UMA REFLEXÃO SOBRE OS MOTORES DE INDUÇÃO DE PEQUENO PORTE NO ACIONAMENTO DE CORREIAS TRANSPORTADORAS, SOB O ENFOQUE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

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1 UMA REFLEXÃO SOBRE OS MOTORES DE INDUÇÃO DE PEQUENO PORTE NO ACIONAMENTO DE CORREIAS TRANSPORTADORAS, SOB O ENFOQUE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA Dinoel Henrique Silveira de Oliveira, Sérgio Ferreira de Paula Silva,Antônio Carlos Delaiba, Décio Bispo Universidade Federal de Uberlândia UFU Faculdade de Engenharia Elétrica FEELT Laboratório de Eficiência Energética Uberlândia MG dinoeloliveira@yahoo.com.br Resumo - O objetivo deste trabalho é comparar e analisar, sob o enfoque da eficiência energética, o desempenho dos motores de indução da linha padrão e de alto rendimento de pequeno porte utilizados no acionamento de correias transportadoras. Palavras-Chave motor de indução de alto rendimento, correia transportadora e eficiência energética. A REFLECTION OF INDUCTION MOTORS OF LITTLE SIZE IN TIME OF TRANSPORTS BELTS UNDER THE FOCUS OF ENERGY EFFICIENCY de 10 anos, implica na obrigação de instalação de uma capacidade geradora igual à que foi instalada desde o início da era tecnológica. Dentro deste enfoque, houve uma motivação dos programas governamentais de promover a racionalização da produção e do consumo de energia elétrica, para que se eliminem os desperdícios e se reduzam os custos e os investimentos setoriais [2]. Assim, eficiência energética é o termo frequentemente associado a Utilização Racional da Energia (URE), que pressupõe a adoção de medidas que permitem uma melhor utilização da energia, tanto no setor doméstico, como no setor de serviços e industrial. O consumo de energia elétrica no Brasil, relativo aos setores mais significativos, pode ser observado pela distribuição apresentada na figura 1 [3]. Abstract - The objective of this work is to compare and examine, under the focus of the efficiency energy, the performance of the induction motors of standard line and high income of litlle size applied in thime of transport belts. Keywords - induction motor of high income, transport belts and efficiency energetic. I. INTRODUÇÃO Qualquer atividade em uma sociedade moderna só é possível com o uso intensivo de uma ou mais formas de energia. Dentre as diversas formas de energia, interessam, em particular, aquelas que são processadas pela sociedade e colocadas à disposição dos consumidores onde e quando necessárias, tais como a eletricidade, a gasolina, o álcool, óleo diesel, gás natural, etc. A energia elétrica é sem dúvida a forma mais importante de energia que hoje a humanidade dispõe, devido à sua extrema utilidade e pelas grandes facilidades que apresenta em relação às outras formas de energia, tais como a sua geração, transporte, controle, distribuição e utilização[1]. Devido à grande abundância de recursos hídricos no país, a principal forma de geração de energia elétrica no Brasil é a hidráulica, a qual se vê comprometida pela escassez de água decorrente dos processos climatológicos envolvendo o ambiente, etc. Analisando o crescimento da produção de energia elétrica e o respectivo consumo, observa-se uma função exponencial a qual, admitindo um crescimento mundial anual da ordem de 7%, por um período Figura 1 Consumo de energia elétrica no Brasil (Ano 2003). Fonte: Procel Como se pode observar o setor industrial é o maior consumidor de toda a energia elétrica produzida, consumindo praticamente metade da energia elétrica do país (44%). O uso residencial vem em seguida, com o uso de 25% e o consumo comercial com 16%. Os restantes 15% distribuem-se entre setor rural, iluminação pública, órgãos do governo e outros. Já a figura 2 indica, na atividade industrial, os consumidores mais importantes deste setor [3]. Figura 2 Consumo de energia elétrica no setor industrial. Fonte: Procel

