Arnulfo Barroso Vasconcellos, Dr.; Roberto Apolônio, Dr.; Fernando Novelo, Acad. Universidade Federal de Mato Grosso UFMT

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1 Estudo do Impacto do Sistema de Acionamento de um Motor de Indução Trifásico na Eficiência Energética e Qualidade da Energia Elétrica: Um Estudo de Caso Elevador de Canecas Arnulfo Barroso Vasconcellos, Dr.; Roberto Apolônio, Dr.; Fernando Novelo, Acad. Universidade Federal de Mato Grosso UFMT Thiago Vieira da Silva, Eng. Universidade Federal de Uberlândia - UFU Fernando Nunes Belchior, Dr. Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI Resumo Os comandos modernos utilizam sistemas microprocessados que podem reduzir o consumo de energia elétrica e demanda de potência ativa. Entretanto, há uma preocupação cada vez maior com as distorções harmônicas devido à resposta a essas cargas no sistema ao qual faz parte. Em busca de soluções que visem à melhoria da qualidade da energia elétrica e eficiência elétrica, este artigo apresenta medições em laboratório de um sistema de elevador de canecas de acionamento convencional versus um de acionamento controlado por conversor de frequência, cujas análises se estendem tanto para a entrada de alimentação do sistema quanto para a análise das tensões e correntes que estão sendo injetadas no motor. 1 Palavras chaves Conversores de Frequência, Demanda, Eficiência Elétrica, Motor Indução, Harmônicas, Qualidade da Energia. I. INTRODUÇÃO A qualidade da energia elétrica entregue pelas empresas distribuidoras aos consumidores sempre foi objeto de interesse e investigação. Todavia, até algum tempo atrás, a qualidade da energia estava relacionada, sobretudo, com a continuidade dos serviços prestados. A principal preocupação era a não interrupção de fornecimento de energia elétrica, e que as tensões e frequência fossem mantidas dentro de determinados limites considerados aceitáveis. Durante dezenas de anos, a grande maioria dos receptores ligados às redes de energia elétrica era constituída de cargas lineares. Por essa razão, e uma vez que as tensões da alimentação eram 1 A. B. Vasconcellos é Professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Mato Grosso, Brasil ( arnulfo@ufmt.br). R. Apolônio é Professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Mato Grosso, Brasil ( apolonio@ufmt.br ). F. N. Belchior é Professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Itajubé, Brasil ( fnbelchior@hotmail.com). T. V. da Silva é Mestrando em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia, Brasil ( tvsilva@gmail.com). F. Novelo é Graduando em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Mato Grosso ( fernando_novelo@hotmail.com ). senoidais, as correntes solicitadas eram também senoidais e de mesma frequência, podendo apenas encontrar-se defasadas relativamente à tensão. Com o desenvolvimento da eletrônica, os equipamentos ligados aos sistemas elétricos evoluíram, melhorando em rendimento, controlabilidade, economia de energia e custo, permitindo ainda a execução de tarefas não possíveis anteriormente. Contudo, esses equipamentos têm a desvantagem de não funcionarem na maioria das vezes como cargas lineares, solicitando correntes não senoidais, e dessa forma poluindo a rede elétrica com harmônicos. A presença de harmônicas nos sistemas de potência resulta em um aumento das perdas relacionadas com o transporte e distribuição de energia elétrica, criando problemas de interferência com sistemas de comunicação e na degradação do funcionamento da maior parte dos equipamentos ligados à rede, sobretudo daqueles (cada vez em maior número) que são mais sensíveis por incluírem sistemas de controle microeletrônicos que operam com níveis de energia muito baixos. Normas internacionais relativas ao consumo de energia elétrica tais como IEEE 519 [1], IEC [2] e EN [3], limitam o nível de distorção harmônica de tensão com os quais os sistemas elétricos podem operar e impõem que novos equipamentos não introduzam harmônicos de