07/08/2017. Força motriz corresponde ao consumo de equipamentos tais como, bombas, ventiladores e compressores. Perfil do consumo de energia elétrica

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1 O setor industrial é o maior consumidor de energia do país. Respondeu por 37,2 % de todo o consumo no ano de 2009 (BEN 2010). Motores de indução Eletricidade e bagaço de cana são as duas principais fontes energéticas. Eletricidade é difundido por todos os setores industriais. O maior uso de energia elétrica nas indústrias é para Força Motriz -> Maior foco das ações de eficiência energética. Força motriz corresponde ao consumo de equipamentos tais como, bombas, ventiladores e compressores. Perfil do consumo de energia elétrica 1

2 O custo da energia para o custo final do produto é significativo para a maior parte das indústrias. Em alguns segmentos este custo representa até 60% do custo total de produção. Para o setor industrial, o investimento na melhoria da eficiência concorre com investimento na produção, que traz receitas adicionais às empresas. O motor é um conversor eletromecânico. O motor de indução foi inventado por Tesla entre 1882 e A máquina de Dolivo-Dobrovolsky, desenvolvida entre 1888 e 1890, é que mais se assemelha aos motores atuais. Diversas são as perdas que ocorrem nesta máquina. Perdas Joule no estator (Pj1) Perdas Joule no rotor (Pj2) Perdas no ferro -Histerese e Foucault (Phf). Perdas por dispersão (Pad) Perdas por atrito e ventilação (Pav). 2

3 A redução de peso se deve principalmente aos avanços nas técnicas de isolação e na redução da seção dos condutores. Perdas Perdas Perdas A distribuição das perdas em um motor varia de acordo com o carregamento. Para um motor operando em condições nominais temos (em média): Perdas Fora das condições nominais, a distribuição percentual das perdas é totalmente diferente. Ex.: motor de 15 CV de projeto padronizado. Evolução típica das perdas em função da potência mecânica (eixo) Perdas Distribuição percentual das perdas em função da carga 3

4 Perdas As perdas variam também em função da potência do motor Considerando vida útil de 10 anos Distribuição percentual das perdas em função da potência do motor Características típicas de MIT de projeto padronizado. Alternativa para economia de energia em sistemas motrizes. Ampla faixa de potência fornecida com rendimentos elevados. São tão suscetíveis a fatores exógenos (condições do alimentador, método de partida, ambiente de trabalho, etc) quanto os motores de projeto padronizado. Diferenças construtivas Aumento da quantidade de cobre nos enrolamentos do estator. Projeto otimizado das ranhuras. Superdimensionamento das barras do rotor (reduz perdas Joule). Chapas magnéticas de melhor qualidade para reduzir as perdas no ferro. Diferenças construtivas Otimização do projeto dos ventiladores. Emprego de rolamentos adequados. Regularidade do entreferro. Melhoria no isolamento e tratamento térmico das chapas do estator e do rotor para reduzir as perdas adicionais. Estas medidas podem acarretar uma redução de até 30% das perdas. 4

5 Grande potencial de economia no acionamento de pequenas máquinas. Estes equipamentos são muitas vezes colocados à margem em estudos de conservação energética. Os motores de menos de 10 CV representam: 85% dos motores instalados. 25 % do consumo industrial. APLICAÇÃO NO ACIONAMENTO DE BOMBAS E VENTILADORES A utilização de motores de alto rendimento pode resultar em maior velocidade de rotação do motor. Devido a resistência de rotor reduzida ocorre a modificação da curva de conjugado. A: alto rendimento. B: motor padronizado Uma solução para este problema pode ser a alteração no diâmetro da polia (caso o acoplamento seja feito por correia). Os métodos para avaliação das reais condições de carregamento podem ser classificados em dois grupos: Métodos normalizados Métodos expeditos Os métodos normalizados devido a complexidade, são mais indicados para ensaios laboratoriais. O carregamento de um motor bem dimensionado deve estar acima de 75% da potência nominal. Para os métodos normalizados, algumas discrepâncias podem ocorrer entre os resultados quando aplicados a um mesmo motor. METODOLOGIA EXPEDITA Empregam medidas de corrente, rotação, dados da placa e catálogos de fabricante e potência elétrica absorvida da rede (alguns casos). Possuem grande aplicabilidade em campo. 5