2 Como é observado na figura acima, dentro do setor das indústrias, onde há maior demanda de energia elétrica, os motores são responsáveis por aproximadamente 55% deste consumo. Isto significa que a participação deles, só dentro deste setor, no consumo do país, pode ser estimada em 0,44 x 0,55 = 0,24, ou seja, 24%. Por meio da escolha, aquisição e utilização adequada dos equipamentos, é possível alcançar significativas poupanças de energia, manter o conforto e aumentar a produtividade das atividades dependentes de energia, com vantagens do ponto de vista econômico e ambiental. No ano de 1985 foi criado o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (Procel) que promove a racionalização do consumo de energia elétrica, para combater o desperdício e reduzir os custos e os investimentos setoriais, aumentando a eficiência energética. Por isso, o presente trabalho pretende contribuir com os estudos comparativos entre os motores de indução da linha padrão e de alto rendimento na conservação de energia elétrica em plantas industriais ao acionar cargas industriais típicas, como as correias transportadoras. II. OS MOTORES DE ALTO RENDIMENTO Os motores de alto rendimento são motores que possuem rendimento superior aos motores da linha convencional (padrão), gera baixas perdas, reduzindo significativamente a elevação de temperatura nos enrolamentos, com conseqüente aumento de vida útil, além de promover a racionalização do consumo de energia elétrica, eliminando os desperdícios e reduzindo os custos. Ele consegue produzir a mesma potência mecânica com menor potência elétrica absorvida, o que acarreta menor custo de operação. Este melhor desempenho é conseguido através das características técnicas diferenciadas tais como: maior quantidade de cobre que reduz as perdas por Efeito Joule, chapa magnética que reduz a corrente magnetizante, enrolamento em dupla camada resultando em melhor dissipação de calor, rotores tratados termicamente e menor região de entreferro para reduzir as perdas suplementares. Externamente, o motor convencional e o motor de alto rendimento não possuem nenhuma diferença, a não ser pela etiquetagem que são realizadas, no Brasil, pelo Instituto Nacional de Metrologia INMETRO, o qual verifica se o motor possui valores mínimos determinados pela norma NBR 7094 da ABNT para ser considerado de alto rendimento [2]. III. CORREIAS TRANSPORTADORAS As correias transportadoras são utilizadas em numerosos processos com o propósito de providenciar um fluxo contínuo de materiais entre diversas operações, com economia e segurança de operação, confiabilidade, versatilidade e enorme gama de capacidades. Em virtude de um aumento significativo nos custos de operação das maquinas de transporte, considerando que as correias transportadoras utilizam pouca mão-de-obra na operação e um pequeno consumo de energia, estas têm tido uma posição mais favorável, o que a torna mais atrativa em relação a disponibilidade de novos materiais para as mesmas, uso de sofisticados sistemas de tração e controle, podendo transportar diversos materiais, se adaptando a qualquer terreno, além de vantagens ambientais, evitando poluição do ar e sonora. Constituem aplicação de vital importância para diversas áreas, tais como mineração, siderurgia, agricultura, entre outros. Entre os principais componentes de uma correia transportadora, de acordo com a figura 3, pode-se destacar [4]: Figura 3 - Diagrama esquemático da esteira 1. Dispositivo de carregamento; 2. Aba de proteção; 3. Correia transportadora; 4. Roletes de carga em forma de canal; 5. Calha de descarga; 6. Dispositivo raspador para limpeza (também pode ser rotativo); 7. Polia motora e acionamento (ou polia da cabeça, acionamento não mostrado); 8. Polia esticadora; 9. Roletes de retorno; 10. Roletes de amortecimento na região de carregamento; 11. Polia de retorno (ou polia de cauda); 12. Estrutura de suporte (ao mostrada). O dispositivo de carregamento expressa a forma como o material é colocado na correia, ou seja, caso seja depositado de maneira irregular, com a velocidade diferente da correia, pode-se haver um gasto adicional de energia para acelerar o material até a velocidade de transporte. As abas de proteção lateral têm a função de acomodar o material que é carregado, facilitando sua centragem na correia. As correias transportadoras representam a parte mais importante do sistema, englobando as funções de meio de transporte e de tração. Assim, presume-se que a mesma reúna as qualidades do tipo alta resistência à tração, resistência a fadiga por flexão longitudinal em torno das polias e por flexão transversal para se acomodar nos roletes, as superfícies devem possuir ainda resistência a abrasão causada pelo material transportado e também alta resistência a ataques químicos, dependendo do produto a ser transportado. Constitui-se basicamente de uma capa superior, carcaça e capa inferior, onde essas capas tem a função de proteção da carcaça de danos mecânicos e fatores de deterioração proveniente do ambiente de instalação da correia, tendo como material elastômeros sintéticos.já a carcaça tem a tarefa de suportar os parâmetros mecânicos da carga no que diz respeito à tração e ao seu movimento.

