MANUAL DE BOAS PRÁTICAS

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1 MANUAL DE BOAS PRÁTICAS 1

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3 ÍNDICE 1. Introdução 2. Ar Comprimido 2.1 Medidas sem Custos de Utilização de Ar Comprimido manual de boas práticas Iluminação 3.1 Iluminação em instalações industriais Pavilhões com altura inferior a 6 metros: utilização de balastros eletrónicos Pavilhões com alturas superiores a 6m: lâmpada de vapor de sódio de alta pressão A quantidade de luz adequada Armaduras estanques Luz e controle de qualidade Sensores de luz natural e regulação de fluxo Cálculo Tipo de local Pot. (W/m2) 4. Motores 4.1 Utilização eficiente de energia em motores 4.2 Aplicações típicas de motores 4.3 Sistemas de força motriz 4.4 Utilização eficiente dos motores 4.5 Perdas e Rendimento 4.6 Perdas típicas nos motores 4.7 Desvantagens do sobredimensionamento 4.8 Motores de alto rendimento 4.9 Motores de Alto Rendimento 4.10 Decisão de Instalação de Motores de Alto Rendimento Instalação de um novo equipamento ou motor O motor existente avariou O motor existente está fortemente sobredimensionado Reparação/Rebobinagem Controlo de Velocidade Aplicações com carga variável ou parcial Bombas e Ventiladores Métodos Convencionais de Controlo de Velocidade Variadores Eletrónicos de Velocidade (VEVs) 5. Fator Potência 5.1 Energia Reativa, Potência Ativa, Reativa e Aparente 5.2 Fator de Potência Causa dos baixos Fatores de Potência

4 5.2.2 Efeitos da energia reativa nas redes elétricas Aumento das Perdas na Rede Redução da vida útil dos equipamentos Penalizações Tarifárias Subutilização da capacidade instalada Cabos de maior secção Fatores de Potência dos recetores mais usuais Determinação do Fator de Potência 5.3 Como compensar o Fator de Potência Modos de compensação do Fator de Potência Compensação Individual Compensação por grupos de recetores Compensação geral Compensação combinada Compensação com regulação automática Aspetos técnico-económicos e alguns benefícios de uma compensação Diversos benefícios devem ser considerados na ponderação de um investimento em compensação do fator de potência: 5.4. Métodos de gerar energia reativa (VAr s) Motor síncrono sobreexcitado Condensador Ligação de condensadores em baterias de condensadores com controlo manual Ligação de condensadores em baterias e controlo automático (por relé tvarimétrico) Condensadores associados à Eletrónica de Potência 6. Energias Renováveis 6.1 Energia fotovoltaica Sistemas autónomos Sistemas ligados à rede Avaliação económica 6.2 Breves notas sobre a radiação solar Os tipos de energia predominantemente utilizados na era industrial são limitados Distribuição da radiação solar Radiação direta e difusa Definição do ângulo Posição e espetro do Sol Radiação solar em planos inclinados 6.3 Breves notas sobre a energia solar térmica Radiação solar proveniente do sol Energia solar Bases astronómicas e meteorológicas

5 6.3.3 Mudanças climáticas e as suas consequências Argumentos a favor dos sistemas solares Iniciativa Pública Água Quente Solar para Portugal 6.4 Energia Calorífica 6.5 Energia mecânica 6.6 Bioenergia Bioenergia - energia proveniente do sol Fontes de energia eficientes Uso a longo prazo Tipos de biomassa Fontes de biomassa Culturas para fins energéticos Resíduos agrícolas e florestais Sub-produtos orgânicos Resíduos orgânicos Tipos de fontes de bioenergia Fontes de biomassa sólida Fontes de biocombustíveis líquidos Óleo vegetal natural Biodiesel Etanol Fontes de biocombustíveis gasosos Possíveis usos técnicos Fontes de biomassa sólida Produção de calor Combustão de fontes sólidas de biomassa Geração combinada de calor e energia Motor de ignição a gás Motor gás-diesel Motor de injeção a diesel 7. Setor Doméstico 7.1 Como poupar energia em casa? Casa-de-banho: Cozinha Quarto Despensa

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7 1 INTRODUÇÃO manual de boas práticas Com o apoio do FEDER Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional e através do Programa Operacional Regional do Centro, a Associação Empresarial de Águeda (AEA) está a desenvolver, em parceria com outras entidades relevantes nos meios científicos e tecnológicos da região, um projeto conjunto de implementação de medidas de eficiência e racionalização energética, a aplicar em 15 empresas selecionadas, estando, ainda, prevista formação nessas áreas, para além de ações de divulgação e sensibilização em empresas, escolas e sociedade em geral. A ideia de desenvolver um projeto desta natureza resultou da constatação do peso crescente da fatura energética na estrutura de custos das empresas industriais, bem como da imposição legal da elaboração de Planos de Racionalização de Consumos de Energia (PRCE). A eficiência energética assume, cada vez mais, um papel relevante na gestão das empresas, na medida em que contribui diretamente para a competitividade das unidades industriais. De acordo com o Decreto-Lei nº 71/2008, de 15 de abril, as empresas que no ano civil imediatamente anterior tenham tido um consumo energético superior a 500 toneladas equivalentes petróleo (500 tep/ ano), são obrigadas a realizar auditorias energéticas e a elaborar Planos de Racionalização de Consumos de Energia (PRCE). Como qualquer fator de produção, a energia deve ser gerida contínua e eficazmente, devendo o processo começar pelo diagnóstico da empresa. A auditoria energética é a radiografia ao desempenho energético da unidade fabril. Através dela, avalia-se quanta energia é efetivamente consumida e de que forma é essa energia utilizada, estabelecem-se os principais fluxos e identificam-se os setores ou equipamentos onde é prioritário atuar. De acordo com o mesmo decreto-lei, a auditoria energética é uma obrigação legal, surgindo, assim, como um instrumento fundamental, que o gestor de energia possui para contabilizar os consumos de energia, a eficiência energética dos seus equipamentos e as perdas que se verificam, tendo como finalidade última reduzir essas perdas sem afetar a produção, isto é, economizar energia através do uso mais eficiente da mesma, dando, depois, lugar aos já referidos Planos de Racionalização do Consumo de Energia. O manual de boas práticas é o culminar das auditorias energéticas, sendo elaborado com a participação de todos os parceiros. O presente manual aponta melhores práticas na utilização do: Ar comprimido; Na iluminação; Na correção do fator potência; Na utilização da energia renovável; No utilização da energia no setor doméstico 7