corrente na rede de amplitude superior a determinados valores. É assim evidenciada a importância em resolver os problemas dos harmônicos, tanto para os novos equipamentos a ser produzidos quanto para os equipamentos já instalados. No Brasil, a preocupação com a qualidade da energia elétrica vem crescendo cada vez mais, haja vista o empenho dos órgãos reguladores (ANEEL, ONS), as concessionárias e os consumidores. A ANEEL através dos procedimentos de distribuição (Prodist), publicado em Dezembro/2008 em seu módulo 8 [7], trata da qualidade de energia elétrica no que tange ao serviço e produto em âmbito nacional. Nesse contexto, o presente artigo apresenta os resultados obtidos através de medições, em um sistema de acionamento de elevador tipo canecas em laboratório pelo método 27 1

2 convencional e por dispositivos eletrônicos. Foram monitoradas tensões, correntes, potência ativa, consumo de energia ativa do sistema acionado pelo método convencional através de partida direta, assim como, através do acionamento por comandos microprocessados com conversor de frequência e analisados a eficiência energética e a qualidade da energia obtidos com os dois processos de acionamento [1]-[4]-[5]-[6]. II. CARACTERÍSTICA DO SISTEMA USADO NOS TESTES O sistema de acionamento do elevador de canecas, em conjunto com o motor utilizado nos ensaios referidos no presente trabalho, representa um sistema amplamente difundido no manejo e transporte de grãos no ambiente industrial do estado de Mato Grosso. A bancada utilizada para simulação experimental em laboratório mostrada na Fig. 1 é plenamente automatizada através da utilização de Controlador Lógico Programável (CLP), possuindo Interface Homem Máquina (IHM) e Sistema Supervisório, possibilitando múltiplas maneiras de acionamento da carga em questão, objetivando a excelência na coleta de dados e nas alternativas de pesquisa. Esta bancada viabiliza a utilização de motor de indução standard ou de alto rendimento, assim como acionamento através de partida direta ou soft-starter ou ainda acionamento com controle analógico ou digital via conversor de frequência. Além da mobilidade no controle do fator de potência do barramento de entrada através da inserção opcional de bancos de capacitores fixos. A coleta de dados foi obtida através do analisador de energia MARH-21, fabricante RMS. As tabelas I e II contêm a especificação dos equipamentos utilizados para realização deste trabalho. TABELA I. DADOS DO MOTOR DE INDUÇÃO UTILIZADO MOTOR WEG STANDARD Potência 1,5CV Frequência 60Hz Tensão 220/380V 4,28 A / 2,48A Rendimento 78,5% Fator de Potência 0,86 Rotação RPM Temp. Máxima 40 C Ip/In 7,5 CAT N TABELA II. DADOS DO ANALISADOR DE ENERGIA UTILIZADO ANALISADOR DE ENERGIA MARH-21 Marca Danfoss Modelo VLT 2800 In 1x V 50/60Hz 15,2 A In 3x V 50/60Hz 7,6 A OUT: 3x0-Uln Hz 6,8 A 2,7kVA Chassis IP 20 Temp. Maxima 45 C / 113 F III. MEDIÇÃO REALIZADA EM LABORATÓRIO Para as medições no sistema de elevadores de canecas foi utilizado o equipamento analisador de energia MARH-21, fabricado pela RMS, mostrado na Fig.2. A exemplo de outros aparelhos deste tipo, o equipamento utilizado nos estudos possibilita a gravação de grandezas em tempo real para sistemas elétricos monofásico, bifásico e trifásico. O MARH- 21 recebe as informações de tensão e corrente e determina os valores para as tensões e correntes de fase e linha, o fator de potência por fase e total, potências, energias, DHT de tensão e corrente, potência reativa total necessária para correção do fator de potência, sequência de fases, as demandas na ponta e fora da ponta por fase e totais, fator de deslocamento, etc. Fig. 1. Bancada integrante do Laboratório Eletrobrás/Procel de Eficiência Energética UFMT. Fig. 2. Analisador de Energia digital portátil MARH-21. No presente trabalho foram realizadas medições e registros das grandezas elétricas no processo de acionamento de um sistema de transporte de grãos, simulado pelo elevador de canecas, de acionamento microprocessado por conversor de frequência, e sistema convencional por partida direta. As medições foram realizadas no barramento secundário de alimentação do sistema e na entrada da alimentação do motor de indução. A carga utilizada foi uma carga constante de 28 2