3 Os roletes de apoio têm a função de manter a correia esticada e evitar que esta se curve por influência do peso próprio e o peso da carga. Já os de retorno, sustentam a correia em seu trajeto de volta. Os dispositivos de descarga expressa apenas o modo como o material transportado deixa a correia, podendo ser em um ponto definido, ou em vários locais. Os acessórios de limpeza são responsáveis pela limpeza do material que eventualmente fica na esteira após a descarga. Este poderá causar danos, caindo no transportado e causando travamentos dos roletes de retorno e mal alinhamento da correia. As polias ou tambores trabalham como elementos de sustentação, responsáveis pela transmissão da tração, mudança de direção do movimento e transformação de rotativo para linear, sendo divididas em polias motoras, de retorno, de esticadores e de desvio. O acionamento da correia transportadora normalmente é definido no ponto onde a tensão na correia é máxima, sendo geralmente localizada logo após o descarregamento. Na maioria das vezes é feito por motores elétricos acoplados a redutores e esses por sua vez acoplados aos tambores de tração. Os redutores são necessários devido ao fato de os tambores e as polias trabalharem a uma rotação mais baixa e torque maior que o do motor elétrico. Os esticadores são utilizados num transportador pelo fato de prevenir o deslizamento na polia de tração, evitar o aparecimento de flechas exageradas entre os roletes ao garantir uma tensão adequada no carregado e ao longo do mesmo, compensar os alongamentos que acontecem com a correia e possibilitar reparos e emendas nas correias que por ventura forem danificadas. A polia de retorno tem a função de mudar o sentido do movimento da poli a absorver as forças de tração da correia. Quanto a estrutura do transportador, esta exprime a maneira de como estes componentes citados acima são dispostos, sendo que estes necessitam de uma estrutura de sustentação que resista aos esforços exercidos pela força de tração da correia, ao peso do material transportado e ao peso próprio dos demais componentes do equipamento. IV. LABORATÓRIO Em um convênio assinado pela Universidade Federal de Uberlândia, mais especificamente a Faculdade de Engenharia Elétrica, juntamente a Procel/Eletrobrás, esta disponibilizou um laboratório de sistemas motrizes, denominado LABOMOTRIZ, com o objetivo de simular diversas condições operativas de cargas utilizadas pela indústria, como bombas centrífugas, compressores, ventiladores e correias transportadoras, demonstrando na prática os fenômenos eletromecânicos que ocorrem durante a operação destes sistemas e suas implicações no consumo de energia elétrica. Em virtude disto, decidiu-se por efetuar ensaios laboratoriais que viessem a comprovar a redução do consumo de energia elétrica com o uso de motores de alto rendimento, atentando-se aos de pequeno porte. A bancada de ensaios forma um sistema de acionamento completo, composto por proteção e medição; sistemas de automação e medição integrados, capazes de controlar automaticamente a execução, a coleta de dados e emissão de relatórios. O acionamento é composto por dois motores e três modos de partida distintos, permitindo a visualização das diversas formas de controle e operação do equipamento industrial em questão e similares. A bancada é composta por duas mesas e o painel elétrico, sendo que a primeira contém o micro-computador (CPU, monitor, teclado, no-break e mouse) e uma impressora multifuncional. Neste, está instalado o software do sistema supervisório Indusoft Web Studio 6.1 SP2. O sistema supervisório contém uma tela principal com o desenho esquemático referente à bancada (fluxograma), contendo atalho para abertura das telas de monitoração correspondentes, apresentado em tempo real todas as informações advindas dos sensores de sinais elétricos e mecânicos. A segunda contém os motores de alto rendimento e convencional, fixados de modo que permite a troca de posição, ou seja, a carga pode ser acoplada tanto ao primeiro quanto ao segundo (esta troca de posição,parte mecânica e elétrica, é de fácil e de rápida realização, sem a necessidade de ferramentas ou conexões com plugs elétricos, etc); e o módulo de carga juntamente com a correia transportadora, sendo que este deverá permitir uma variação, controlada via sistema supervisório, entre 0 e 120% da carga nominal do motor elétrico. Quando o usuário escolher o acionamento desejável (partida suave ou inversor) pela tela do sistema supervisório, o controlador lógico programável acionará dois contatores (jusante e montante), de acordo com o acionamento escolhido, sendo que os demais acionamentos do sistema ficarão desconectados. Quando for escolhida a partida direta somente o contator correspondente a esta partida será acionado. Os motores de uso industrial de fabricação WEG, possui 4 sensores de temperatura termoresistência tipo PT100, sendo um instalado na carcaça e um em cada enrolamento do estator, permitindo assim a monitoração deste parâmetro. O painel elétrico contém o sistema de comando e acionamento abrigando o inversor de freqüência, o soft-start, o controlador lógico programável (CLP) e os elementos de acionamento e proteção como contatores e disjuntores. Adicionalmente, esta mesa também é responsável pela medição dos parâmetros elétricos de entrada dos motores, bem como acondicionamento do sistema de aquisição dos dados mecânicos. Composto externamente por uma chave geral liga/desliga, botoeira de emergência e um sistema de medição dos parâmetros elétricos, é constituído por um multimedidor digital de grandezas elétricas, modelo PM 850, fabricação Schneider, contemplando valores de tensão fasefase e fase-neutro; corrente; potências ativa, reativa, aparente e fator de potência trifásicas e monofásicas; freqüência e energia ativa e reativa. A comunicação deste instrumento, assim como o acionamento dos motores (partida direta, partida suave e inversor de freqüência) é feito através da rede de comunicação Modbus com o módulo de controle (CLP Controlador Lógico Programável). Todos os parâmetros mencionados são mostrados conforme as figuras 4 e 5.

