão...25 Figura 22 - Circuito intermediário com tensão CC variável Figura 23 - Conversor Tradicional....27

10 ii Figura 24 - Inversor para tensão constante ou variável e a saída que depende da frequência.. de chaveamento dos transistores Figura 25 - Modulação por amplitude e por largura de pulso Figura 26 - Estrutura do conversor monofásico...31 Figura 27 - Ligação dos transistores T1 e T Figura 28 - Ligação dos transistores T2 e T Figura 29 Circuito representativo de funcionamento do IGBT s...32 Figura 30 - Curva tensão em função da frequência Figura 31 - Gráfico da tensão em função da frequência...35 Figura 32 - Gráfico da tensão proporcional à frequência...37 Figura 33 - Gráfico do torque em função da frequência...37 Figura 34 - Gráfico da potência em função da frequência...38 Figura 35 - Ilustração dos distúrbios associados à qualidade de energia...45 Figura 36 - Ilustração dos distúrbios associados à qualidade de energia...45 Figura 37 - Perdas elétricas de um motor de indução trifásico em função da distorção total de tensão Figura 38 - Diagrama das tensões fundamentais e seu sentido de giro Figura 39 - Diagrama das tensões harmônicas de sequência zero Figura 40 - Diagrama das tensões harmônicas de sequência negativa e seu sentido de giro..53 Figura 41 - Diagrama das tensões harmônicas de sequência positiva e seu sentido de giro..54 Figura 42 - Perfil de consumo por tipo de carga na indústria Figura 43 Consumo de energia por setores em 2010 (GWh)...58 Figura 44 - Consumo de eletricidade para vários setores da economia TWh Figura 45 - Consumo específico de energia elétrica de alguns setores industriais...60 Figura 46- Tela Inicial do Software ElipseScada Figura 47- Centro de Controle e Proteção (Alimentação Geral)...64 Figura 48 - Centro de Controle do Conjunto Elevador de Canecas....64

11 iii Figura 49 - Diagrama Unifilar do sistema de acionamento do motor Figura 50 - Tela de exibição das grandezas do motor...66 Figura 51 - Arquitetura do Funcionamento do Elevador de Canecas...67 Figura 52 - Analisador de energia MARH Figuras 53 -Esquema de ligação do analisador em partida direta e com conversor Figura 54 - Ligação do Analisador MARH-21 na carga Figura 55 - Elevador de Canecas instalado no laboratório Figura 56 tempo gasto para completar um ciclo em função da frequência de operação Figura 57 - Potência ativa média em 20 Hertz...74 Figura 58 - Potência ativa média em 30 Hertz Figura 59 - Potência ativa média em 40 Hertz...75 Figura 60 - Tensões nas fases A, B e C no barramento que alimenta o...80 Figura 61 - Tensão na fase A, no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado em partida direta Figura 62 - Espectro harmônico da tensão na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado em partida direta Figura 63 - Tensão na fase B, no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado em partida direta Figura 64 - Espectro harmônico da tensão na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado em partida direta Figura 65 - Tensão na fase C, no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado em partida direta Figura 66 - Espectro harmônico da tensão na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado em partida direta Figura 67 - Correntes nas fases A, B e C no barramento que alimenta o elevador de canecas. acionado em partida direta Figura 68 - Corrente na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado em partida direta Figura 69 - Espectro harmônico da corrente na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas de partida direta...83

12 iv Figura 70 - Corrente na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado em partida direta Figura 71 - Espectro harmônico da corrente na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas de partida direta Figura 72 - Corrente na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado em partida direta Figura 73 - Espectro harmônico da corrente na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas de partida direta Figura 74- Tensões nas fases A, B e C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência 20Hertz...85 Figura 75 - Tensão na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 20 Hertz...85 Figura 76 - Espectro harmônico da tensão na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 20 Hertz Figura 77 - Tensão na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 20 Hertz Figura 78 - Espectro harmônico da tensão na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 20 Hertz Figura 79 - Tensão na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 20 Hertz Figura 80 - Espectro harmônico da tensão na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 20 Hertz Figura 81 - Correntes nas fases A, B e C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 20 Hertz Figura 82 - Corrente na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 20 Hertz Figura 83 - Espectro harmônico da corrente na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 20 Hertz Figura 84 - Corrente na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 20 Hertz Figura 85 - Espectro harmônico da corrente na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 20 Hertz Figura 86 - Corrente na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 20 Hertz....88