3 57,3kg para os dois distintos acionamentos, sendo que as frequências de acionamento do conversor foram de 20 a 60 Hertz, sempre variando de 10 em 10Hz. A Fig. 3 apresenta o esquema de ligação do analisador de energia no sistema mencionado e a Fig. 4 ilustra a demanda de potência ativa requerida pelo sistema para os diferentes acionamentos. partida direta e no acionamento nas várias frequências através do conversor de frequência. Com as potências médias da partida direta em 60 Hz e nas várias frequências mostradas na tabela III calculou-se a energia elétrica ativa consumida por ciclo para o acionamento convencional e acionamento através de conversor de frequência cujos valores estão ilustrados na tabela IV. TABELA IV CONSUMO POR CICLO (KWH/CICLO) Wd 20Hz Wd 30Hz Wd 40Hz W 50Hz Wd 60Hz Wd pd 0,001301KWH/CICLO 0, KWH/CICLO 0, KWH/CICLO 0, KWH/CICLO 0, KWH/CICLO 0, KWH/CICLO Considerando que o sistema opera em média 10 horas por dia, calculou-se o número de ciclos que este sistema desenvolve neste período, mostrado na tabela V. Fig. 3. Esquema de ligação do sistema mencionado. Medição no barramento (esq.) e medição na entrada do motor (dir.). TABELA V NÚMERO DE CICLOS EM 10 HORAS PARA CADA FREQUENCIA (F) DE 20 A 60HZ E PARTIDA DIRETA. F 20Hz F 30Hz 3.019,32 ciclos 4.555,80 ciclos F 40Hz F 50Hz F 60Hz F pd 6.086,42 ciclos 7.794,23 ciclos 9.099,18 ciclos 8.673,02 ciclos Fig.4. Medição da Potência Ativa para várias frequências durante os ensaios em laboratório. Ao se analisar as grandezas elétricas provenientes de medição do sistema acima mencionado, optou-se por exemplificar a demanda média de potência ativa para cada acionamento, cujos valores estão expressos na tabela III. TABELA III POTÊNCIA ATIVA MÉDIA (KW) PARA CARGA DE 57,3 KG ACIONADA PELO CONVERSOR DE FREQUÊNCIA E PARTIDA DIRETA. P 20Hz 0,393 W P 30Hz 0,593 W P 40Hz 0,765 W P 50Hz P 60Hz P pd 0,955 W 1,132 W 1,200 W Para procedimento do cálculo do consumo de energia elétrica ativa foi realizada a cronometragem do tempo médio que o sistema elevador de canecas levava para realizar um ciclo ou uma volta completa no acionamento através de Em seguida, utilizando os dados de consumo de energia elétrica para um ciclo ilustrados na tabela IV e o número de ciclos para 10 horas de funcionamento do elevador de canecas ilustrados na tabela V, calcula-se o consumo médio diário de energia elétrica ativa para o sistema em 10 horas de operação que estão ilustrados na tabela VI. TABELA VI CONSUMO DIÁRIO DE ENERGIA PARA 20HZ, 30HZ, 40HZ, 50HZ E 60HZ E PARTIDA DIRETA. Wd 20Hz Wd 30Hz Wd 40Hz Wd 50Hz Wd 60Hz Wd pd 3,9341 kwh/dia 5,9362 kwh/dia 7,6445 kwh/dia 9,4466 kwh/dia 10,3184 kwh/dia 12,0034 kwh/dia Para analisar o impacto do acionamento convencional e através do conversor de frequência no consumo de energia elétrica ativa, procedeu-se de duas formas diferentes. Primeiramente, da análise do número de ciclos para os diferentes acionamentos, compara-se o consumo de energia elétrica ativa absorvida na frequência escolhida com seus respectivos ciclos pelo número de ciclos da frequência que se 29 3

4 deseja comparar. A equação (1) ilustra a comparação da energia absorvida com o sistema operando em 20Hz em relação à energia absorvida quando o sistema opera em 30Hz, mostrando que a energia absorvida em 20Hz foi corrigida ao período de 30Hz, conforme mostra a tabela VII. Qualquer outra comparação em diferentes frequências pode ser realizada obtendo resultados idênticos. Portanto, apesar da diminuição de demanda de potência ativa requerida do sistema, conforme mostra a Tabela VIII, quando se aciona uma mesma carga para diferentes frequências, ao se fazer a correção do número de ciclos realizados por cada frequência de acionamento, conclui-se que o trabalho realizado