UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS DE CURITIBA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA ÊNFASE ELETROTÉCNICA

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS DE CURITIBA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA ÊNFASE ELETROTÉCNICA ELISEU BURDA FELIPE MAFIOLETTI SCHUARTZ MAICON MIRANDA DA SILVA DESEQUILÍBRIO DE TENSÃO EM MOTORES DE INDUÇÃO E SEUS EFEITOS NA TEMPERATURA, EFICIÊNCIA E TORQUE. TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2011

2 1 ELISEU BURDA FELIPE MAFIOLETTI SCHUARTZ MAICON MIRANDA DA SILVA DESEQUILÍBRIO DE TENSÃO EM MOTORES DE INDUÇÃO E SEUS EFEITOS NA TEMPERATURA, EFICIÊNCIA E TORQUE. Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de TCC 1, do curso de Engenharia Industrial Elétrica Ênfase em Eletrotécnica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Joaquim Eloir Rocha, Dr. CURITIBA 2011

3 2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA DELIMITAÇÃO DO TEMA PROBLEMA E PREMISSAS OBJETIVOS OBJETIVO GERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS JUSTIFICATIVA PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ESTRUTURA DO TRABALHO CRONOGRAMA REFERÊNCIAS... 8

4 3 1 INTRODUÇÃO 1.1 TEMA Segundo Deckmann (2010), a qualidade de energia elétrica (QEE) possui características variadas a ser entregue pelas concessionárias de energia elétrica aos consumidores. A QEE pode ser definida pela forma como os consumidores fazem uso da energia elétrica. Esta forma de uso de energia abrange características como continuidade no fornecimento de energia e se, tal fornecimento, está em conformidade com o uso de parâmetros considerados como desejáveis para a operação segura tanto do sistema fornecedor de energia quanto das cargas consumidoras. Tais parâmetros a serem considerados são: flutuações de tensão, distorções harmônicas, variações de tensão de curta duração, variações de tensão de longa duração, transitórios rápidos e desequilíbrios de sistemas trifásicos. Segundo o órgão CSPE (CSPE, 1997), um sistema elétrico dito como ideal, deve possuir as seguintes características de operação em regime permanente: a) Perdas nulas na transmissão e distribuição; b) Fator de potência unitário nas cargas; c) Tensões e correntes alternadas, com formas senoidais; d) Amplitudes constantes nos valores nominais; e) Freqüência constante no valor síncrono; f) Tensões trifásicas equilibradas. Dentre dessas características, ressaltamos os problemas relacionados a tensões trifásicas equilibradas. Canha (2009) observa que o desequilíbrio de tensão em um sistema elétrico trifásico é uma condição na qual as fases apresentam tensão com módulos diferentes entre si, ou defasagem angular entre as fases diferentes de 120 elétricos ou, ainda, as duas condições simultaneamente. Uma das principais causas do desequilíbrio de tensão é a distribuição desigual de cargas monofásicas, que pode ser mudada continuamente através de um sistema de alimentação de três fases. Em sistemas elétricos de grandes centros urbanos existem pesadas demandas monofásicas, tais como iluminação. Áreas problemáticas, como em sistemas rurais, apresentam sistemas de energia elétrica com linhas de distribuição extensas, as quais contribuem para o desequilíbrio de tensão (VON JOUANNE e BANERJEE, 2001).

5 4 Instalações industriais e comerciais podem ter tensões equilibradas de alimentação de entrada, mas o desequilíbrio pode também se desenvolver dentro da construção, se suas cargas monofásicas não forem uniformemente distribuídas entre as três fases. Dentro de uma instalação do usuário, tensões desequilibradas também podem ser causadas por equipamentos e pela alta impedância das conexões (por exemplo, mau contato ou conexão solta) (VON JOUANNE e BANERJEE, 2001). Ramalhete e Simonetti (2009), afirmam que as alterações que ocorrem no sistema elétrico, em geral, provocam redução de vida útil e mau funcionamento de equipamentos elétricos instalados, tanto em escritórios, quanto em residências e plantas industriais. Nas plantas industriais, uma das cargas de maior aplicação é o motor de indução trifásico (MIT). No MIT, o ideal seria que o mesmo possuísse carga adequada em seu eixo, de tal sorte que, não se excedam às condições nominais de placa do motor.para não haver redução da vida útil no motor de indução trifásico é necessário que este seja alimentado através de um sistema de tensões equilibrado.. Como às vezes, não se verifica esta condição de carga adequada no eixo dos motores, Abreu e Emanuel (2002) informam que a cada 10ºC de elevação da temperatura do motor a vida útil do mesmo é reduzida pela metade. De acordo com Dymond e Stranges (2007), a presença de desbalanceamento de tensão afeta as perdas, a temperatura, o ruído, a vibração, a pulsação torcional e o escorregamento. As perdas nas barras rotóricas do motor aumentam e o calor adicional gerado espraia-se por todo o motor. Segundo Guedes (1994), a elevação de temperatura provoca a ruptura do material isolante e o conseqüente dano ao MIT Delimitação do Tema Serão feitos experimentos controlados em uma bancada de ensaios montada e/ou adaptada para essa finalidade. Os ensaios serão realizados com diferentes condições de carga: 50%, 75% e 100%. Serão emulados diferentes desequilíbrios de tensão: 2%, 4% e 6%. Será utilizado um motor trifásico de indução de baixa potência acoplado a um gerador que aplicará torque no eixo. A potência do motor e do gerador será definida no decorrer do trabalho. O desequilíbrio de fases será obtido pela inserção de resistências em série com um dos bobinados do motor.