6 METODOLOGIA EXPEDITA Através deste trabalho busca-se informações sobre o carregamento do motor para desta forma verificar eventual sobredimensionamento. Algumas técnicas expeditas são: Diagrama circular inverso. Circuito equivalente obtido de dados de catálogos. Método da linearização. DADOS DE FABRICANTES Seja um motor padronizado com potência de 100 CV, IV pólos, em 440 V, operando com uma corrente de 150 A. A potência de trabalho do motor é próxima de 85 %, ou seja 85 CV. Rendimento de 93%. DADOS DE FABRICANTES Empregando um motor de 90CV. Potência e conjugado nas condições de operação Obs.: carga com mesma potência solicitada. Corrente de 140 A Rendimento de 95%. Redução nas perdas dos alimentadores. Pequena melhoria do fp. Método da Linearização Baseia-se na aproximação por uma reta na região de operação do motor. Método da Linearização O conjugado nominal é dado por: ( CV/RPM) A potência de trabalho será dada por: Conjugado de trabalho obtido da medição da rotação e conhecimento do conjugado e rotação nominais e rotação síncrona. DEDUZIR EQUAÇÃO Fator de carregamento: A partir da rotação de trabalho é possível saber o carregamento do motor. 6

7 Método da Linearização Fator de carregamento > 0,75 Motor bem dimensionado Fator de carregamento < 0,75 há indícios de sobredimensionamento. Valor aproximado do rendimento poderá ser obtido com a medida da potência elétrica absorvida. Existem situações como ciclos de carga severos ou partidas de carga em alta inércia onde o uso de motores sobredimensionados se faz necessário. Caso não seja possível medir a rotação, pode-se também estimar. Linearização da curva corrente versus rotação do motor e medição da corrente do motor. A corrente em vazio pode ser medida por diferentes formas: Caso acoplado por correias -> Afrouxamento da correias. Quando possível desacoplar motor da carga. Caso as formas anteriores para a medição corrente em vazio não possam ser realizadas, ela pode ser estimada pela seguinte expressão: Um motor de indução trifásico tem em sua placa de identificação os seguintes dados P= 15 CV, i = 22 A e 1740 rpm. Para avaliação do seu carregamento não foi possível medir a rotação de trabalho, contudo a corrente, medida no centro de controle de motores é de 18A. O motor encontra-se sobredimensionado? Fc= 0,674 Sugere um sobredimensionamento. Verifique o carregamento para i medida de 20A 7

8 Para motores com suspeita de sobredimensionamento (FC<0,75) deve ser efetuada a ANÁLISE TÉRMICA e ANÁLISE DE PARTIDA DO MOTOR. Na análise térmica é verificado o perfil de elevação de temperatura do motor durante o ciclo de trabalho. Fundamental importância para identificar real sobredimensionamento. Permite verificar se o motor é capaz de partir a carga, acelerando-a a um tempo inferior ao de rotor bloqueado. Na análise da partida é identificada a curva conjugado da carga, a fim de comparar o tempo de partida com o tempo de rotor bloqueado do motor. Tempo de partida Tempo de partida A integral pode ser calculada algebricamente ou através da aproximação por trapézios. Tempo de partida calculado < tempo de rotor bloqueado do motor. Determinação das características das cargas Para calcular-se o tempo de partida é necessário saber a curva de conjugado da carga. Em um ambiente industrial existem praticamente 4 tipos de cargas mecânicas. Motor suporta a partida. 8

9 Determinação das características das cargas Determinação das características das cargas Conjugado constante Pontes rolantes Guincho Conjugado linear Moinho de rolos Elevadores e semelhantes Deve ter cuidado no acionamento, pois a carga já parte com conjugado nominal. Bombas de pistão, serras. Determinação das características das cargas Determinação das características das cargas Conjugado quadrático Bomba centrífuga Ventiladores, exaustores e compressores Não possuem grande dificuldade no redimensionamento, pois o conjugado inicial é pequeno. Máquinas operatrizes Determinação das características das cargas METODOLOGIA 1 Todas estas cargas podem ser representadas pela seguinte equação estática de conjugado: Determinação das características das cargas METODOLOGIA 1 Os parâmetros K1, K2 e J podem ser estimados usando a curva de desaceleração do conjunto motor carga. 9