8 2 AR COMPRIDO O ar comprimido é um fluido de utilização intensiva em inúmeras empresas industriais como: Controlo e a instrumentação; Acionamentos pneumáticos; Sopragens; Limpezas; Formas de Produção de Ar Comprimido. Muito embora se trate duma forma cómoda e segura de "transmitir" energia a um processo, o seu custo é, normalmente, mais elevado do que a utilização direta de energia elétrica ou hidráulica. É frequente encontrarem-se instalações de ar comprimido em que o consumo elétrico dos respetivos compressores de ar, representa mais de 10% do consumo global de eletricidade da unidade industrial. Face aos elevados custos energéticos do ar comprimido, devem ser adotadas as seguintes medidas de otimização e racionalização: Desligar o compressor nos períodos de paragem, como pausa para refeições e períodos de não laboração; Produzir o ar comprimido a uma pressão mínima de laboração, uma vez que os consumos energéticos aumentam quase proporcionalmente com a pressão; Escolher um compressor de ar corretamente dimensionado para as necessidades do processo; Garantir que o ar aspirado pelo compressor é limpo e frio. A manutenção periódica do compressor (limpeza de grelhas, filtros, lubrificação, etc.) e também essencial para um funcionamento perto dos valores de fábrica; A eliminar todas as fugas de ar é imprescindível para a redução do consumo energético; Evitar velocidades de escoamento do ar superiores a 6 m/seg, utilizando, para esse efeito, diâmetros de tubagem dimensionados com folga suficiente; este sobredimensionamento da tubagem, para além de garantir menores perdas de carga, permite também, fazer face a um eventual aumento de consumo de ar na instalação; Evitar o mais possível, curvas e outros acidentes no traçado da rede. Nos troços retos, adotar uma inclinação apropriada, que permita o escoamento da água condensada na tubagem; para isso, deverão também instalar-se purgadores, nos pontos mais baixos da rede, e proceder, regularmente, à verificação do correto funcionamento destes dispositivos. Remover, ou isolar convenientemente com válvula (ou tampão), eventuais troços da rede de distribuição, que deixaram de ser utilizados; Verificar regularmente, o correto funcionamento dos equipamentos e ferramentas pneumáticas, e cumprir os prazos de manutenção recomendados. Regular a pressão de trabalho em função da utilização; o recurso a eventuais válvulas redutoras de pressão, localizadas junto dos utilizadores, traduz-se sempre por uma economia de energia, a par duma melhoria na segurança de manuseamento. Um caso típico, são as pistolas pneumáticas usadas para limpeza e/ou secagem de materiais ao longo do processo, equipamentos que, normalmente, trabalham com uma pressão de ar demasiado elevada, contribuindo para grandes desperdícios de energia; nestes casos deverão ser ensaiadas pressões de trabalho mais baixas (mantendo o nível de satisfação desejado) 8

9 pois, por exemplo, uma pistola regulada a 1.4 bar, consome um terço do ar, que uma outra que labora a 6.2 bar; Instalar electroválvulas nos equipamentos principais consumidores de ar, por forma a isolá-los convenientemente, quando os mesmos se encontram fora de serviço. 2.1 Medidas sem Custos de Utilização de Ar Comprimido a. ajustar a pressão de utilização Produção de 1 m2 fig 1 Se tivermos um compressor a 8,5 bar e reduzir para 5,5 bar a a redução será de 0,02 kwh. O que para um dia tipo de 7 horas e 8m3 corresponderia a uma poupança de 4,12 /dia. Face aos elevados custos (e consumos) energéticos que estão associados à produção deste fluido, a deteção sistemática e a posterior eliminação das fugas de ar, deverão constituir uma das rotinas da manutenção; esta deverá ser implementada de forma regular, com uma periodicidade que não deverá ir além duma semana. b. eliminação de fugas de ar Diâmetro do orifício Caudal de ar mm 6 bar m3/min 7 bar m3/min 1 0,06 0,07 3 0,6 0,7 5 1, ,3 7 fig 2 Para uma laboração de 8 horas diárias, com uma rede sujeita a uma pressão de 6 bar, implicaria uma poupança de 1.6m3/min, que corresponde a um gasto energético de 72.98KWh e a um gasto económico de 5.10 /dia. 9

10 3 ILUMINAÇÃO Uma instalação de iluminação bem implementada pode contribuir para a rentabilidade de uma atividade, permitindo: ganhos financeiros: estar atento à qualidade de iluminação deve conduzir a uma reflexão sobre os custos de exploração e de manutenção da instalação; ganhos de produtividade: iluminar bem contribui para melhorar as condições de produção e o controle de qualidade; ganhos sociais: pela redução do desconforto, da fadiga visual e de riscos de acidentes; ganhos ambientais: com uma boa iluminação há menos energia consumida e, com frequência, menos lâmpadas utilizadas para recolher e tratar; 3.1 Iluminação em instalações industriais Pavilhões com altura inferior a 6 metros: utilização de balastros eletrónicos As grandes superfícies industriais ou comerciais, com altura inferior a 6 m, com duração de iluminação muito longa devem ser tratadas com lâmpadas fluorescentes de alto rendimento, pelas seguintes razões: poupança de energia e redução da potência instalada: o balastro eletrónico consome duas a três vezes menos do que o balastro ferromagnético; reduz também o consumo da lâmpada (uma lâmpada de 58 W passa a consumir apenas 50 W); ganho em qualidade e quantidade de luz: as lâmpadas acendem instantaneamente, não produzem efeito estroboscópico, perigoso no caso de existirem máquinas optativas; o seu rendimento luminoso é aumentado em mais de 20%; no fim da duração de vida as lâmpadas são automaticamente desligadas (deixa de haver cintilação de lâmpadas em defeito); aumento da duração de vida das lâmpadas: o balastro eletrónico protege a lâmpada contra variações de tensão ou curto-circuito. A regulação da alimentação aumenta a duração de vida da lâmpada em 50%, o que reduz os custos de manutenção e o número de lâmpadas a substituir Pavilhões com alturas superiores a 6m: lâmpada de vapor de sódio de alta pressão As instalações com altura superior a 6 m, é, na maior parte das vezes, mais económico optar por outras lâmpadas de descarga: as de vapor de sódio de alta pressão: pelo seu excelente rendimento luminoso (mais de 100 lm/w) e a sua longa duração de vida (até horas); as de iodetos metálicos: se a natureza da atividade exigir uma luz branca ou uma melhor qualidade de restituição de cores; as lâmpadas de indução: graças à sua excecional duração de vida (60000 horas) são particularmente adequadas nos casos em que os custos de manutenção são elevados (dificuldade 10