4 Assim, consegue-se determinar a potência de acionamento do motor que estará acoplado à correia segundo a equação (2), uma vez que seja conhecida a velocidade da correia. Uma outra forma de especificar a potência mecânica do motor, pode ser determinada pela equação (3), conhecendo-se o momento torsor do sistema mecânico. Te.v Pm = (2) 1000 η Figura 4 Mesa 1 da bancada Onde: Pm: Potência mecânica do transportador (kw) v : Velocidade da correia transportadora (m/s) η : Rendimento global da transmissão Mt n Pm= (3) 9550 R1 R2 Onde: Pm: é a potência mecânica do motor ( kw) Mt: o momento torsor (N.m) R1: rendimento da transmissão R2: rendimento do redutor (acoplamento) n: é a rotação do tambor motriz (rpm) A partir dessa última equação apresentada, consegue-se determinar a potência de acionamento da correia transportadora do LABOMOTRIZ, de acordo com a tabela 1, e assim, concluir a especificação da mesma. Tabela 1 Dados técnicos da correia transportadora do laboratório Figura 5 Mesa 2 da bancada e o painel elétrico V. ESPECIFICAÇÃO DE UMA CORREIA TRANSPORTADORA Com o intuito de aprimorar uma maior compreensão dos fenômenos envolvidos no transporte por correias, tem-se que os parâmetros apresentados anteriormente contribuem com uma força contrária ao movimento da correia, sendo a força efetiva (Te) responsável por vencer estas forças resistentes, representada pelo somatório das mesmas. Uma outra alternativa pode ser encontrada tomando-se como base a equação (1): Fr L (Wm+ 2 Wb+ Rt Ct + Ri Ci) Te = 9,81 (1) Ft Onde: Te: é a tensão efetiva do sistema ( N) Fr: Fator de fricção correia/rolos de apoio L: Comprimento da correia (m) Wn: Peso do material transportado ( kg/m) Wb: Peso da correia ( kg/m) Rt: Peso unitário do rolo de apoio sem eixo (kg) Ct: Quantidade de rolos de carga Ri: Peso unitário do rolo de retorno sem eixo(kg) Ci: Quantidade de rolos de retorno Ft: Fator de perdas e contingências finais A partir dos aspectos supramencionados, tem-se que a potência do motor para o acionamento da correia

5 transportadora é de 1 cv- 2 pólos, e a partir da tabela fornecida pelo fabricante, consegue-se obter as demais características do mesmo. VI. ENSAIOS LABORATORIAIS Uma vez realizado os aspectos teóricos e apresentado os detalhes da estação de trabalho da correia transportadora, este item segue na direção de executar alguns ensaios experimentais que possam ilustrar e complementar os conceitos e aplicações desenvolvidas neste artigo. Neste sentido, os ensaios laboratoriais serão realizados, mostrandose as grandezas elétricas encontradas quando a esteira está sendo acionada por um motor de indução trifásico convencional e o de alto rendimento. Conforme citado, mostra-se nas tabelas 3 e 4, as grandezas obtidas no laboratório, admitindo a operação da correia com o motor de indução trifásico convencional e posteriormente com o motor da linha de alto rendimento. Deve-se salientar que as grandezas elétricas e mecânicas foram obtidas em função da variação de carga imposta na esteira, considerando que o primeiro nível de carga foi o acionamento do motor com o rotor livre. Para o segundo nível de carga, considerou-se apenas o acoplamento, porém a esteira sem carga. Os demais níveis de carregamento em kgf/cm² da esteira foram impostos pela variação da célula de carga, a partir do sistema supervisório. Tabela 2- Resultados pra motor da linha padrão Ambos os motores apresentaram em suas grandezas as devidas variações de acordo com a carga imposta na esteira. A potência ativa absorvida pelo conjunto cresceu à medida que houve um acréscimo de carga, assim como a potência aparente, mantendo ainda uma potencia reativa praticamente constante como ilustrado pela figura 6. Figura 6 Grandezas elétricas dos motores Tabela 3- Resultados pra motor de alto rendimento