13 v Figura 87 - Espectro harmônico da corrente na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 20 Hertz Figura 88 Tensões nas fases A, B e C no barramento que alimenta o elevador de canecas.. acionado por conversor de frequência a 30 Hertz Figura 89 - Tensão na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 30 Hertz Figura 90 - Espectro harmônico da tensão na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 30 Hertz...90 Figura 91 - Tensão na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 30 Hertz Figura 92 - Espectro harmônico da tensão na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 30 Hertz Figura 93 - Tensão na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 30 Hertz Figura 94 - Espectro harmônico da tensão na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 30 Hertz Figura 95 - Correntes nas fases A, B e C no barramento que alimenta o elevador de canecas. controlado por conversor de frequência a 30 Hertz Figura 96 - Corrente na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 30 Hertz Figura 97 - Espectro harmônico da corrente na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 30 Hertz Figura 98 - Corrente na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 30 Hertz Figura 99 - Espectro harmônico da corrente na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 30 Hertz Figura Corrente na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 30 Hertz Figura Espectro harmônico da corrente na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 30 Hertz Figura 102- Tensões nas fases A, B e C no barramento que alimenta o elevador de canecas.. acionado por conversor de frequência a 40 Hertz Figura Tensão na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 40 Hertz...95

14 vi Figura Espectro harmônico da tensão na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 40 Hertz Figura Tensão na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 40 Hertz Figura 106- Espectro harmônico da tensão na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 40 Hertz Figura Tensão na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 40 Hertz Figura Espectro harmônico da tensão na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 40 Hertz Figura Correntes nas fases A, B e C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 40 Hertz Figura Corrente na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 40 Hertz Figura Espectro harmônico da corrente na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 40 Hertz Figura Corrente na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 40 Hertz Figura Espectro harmônico da corrente na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 40 Hertz Figura Corrente na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 40 Hertz Figura Espectro harmônico da corrente na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 40 Hertz Figura 116 Tensões nas fases A, B e C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 50 Hertz Figura Tensão na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 50 Hertz Figura Espectro harmônico da tensão na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 50 Hertz Figura Tensão na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 50 Hertz Figura Espectro harmônico da tensão na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 50 Hertz

15 vii Figura Tensão na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 50 Hertz Figura Espectro harmônico da tensão na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 50 Hertz Figura Correntes nas fases A, B e C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 50 Hertz Figura Corrente na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 50 Hertz Figura Espectro harmônico da corrente na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 50 Hertz Figura Corrente na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 50 Hertz Figura Espectro harmônico da corrente na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 50 Hertz Figura Corrente na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 50 Hertz Figura Espectro harmônico da corrente na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 50 Hertz Figura Tensões nas fases A, B e C no barramento que alimenta o elevador de canecas. acionado por conversor de frequência a 60 Hertz Figura Tensão na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 60 Hertz Figura Espectro harmônico da tensão na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 60 Hertz Figura Tensão na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 60 Hertz Figura Espectro harmônico da tensão na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 60 Hertz Figura Tensão na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 60 Hertz Figura Espectro harmônico da tensão na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas acionado por conversor de frequência a 60 Hertz Figura Correntes nas fases A, B e C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 60 Hertz

16 viii Figura Corrente na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 60 Hertz Figura Espectro harmônico da corrente na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 60 Hertz Figura Espectro harmônico da corrente na fase A no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 60 Hertz Figura Espectro harmônico da corrente na fase B no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 60 Hertz Figura Corrente na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 60 Hertz Figura Espectro harmônico da corrente na fase C no barramento que alimenta o elevador de canecas controlado por conversor de frequência a 60 Hertz Figura Potência ativa absorvida no barramento do sistema que alimenta o elevador de. canecas em partida direta e com conversor de frequência Figura 145- Potência reativa absorvida no barramento do sistema que alimenta o elevador de canecas em partida direta e com conversor de frequência Figura 146- Potência aparente solicitada no barramento do sistema que alimenta o elevador de canecas. em partida direta e com conversor de frequência, nas frequências de 20 a 60 Hertz Figura Fator de Potência da carga conectada no barramento do sistema que alimenta o elevador de canecas acionada por conversor de frequência