10 Determinação das características das cargas METODOLOGIA 1 Esta curva pode ser obtida desligando-se o motor e registrandose a variação da velocidade de rotação em função do tempo. Medida pode ser feita utilizando um tacogerador e registrada através de oscilógrafos ou outro sistema de aquisição de dados. Determinação das características das cargas METODOLOGIA 1 Exemplo Determinar a característica dinâmica da carga de um ventilador centrífugo, acionado por um motor de 200 CV, 1780 rpm, que possui a curva de rotação durante o desligamento abaixo. A rotação no instante anterior ao desligamento era 1794 rpm. Determinar a característica dinâmica da carga de um ventilador centrífugo, acionado por um motor de 200 CV, 1780 rpm, que possui a curva de rotação durante o desligamento abaixo. A rotação no instante anterior ao desligamento era 1794 rpm. Derivada no desligamento é de -108,2 (rpm/s). Costuma-se adotar um tempo de aceleração menor que 5 segundos como sendo um valor adequado. 10

11 Fonte: WEG Fonte: WEG Fonte: WEG Fonte: WEG Fonte: WEG Fonte: WEG 11

12 Fonte: WEG Desconhecimento das características das cargas. Desconhecimento dos métodos pra determinação de suas características. Aplicação de sucessivos fatores de segurança nas várias etapas do projeto. Expectativa de aumento no carregamento Desconhecimento de motores com fator de serviço. Substituição de motores danificados por motores maiores, devido à inexistência de motores reservas iguais. Redução do nível de produção. Fonte: WEG Manutenção correta reduz perdas de produção e consumo do equipamento. 12

13 Redução da eficiência e da vida útil A norma NEMA MG parte 30, propõe um fator de depreciação da potência do motor quando operando submetido a uma tensão deformada. Fator de tensão harmônica (HVF) Corrente de sequência negativa reduz o torque produzido pelo motor. FATOR DE DEPRECIAÇÃO DA POTÊNCIA DO MOTOR Um sistema elétrico com harmônicos pode gerar sobreaquecimentos consideráveis. Possível aumento do nível de ruídos. Informações sobre motores WEG 13

14 Linha W22 IR2 motor_sel_web.asp Linha W22 IR2 Linha W22 IR2 BD Motor Software fornece informações sobre: - Carregamento do motor - Dimensionamento Fazer análise para condições de carregamento pela corrente, potência de entrada e escorregamento Fazer comparação entre motores. Mark IV Prever aumento da rotação em determinadas cargas acionadas. Alteração da curva de conjugado do novo motor. Análise convencional pode resultar em grandes erros. Software fornece informações sobre: Coleta de dados dos acionamentos Quando o investimento é proveniente do Programa de Eficiência Energética pode levar mais de 6 meses entre a medição e a verificação. Anotar os parâmetros em funcionamento da máquina é fundamental nos estudos para substituição motriz. - Carregamento do motor - Dimensionamento 14

15 Coleta de dados dos acionamentos Compressores pressão por meio de manômetro ou leitura da vazão, quando disponível. Bombas pressão Exaustores vazão por meio de anemômetro; posição do damper; anotar frequência de operação, caso acionado por conversor de frequência. Ventiladores vazão com anemômetro, freq. de operação caso acionado por conversor de frequência. Analisar um motor elétrico antigo gera um desvio percentual entre os valores de rendimento real e estimado (tabelados). Com o tempo de uso o motor perde conjugado e consequentemente rotação -> Alteração do rendimento Com o tempo de uso o motor perde conjugado e consequentemente rotação. Estudo condição nominal Estudo condição nominal Estudo condição 50% carga 15

16 Difícil dizer que motor opera sempre a 50 % da carga ou corrente. Na prática e feita esta consideração. Melhoria do fp impactam em não investimento para correção do fp. Redução da corrente barateia o sistema de acionamento e proteção, minimiza as perdas por efeito Joule. /regua.jsp 16