Décimo Quinto Encontro Regional Ibero-americano do CIGRÉ Foz do Iguaçu-PR, Brasil 19 a 23 de maio de 2013

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1 AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA EM EMPRESA DE REVESTIMENTOS CERÂMICOS J. M. Neto* O. H. A. Junior* A. D. Spacek* V. L. Coelho* M. C. Inocêncio* * Faculdade SATC RESUMO Com menos de 100 anos de história, a indústria brasileira de revestimentos cerâmicos ocupa, atualmente, a quarta posição no ranking mundial de produtores. São aproximadamente 350 milhões de metros quadrados de pisos e azulejos produzidos no Brasil. No entanto a elevada oferta existente no mercado de pisos e azulejos, associado à crescente exigência por parte dos clientes, faz com que as empresas invistam em automação das etapas produtivas a fim de aumentar a qualidade final dos revestimentos cerâmicos. Contudo, o aumento nos níveis de automação dos processos tem impulsionado o debate sobre assuntos referentes a eficiência energética neste segmento em virtude de problemas ocasionados pelas perdas elétricas e o impactos da energia elétrica no valor final do produto e por consequência na competitividade. Muitos fatores relacionados às perdas estão ligados a perturbações na energia elétrica, o que torna o estudo e a melhoria da qualidade da energia do sistema elétrico um fator fundamental para redução do custo de produção. Estes problemas podem ser minimizados com o correto dimensionamento dos níveis de reativos e controle das perturbações e cargas elétricas que empregam tecnologias eficientes, proporcionando ao contexto elétrico industrial baixo índices de perdas elétricas. Diante deste contexto, apresenta-se um estudo de caso referente à eficiência energética, com ênfase na qualidade de energia utilizada na operação de sistemas motrizes de uma empresa do ramo de revestimentos cerâmicos do sul de Santa Catarina, com objetivo principal de identificar ao longo do processo pontos de perda e apontar soluções para minimizar os custos no processo. PALAVRAS-CHAVE Eficiência, Perdas, Rendimento, Viabilidade Econômica, Revestimentos Cerâmicos, Qualidade de Energia, Harmônicas, Afundamento de Tensão, Iluminação, Fator de Potência. 1 / 8

2 1. INTRODUÇÃO O presente trabalho refere-se a análise da eficiência energética do sistema elétrico, com abordagem à qualidade de energia elétrica de uma planta industrial em operação. Este estudo é focado nas instalações elétricas de baixa tensão da uma empresa de revestimentos cerâmicos localizada em Criciúma, Santa Catarina. O estudo da eficiência energética tem sido um dos assuntos mais discutidos nos últimos anos, impulsionado pelo crescimento incessante das atividades que exigem a utilização de energia elétrica. As reduções das perdas elétricas apresentam impactos diretos no custo de produção de qualquer classe industrial. Na busca para minimizar os custos no processo, relacionado a energia elétrica, será desenvolvido o levantamento de dados elétricos das características de carga de cada um dos setores que compõe a linha de produção cerâmica, utilizando-se um equipamento de medição de qualidade de energia elétrica. Com base das peculiaridades dos pontos do sistema da empresa, faz-se uma estimativa dos custos e benefícios que algumas medidas podem apresentar à planta industrial. Estes dados servirão de base para um análise econômica de investimentos para implantação de projetos futuros voltados à eficiência e qualidade de energia da empresa. 2. O PROCESSO CERÂMICO Cada vez mais, a arte ceramista tem superado limites, seja na criação ou na utilidade das peças de cerâmica. Na Antigüidade, mais precisamente no período da Idade Média até os tempos atuais, a cerâmica tem-se condicionado pelos distintos aspectos da vida cotidiana. Sendo utilizadas para revestimentos de pisos, paredes, na forma de azulejos, ladrilhos e pastilhas, tanto em ambientes residenciais, públicos e comerciais como, também, industriais.[1] O setor ceramista apresenta grande diversidade de produtos, em consequência de uma série de possibilidades de processos. Destaca-se a escolha da massa, uma mistura balanceada de várias matérias-primas, para que apresente comportamento adequado em cada uma das etapas do processo de fabricação e, o produto final possua as propriedades desejadas. Além disso, torna-se importante a forma de preparo, o tipo de conformação da peça, o tipo de acabamento da superfície, o processamento térmico e as características técnicas do produto.[2] Conforme a Fig. 1, o processo de fabricação de revestimentos cerâmicos passa por várias etapas que são executadas sequencialmente até obter o produto final; são elas: dosagem da matéria-prima, moagem, atomização, conformação das peças, secagem, esmaltação, queima e classificação.[3] Figura 1: Fluxograma do Processo Cerâmico em oito etapas sequênciais. [3] 2 / 8

