X-013 A INCLUSÃO DO REDIMENSIONAMENTO DOS MOTORES ELÉTRICOS INSTALADOS NA SABESP, NO PROGRAMA PARA REDUÇÃO DE GASTOS

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1 X-013 A INCLUSÃO DO REDIMENSIONAMENTO DOS MOTORES ELÉTRICOS INSTALADOS NA SABESP, NO PROGRAMA PARA REDUÇÃO DE GASTOS Antonio Soares Pereto (1) Gerente de Planejamento e Controle da Superintendência de Manutenção Guarapiranga Sabesp. Formação : Engenheiro Industrial Eletricista 1969 pela Faculdade de Engenharia Industrial SP., Pós-Graduado em Administração de Empresas 1979 pelo Mackenzie SP. Experiência Profissional: Engenheiro, Assistente da Diretoria e Gerência da Sprecher and Schuh, Ind. de Equipamento de Alta Tensão 1969/1982, Coordenador Europa Usina Itaipu 1982/1988, Engenheiro Superintendente Eletromecânico e Gerente da Sabesp 1989 até o presente. Endereço (1) : Rua José Rafaelli, 284 Socorro São Paulo SP., CEP : Brasil, tel. (11) aperetto@sabesp.com.br RESUMO Nas instalações elétricas em geral, a maior parcela de energia elétrica é utilizada para o acionamento de motores elétricos de indução, com a finalidade de produção de energia mecânica para os diversos processos necessários ao sistema. Conforme pesquisa publicada pelo PROCEL Programa de Combate ao Desperdício de Energia Elétrica, empresa ligada à Eletrobras e Ministério das Minas e Energia, 51% do Consumo Energético de Eletricidade é de responsabilidade dos motores elétricos. Na SABESP, calcula-se que 97% do Consumo de Energia Elétrica deve-se aos motores. Tomando-se como base as diversas medições efetuadas ao longo dos levantamentos de campo, estima-se que as perdas de energia no universo do sistema de força motriz possam atingir percentuais da ordem de 20% do consumo global do setor de saneamento básico. Devemos salientar que, de toda a energia elétrica consumida pelos motores, uma parcela considerável é perdida nos sistemas de transmissão de movimentos (redutores, polias, correias, etc.) e principalmente no próprio processo de conversão eletromecânica de energia. O que pretendemos demonstrar com este trabalho técnico, é que existe também perdas, resultantes do alto grau de envelhecimento dos motores e do super dimensionamento tradicional dos motores. PALAVRAS-CHAVE: Redimensionamento de motores elétricos, Economia de energia na Sabesp. INTRODUÇÃO Nas instalações elétricas em geral, a maior parcela elétrica é utilizada para o acionamento de motores elétricos de indução, com a finalidade de produção de energia mecânica para os diversos processos necessários ao sistema. Conforme pesquisa publicada pelo PROCEL- Programa de Combate ao Desperdício de Energia Elétrica, empresa ligada à Eletrobras e Ministério das Minas de energia, 51% do Consumo Energético de Eletricidade é de responsabilidade dos motores elétricos. Na SABESP, calcula-se 90% de Consumo de Energia Elétrica deve-se aos motores, pois os mesmos trabalham em regime permanente, o que nos leva a estimar uma média de 20 horas de trabalho por dia, nos 30 dias do mês. È importante que os motores trabalhem da maneira mais otimizada possível para conseguir grandes resultados na economia com energia elétrica. Dados Atuais da SABESP ( valores aproximados ) : Instalações Operacionais e Administrativa : 2000 Instalações Alimentadas em AT : 800 ABES Trabalhos Técnicos 1

2 Consumo Elétrico Anual : GWh Demanda Elétrica : 250 MW Potência Instalada : 600 MVA Consumo Elétrico Anual dos Motores : GWh Nº de Motores Instalados : Tomando-se como base as diversas medições efetuadas ao longo dos levantamentos de campo, estima-se que as perdas de energia no universo do sistema de força motriz possam atingir percentuais da ordem de 20% do consumo global do setor de saneamento básico. Este percentual corresponde, para a SABESP, em média, ao consumo mensal de MWh, valor equivalente ao consumo médio de residências de porte médio alto. Devemos salientar que, de toda a energia elétrica consumida pelos motores, uma parcela considerável nos sistemas de transmissão de movimento ( redutores, polias, correias, etc.) e principalmente no próprio processo de conversão eletromecânica de energia. O que pretendemos demonstrar com este trabalho técnico, é que existe também perdas, resultantes do alto grau de envelhecimento dos motores e do super dimensionamento dos motores. 