pelo sistema é o mesmo, sendo que, se existe uma diminuição da solicitação de potência ativa, existe um aumento no período da forma de onda da corrente, ou seja, o consumo de energia elétrica ativa é praticamente o mesmo, como comprovado nos dois exemplos. TABELA VII ESTIMATIVA DO CONSUMO DIÁRIO DE ENERGIA PARA 20HZ, 30HZ, 40HZ, 50HZ E 60HZ E PARTIDA DIRETA POR COMPARAÇÃO. Wd 20Hz 3.019,32 ciclos 3,9341 kwh/dia Wd 30Hz 4.555,80 ciclos 5,9359 kwh/dia Wd 40Hz 6.086,42 ciclos 7,9304 kwh/dia Wd 50Hz 7.794,23 ciclos 10,1556 kwh/dia Wd 60Hz 9.099,18 ciclos 11,8560 kwh/dia Wd pd 8.673,02 ciclos 11,3007 kwh/dia IV. MEDIÇÃO DE TENSÃO E CORRENTE Inicialmente, foram monitorados os perfis das tensões e correntes na entrada do conversor de frequência que aciona o elevador de canecas, alimentando uma carga de 57,3 quilos, nas frequências de 50 e 60Hz, cujas formas de onda trifásicas encontram-se ilustradas nas Fig. 6, 7, 8 e 9, respectivamente. Num segundo momento, exemplifica-se que o consumo de energia elétrica ativa corresponde a um mesmo valor fazendo a análise da demanda de potência ativa requerida pelo sistema para as diferentes frequências de acionamento, com o período da forma de onda de corrente que é injetada no motor pelo conversor. O cálculo procede-se da seguinte forma: Multiplica-se o valor médio encontrado da demanda de potência ativa requerida pelo sistema na frequência escolhida, pelo tempo em horas do período da forma de onda de corrente injetada no motor da frequência correspondente. Os valores encontrados estão na tabela VIII. Fig. 6. Tensões nas fases A, B e C no barramento que alimenta o conversor na frequência de 50Hz. TABELA VIII CONSUMO DIÁRIO DE ENERGIA PARA 20HZ, 30HZ, 40HZ, 50HZ E 60HZ E PARTIDA DIRETA. Frequência (Hz) Período (milisegundos/horas) Potência Ativa (kw) Consumo (kwh) ,388x10-5 0,393 5,454x10-6 Fig. 7. Correntes nas fases A, B e C do barramento que alimenta o conversor na frequência de 50Hz ,34 9,166x10-6 0,593 5,435x ,944x10-6 0,765 5,311x ,555x10-6 0,955 5,305x ,67 4,444x10-6 1,132 5,030x10-6 Partida Direta 16,67 4,444x10-6 1,200 5,333x10-6 Fig. 8. Tensões nas fases A, B e C no barramento que alimenta o conversor na frequência de 60Hz. 30 4

5 Fig. 9. Correntes nas fases A, B e C do barramento que alimenta o conversor na frequência de 60Hz. Fig. 12. Espectro harmônico da tensão na fase A do barramento que alimenta o conversor de frequência na frequência de 60Hz. As Fig. 10, 11, 12 e 13 ilustram os espectros harmônicos da tensão e corrente da fase A na entrada do conversor de frequência que aciona o elevador de canecas nas frequências de 50Hz e 60Hz, cujas análises de comportamento podem ser estendidas para as fases B e C. Observa-se que, devido ao sistema de acionamento microprocessado, a corrente que circula apresenta um amplo espectro de componentes harmônicas como mostram as Fig. 13 e 15. Esta situação e a queda de tensão na impedância da fase A, devido ao conteúdo harmônico verificado, fazem com que a tensão do barramento fique também levemente distorcida, como mostrado nos espectrogramas de tensão ilustrados nas Fig. 12 e 14. Fig. 10. Espectro harmônico da tensão na fase A do barramento que alimenta o conversor de frequência na frequência de 50Hz. Fig. 13. Espectro harmônico da corrente na fase A do barramento que alimenta o conversor de frequência na frequência de 60Hz. Num segundo momento foram monitorados os perfis das tensões e correntes na entrada do motor de indução que aciona o elevador de canecas, alimentando uma carga de 57,3 kg nas frequências de 50 e 60Hz. Sabe-se que, devido ao tipo de modulação, a tensão que será injetada no motor possui a frequência de 10kHz, como mostrado na Fig. 14. Diferentemente desta situação, a forma de onda de corrente se mantém periódica e com um formato muito próximo da senóide, devido a característica indutiva do motor, o que leva seu espectro a apresentar baixo índice de componentes harmônicas, ilustrados nas Fig. 15 e 16 de frequências de 50 e 60Hz, respectivamente. Fig. 11. Espectro harmônico da corrente na fase A do barramento que alimenta o conversor de frequência na frequência de 50Hz. Fig. 14. Forma de onda da tensão na fase A do barramento que alimenta a entrada do motor na frequência de 50Hz. 31 5