3 As etapas de produção são executadas em série. Estas etapas são basicamente utilizadas para fabricação de qualquer produto cerâmico, iniciadas com a extração da matéria-prima necessária para preparação das massas, bem como, seu armazenamento. 3. CARACTERÍSTICA ELÉTRICAS DA PLANTA INDUSTRIAL Realizou-se o estudo com o medidor de qualidade de energia elétrica 43B do fabricante Fluke, o levantamento das características das cargas elétricas de cada setor que compõe as etapas do processo. Identificou-se a existência de dois transformadores de 500 kva ligados em paralelo para a alimentação da linha de produção e sistemas diversos. Este layout possui uma estratégia de proporcionar a flexibilidade do sistema, utilizando também geradores a óleo diesel em casos de faltas ou distúrbios. A transferência é realizada automaticamente, fazendo a manobra de carga sem ocasionar interrupções ou danos ao sistema. Este sistema de alimentação é fundamental em uma indústria cerâmica para proporciona redundância na alimentação elétrica, principalmente do forno cerâmico, por utilizar rolos de porcelana aquecidos a quase 1200 ºC não pode ficar menos de meio minuto sem o sistema de movimentação em operação. Isto torna o abastecimento de energia um fator fundamental para a vida útil deste equipamento. A alimentação do setor de preparação de esmaltes possui um transformador de 112 kva próprio, que forma um sistema independente. Esta característica se destina a redução das perdas devido à distância da subestação principal. Por se tratar de uma carga complementar a linha de produção e não havendo nenhum risco de danos, a alimentação não necessita de gerador. Após a identificação dos transformadores que compõem as subestações da empresa, serão apresentados resultados das medições de tensão e as formas de onda obtidas nas principais etapas do processo produtivo de revestimento cerâmicos que explicam certas interrupções ocassionadas no processo. 3.1 Análise do circuito de alimentação do setor do Secador Analisa-se a alimentação deste, conforme a tabela 1, com os resultados mensurados. Pode ser observado um ótimo nível de fator de potência e uma distorção harmônica em torno de 15%. Tabela 1 - Análise dos dados elétricos do circuito de alimentação do setor de Prensas. Análise Elétrica da Alimentação do Secador FASE A FASE B FASE C TENSÃO rms (V) Corrente rms (A) Potência Ativa (KW) Potência Aparente (KVA) Potência Reativa (KVAr) Fator de Potência 98.89% 99.46% 98.95% THDI 15% 18% 12% ordem ordem ordem / 8

4 3.2 Análise do circuito de alimentação do setor da Esmaltação A tabela 2 apresenta os resultados extraídos da alimentação do setor de esmaltação. Apresenta-se altamente afetado devido as cargas eletrônicas predominantemente de inversores de frequência aplicado no controle de velocidade das máquinas do setor. Tabela 2 - Análise dos dados elétricos do circuito de alimentação da Esmaltação. Análise Elétrica da Alimentação da Esmaltação FASE A FASE B FASE C TENSÃO rms (V) Corrente rms (A) Potência Ativa (KW) Potência Aparente (KVA) Potência Reativa (KVAr) Fator de Potência 72.36% 99.45% 81.24% THDI 37% 32% 32% ordem ordem ordem ordem ordem A figura 2 apresenta as formas de onda extraída do analisador, com o intuito de enfatizar a forte distorção presente neste setor. O contexto histórico deste apresenta problemas de paradas na linha de produção por aquecimento excessivo nos condutores de alimentação, bem como disparos indesejáveis e involuntários em disjuntores do painel de distribuição do setor. Isso demonstra a importância de um estudo aprofundado nas cargas instaladas antes de qualquer conclusão ou ação de correção, tornandose um assunto proposto para trabalhos futuros. Figura 2 - Forma de onda da tensão e corrente obtidas da medição de uma fase de alimentação do Secador. 3.3 Análise do circuito de alimentação do Forno. Este setor apresenta um alto conteúdo de corrente harmônica. Estão presentes inversores de freqüência de alta potência, aplicados a um complexo controle de pressão interna do forno. Este controle proporciona um alto nível de estabilidade de queima do material cerâmico, facilita as regulagens para 4 / 8