17 ix LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Distribuição das tensões no motor...34 Tabela 2 - Terminologia aplicável às formulações do cálculo de valores de referência para as distorções harmônicas, regulamentada pela ANEEL...49 Tabela 3 - Valores de referência global das distorções harmônicas totais (em porcentagem da tensão fundamental)...50 Tabela 4 - Níveis de referência para distorções harmônicas individuais de tensão, em percentagem da tensão fundamental...51 Tabela 5 Ordem, frequência e sequência de harmônicas Tabela 6 - Dados do motor de indução...68 Tabela 7 - Dados do Conversor de Frequência...69 Tabela 8 - Tempo gasto para o elevador de canecas completar um ciclo nas frequências de 20 a 60 Hertz e na partida direta...73 Tabela 9 - Consumo por ciclo (kwh/ciclo)...76 Tabela 10 - Número de ciclos em 10 horas nas frequências de 20 a 60 Hertz e na partida... direta do elevador de canecas...77 Tabela 11 - Consumo diário de energia elétrica na frequência de 20 a 60 Hertz e na partida direta...78 Tabela 12 - Estimativa do consumo diário da energia para 20, 30, 40, 50, 60 Hertz e Partida Direta...79 Tabela 13 - Frequência, período, potência ativa e consumo em um ciclo Tabela 14 - Distorções Harmônicas Individuais e Totais das Tensões na partida direta medição...82 Tabela 15 - Distorções Harmônicas Individuais e Totais das Correntes na partida direta - medição...84 Tabela 16 - Distorções Harmônicas Individuais e Totais das Tensões a 20 Hertz medição...86 Tabela 17 - Distorções Harmônicas Individuais e Totais das Correntes a 20 Hertz - medição...89 Tabela 18 - Distorções Harmônicas Individuais e Totais das Tensões a 30 Hertz medição...92 Tabela 19 - Distorções Harmônicas Individuais e Totais das Correntes a 30 Hertz - medição...94 Tabela 20 - Distorções Harmônicas Individuais e Totais das Tensões a 40 Hertz medição.97

18 x Tabela 21 - Distorções Harmônicas Individuais e Totais das Correntes a 40 Hertz - medição...99 Tabela 22- Distorções Harmônicas Individuais e Totais das Tensões a 50 Hertz medição 102 Tabela 23 - Distorções Harmônicas Individuais e Totais das Correntes a 50 Hertz - medição Tabela 24 - Distorções Harmônicas Individuais e Totais das Tensões a 60 Hertz-medição 106 Tabela 25 - Distorções Harmônicas Individuais e Totais das Correntes a 60 Hertz - medição...108

19 xi RESUMO ANNUNCIAÇÃO, L. Estudo do impacto do sistema de acionamento de um motor de indução trifásico na eficiência energética e na qualidade da energia elétrica: um estudo de caso elevador de canecas. Cuiabá, p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Edificações e Ambiental), Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia, Universidade Federal de Mato Grosso. O objetivo principal desta dissertação é analisar o processo de acionamento de uma máquina de indução, especificamente de um elevador de canecas, utilizando partida direta e com conversor de frequência, para verificar a eficiência elétrica do sistema. O acionamento eletrônico utiliza sistemas microprocessados que podem reduzir o consumo de energia elétrica e demanda de potência ativa. Por outro lado, há uma preocupação com as distorções harmônicas geradas pelas respostas a essas cargas no sistema. Em busca de soluções que visem à melhoria da qualidade da energia elétrica e eficiência energética, esta dissertação apresenta medições em laboratório de um sistema de elevador de canecas com acionamento convencional partida direta, em comparação a um acionamento controlado por conversor de frequência. Os dados foram coletados no Laboratório Eletrobrás/Procel de Eficiência Energética da Universidade Federal de Mato Grosso. Os resultados mostram que na demanda de potência ativa houve uma redução que pode se tornar significativa em uma indústria que possui motores de grande porte. Palavras-Chave: Acionamento, Partida direta, Conversor de Frequência, Eficiência Energética, Consumo de Energia, Qualidade de Energia Elétrica.