6 Como uma forma de complementar os ensaios experimentais, sabe-se que o torque resistente oferecido pela correia permanece constante, pois a velocidade mecânica varia linearmente com a potência mecânica no eixo do motor de indução. Esta bancada na possui nenhum equipamento para medição de torque. Assim, esta relação foi obtida indiretamente em laboratório e está indicada na figura 7, representada pela pressão exercida na correia, a qual, como se sabe, é proporcional à força e ao torque resistente. Deve-se salientar que este levantamento foi realizado com a correia transportando uma carga cujo valor nominal é de 250 kgf / cm 2 e está exposta de acordo com a figura mencionada..figura 7 - Potência em função da velocidade do motor VII. CONCLUSÕES Para a devida análise, percebe-se que há uma diferença entre o consumo de energia elétrica que o motor de indução trifásico da linha padrão e o de alto rendimento apresentam. Dentro do esperado, o motor de alto rendimento deve apresentar uma menor potência absorvida da rede. Paradoxalmente, o que se percebeu na análise dos valores obtidos em laboratório, é que o consumo de energia elétrica utilizando o motor de alto rendimento é maior que o da linha padrão, ou seja, a potência ativa que o equipamento absorve da rede é maior, contrariando as expectativas esperadas. Um dos motivos que pode explicar esta situação, é que os motores e diversos tipos de equipamentos são comprovadamente testados pelos seus fabricantes e anunciados ao mercado consumidor de acordo com testes realizados no mesmo, porém sob uma forma de amostragem. Assim, num conjunto de diversos equipamentos, apenas alguns são testados e, a partir do resultado desta análise os demais equipamentos são liberados para comercialização. Ou seja, provavelmente, o motor ou um dos motores utilizados para realização dos testes se enquadra neste problema citado. Um outro motivo que pode explicar a incoerência dos resultados experimentais, é que o rendimento marcado na placa de um motor representa o nominal médio de uma grande quantidade de motores do mesmo projeto e, devido a isso, apresenta limites de tolerância. Segundo a NBR 7094/1996, não há um limite superior de tolerância de rendimento para valores acima do marcado no motor. Porém, para valores inferiores, os limites de tolerância para motores devem obedecer aos seguintes critérios [5]: a) Para rendimentos marcados tal que η 0,851, o limite inferior de tolerância é dado : por 0,2 x (1- η); b) Para rendimentos marcados tal que η < 0,851, o limite inferior de tolerância é dado por 0,15 x (1- η); Assim, nota-se que a diferença de rendimento entre motores convencional e da linha de alto rendimento é pequena para motores de pequeno porte, a aquisição do motor de maior rendimento, pode não significar redução de potência na entrada do motor uma vez que suas tolerâncias podem coincidir em um determinado momento. A título de ilustração, tomando como base os rendimentos dos motores utilizados nesse acionamento, a partir das equações que definem os critérios de tolerância descritos anteriormente, chega-se a: Motor de 1cv da linha padrão: η máximo = 77% η mínimo = 73,55% Motor de 1cv de alto rendimento: η máximo = 81,2% η mínimo = 78% Assim sendo, nota-se que o limite superior do rendimento do motor da linha padrão é praticamente igual ao rendimento inferior da linha de alto rendimento, ou seja, aproximadamente 78%. VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] O QUE É eficiência energética,instituto Nacional de Eficiência Energética. Disponível em: < ncia#o_que_eh>. Acesso em abril de [2] Ferreira, R.A., Metodologia para utilização de inversores de freqüência em sistemas de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética, Trabalho de iniciação científica, Universidade Federal de Uberlândia, 2007 [3] Freitas,P. C. F., Comparação dos rendimentos dos motores da linha padrão e de alto rendimento, obtidos de forma indireta, Trabalho de iniciação científica, Universidade Federal de Uberlândia, [4] F.J. Horta Nogueira. Programa de Eficientização Industrial, Procel Indústria, Rio de Janeiro, [5] Guimarães, R., Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética, Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Uberlândia, 2008.