SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GCE a 17 Outubro de 2007 Rio de Janeiro - RJ GRUPO XIV GRUPO DE ESTUDO DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA VALIDAÇÃO DE MODELO COMPUTACIONAL DE UM TRANSPORTADOR DE CORREIA E IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA PARA REALOCAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DA FRENAGEM REGENERATIVA Fábio Mauricio Sena de Oliveira * 1 Rogério Diogne de Souza e Silva 2 Maria Emília de Lima Tostes 2 Heldo Samuel Silva da Silva 2 Roberto Carlos Barros Freire 2 1 UNICAMP 2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ RESUMO Este trabalho apresenta a validação de um modelo computacional utilizado para fins de análise da eficiência energética e frenagem regenerativa de transportadores de correia acionados por motores elétricos de indução, através de simulações, utilizando-se um software reconhecido e amplamente utilizado no meio acadêmico. Para a utilização desta energia, planeja-se o redirecionamento para a própria planta, assim como o armazenamento em bancos de capacitores ou a reutilização na alimentação em áreas que não haja demanda de grande potência, como em escritórios. A validação é feita através de um protótipo de transportador de correia. PALAVRAS-CHAVE Frenagem Regenerativa, Eficiência Energética, Sistemas Motrizes INTRODUÇÃO As pesquisas relacionadas aos sistemas motrizes industriais presentes no país demonstraram ser de grande importância, e vêm ganhando cada vez mais espaço desde que o Brasil adotou um plano de geração de energia elétrica, motivado pelas recentes preocupações advindas da racionalização do uso desta. Dentro deste aspecto, deve-se considerar a importância dos estudos direcionados ao consumidor final, principalmente no setor industrial, pois é este setor que utiliza a maior parte da energia gerada no país, além de se ser de fundamental importância para o crescimento do país. Incentivar os estudos direcionados ao consumidor industrial significa otimizar o consumo da matriz energética, além do fato de que a pesquisa em eficiência energética em tais sistemas leva à melhoria dos níveis de distribuição e transmissão de energia, haja vista que em cada sistema motriz que configure-se como um potencial de redução e melhoria da qualidade da energia elétrica consumida, ocorrerá uma reação natural no consumo energético que melhorará significativamente os níveis de geração, transmissão e distribuição do sistema interligado nacional. Estudos relacionados especificamente ao comportamento de equipamentos motrizes constituem em exemplos de estudos de caso específicos, em que se podem conseguir ganhos diretos para a matriz energética brasileira, considerando detalhes técnicos importantes associados aos sistemas motrizes utilizados no parque industrial brasileiro. Aliado a este fator, tais estudos não resumem-se a uma medida que dependa de discussões gerenciais ou governamentais, mas sim em uma medida que depende apenas da decisão do gerente da planta industrial, na qual caberá a ele discernir sobre o potencial energético que pode ser conseguido através de técnicas de otimização do consumo e utilização da energia elétrica, tal como a frenagem regenerativa. (*) Av. Albert Einstein, 400 Sala 125 Cidade Universitária Zeferino Vaz CEP Campinas, SP Brasil Tel: (+55 19) Fax: (+55 19) fabio@dmcsi.fee.unicamp.br

2 2 A frenagem regenerativa pode ocorrer quando o motor de indução é acionado por um conjugado mecânico externo de modo a atingir uma velocidade superior à velocidade síncrona. Nesta condição, o escorregamento torna-se negativo e o motor passa a ter o desempenho de um gerador de indução, ou seja, em lugar de consumir energia da rede elétrica a que ele está ligado, ele passa a gerar energia para a rede. O conjugado mecânico interno que o motor desenvolve nesta condição operacional tem sentido contrário ao da rotação do rotor, atuando como freio, evitando que ele se acelere e atinja velocidades muito elevadas. Uma situação semelhante é a de um transportador de correia cujo percurso é descendente. Devido à gravidade, o motor tende a se acelerar e atingir valores de velocidades maiores do que a síncrona. Ele passa a atuar como gerador, impedindo que a correia se acelere acima de uma velocidade segura na descida. O conjugado desenvolvido pela ação geradora pode ser aumentado