11 de acesso ou necessidade de interromper a produção) A quantidade de luz adequada É bom dispor de quantidades importantes de luz natural, mas esta luz modifica-se com frequência e, conforme existirem ou não nuvens, a iluminação pode tornar-se insuficiente. Se não é encarado deixar as armaduras ligadas permanentemente, a solução muito rapidamente rentável e económica consiste em ajustar o nível de iluminação artificial em relação com a disponibilidade de luz natural: uma célula fotoelétrica instalada no local, associada a balastros eletrónicos de regulação de fluxo, permite obter um ajuste em tempo real da iluminação da zona de trabalho: se estiver tempo claro, a contribuição da iluminação artificial diminui; se estiver tempo mais sombrio, as lâmpadas retomam um fluxo luminoso mais elevado. Este sistema permite economizar 20% no consumo de energia elétrica. O investimento suplementar é assim rapidamente rentabilizado Armaduras estanques A resposta em termos da qualidade da armadura deve ser proporcional e adaptada aos riscos existentes: as condições de utilização das armaduras industriais são muitas vezes difíceis, e existem específicos dedicados a cada tipo de risco: choques mecânicos, corrosão, ambientes explosivos, humidade, poeiras, etc. No projecto de iluminação, que inclui o caderno de encargos da instalação, estes riscos devem ser bem identificados; um aparelho estanque standard não constitui uma garantia universal para os problemas ambientais e a armadura mais resistente aos choques mecânicos não é forçosamente a melhor adaptada para uma atmosfera química (ácidos lácticos, gasóleo, etc.) Luz e controle de qualidade Mais de 70% das informações que recebemos são-nos transmitidas pela visão. O posto de controle de qualidade merece portanto um nível de iluminação muito elevado e uma instalação de iluminação que garanta um muito bom conforto visual aos operadores na pesquisa do mais pequeno defeito. Os riscos de encandeamento e os reflexos controlados pelo uso de óticas de baixa ou muito baixa luminância, são muito reduzidos, condição indispensável para garantir a qualidade do controle. Enfim, as lâmpadas devem apresentar um índice de restituição de cores pelo menos igual a 85, principalmente se for necessário apreciar a qualidade das cores. A iluminação interior é em geral realizada com lâmpadas fluorescentes. Para funcionar, estas lâmpadas têm necessidade de equipamento auxiliar, que tem um consumo próprio. Por exemplo, uma lâmpada de 58 W alimentada por um balastro ferromagnético standard consome cerca de 12 W suplementares. As lâmpadas com balastro eletrónico são mais caras, mas as suas características 11

12 permitem realizar importantes economias de consumo. Sem contar que estes balastros permitem às lâmpadas emitir mais luz, e portanto menos armaduras a instalar para um resultado igual. Além disso, os balastros eletrónicos prolongam a duração de vida das lâmpadas em cerca de 50%: as intervenções de manutenção (substituição das lâmpadas) são portanto menos frequentes. Os custos de manutenção tornam-se portanto mais reduzidos e a solução que parece à partida mais custosa revela-se como a mais rentável no balanço global. De facto o balastro eletrónico constitui um primeiro nível do equipamento: permite em seguida por em Ação um ou mais sistemas de comando automático da iluminação, adiante indicados. Várias configurações de gestão da iluminação permitem uma redução dos consumos até 50%. Ganhos de 70% podem ser obtidos com configurações mais complexas: armadura com balastro eletrónico: permite poupar até 25%; armadura com balastro eletrónico e com regulação manual: permite poupar até 35%; armadura com balastro eletrónico, e programação por interruptor horário: permite uma poupança até 35%; armadura com balastro eletrónico, com regulação de fluxo luminoso e deteção de presença: permite uma poupança até 40%; armadura com alimentação eletrónica, com regulação de fluxo e célula de gestão de luz: permite uma poupança até 50%. Divisão adequada dos circuitos de iluminação A maior ou menor divisão dos circuitos de iluminação, ou seja o número de lâmpadas que é controlado por um mesmo disjuntor / interruptor é, em muitos casos, uma condicionante importante das potencialidades de racionalização energética dos sistemas de iluminação. Cada situação necessitará de uma análise crítica individual. No entanto recomenda-se, como medida de carácter geral, a colocação de um interruptor para controlar, no máximo, 3 a 6 pontos de luz. Nas situações em que o controlo desta iluminação é realizado de forma manual, a localização dos vários interruptores revela-se também importante para a implementação de algumas boas práticas, podendo optar-se por centralizar ou descentralizar os vários comandos. Nos casos em que haja apenas um responsável pelo acionamento dos sistemas de iluminação, deverá optar-se por centralizar vários interruptores, em um ou dois locais; pelo contrário, quando é o pessoal do próprio sector que controla a sua iluminação geral, o comando desta deverá estar na própria secção, sob pena de ser ligada, ou desligada, apenas no início e no fim do período de trabalho. Relativamente à iluminação localizada dos postos de trabalho, idealmente o seu controlo deverá ser individual, por forma a poder ser desligada em todas as situações de interrupção do trabalho, mesmo nas pequenas paragens. Desligar os sistemas de iluminação nos períodos de paragem é boa prática, de aplicação generalizada a todas as áreas em que se regista consumo energético, assume também grande importância ao nível da iluminação. 12