20 xii ABSTRACT ANNUNCIAÇÃO, L. Study of the impact of the drive system of an induction motor in energy efficiency and power quality: a case study - bucket elevator. Cuiaba, 146p. Dissertation (Master in Environmental Engineering and Building), Faculty of Architecture, Engineering and Technology, Federal University of Mato Grosso. The main objective of this work is to analyze the process of induction machine drive, specifically, a bucket elevator using direct starting and inverters to check the electrical efficiency of the system. The microprocessor-based systems use electronic commands that can reduce energy consumption and demand the active power. Moreover, there is concern about the harmonic distortion for the answers to these loads in the system. In search of solutions aimed at improving the power quality and energy efficiency, this work presents laboratory measurements of a bucket elevator system with conventional drive - starting directly compared to a drive controlled by adjustable speed drive. Measurement results were collected at the Eletrobrás Laboratory / Procel Energy Efficiency at Federal University of Mato Grosso. These results showed that there was a reduction in demand that may become significant in an industry that has large motors. Keywords: Process, Direct Starting, adjustable speed drive, Energy Efficiency, Energy Consumption, Power Quality.

21 1 1 INTRODUÇÃO 1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS Entre os vários custos gerenciais em uma empresa, seja do setor industrial ou comercial, a energia elétrica vem assumindo, cada vez mais, uma importância crescente, motivada pela redução de custos decorrentes do mercado competitivo, pelas incertezas da disponibilidade energética ou por restrições ambientais. De qualquer forma, seja qual for a motivação, promover a eficiência energética é essencialmente usar o conhecimento de forma aplicada, empregando os conceitos de engenharia, da economia e da administração aos sistemas energéticos. Contudo, dada à diversidade e complexidade desses sistemas, é interessante apresentar técnicas e métodos para definir objetivos e ações para melhorar o desempenho energético e reduzir as perdas nos processos de transporte, armazenamento e distribuição de energia. MARQUES, et al. ( 2007). A partir da crise energética de 2001, medidas que visam o uso racional da energia elétrica vêm sendo adotadas por todos os setores da população brasileira. De um lado, fabricantes têm direcionados seus esforços para o desenvolvimento de equipamentos mais eficientes e de outro, consumidores em geral se preocupam em adquirir esses equipamentos e, adicionalmente, adotam medidas para o uso racional da energia. O governo também merece menção especial, pois é autor de uma série de medidas incentivando a eficiência energética desde a geração até o consumo. A eficiência energética está relacionada diretamente com a utilização racional da energia, que tem como premissa a utilização eficiente de energia elétrica. Esse conceito é previsto na lei /2001, que dispõe sobre a política nacional de conservação e uso racional de energia elétrica, em que o poder executivo estabelece níveis máximos de consumo específico de energia, ou mínimos de eficiência energética de máquinas e aparelhos consumidores de energia elétrica fabricados ou comercializados no país. Com isso, o setor doméstico como de serviços e industrial teve que se adequar à prática de economia energética e redução de custos. No caso específico de sistemas motrizes, o Decreto 4.508/2002 define os níveis mínimos de eficiência energética de motores elétricos trifásicos de indução,

22 2 rotor tipo gaiola de esquilo, de fabricação nacional ou importada para comercialização ou uso no Brasil. Na indústria nacional é comum a aplicação de técnicas convencionais na operação de sistemas motrizes. Só para se ter uma idéia, 43,7% da energia elétrica consumida no Brasil é utilizada no sistema industrial, sendo que destes aproximadamente 49% se referem a sistemas motrizes, segundo o Balanço Energético Nacional de A interpretação dessa realidade nos impulsiona à realização de estudos no setor, tendo por objetivo a sua modernização e eficiência. Como exemplo, pode-se citar a substituição de motores de indução trifásicos do tipo convencional pelos de alto rendimento, métodos de acionamento de motores com chaves de partida direta ou estrela-triângulo por dispositivos de partida suave, softstarter e conversor de frequência, sendo este, o foco de estudo nesta pesquisa, utilizado principalmente em processos que possibilitam o funcionamento com variação na velocidade do eixo do motor. No acionamento de um motor elétrico com partida direta, a corrente de partida do motor é muito elevada, podendo variar de 5 a 10 vezes a corrente nominal, o que pode ocasionar consequências prejudiciais ao sistema elétrico como elevada queda de tensão no sistema de alimentação da rede. Em função disso, a queda de tensão provoca a interferência em equipamentos instalados no sistema. O sistema de proteção (relês e contatores) deverá ser superdimensionado, considerando que estará ocasionando um custo elevado. Além disso, deve-se levar em conta a imposição das concessionárias de energia elétrica que limitam a queda de tensão da rede. Essas consequências são minimizadas com o acionamento do motor de indução através do conversor de frequência, uma vez que ele utiliza o controle eletrônico com sistemas microprocessados, propiciando partida suave com redução na corrente. Mato Grosso é um dos maiores produtores de grãos do país. Na colheita, estocagem e beneficiamento, é utilizado o transporte por sistemas de correias e elevadores de canecas acionados por motor de indução. O presente estudo está focado em um sistema de acionamento do elevador de canecas em conjunto com o motor de indução trifásico convencional, amplamente