6 5 Serão registrados o aumento de temperatura, a perda de rendimento e o efeito no torque em função do grau de desequilíbrio emulado. 1.2 PROBLEMA E PREMISSAS Considerando que as instalações industriais apresentam desequilíbrios nas tensões e que este desbalanceamento trifásico provoca, nos motores de indução trifásicos, menor eficiência, maior aquecimento, diminuição de torque e aumento de vibração, deseja-se mensurar três desses efeitos através de ensaios de laboratório. 1.3 OBJETIVOS Objetivo Geral Medir o impacto do desequilíbrio de tensão em um motor trifásico emulando desequilíbrios controlados e registrando o aumento da temperatura, a diminuição da eficiência e a perda de torque Objetivos Específicos Buscar e analisar referências que tratem do tema; Definir um transdutor de temperatura a ser utilizado na implementação; Determinar o método mais adequado de cálculo de torque no motor utilizado; Implementar ou adaptar um sistema motor-carga com o transdutor de temperatura; Realizar os ensaios e registrar os resultados; Discutir os resultados obtidos e concluir sobre o impacto do desequilíbrio no motor estudado. 1.4 JUSTIFICATIVA O trabalho proposto vai estudar os efeitos deletérios do desequilíbrio de tensão em motores de indução. O desequilíbrio de tensão é um fenômeno muito comum nas instalações industriais.. Segundo o catálogo de motores trifásicos de baixa tensão da Siemens (2011), os motores de indução são responsáveis por cerca de 50% da energia consumida pelas indústrias e é a principal força motriz utilizada pelas mesmas. Assim, este tema é de grande importância para a formação acadêmica dos autores e futura atuação profissional.

7 6 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS Serão delimitados o embasamento teórico do problema e a revisão bibliográfica através de livros, revistas e artigos científicos do segmento. Posteriormente, serão executados testes e ensaios no motor de indução trifásico WEG modelo 3 90L, 220/380V, para analisar os efeitos do desequilíbrio da tensão de alimentação do mesmo. O desequilíbrio de tensões nas três fases será simulado por uma resistência em série com o enrolamento de uma das fases, o qual irá variar de magnitude dependendo da queda de tensão desejada. As grandezas elétricas serão medidas por instrumentos existentes na UTFPR. A temperatura será mensurada por um transdutor de temperatura e monitorada por um software de instrumentação virtual. O torque será obtido por cálculo em função da potência de saída associada com a velocidade de rotação do sistema. A alteração no rendimento será avaliada pela medição da potência de entrada no motor e pela medição da potência na saída do gerador. 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO A estrutura desse trabalho está organizada em quatro capítulos principais, conforme descrito: O primeiro capítulo abordará a introdução geral com a descrição do problema, a justificativa para a resolução do problema, os objetivos gerais e específicos e o método de pesquisa adotado. O segundo capítulo será destinado às referências, onde estará todo o embasamento teórico necessário à realização desse projeto, abordando os assuntos relacionados ao motor de indução trifásico como seu funcionamento, as causas e efeitos do desequilíbrio da tensão de alimentação, o impacto no rendimento e na vida útil do motor devido às perdas térmicas e as tecnologias existentes para correção dos problemas. O terceiro capítulo será destinado aos testes e ensaios no motor. Com base nos dados levantados serão discutidos os resultados obtidos. No quarto capítulo constarão as considerações finais, considerando as análises feitas no terceiro capítulo.

8 1.7 CRONOGRAMA 7

9 8 1.8 REFERÊNCIAS ABREU, José P. Gonçalves, EMANUEL, A. E.; Induction Motor Thermal Aging Caused by Voltage Distortion and Imbalance: Loss of Useful Life and Its Estimated Cost; IEEE Transactions On Industry Applications, vol. 38, nº 1; 2002 CANHA, Luciane Neves; Avaliação dos Desequilíbrios de Tensão em Redes de Distribuição Secundária, Universidade Federal de Santa Maria, CBQEE, CSPE; Qualidade do Fornecimento de Energia Elétrica - Indicadores, Padrões e Penalidades;1997. DECKMANN, Sigmar Maurer, POMILIO, José Antenor; Avaliação da Qualidade de Energia Elétrica; DYMOND, J. H. and Stranges, N.; Operation on unbalanced voltage: one motor s experience and more, IEEE Transaction on Industry Applications; GUEDES, Manuel Vaz; O Motor de Indução Trifásico Seleção e Aplicação; RAMALHETE, Marina Passos, SIMONETTI, Domingos S. Lyrio; Aspectos de Qualidade de Energia Elétrica e Eficiência Energética em Motores de Indução Trifásicos; SIEMENS ENTERPRISE; Motores Trifásicos de Baixa Tensão (Catálogo); 2011; Disponível em: < > acessado em 25/08/2011. VON JOUANNE, Annette, BANERJEE, Basudeb; Assessment of Voltage Unbalance; IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, 2001.