13 É frequente encontrarem-se sistemas de iluminação que são mantidos em funcionamento, total ou parcial, quer durante as paragens de almoço, quer mesmo à noite e ao fim de semana. Para evitar este desperdício energético é necessário criar procedimentos e estabelecer rotinas, no sentido de que todos os circuitos de iluminação sejam desativados em períodos de inatividade. Mesmo no caso das lâmpadas fluorescentes, cuja vida útil diminui um pouco, com a frequência de acendimentos, esta prática justifica-se sempre que o período de paragem seja superior a cerca de 15 / 20 minutos. Nos casos em que o horário de funcionamento assuma um carácter rígido e bem definido, a solução mais eficiente consiste em instalar sistemas simples de controlo automático da iluminação, por exemplo interruptores horários, eliminando-se potenciais situações de esquecimento. Instalar sistemas automáticos de controlo por muito rígida que seja a implementação de procedimentos manuais, o recurso a sistemas automáticos de controlo é, na maioria dos casos, a forma mais eficiente de gerir os circuitos de iluminação. Estes sistemas automáticos permitem otimizar a utilização das instalações de iluminação, resultando normalmente em economias de energia significativas, sem prejuízo dos níveis de conforto visual necessários em cada local e/ou atividade. Os sistemas de utilização mais generalizada são do tipo tudo ou nada, podendo ser acionados por interruptor horário, por detetor de presença ou por fotocélula sensível ao nível de luminosidade. Uma das utilizações mais comuns deste tipo de sistema, consiste no controlo da iluminação de zonas exteriores, recorrendo-se a interruptores crepusculares, que ligam e desligam esta iluminação, respetivamente, ao cair da noite e ao início da manhã. Esta solução, de baixo custo, garante uma eficiência máxima, devendo ser aplicada em todas as áreas exteriores. É mais vantajosa que os sistemas mais antigos por interruptor horário, pois estes obrigam a uma intervenção manual, para ajustamento do relógio ao longo do ano, sendo por isso menos eficientes e mais falíveis. Em espaços interiores qualquer dos sistemas de controlo referidos pode ser aplicado, dentro das seguintes condições: o controlo por temporização, por interruptor horário, embora seja menos flexível e mais limitado que os restantes, continua a ser uma boa solução em instalações que tenham um funcionamento bem definido, podendo ser utilizado para desligar a iluminação no final do dia, na paragem para almoço, e ao fim de semana; os detetores de presença são normalmente utilizados em zonas pouco frequentadas (sanitários, armazéns, arrumos, caves, etc.) e atuam apenas, como o nome indica, quando detetam a presença de alguém na respetiva área, garantindo uma utilização mínima da iluminação no local; 13

14 o controlo por fotocélula é aplicável em locais que disponham de boa iluminação natural, e permite gerir racionalmente o funcionamento dos circuitos de iluminação geral; a fotocélula poderá ficar colocada, quer no exterior, quer no interior, junto a uma janela, ou noutro local que se pretenda utilizar como referencial de luminosidade; A aplicação destas fotocélulas a sistemas de controlo tudo ou nada deve, no entanto, ser combinada com uma boa iluminação localizada dos postos de trabalho, pois caso contrário o corte brusco da iluminação geral dos setores pode dar origem a problemas vários, como por exemplo, quebras de produção e mesmo acidentes de trabalho. Para além dos sistemas mais vulgares tudo ou nada, existem atualmente sistemas de controlo por regulação do fluxo luminoso que embora de maior custo constituem muitas vezes a solução mais eficiente, quer do ponto de vista energético, quer da produtividade e da própria segurança. Estes sistemas permitem regular o fluxo luminoso de forma contínua, sendo igualmente controlados por uma fotocélula, que em função do nível de iluminação natural, ajusta o fluxo da iluminação artificial, por forma a manter constante o valor da luminosidade pretendido no local; desta forma evitam-se os problemas dos sistemas tudo ou nada, com economias de energia significativas. O desenvolvimento dos balastros eletrónicos veio facilitar a aplicação deste tipo de controlo às armaduras fluorescentes, com resultados muito positivos, ao nível do seu consumo elétrico Sensores de luz natural e regulação de fluxo Quando há luz natural em quantidade suficiente as filas de armaduras junto das janelas são desligadas e as restantes operam com uma regulação de fluxo de valor adequado. Pode-se poupar energia adicional através do uso de detetores de movimento ou de presença ou de interruptores horários, que desligam a iluminação quando não há trabalho no local. Para locais com pouco movimento, por exemplo corredores, existem atualmente balastros eletrónicos, que, associados a detetores de movimento, permitem efetuar com eficiência grandes poupanças de energia neste tipo de locais. Em vez de se desligar completamente a iluminação, na ausência de pessoas, é efetuada uma regulação de fluxo luminoso para cerca de 10%. Desde o momento em que alguém entre no local, o fluxo luminoso é novamente regulado para 100%. A temporização para a diminuição de fluxo luminoso pode ser regulada pelo detetor de movimento. A velocidade de diminuição do fluxo luminoso é uma função do balastro eletrónico. Esta função é designada por corridor function e requer sempre a associação de balastros eletrónicos com regulação de fluxo a detetores de movimento. 14

15 3.1.7 Cálculo Tipo de local Pot. (W/m2) Armazenamento e arquivos 6 Halls e corredores 12 Outros locais com área >30 m2 15 Outros locais com área <=30 m2 18 Locais que requerem uma iluminância média de exploração de mais de 600 lux ou local no qual a iluminação geral não é suficiente para assegurar o conforto visual local com menos de 30 m2 4 W/m2, por 100 lux local com mais de 30 m2 3 W/m2, por 100 lux Para além dos sistemas mais vulgares tudo ou nada, existem atualmente sistemas de controlo por regulação do fluxo luminoso que embora de maior custo constituem muitas vezes a solução mais eficiente, quer do ponto de vista energético, quer da produtividade e da própria segurança. Estes sistemas permitem regular o fluxo luminoso de forma contínua, sendo igualmente controlados por uma fotocélula, que em função do nível de iluminação natural, ajusta o fluxo da iluminação artificial, por forma a manter constante o valor da luminosidade pretendido no local; desta forma evitam-se os problemas dos sistemas tudo ou nada, com economias de energia significativas. 15