6 Fig. 15. Forma de onda da corrente na fase A do motor quando da utilização do conversor de frequência na frequência de 50Hz. Fig. 16. Forma de onda da corrente na fase A do motor quando da utilização do conversor de frequência na frequência de 60Hz. Conforme citado acima, as Fig. 17 e 18 ilustram os espectros harmônicos da corrente da fase A do motor de indução que aciona o elevador de canecas, cujas análises de comportamento também podem ser estendidas para as fases B e C. V. CONCLUSÕES O presente trabalho apresenta os resultados de uma análise experimental de acionamento de um sistema de elevador de canecas através de partida direta e através de conversor de frequência, a fim de analisar os impactos do consumo de energia elétrica ativa e demanda de potência ativa. Os resultados alcançados mostram que em relação ao consumo de energia elétrica ativa o resultado foi praticamente o mesmo para o acionamento de uma carga constante tanto em partida direta quanto em acionamento automatizado. Já em relação à demanda de potência ativa houve uma redução com a diminuição da frequência de acionamento do sistema estudado, que pode se tornar significativa em uma indústria que possui motores de grande porte, com possibilidade de acionamento de uma mesma carga em um tempo maior. A performance das tensões de suprimento, como esperado, sofrem influência desprezível, uma vez que o sistema de potência contribui para sua manutenção de tensão e frequência. No entanto, um assunto atual de grande relevância é a presença de harmônicas nas correntes que circulam no sistema elétrico, quando as cargas são acionadas por dispositivos eletrônicos. Estas correntes provocam alteração nos valores das grandezas elétricas com a consequente sobrecarga nos condutores e equipamentos, afetando também a adequada operação dos dispositivos de proteção, que podem atuar devido aos incrementos dos valores eficazes ou de pico destas grandezas. Desta forma, o conhecimento de perturbações presentes nos sistemas elétricos merece maior atenção, devendo ser tomadas medidas corretivas para mitigar o problema através, por exemplo, da utilização de filtros harmônicos, a fim de garantir projetos seguros, evitando-se situações de risco para usuários e equipamentos. VI. REFERÊNCIAS Fig. 17. Espectro harmônico da corrente na fase A do motor quando da utilização do conversor de frequência na frequência de 50Hz. [1] IEEE Standard , Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems, [2] IEC :1995, Compatibilidade Eletromagnética (EMC) Parte 3: Limites Seção 2: Limites para emissão de corrente harmônica. [3] EN EN 50160, Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems, [4] IEEE Task Force, The Effects of Power System Harmonics on Power System Equipment and Loads, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. 104, no. 9, Set. 1985, pp [5] VASCONCELLOS, Arnulfo Barroso ; GOMES, Teresa Ribeiro de Carvalho Malheiro ; APOLÔNIO, Roberto ; ANNUNCIAÇÃO, Luis ; Barros, Regiane Silva de ; SILVA, T. V.. Efficiency and Power Quality in a Drive System Driving Machine. In: 14th International Conference on Harmonics and Quality of Power - 14th ICHQP, 2010, Bergamo, Italia. [6] VASCONCELLOS, Arnulfo Barroso ; Kawaphara, Mario Kiyoshi ; GOMES, Teresa Ribeiro de Carvalho Malheiro ; ANNUNCIAÇÃO, Luis ; Fonseca, Andre Luis Amorim da ; SILVA, T. V.. Eficiência Energética e Qualidade de Energia em um Sistema de Acionamento de Máquinas Motrizes. In: IX IEEE/IAS International Conference on Industry Applications - IX INDUSCON, 2010, São Paulo. [7] Resolução 345/2008 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Fig. 18. Espectro harmônico da corrente na fase A do motor quando da utilização do conversor de frequência na frequência de 60Hz. 32 6