1) HISTÓRICO DOS MOTORES ELÉTRICOS: Originário do adjetivo latino motorius que significa dar movimento, os motores surgiram inicialmente através da máquina a vapor, que convergia térmica em energia mecânica. No ano de 1831 o cientista Michael Faraday obteve a grande descoberta que foi o marco científico do desenvolvimento da teoria dos motores elétricos. Faraday observou que o condutor elétrico imerso num campo magnético, obtinha movimento ao ser percorrido por uma corrente elétrica. Somente no ano de 1881 que conseguiu-se utilizar, na prática, um motor elétrico. Este motor movimentava uma máquina mecânica, proporciona movimento longe das quedas d água e em regiões de poucos ventos. O motor elétrico em 1881 pesava 88 kg/kw. Com o desenvolvimento tecnológico, chegamos ai ano de 1984 fabricando motores com o peso de 6,8 kg/kw. Hoje em 1998 fala-se em empresas que conseguem cerca de 4,5 kg/kw. Não existem dúvidas que os motores elétricos foram os grandes responsáveis pela revolução industria ocorrida no século passado. Logo após o início do funcionamento comercial e industrial dos motores elétricos, desenvolveu-se muito as indústrias e a tração elétrica, pois em 1900 inaugurava-se o Metrô de Paris. Foi-se descobrindo que através dos sistemas elétricos de transmissão e dos motores, era possível trazer energia de grandes distâncias, transformada em energia elétrica, para aplicação em energia mecânica pelos motores, dividindo-se e distribuindo-se a energia para onde fosse necessário. A energia entrava eletricamente no motor e saía mecanicamente através do eixo do motor e fornecia o movimento. O desenvolvimento industrial no Brasil, só ocorreu quando houve o aumento na oferta de energia elétrica. Isto aconteceu a partir da década de Na década de 1980 foram vendidos no Brasil mais de motores por dia, sendo 30% até 1CV, 60% até 10C e 10% acima de 10CV. Nossa proposta recomenda um novo dimensionamento nos motores elétricos da SABESP, para fazer frente à evolução tecnológica ocorrida nas últimas décadas e o enquadramento da potência elétrica do motor dentro da potência real necessária ao movimento. 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 2) PERDAS NOS MOTORES: A eficiência ou rendimento de um motor elétrico é, na realidade, um parâmetro que indica a sua capacidade em converter a energia elétrica absorvida da rede em energia mecânica a ser fornecida no eixo. Para gerir o processo de conversão eletromecânica, os motores utilizam-se de uma parcela da energia total absorvida, transferindo ao eixo a energia restante. A rigor, a parcela de energia retida nos motores e normalmente classificada como parcela de perdas, não pode ser eliminada por ser inerente ao seu próprio funcionamento, mas reduzida a níveis aceitáveis. A figura 1, ilustra o processo de distribuição de energia nos motores elétricos, indicando as perdas, a potência efetivamente transferida ao eixo e a energia reativa concentrada no campo magnético responsável pelos giro de rotor. A energia ativa que é o consumo em kwh, bem como a potência ativa que é a demanda em kw, irão montar a Fatura Mensal de Energia elétrica a ser paga pelo consumidor à concessionária de Energia Elétrica. As perdas no motores subdividem-se: Perdas no cobre : atribuídos á dissipação de calor proveniente da circulação da corrente elétrica pelos enrolamentos do estator e no circuito rotórico, são as perdas por Efeito Joule. Perdas mecânicas: atribuídas ao atrito nos mancais, ventilação, que é a resistência que o ar oferece ao rotor girante e á potência necessária ao acionamento do ventilador incorporado no motor quando existe. Perdas no ferro: são as perdas por histerese, que é a energia elétrica necessária para vencer a relutância do núcleo no caminho do fluxo magnético, e as correntes parasitas de Foulcault que ocorre em todos os materiais condutivos situados no caminho do fluxo associados ao campo magnético girante. Perdas suplementares: são atribuídos á distribuição não uniforme das correntes do cobre e ao fluxo disperso nas ranhuras. Outras perdas significativas são provocadas pelo tempo de uso do motor, data da fabricação, onde a tecnologia era inferior a atual, os motores eram muitos pesados, com inércia maior, rolamento s deficientes, má ventilação etc, e o costume dos técnicos em outras épocas de dimensionar motores com potência muito superior á potência efetiva necessária, o que leva a desperdícios de energia. O custo das perdas em 10anos de trabalho de um motor operando a 100% de sua capacidade nominal com 100% de fator de carga, equivale a 20 vezes a custo inicial do motor. 