23 3 difundido no manejo e transporte de grãos no ambiente industrial do Estado de Mato Grosso. 1.2 CONTEXTUALIZAÇÃO DA PESQUISA O estudo do acionamento dos elevadores de canecas, por partida direta em comparação com acionamento através de conversor de frequência, objetiva analisar o comportamento do sistema elétrico, verificando a eficiência energética deste sistema, uma vez que ele utiliza o controle eletrônico com sistemas microprocessados, podendo assim reduzir a demanda de potência ativa e o consumo da energia elétrica. O acionamento de motores elétricos, de indução por conversor de frequência, é uma alternativa relativamente nova, porém amplamente utilizado nas indústrias. Assim sendo, muito ainda há por ser feito, estudado, pesquisado e compreendido em tais aplicações. Percebe-se, com o avanço na área, a necessidade de previsão de orientação técnica específica, precisamente para fabricantes de motores e conversores, para que tais aplicações sejam efetivamente vantajosas e atrativas em termos de eficiência energética e de custo. Ao final deste estudo, apresenta-se a análise técnica da aplicação dos acionamentos via partida direta e conversor de frequência quanto à eficiência elétrica do sistema, no que diz respeito à demanda de potência ativa, no consumo de energia elétrica e qualidade de energia, levando-se em consideração o conversor como um equipamento não-linear. 1.3 ESTADO DA ARTE Pela funcionalidade que os microprocessadores trouxeram, os conversores de frequência hoje são dotados de poderosas central processing unit (CPUs) ou placas de controle microprocessadas, que possibilitam uma infindável variedade de métodos de controle, expandindo e flexibilizando o uso dos mesmos. Cada fabricante consegue implementar sua própria estratégia de controle, de modo a obter domínio total sobre o comportamento do eixo do motor elétrico, permitindo, em muitos casos, que motores elétricos trifásicos de corrente alternada substituam servo motores em

24 4 muitas aplicações. Os benefícios são diversos, como redução no custo de desenvolvimento, custo dos sistemas de acionamento, custo de manutenção, etc. Por apresentar esta versatilidade e precisão quanto ao controle do motor de indução, os conversores estão sendo aplicados em vários sistemas, dentre eles, podese destacar o sistema de bombeamento de água nas adutoras e na distribuição no perímetro urbano, na irrigação de lavouras, na climatização e refrigeração, no sistema de bombeamento hidraúlico, nas torres de refrigeração, no compressor de ar nas indústrias, nos elevadores de edifícios residenciais, nas máquinas de elevação e transporte, em todos com rendimento satisfatório quanto à eficiência elétrica e controle. 1.4 DELIMITAÇÃO DO TEMA O foco desta pesquisa é o acionamento de elevadores de canecas com motor de indução convencional pelo método de partida direta e, em seguida, o método que utiliza dispositivos eletrônicos, neste caso, conversor de frequência, para comparar a eficiência energética do sistema no que diz respeito à demanda de potência ativa e ao consumo de energia elétrica, como também, as consequências quanto à qualidade de energia. 1.5 CONTRIBUIÇÃO DESTA PESQUISA Da análise da comparação do acionamento do sistema motriz com partida direta e com conversor de frequência, espera-se oferecer subsídios que contribuam para a redução da demanda de potência ativa, do consumo de energia elétrica, podendo ser aplicada a outros sistemas semelhantes. 1.6 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO Diante desta proposta, além do presente capítulo introdutório, esta dissertação será desenvolvida obedecendo à seguinte estrutura: Capítulo 2 Revisão Bibliográfica Este capítulo tem por objetivo abordar Máquinas de indução; Motor elétrico de indução; Motores elétricos de indução de