16 4 MOTORES 4.1 Utilização eficiente de energia em motores Os motores de indução representam 90% do consumo de energia em força motriz; Nos países desenvolvidos os motores consumem metade da energia elétrica; Os sistemas que integram motores têm potenciais elevados de poupança de energia elétrica. 4.2 Aplicações típicas de motores Bombas Compressores Ventiladores Moinhos Misturadores Elevadores Bombas Compressores Ventiladores Moinhos Misturadores Elevadores 4.3 Sistemas de força motriz Em geral os sistemas de força motriz podem integrar 4 módulos: Variador Eletrónico de Velocidade (VEV); Motor Elétrico; Transmissão mecânica; Dispositivo de uso final. 4.4 Utilização eficiente dos motores Dimensionamento correto dos motores Utilização de motores de alto rendimento; Utilização de transmissões mecânicas de baixas perdas; Utilização de variadores eletrónicos de velocidade para adaptar o regime de trabalho às flutuações de carga; Otimização das condições de funcionamento. 16

17 4.5 Perdas e Rendimento As perdas num motor de indução correspondem à energia que não é convertida em trabalho útil, e que é transformada em calor; As perdas não só contribuem para a redução do rendimento do motor, mas também vão provo car um aumento da sua temperatura; Um aumento excessivo de temperatura pode conduzir a uma redução substancial da vida do motor. 4.6 Perdas típicas nos motores Tipo de perdas Localização Dependência Valor perdas no cobre condutores do retrator e rotor crescem rapidamente com a carga 18% rotor 37% estrator perdas no ferro circuito magnético constantes e independentes da carga 20% perdas mecânicas rolamentos, ventoinha e parte rotativa perdas devidas a constantes e independentes da carga saturação de ferro; constantes e perdas suplementares acabamento das superfícies independentes da 16% do entreferro; carga harmónicos fig Desvantagens do sobredimensionamento Menor rendimento: o rendimento dos motores reduz-se substancialmente, especialmente nos motores mais pequenos; Menor fator de potência: o fator de potência degrada-se rapidamente a partir da plena carga; Maior custo da instalação do motor, da aparelhagem de acionamento associada (contatores, arrancadores, etc.). 4.8 Motores de alto rendimento Aspetos menos positivos no funcionamento de um motor de alto rendimento, causados pela menor resistência do rotor: Diminuição do binário de arranque => problemas em cargas com elevada inércia; Aumento da corrente de arranque, o que pode ter implicações no dimensionamento da ali mentação e acionamento do motor; Diminuição do escorregamento, ou seja um pequeno aumento da velocidade do motor. 9% 17

18 4.9 Motores de Alto Rendimento Exemplo Motores de 10hp podem apresentar velocidades à plena carga de 1460 RPM ou 1450 RPM, para motores de alto rendimento e standard respetivamente. Em bombas e ventiladores => a carga e o consumo sobem, anulando uma parte substancial da economia obtida com a introdução do motor de alto rendimento (a carga das bombas e ventiladores centrífugos cresce aproximadamente com o cubo da velocidade). Há possibilidade de evitar este aumento de carga através de ajustamentos na transmissão, na bomba ou sobretudo utilizando o controlo eletrónico de velocidade Decisão de Instalação de Motores de Alto Rendimento Instalação de um novo equipamento ou motor Para um uso superior a 2000h/ano um EEM é normalmente vantajoso (EEM vs Standard) O motor existente avariou Precisa de ser rebobinado. Se tem um número elevado de horas de funcionamento por ano, deverá ser considerada a sua substituição por um EEM. A diferença no investimento é significativamente maior que no caso anterior O motor existente está fortemente sobredimensionado Se o motor tem um número elevado de horas de funcionamento por ano, deverá ser considerada a sua substituição por um EEM com uma potência não excedendo o máximo da potência mecânica requerida Reparação/Rebobinagem Fatores de índole técnica e económica que devem ser pesados aquando da decisão de reparar/substituir: Apurar previamente o estado geral do motor danificado a fim de prever em que condição ficará após a reparação; Preço do motor e da reparação; Número de horas de operação; Fator de carga; Custo da eletricidade; No caso da substituição, e assumindo que um motor reparado sofre uma quebra de rendimento de 1%, a compra de um EEM é normalmente vantajosa do ponto de vista do tempo de retorno do capital investido ("payback time") e em termos de tempo de vida do motor. 18

19 Controlo de Velocidade Uma grande parte das aplicações em que se utiliza força motriz beneficiaria, em termos de consumo de eletricidade e desempenho global, se a velocidade do motor se ajustasse às necessidades do processo. Conduz em geral a uma poupança substancial de energia Aplicações com carga variável ou parcial Representam 60% das aplicações de força motriz na indústria, e 80% no setor terciário. ventiladores bombas máquinas de lavar elevadores serras de bancada compressores desumidificadores condicionadores de ar correias transportadoras má uinas q neumáticas p escadas rolantes etc fig Bombas e Ventiladores Os métodos convencionais de controlar caudais em bombas e ventiladores baseiam-se no uso de dispositivos de estrangulamento (válvulas, persianas, etc.) que restringem o caudal mas introduzindo simultaneamente perdas consideráveis Métodos Convencionais de Controlo de Velocidade A velocidade de saída de um motor depende de: caixas de velocidade com engrenagens; sistemas de correia com polias de diâmetro variável; embraiagens excêntricas de disco seco; transmissões hidráulicas; embraiagens eletromagnéticas; caixas de velocidade com engrenagens; sistemas de correia com polias de diâmetro variável; embraiagens excêntricas de disco seco; transmissões hidráulicas; embraiagens eletromagnéticas Variadores Eletrónicos de Velocidade (VEVs) Os VEVs convertem a tensão da rede de 50 Hz numa tensão contínua e em seguida numa tensão com frequência variável sob controlo externo do utilizador que pode ir de 0 a 150 Hz consoante o tipo de aplicações. 19