3) VERIFICAÇÃO DE UM MOTOR EM FUNCIONAMENTO. CASO PRÁTICO: ( CASO REAL OCORRIDO EM UMA PEQUENA CAPTAÇÃO DE ÁGUA) Potência Nominal = 75CV / trifásico Tensão de Serviço = 380 V Tipo de serviço = Bombeamento de água contínuo Tempo de funcionamento = 24 horas por dia 720 horas por mês O motor elétrico de características acima mencionadas, acionava uma bomba hidráulica que trabalhava em regime contínuo, sem variação e tubulações completamente desobstruídas. Foram efetuadas diversas leituras da corrente elétrica, e o valor encontrado foi sempre 37 A ( trinta e sete ampares). Consultando-se o gráfico nº 11 (figura 3), que se refere ao motor de 75 CV, verifica-se que para a corrente de 37 A, o rendimento do motor é 81% e o fator de potência, Cos Æ= 0,80. Calculando-se a potência ativa para estas condições teremos: Pa1= 3 x V x l x Cos Pa1= 3 x 380 x 37 x 0,80 Pa1= 19,481 W ABES Trabalhos Técnicos 3

4 Cálculo da Potência útil em CV: 1ª Conclusão: O motor elétrico em questão, estava operando a 28,7% de sua capacidade nominal. Pu = Pu = Pa x η x 0, Pu = 21,5 CV 2ª Conclusão: Pode-se aplicar para este serviço, um motor de 25 CV nominais, ou seja: 21,5 CV 25 CV = 0,86 ou 86% de carregamento Para estas novas condições, analisando se o gráfico n º6 (figura 4), motor de 25 CV, verificamos que para o carregamento de 86% a corrente diminuirá para 30 A e Cos = 0,83. A potência ativa, para esta situação, será: Pa2 = 3 x 380 x 30 x 0,83 Pa2 = W 3ª Conclusão: a simples substituição do motor, proporcionará uma redução na potência ativa de: Pa1 Pa2 = = = W Para o funcionamento mensal de 720 horas, teremos : 3.093W x 720h = Wh por mês, ou 2.226,96 KWh por mês. 4ª Conclusão: Economia com energia elétrica: 3.093W : W = 0,1587 que representa 15,9% de economia. 4) CONCLUSÃO a) Na figura 2 temos as curvas do rendimento e do fator de potência dos motores atuais e mais comumente encontrados: Analisando as curvas, verificamos que os valores maiores de rendimento e fator de potência, situa-se nos carregamentos em torno de 80%. Abaixo de 70% temos queda acentuada no fato de potência e próximo a plena carga há diminuição no rendimento e aumento no aquecimento do motor, limitando sua vida útil. Portanto, recomendamos carregamos na faixa de 70 a 90%. b) O trabalho dos motores nas empresas de saneamento básico, são normalmente constantes e possíveis de fixar faixas de carregamentos, evitando-se assim o superdimensionamento. Motores superdimensionados devem ser substituídos. c) Para o caso de motores trabalhando em regime não constante, devemos estudar, após a checagem do dimensionamento, a aplicação de inversores, de freqüência que alteram a velocidade e reduzem o consumo de eletricidade. 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 d) Os dados de placa dos motores são importantes neste modelo de redimensionamento, para verificar a data de fabricação. Pela data, podemos verificar a condição do peso do motor. Caso não conste na placa, que nos indicará a alta potência perdida no funcionamento da máquina. e) Pelos índices verificados em outras empresas, referentes ao superdimensionamento dos motores, tem ocorrido até 20% de motores superdimensionados e que proporcionam reduções nos gastos de energia elétrica na ordem de 12% do total. f) Os motores antigos, de baixo rendimento, pesados, não necessitam ser descartados ou sucateados. Eles serão substituídos por novos, com potência correta e alto rendimento e colocados no sistema como reserva de base e irão operar quando for necessário a parada do motor novo para manutenção. figura 1 figura 2 ABES Trabalhos Técnicos 5

6 figura 3 figura 4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: 1. Manual de Conservação de Energia Elétrica na Indústria ; PROCEL- Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica. 2. Auto- Avaliação dos Pontos de Desperdício de Energia Elétrica na Indústria. Agência para Aplicação de Energia. 3. Avaliação do Desempenho de Motores Trifásicos de 3, 5 e 10 CV CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais. 4. Revista Eletricidade Moderna Aranda Editora. 5. WEG Máquinas Ltda. Catálogo Técnico de Motores. 6. Manual de Procedimentos para Projetos e Instalações Elétricas SABESP - Superintendência de Manutenção Guarapiranga. 6 ABES Trabalhos Técnicos