25 5 alto rendimento; Curvas características e comportamento do motor de acordo com os tipos de carga; Interação entre o motor e a carga acionada com conversor de frequência; Regimes de operação; Acoplamento motor-carga; Máquinas de elevação e transporte; Elevadores de canecas; Conversor de Frequência; Aplicação do conversor de frequência no acionamento do elevador de canecas; Princípio de funcionamento do conversor de frequência; Retificador; Circuito intermediário; Inversor; Circuito de controle; Aplicação do conversor de frequência; Qualidade de energia elétrica; Normas e organizações relacionadas à qualidade de energia; Principais distúrbios associado a qualidade de energia elétrica; Harmônicas; Harmônicas presentes na tensão de alimentação de motor de indução; Classificação das harmônicas; A eficiência energética; O consumo de energia elétrica no Brasil; Eficiência energética do elevador de canecas. Capítulo 3 Materiais e Métodos Este capítulo apresenta o Laboratório Eletrobrás/Procel de Eficiência Energética da Universidade Federal de Mato Grosso, onde foram coletados os dados do acionamento do elevador de canecas, características dos equipamentos utilizados nas medições e análise dos resultados, quanto à distorção harmônica de tensão e corrente, e o impacto na potência ativa, potência reativa, potência ativa, o fator de potência e fator de deslocamento com acionamento convencional e com acionamento eletrônico. No capítulo final, as conclusões, apresentam-se os resultados do estudo realizado em laboratório com acionamento de elevadores de canecas por sistema convencional Partida Direta versus acionamento eletrônico Conversor de Frequência.

26 6 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 MÁQUINAS DE INDUÇÃO Embora os motores de indução trifásicos sejam máquinas intrinsecamente eficientes, estes se constituem como um grande potencial de conservação de energia. Tal fenômeno pode ser explicado através de duas razões principais, quais sejam, a grande quantidade de motores instalados e a utilização ineficiente dos mesmos. De fato, como já mencionado (Balanço Energético Nacional BEN 2010) mostrou que, em média, cerca de 49% das cargas elétricas industriais são compostos por motores de indução, chegando a 70% em algumas regiões do país. Por outro lado, é muito comum encontrar o chamado motor sobredimensionado, ou seja, motores acionando cargas muito inferiores à sua capacidade nominal, acarretando em baixos fatores de potência e rendimentos, contribuindo para sua aplicação ineficiente. O acionamento dos transportadores de correias, elevadores de canecas, é feito em sua grande maioria por meio de motores elétricos, acoplados a redutores e esses, por sua vez, acoplados aos tambores de tração. Os motores de indução com rotores em curto-circuito são os mais usados. Atualmente, a aplicação de controles eletrônicos está fazendo com que os motores especiais, com rotores bobinados ou de corrente contínua, estejam caindo em desuso e só aplicados em casos muito especiais ou que envolvem grandes potências. NOGUEIRA (2002) O motor elétrico de indução O motor de indução foi desenvolvido por Nikola Tesla no período de 1882 a Desde então os motores tiveram uma série de desenvolvimentos e melhorias. Um exemplo disso é a relação peso-potência que em 1891 era da ordem de 88 kg/kw e que nos dias atuais caiu para 5,7 kg/kw. Essa redução se deve, principalmente, aos avanços nas técnicas de isolação e na redução da seção dos condutores, extraindo-se, contudo, uma mesma potência. SANTOS, et al. ( 2001).

27 7 Devida suas inúmeras vantagens, o motor de indução trifásico com rotor curto-circuitado, conhecido também, pelo nome de motor de indução trifásico com rotor de gaiola é o mais utilizado no mundo inteiro. Entre suas vantagens, estão: menor custo apresenta menor exigência de manutenção, atendem um grande número de diferentes cargas, são utilizáveis em qualquer ambiente, ligação à rede simples e são cargas equilibradas. Suas desvantagens são: fator de potência baixo em carga parcial, rendimento baixo para cargas inferiores a 50% da sua potência nominal, corrente de partida elevada. Atualmente, a aplicação de controles eletrônicos está fazendo com que os motores especiais, com rotores bobinados ou de corrente contínua, sejam utilizados somente em casos especiais. O grande problema dos motores de indução são as elevadas correntes de partida, entretanto, o mercado oferece possibilidades para amenizar os efeitos desta corrente, como, por exemplo, as antigas chaves estrela-triângulo e, atualmente, os dispositivos de partida suave, conhecidos também como soft-starter e conversores de frequência. Estes dispositivos utilizam componentes eletrônicos para controlar a tensão aplicada no estator do motor. A partida pode ser programada de forma suave, assim como a parada, reduzindo consequentemente, o pico da corrente de partida. O resultado é a diminuição do estresse térmico e mecânico. A tendência é a vida útil do motor e equipamentos acoplados aumentar, devido à eliminação de estresse mecânico durante a partida. Convém observar que a operação correta do motor e em condições ideais é que trará benefícios para o usuário. O percentual de perdas internas do motor, mesmo os de alto rendimento pode ser elevado, se o mesmo estiver trabalhando em condições precárias. O funcionamento desta máquina fora dos padrões de alimentação, em local de funcionamento não adequado, superdimensionamento, acoplamento incorreto ou desalinhado, podem anular os benefícios da utilização de um motor de alto rendimento Motores elétricos de indução de alto rendimento Os motores de alto rendimento são motores projetados para fornecer a mesma potência na ponta do eixo assim como, outros tipos de motores, porém, consumindo