20 Diagrama geral dos variadores eletrónicos de velocidade que utilizam inversores na saída ligação DC alimentação trifásica retificador CA para CC filtro inversor CC para CA com frequência e tensão variável motor fig 5 Poupanças anuais e payback Poupança = 1 STD 1 EEM P N N kwh Payback = Diferença de Preço Poupança anual hstd - Rendimento do Motor Standard heem - Rendimento do Motor de Alto Rendimento PN - Potência Nominal do Motor N - Nº de horas de funcionamento por ano /kwh - Preço da eletricidade 20

21 5 FATOR POTÊNCIA manual de boas práticas 5.1 Energia Reativa, Potência Ativa, Reativa e Aparente A intensidade da corrente elétrica absorvida pela maioria das instalações elétricas em unidades industriais, apresenta-se desfasada (geralmente em atraso) relativamente à tensão aplicada de um ângulo Φ, pelo que pode decompor-se em duas componentes: Componente Ativa Ia, em fase com a tensão de alimentação Us - tensão simples para cargas monofásicas; Uc - tensão composta para cargas trifásicas. Componente Reativa Ir, atrasada de 90º em relação à tensão de alimentação I = Intensidade Total Ia = I cos Φ Ir = I sen Φ Com a potência pode realizar-se uma composição do mesmo tipo. fig 6 Potência Ativa P, proporcional à componente ativa da corrente expressa em WATT (W) e definida através das seguintes relações: 21

22 Potência Reativa Q, proporcional à componente reativa da corrente expressa em Volt-Ampére Reativo (VAr) e definida através das seguintes expressões: Potência Aparente S, obtida através da soma vetorial de P e Q expressa em Volt-Ampére (VA) e definida através das seguintes expressões: 5.2 Fator de Potência Sendo o Fator de Potência cos Φ definido através do coseno do ângulo formado entre a potência ativa P e a potência aparente S. Dado a potência reativa Q circular nas linhas sem produzir trabalho útil, é desejável que ela seja reduzida ao mínimo. Isso obtém-se diminuindo o valor de sin Φ, ou seja diminuindo o valor de Φ, que corresponde a variar o fator de potência para valores próximos da unidade. A Ação pela qual se modifica o valor do ângulo de desfasamento Φ, de modo a que ao cos Φ se aproxime da unidade é designada por compensação do fator de potência. Um dos motivos da compensação do fator de potência é a rentabilização dos sistemas elétricos, quer a nível dos produtores/distribuidores de energia, quer a nível dos consumidores. O principal objetivo do produtor/distribuidor de energia é produzir, transportar e distribuir a maior quantidade de energia elétrica ativa com um mínimo de perdas e investimento. Daí que se tente reduzir ao mínimo o transporte de energia reativa através da rede pois esta só a irá sobrecarregar por não produzir trabalho útil. Como a origem dos baixos fatores de potência é a instalação elétrica de cada consumidor, e dado que os investimentos feitos pelo produtor/distribuidor de energia sobem bruscamente com a diminuição do fator de potência, este tem que penalizar o consumidor fazendo a cobrança de energia reativa que circula na rede devido aos baixos fatores de potência. Em Portugal o produtor/distribuidor permite que as instalações com fator de potência superiores a 0.93 não sejam penalizadas, não cobrando a energia reativa consumida (energia reativa indutiva). 22

23 Causa dos baixos Fatores de Potência É nas instalações de nível industrial e não tanto nas instalações domésticas onde se encontram os baixos fatores de potência. Isto devido à natureza das cargas e ao tipo de utilização das mesmas. Assim: Ao nível da iluminação, as lâmpadas fluorescentes têm um factor de potência bastante baixo na ordem dos 0.5, e para as outras lâmpadas de descarga (de vapor de mercúrio ou sódio), os fatores de potência variam entre os 0.4 e os 0.6. Normalmente, devido ao baixo fator de potência, as lâmpadas de descarga são fornecidas com dispositivo de compensação. São estes dois tipos de lâmpadas que mais se utilizam nas instalações industriais, embora se utilizem também de incandescência embora com pouca importância relativa. No que respeita à força motriz, em que se utilizam principalmente motores de indução, os fatores de potência são baixos na ordem dos 0.3 a 0.9, variando com a carga mecânica característica de construção e potência nominal. O fator de potência aumenta à medida que aumenta a potência nominal do motor, e é tanto maior quanto menor é o número de pares de pólos, isto é, a velocidade é maior. Quanto à variação do fator de potência com a carga mecânica, este atinge o seu valor máximo à plena carga e vai diminuindo à medida que a carga diminui, sendo o pior caso o da marcha em vazio. A influência das características construtivas dos motores no fator de potência quase não existe, a não ser no caso de reparações ou modificações. Outra máquina utilizada nas instalações elétricas industriais e que influencia o fator de potência, é o transformador de potência. Tal como os motores, também os transformadores têm melhor fator de potência à medida que a potência nominal aumenta. O fator de potência de um transformador, tal como nos motores, varia com a carga. Assim, para um transformador de fabrico corrente à plena carga a potência reativa absorvida ronda os 8% a 13% da potência nominal, em vazio a potência reativa absorvida não desce em geral abaixo dos 4% a 6% da potência nominal. Esta pequena variação de potência reativa absorvida em relação à variação da potência útil, traduz-se por uma queda do valor do fator de potência para baixos valores de carga. O fator de potência no transformador varia também com as características construtivas. Tanto para motores como para transformadores a elevação da tensão em relação ao valor nominal provoca um aumento do consumo de energia reativa, logo uma diminuição do valor do fator de potência Efeitos da energia reativa nas redes elétricas Os consumos excessivos de energia reativa, determinados por baixos valores do fator de potência, apresentam inconvenientes diversos que se traduzem geralmente em piores condições de exploração das instalações, dos quais se destacam: 23