5 manter o padrão de qualidade do material produzido. Os resultados estão dispostos na tabela 3 a seguir: Tabela 3 - Análise dos dados elétricos do circuito de alimentação do Forno. Análise Elétrica da Alimentação do Forno FASE A FASE B FASE C TENSÃO rms (V) Corrente rms (A) Potência Ativa (KW) Potência Aparente (KVA) Potência Reativa (KVAr) Fator de Potência 97% 96% 94% THDI 27% 26% 27% ordem ordem ordem ordem ordem ordem ordem Análise do circuito de alimentação do setor de Classificação Este setor apresenta sua totalidade composta de cargas eletrônicas oriundas de inversores de freqüência e driver de servo acionamento. O estudo apresentado pela tabela 4 demonstra um preocupante conteúdo harmônico de corrente que pode estar por trás de vários problemas elétricos do funcionamento das máquinas. Tabela 4 - Análise dos dados elétricos do circuito de alimentação da Classificação. Análise da Qualidade de Energia Classificação FASE A FASE B FASE C TENSÃO rms (V) Corrente rms (A) Potência Ativa (KW) Potência Aparente (KVA) Potência Reativa (KVAr) Fator de Potência 91.91% 94.87% 99.23% THDI 28% 52% 35% ordem ordem ordem ordem ordem ordem Devido a corrente de fase ser relativamente baixa, dispositivos de correção podem se tornar atrativos em termos econômicos. Os fatores econômicos relacionados para análise são dados pelo tempo de 5 / 8

6 parada e quebra de material e mão de obra adicional empregada, a grande incidência de disparos, desarmes e erros de funcionamento em dispositivos eletrônicos empregados no processo de classificação do produto acabado. O disperdício de material pronto torna-se um fator preocupante pela aplicação superior de 90% dos insumos e custos agregados. A figura 3 apresenta a forma de onda de uma das fase da alimentação do setor de classificação. Podese visualizar uma forte distorção na forma de onda de corrente, em torno de 52%. Para uma análise mais detalhada é necessário um estudo das características particulares do setor com a coleta dos dados por um elevado período de tempo. Figura 3 - Forma de onda da tensão e corrente obtidas da medição de uma fase da alimentação da Classificação. 3.4 Análise do circuito de alimentação do Compressor Parafuso 1 A empresa possui dois compressores de parafuso instalados na planta, sendo um reserva, enquanto o outro está em operação. Cada compressor possui um motor de 100CV acoplado à célula de compressão, dotada de sistema de controle automático de pressão, tendo a saída de pressão on/off através de um circuito micro processado de controle. A compressão de ar para rede pneumática é efetuada durante a fase de carga do compressor. Quando pressão atinge um nível programado o compressor entra em modo alívio e o motor fica trabalhando em vazio sem efetuar trabalho útil. Quando o consumo de ar da fábrica é inferior a capacidade de fornecimento do compressor, este ciclo de carga e alívio fica muito freqüente apresentando uma grande perda de eficiência por metro cúbico de ar comprimido. No ciclo de carga observa-se um baixo nível de reativo presente no sistema, cerca de 30KVAr no total trifásico, proporciona um fator de potência na ordem de 94%. O conteúdo harmônico nesta instalação encontra-se em regime normal. Contudo em regime de alívio, como motor principal o funcionamento é praticamente vazio. Pode-se observar o baixo fator de potência neste ciclo de operação, ocasionando uma demanda de 18KVAr de energia reativa. Por meio dos tempos de operação em carga e alivio estrturou-se a tabela 5, que faz uma estimativa dos custos econômicos neste regime de funcionamento para a empresa. Nota-se uma eficiência de quase 74%, sendo que mais de 25% da energia elétrica consumida está sendo desperdiçada, representando um acréscimo em reais na fatura de energia elétrica. 6 / 8