28 8 menos energia elétrica. Os motores de alto rendimento têm seu projeto modificado, em relação aos motores da linha padrão, objetivando a diminuição da sua perda global. Normalmente, as perdas por efeito joule estatórico do motor de alto rendimento é maior que as mesmas perdas no motor da linha padrão. Enquanto que com as perdas suplementares acontece o contrário. GUIMARÃES (2007). As características dos motores das linhas padrão e alto rendimento são técnica, elétrica e mecanicamente similares e atendem ao acionamento da carga sem que sejam necessárias adequações. A aquisição de um motor de alto rendimento, neste sentido, deve levar em conta o custo de aquisição, em média 30% mais caro que o motor da linha padrão, e o menor custo operacional devido à sua maior eficiência. A substituição, todavia, requer uma avaliação técnico-econômica, de modo a verificar se a economia de energia obtida é suficiente para pagar a diferença de preço em tempo razoável. GUIMARÃES (2007) Curvas Características e Comportamento do Motor de Acordo com os tipos de Carga Rendimento versus Cargas do motor de indução O motor é constituído de diversas partes e de diversos tipos de materiais que apresentam diferentes tolerâncias quanto às suas características dimensionais e/ou físicas. O rendimento máximo é determinado pelos materiais utilizados na fabricação e pelas dimensões da máquina. Muitos motores apresentam rendimento máximo quando acionam cargas entre 75% e 100% da nominal. Motores com potência nominal abaixo de 10 CV tem uma redução acentuada do seu rendimento para carregamento inferior a 60%. SANTOS, et al (2001). A Figura 1 mostra a influência que a carga tem sobre o rendimento. O rendimento indicado na placa do motor representa o rendimento nominal médio de uma grande quantidade de motores de um mesmo projeto.

29 9 Figura 1 - Comportamento do rendimento versus carga motor de indução Fonte: ALMEIDA (2009) Segundo a NBR 7094/2000, não há limite de tolerância do rendimento para valores acima do indicado no motor. Para valores inferiores, os limites de tolerância para motores de linha padrão e da linha de alto rendimento devem obedecer ao seguinte critério. - Para rendimento marcados de η 0,851, o limite inferior de tolerância é dado por 0,2 x (1- η); - Para rendimento marcados de η 0,851, o limite inferior de tolerância é dado por 0,15x (1- η); 1. O rendimento utilizando o método direto pode ser determinado pela equação Pm %.100 Eq. 1 Pe Onde: Pm- Potência mecânica no eixo do motor; Pe- Potência elétrica ativa na entrada do motor; η (%)- rendimento em porcentagem. Deve-se ressaltar que a obtenção da potência mecânica no eixo do motor nunca é direta, mas o produto de torque e velocidade. O cálculo de rendimento pelo método indireto leva em conta as perdas, logo para essa condição, a indicação do rendimento é expressa pela equação 2: Pm %.100 Pe Perdas Eq. 2