24 Aumento das Perdas na Rede As perdas na rede são proporcionais ao quadrado da corrente total ( I ) e não apenas à componente ativa da corrente ( Ia ) Redução da vida útil dos equipamentos A ocorrência de sobrecargas frequentes provoca aquecimento excessivo nos dispositivos de comando e proteção das redes elétricas, encurtando a sua duração e comprometendo a segurança das instalações Penalizações Tarifárias Para satisfazer os pedidos de energia reativa, a empresa produtora (EDP) tem que proceder a investimentos suplementares ao nível da produção e da distribuição, que necessariamente se repercutem em condições tarifárias mais gravosas para os consumidores Subutilização da capacidade instalada A energia reativa, ao sobrecarregar uma instalação elétrica de baixo fator de potência inviabiliza a sua plena utilização, condicionando futuras ampliações. A entrada em funcionamento de novos equipamentos pode implicar investimentos vultuosos, que seriam certamente evitáveis se o fator de potência apresentasse valores suficientemente altos para reduzir significativamente o pedido de energia reativa à rede. Os investimentos referidos reportam-se normalmente à utilização de transformadores de maior potência que o necessário (veja-se o exemplo da tabela abaixo), ou a aparelhagem sobredimensionada. Potência útil absorvida (kw) 800 fig 7 Variação da Potência dos transformadores em função do Fator de Potência Fator de potência Potência dos transformadores (kva) 0, , ,0 800 fig 8 24

25 5.2.4 Cabos de maior secção Para transportar a mesma potência ativa com o menor nível de perdas nos condutores, a secção destes tem que aumentar nos termos indicados na Tabela seguinte, à medida que o fator de potência diminui. Variação da Secção Relativa dos Condutores com o cos Φ Secção Relativa Fator de Potência fig 9 De acordo com a tabela anterior, verifica-se que, para um fator de potência à volta de 0,7, situação frequente em muitas instalações industriais, a secção dos condutores necessita ser dupla da necessária para um fator de potência unitário. Quando uma instalação absorve uma potência próxima do valor para que foi dimensionada, os circuitos ficam de imediato sujeitos a sobrecarga se o fator de potência baixa. Quando isto acontece ou quando se instalam novos equipamentos, aumentando assim a potência instalada, verifica-se que a atitude normalmente tomada pelos utilizadores consiste em instalar novos circuitos para redistribuição das cargas. Contudo, seria economicamente mais vantajoso fazer subir o fator de potência ao nível de cada recetor, evitando assim o trânsito de energia reativa pelos cabos de alimentação, reduzindo as perdas energéticas por aquecimento e incrementando a sua capacidade de transporte Fatores de Potência dos recetores mais usuais É importante conhecer o fator de potência dos recetores que mais correntemente se encontram na indústria, tendo em vista avaliar a sua influência no pedido de energia reativa à rede de distribuição. Na tabela seguinte indica-se alguns dos fatores que exercem a maior influência na variação do cos Φ para os equipamentos elétricos mais utilizados. 25

26 Motores 0,17 a 0,85 Transformadores 0,85 a 0,98 Fornos de indução 0,85 Lâmp. Fluorescentes 0,5 Lâmp. de Descarga 0,4 a 0,6 fig Determinação do Fator de Potência Para se melhorar o Fator de Potência de uma instalação ou de um recetor, é importante proceder à sua determinação nos locais mais adequados. Utilizando fasímetros de pinças portáteis (como ilustra a figura), podem efetuar-se medidas junto de cada equipamento, selecionando aqueles que carecem de correção individual. Nos Quadros Parciais mais importantes e no Quadro Geral da instalação é recomendável a utilização de fasímetros fixos, que representam um investimento pouco significativo face às vantagens decorrentes da sua utilização. 5.3 Como compensar o Fator de Potência Como se disse, a compensação do fator de potência traz grandes vantagens não só para o produtor mas também ao consumidor, permitindo a este menores encargos com a energia e melhor rendimento dos sistemas elétricos. Há duas maneiras de conseguir com que o fator de potência seja melhorado num circuito de utilização: Reduzindo o consumo de energia reativa. Compensando artificialmente o consumo de energia reativa. Como se sabe, um grande consumo de energia reativa conduz a um fator de potência baixo, o que significa na prática que se está a desperdiçar uma quantidade de energia sem produzir trabalho útil. Esta situação é prejudicial não só ao produtor e consumidor de energia mas também à economia, especialmente nos países que, como Portugal, importam de terceiros quase toda a energia primária para transformar em energia elétrica. Referimos duas maneiras de melhorar o fator de potência. No entanto, só uma delas é frequentemente usada, a compensação artificial recorrendo à utilização de condensadores estáticos, que corresponde em associar ao recetor que queremos compensar um elemento capacitivo que lhe vai fornecer a energia reativa necessária. A solução de reduzir o consumo de energia reativa apresenta-se mais complexa, dado que requer um conhecimento detalhado, não só do regime de trabalho das cargas, como também das modificações 26

27 a efetuar nas instalações de modo a permitir uma distribuição de funcionamento das cargas com bom e mau fator de potência que no conjunto permitam bons valores de fator de potência. Para fazer a compensação liga-se um condensador em paralelo com a carga indutiva, de tal forma que as componentes reativas da carga e do condensador tendem a compensar-se. Essa compensação pode ser parcial, caso a componente capacitiva não anule totalmente a componente indutiva, ou total no caso de as duas componentes se anularem mutuamente obtendo-se um fator de potência unitário. Este último caso corresponde à melhor situação possível em que só circula a potência ativa. Neste sentido, e considerando que a compensação do fator de potência influencia a redução do consumo de energia primária necessária para a produção de energia elétrica, a compensação do fator de potência pode ser considerada como uma forma de condicionamento da procura de eletricidade Modos de compensação do Fator de Potência Na compensação do fator de potência, antes de colocar os condensadores há que fazer um estudo rigoroso da instalação de forma a que se escolha a melhor localização possível para estes. Entretanto as soluções possíveis devem estar entre as seguinte Compensação Individual É efetuada ligando os condensadores junto ao equipamento cujo fator de potência se pretende melhorar. Representa, do ponto de vista técnico, a melhor solução, apresentando as seguintes vantagens: Reduz as perdas energéticas em toda a instalação, diminuindo os encargos com a energia elétrica; Diminui a carga sobre os circuitos de alimentação dos equipamentos compensados; Melhora os níveis de tensão em toda a instalação. No entanto, este método, apresenta as seguintes desvantagens: As despesas de instalação são maiores do que nas outras opções; É difícil ajustar a potência de compensação de qualquer equipamento para as potências normalmente disponíveis no mercado. fig 11 27