7 Tabela 5 - Estimativa de perdas elétricas compressor 1. Custo kwh R$ 0.25 Energia hora dia Mês ano Consumo Horário KWh/h R$ R$ R$ 8, R$ 98, Consumo Útil KWh/h R$ 8.39 R$ R$ 6, R$ 72, Eficiência 73.65% R$ 3.00 R$ R$ 2, R$ 25, Potência útil CV regime constante 45 CV Corrente ideal 51 A 3.5 Estudo do Efeito Joule e Queda de Tensão nos circuitos de alimentação da empresa Através do levantamento dos dados de impedância de cada trecho dos circuitos de alimentação da empresa, o comprimento dos condutores, os valores de corrente efetiva dos circuitos, pode-se estimar a dissipação de energia realizada no cabo, e a queda de tensão apresentada. Os resultados foram organizados e apresentados pela tabela 6 a seguir Tabela 6 - Calculo das perdas técnicas estimadas nos condutores de alimentação da empresa. Trecho Dados do Circuito (A) Com. Cabo (m) Perda W Queda Tensão Volts % V/K m Custo KW R$0.25 Hor. / dia P. dia KWh Custo por dia Perdas nos Condutores Custo Mês Custo ano Percent ual Cooperax Entrada % R$ 0.12 R$ 3.53 R$ % Entradax Trafo % R$ 0.04 R$ 1.19 R$ % Trafo3x Esmalte % R$ 0.18 R$ 5.29 R$ % Trafo1X QGFT % R$1.02 R$ R$ % Trafo2x QGFT % R$ 1.44 R$ R$ % QGF xqta % R$.1.07 R$ R$ % QTA xqgbt % R$ 0.86 R$ R$ % QGBT xmassa % R$ 0.14 R$ 4.14 R$ % QGBT xprensas % R$ 0.86 R$ R$ % Secador H % R$ 0.70 R$ R$ % Esmalt % R$ 0.43 R$ R$ % QGBT R$ % R$ 7.11 R$ xforno 2, % Classific % R$ 0.24 R$ 7.22 R$ % Rotativo % R$2.21 R$ R$ % Comp % R$ 0.22 R$ 6.49 R$ % Total R$ R$ R$ 5, Dessa análise, observa-se que não há algum tipo de problema nos condutores que compõe o sistema de alimentação da fábrica, em relação a queda de tensão percentual total do circuito. Os principais 7 / 8

8 circuitos que apresentam quedas consideráveis são as linhas que abastecem o setor do secador rotativo e do setor do forno. Verifica-se um valor econômico considerável em relação as perdas joule. 43% das perdas em condução de corrente estão localizadas no circuito de alimentação do forno. Fica proposta para estudos futuros uma análise econômica para a minimização das perdas. 4 CONCLUSÃO Ao analisar o circuito de alimentação da iluminação da fábrica observou-se um baixo fator de potência (FP) em torno de 80%, devido ao predomino do uso de luminárias fluorescentes com reator eletrônico e apresentou-se uma distorção harmônica de corrente razoavelmente baixa a não apresentando preocupações para a investigação mais aprofundadas. Há um grande desbalanceamento de cargas nas fases,exigindo um estudo aprofundado destes circuitos. Na etapa de esmaltação responsável pelas características estéticas do produto, identificouse a forte influencia de harmônicas de 3ª, 5ª e 7ª resultando no THDI 35% e, FP de 80% afetado devido ao conteúdo reativo em torno de 6,2. Por meio destes dados justifica-se histórico de problemas de paradas na linha de produção por aquecimento excessivo nos condutores, bem como disparos involuntários em disjuntores do painel de distribuição. No setor de queima encontra-se instalados os inversores de freqüência de alta potência, aplicados ao controle de pressão interna do forno proporcionando um alto nível de estabilidade de queima do material, facilita as regulagens para manter o padrão de qualidade da produção. As principais cargas instaladas são: um motor de 125CV, um motor de 75CV, 2 motores de 25CV e 24 motores de 0,5CV que compõe este sistema de velocidade variável usando acionamento eletrônico. Analisando o circuito de alimentação do Forno, constatou-se um alto conteúdo de corrente harmônica, composta principalmente pela 3ª, 7ª, 9ª, 11ª resultando no THDI 27%. A identificação, caracterização e solução dos pontos problemáticos geradores de perdas de produtividade, aliadas às perturbações, limitações e influencias no funcionamento contínuo e interrupto da linha de produção. As perdas elétricas no sistema cerâmico originam-se de situações onde os equipamentos operaram fora das condições de projeto, por modificações realizadas nas instalações e principalmente quando o sistema apresenta componentes reativos e distúrbios harmônicos. Circuitos que estão corretamente dimensionados apresentam níveis de reativos controlados e não se apresenta distorções harmônicas em suas componentes elétricas são fundamentais para reduzindo as perdas, assim garantindo menores custos de produção. BIBLIOGRAFIA [1] Bristot, Vilmar Menegon, Controle de Temperatura de Secadores de Revestimentos Cerâmicos Alimentados a Gás Natural. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina. [2] Kingery, D.W.; La Transición de la Cerámica desde el Ofício Artesanal a la Industria basada em la Ciencia. V Congresso Mundial de la Calidad de Azulejo y del Pavimento Ceramico, (Mar : Castellón, España). Anais. Qualicer 98, p [3] MOTA NETO, João. Controle Simultâneo de Temperatura e Estequiometria Aplicado em um Secador Vertical de Revestimentos Cerâmicos Alimentado com Gás Natural f. Dissertação - Departamento de Programa De Pós-graduação Em Engenharia Mecânica, Universidade Federal Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, / 8