30 10 O método preferencial da NBR 5383, revisado em 2000, sugere a medição de perdas utilizando dinamômetro. A medição de resistência do estator deve ser realizada em condições ambiente. A temperatura deve ter seu valor corrigido para a temperatura de trabalho do motor. São ainda necessários, testes auxiliares para os cálculos das perdas por atrito e ventilação, perdas no núcleo magnético e perdas suplementares Fator de Potência versus Carga motor de indução A curva de comportamento, mostrada na Figura 2, demonstra que o motor de indução apresenta melhor fator de potência dentro da faixa entre 75% e 100% de carga nominal. Portanto, deve-se evitar que o motor trabalhe com carregamento leve. O baixo fator de potência, principalmente nos parques industriais, além de sobrecarregar os transformadores, pode sujeitar o consumidor a pagar multa, por baixo fator de potência. A resolução 256 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) aplica ao consumidor industrial multa por baixo fator de potência, conhecida como faturamento por excedente de reativo. Figura 2 - Comportamento do FP versus carga motor de indução Fonte: Fonte: ALMEIDA (2009) P P n

31 Interação entre o motor e a carga acionada com conversor de frequência Tipos de carga O correto dimensionamento do sistema de velocidade variável depende do conhecimento do comportamento da carga, ou seja, da demanda de torque na ponta do eixo do motor. As cargas podem ser classificadas em 3 (três) tipos: Torque variável, Torque constante e Torque hiperbólico Cargas de torque variável Nestes tipos de máquinas, o conjugado varia linearmente com a rotação, já a potência varia com o quadrado da rotação conforme, ilustrado na Figura 3 são exemplos típicos: Bombas centrífugas, Exaustores centrífugos, Ventiladores, Compressores centrífugos. A variação da velocidade por meio de acionamento eletrônico permite grandes economias de energia com esse tipo de carga, uma vez que a potência mecânica disponibilizada na saída do motor não será constante, mas varia convenientemente de acordo com a exigência da carga. Figura 3 - Variação linear do torque Fonte: WEG - Módulo 02 Variação de Velocidade (apostila) Cargas de torque constante Nas máquinas deste tipo, o conjugado permanece constante durante a variação de velocidade e a potência aumenta proporcional a velocidade. São

32 12 exemplos típicos: Compressores alternados, Compressores helicoidais, Elevadores de caneca, Esteiras transportadoras, Bombas de deslocamento positivo, Extrusoras, Trituradores. A Figura 4 ilustra por meio do gráfico o comportamento do torque em relação ao da velocidade do motor. Figura 4 - Torque constante Fonte: WEG Módulo 02 Variação de Velocidade (apostila) Cargas de torque hiperbólico Neste tipo de máquina cujo comportamento está ilustrado no gráfico da Figura 5, observa-se que a o torque cai proporcional à frequência com aumento da velocidade, enquanto que a potência resulta constante durante toda faixa de operação. São exemplos típicos: Ferramentas de usinagem; Bobinadeiras. Figura 5 - Torque proporcional a frequência Fonte : WEG Módulo 02 Variação de Velocidade (apostila)

33 Regimes de Operação Regime de Velocidade Variável Os motores projetados para operação em regime de velocidade variável trabalham sobre uma faixa contínua de frequências de operação. Assim, do ponto de vista de projeto, o motor tem a vantagem de operar mais frio em algumas velocidades ao longo da faixa de operação Regime de Velocidade Constante Os motores projetados para operação em regime de velocidade constante podem operar continuamente em qualquer velocidade dentro da faixa de operação. No projeto, considera-se que ele trabalhará por um período de tempo indefinido com carga nominal (igual a frequência-base) na velocidade que resultar na maior elevação de temperatura Acoplamento Motor-Carga Na maioria das aplicações envolvendo acionamentos necessita-se acoplar o motor com a carga. A transferência de potência do motor para a carga é realizada por intermédio de sistemas de transmissão de potência mecânica, ou acoplamentos mecânicos, que podem ser de vários tipos, como citados a seguir. NOGUEIRA (2002). a) Acoplamento direto, também conhecido como acoplamento rígido: o acoplamento direto é usado apenas em casos particulares, em que o alinhamento entre os eixos é realizado com perfeição ou, então, quando não existem mancais intermediários entre as máquinas. A instalação desse tipo de acoplamento é na maioria das vezes de forma simples. As perdas podem ser consideradas nulas. A utilização do acoplamento direto é limitada a máquinas ou equipamentos que possam trabalhar na mesma velocidade ou próximo à velocidade do motor. O rendimento do acoplamento direto é considerado de aproximadamente 100%. b) Acoplamento por correias: A transmissão por correias é o mais utilizado na transmissão de potência ao longo do tempo. Isso ocorre em virtude da facilidade desse tipo de acoplamento adaptar-se aos vários tipos de máquinas. A correia