28 Compensação por grupos de recetores A bateria de condensadores é instalada por forma a compensar um sector, ou um conjunto de máquinas. É colocada junto ao Quadro Parcial que alimenta esses recetores. A potência necessária será menor que no caso da compensação individual, o que torna a instalação mais económica Compensação geral A bateria de condensadores é instalada à saída do transformador ou do Quadro Geral se a instalação for alimentada em Baixa Tensão. Utiliza-se em grandes instalações elétricas, com um grande número de recetores de potências diferentes e regimes de utilização pouco uniformes. fig Compensação combinada Em muitos casos, utilizam-se conjuntamente os diversos tipos de compensação, conforme se ilustra na figura seguinte: fig 13 28

29 Compensação com regulação automática Nas formas de compensação geral e por grupos atrás referidas, é usual utilizar-se uma solução em que os condensadores são agrupados por escalões controláveis individualmente. Um relé barimétrico, sensível às variações de energia reativa, comanda automaticamente a ligação dos condensadores necessários à obtenção do cos Φ desejado. Obtém-se deste modo uma adaptação imediata da compensação às variações de carga, evitando-se o envio de energia reativa para a rede de distribuição. Se considerarmos por exemplo, o caso de uma fábrica onde se chegou à conclusão de que é necessário fazer a compensação do fator de potência, o estudo prévio vai debruçar-se sobre a localização dos condensadores, tendo que se ponderar os prós e os contras da localização em diversos pontos, correspondentes às compensações referidas antes: No quadro geral da fábrica; No quadro parcial de um grupo de motores; Em cada motor ou carga isolada Aspetos técnico-económicos e alguns benefícios de uma compensação Nesta análise há que ter em consideração diversos aspectos técnico-económicos dos quais podemos salientar os seguintes: O preço dos condensadores é para uma potência igual, mais baixo em média tensão que em baixa tensão. Mas em contrapartida, a aparelhagem de comando é mais cara em média tensão; O preço e despesas de instalação são menores para uma bateria única de grande potência do que para várias pequenas baterias espalhadas pela instalação; A comutação manual ou automática de baterias em escalões segundo a carga reativa a fornecer, encarece a aparelhagem mas melhora as condições de exploração, evitando a situação que muitas vezes não é tolerada pelo distribuidor de energia, que é o envio de energia reativa para a rede em períodos de vazio diagrama de cargas; A compensação descentralizada diminui as perdas, o que deve ser contabilizado nos benefícios. A análise das vantagens e desvantagens dos vários modos de compensação, pode ser mais ou menos exaustiva, dependendo dos critérios adotados. No entanto, a experiência tem conduzido a algumas regras gerais para que se obtenha uma compensação económica e eficaz, entre elas as seguintes: Deve-se colocar sempre que viável o gerador de VAr s no ponto da instalação onde se faz consumo da energia reativa, para evitar as perdas e quedas de tensão devidas ao transporte da componente reativa da corrente; Quando existem motores assíncronos de potências consideráveis ligados à rede, a compensação deve ser feita por meio de um condensador ligado nas vizinhanças do interruptor de manobra do motor; Se quiser fazer a compensação do fator de potência dum transformador, esta deve ser feita do lado da baixa tensão, e a potência do condensador não deve ultrapassar a correspondente ao 29

30 funcionamento em vazio do transformador, quando não automática; Em média tensão não é, regra geral, económico instalar baterias com menos de 240 KVAr. Acima de KVAr deve-se utilizar condensadores síncronos; A montagem dos condensadores não deve interferir no funcionamento das cargas que estes compensam. A compensação pode ser feita ao nível do quadro geral, dos quadros parciais ou ao nível das máquinas. A primeira solução é a mais aconselhável quando se tem por objetivo imediato a redução da faturação de energia reativa. No caso da compensação parcial e local, o objetivo não pode ser apenas o de diminuir a fatura de energia elétrica pela diminuição de Q, mas também o de melhorar o rendimento da própria instalação, pois que se a compensação é local deixa de circular energia reativa na própria instalação, diminuindo as perdas por efeito de joule e consequentemente a faturação de energia ativa. Permite ainda diminuir o investimento em cablagem de instalações novas, com a diminuição da secção dos condutores necessária para uma mesma potência ativa. Em contrapartida, a compensação descentralizada tem a desvantagem de ser mais cara, pelo que têm que se efetuar cálculos para verificar se o aumento do custo da descentralização compensa em relação ao acréscimo de vantagens obtidas. Sabe-se que nem sempre os motores estão a funcionar à plena carga, o que faz variar o seu fator de potência. Assim, para um dado nível de compensação definido admitindo o regime nominal de funcionamento, nada garante que o fator de potência se mantém num regime de carga diferente. O que acontece normalmente é que na situação de baixar a carga da instalação, ou em vazio, não só o fator de potência não é o mesmo, como podem ocorrer sobretensões perigosas se a capacidade ligada permanecer determinada para a carga nominal. Para resolver este problema utiliza-se a compensação automática, agrupando baterias de condensadores em escalões, e em função da carga e do fator de potência detetado e desejado, os condensadores são automaticamente controlados de modo a obter sempre o fator de potência dentro dos limites previamente estabelecidos. Chegados à conclusão que é aconselhável fazer a compensação, como calcular a potência dos condensadores a instalar. Um processo simples, essencialmente utilizado na compensação centralizada, é utilizar as faturas de energia e uma estimativa do número de horas de funcionamento Diversos benefícios devem ser considerados na ponderação de um investimento em compensação do fator de potência: Aumento da potência disponível na instalação. Diminuição dos encargos de manutenção. Com a compensação a instalação passa a funcionar melhor, sem sobrecargas, o que conduz a uma vida útil maior dos equipamentos e menor probabilidade de avarias. Diminuição da fatura de energia, quer por diminuição da energia reativa, quer por diminuição 30

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