pela introdução de estágios de resistências no circuito do rotor quando se trata de rotor bobinado METODOLOGIA A metodologia utilizada para o presente trabalho é dividida em duas etapas: simulações e ensaios. As simulações consistem em um modelo desenvolvido através do software MatLab. Através deste modelo e dos ensaios realizados, poderão ser conhecidas suas principais características e também o desempenho do sistema motorcarga, sempre voltados à frenagem regenerativa. Através de um estudo teórico, poderá ser levantada a quantidade de energia que seria conseguida através de um sistema que utilize a frenagem regenerativa. Utilizando-se um protótipo existente em laboratório, é realizado um estudo do quanto se conseguiria em energia com o protótipo utilizado e a validação do modelo. Os ensaios consistem na análise em laboratório da energia utilizada em procedimentos de frenagem, e de que forma pode ser armazenada, através de algumas condições operativas do protótipo de transportador de correia. Ao final, são feitas análises dos resultados obtidos nos dois tipos de experimento, com o objetivo de demonstrar o potencial energético existente em tal método SIMULAÇÕES O transportador de correia é o meio mais simples, versátil e difundido para movimentação de carga. Essa movimentação de carga é executada por meio de uma força requerida pela correia e fornecida por um motor que gira um tambor. O desenvolvimento dos resultados desta pesquisa constitui-se na modelagem matemática e elaboração dos modelos em linguagem computacional, elaboração de estratégias de análise, levantamento do estado da arte da pesquisa sobre regeneração de energia elétrica, análise do potencial de eficiência energética em sistemas de transporte por correia e validação do modelo. O principal fundamento utilizado foi a modelagem matemática dos sistemas, realizada através de pesquisa em dados bibliográficos e manuais de fabricantes de transportadores de correia. Utilizou-se um modelo dinâmico de segunda ordem para representação do motor de indução. Os modelos foram escritos em linguagem computacional, através do programa Simulink TM da Mathworks TM, de utilização consagrada na comunidade científica para simulação dinâmica de sistemas. Para análise dos dados obtidos com as simulações, elaboraram-se funções computacionais para análise de parâmetros elétricos do sistema. Os parâmetros a seguir apresentados descrevem as forças presentes em um transportador de correia e servirão para posterior modelagem e simulação computacional. A força requerida para a movimentação da correia é obtida pela seguinte equação: Onde: C f : O fator de correção de comprimento, em m; C v : O coeficiente de atrito para vencer a resistência oferecida pelas partes móveis; P : O peso das partes móveis, em Kg/m; C f : O fator de correção de comprimento, em m; C c : O coeficiente de atrito oriundo da resistência; P m: O peso do material transportado, em kg/m; H : A altura de elevação da carga, em m. Conhecendo-se o valor da força efetiva requerida para movimentação da correia (Te), pode ser calculada a potência do motor (P) através da seguinte equação: O modelo utilizado para análise do estudo da eficiência energética do sistema transportador de correia seguirá as análises matemáticas acima mencionadas. Foi obtida a potência consumida pelo transportador de correia através do torque efetivo, além do parâmetro velocidade do transportador de correia. As análises serão realizadas através (2) (1)

3 3 do simulink TM, que é um programa utilizado para modelagem, simulação e análise de sistemas dinâmicos, apesar da modelagem em questão não se tratar de uma modelagem dinâmica. Abaixo segue a modelagem do transportador de correia que servirá como carga para as simulações. O bloco para a obtenção da tensão efetiva foi comprimido em um único bloco para melhor visualização do sistema. As características de modelagem do sistema podem variar, de acordo com o tipo do transportador de correia utilizado. Os dados são colocados nos blocos correspondentes à tensão efetiva da carga e a potência exigida pelo transportador é obtida ao final do sistema, realizado no programa de simulação. Desta forma, obtemos, assim, a modelagem para obtenção da potência exigida pelo transportador de correia. Figura 01. Modelo para Simulação do Transportador de Correia. 3.1 Aplicação da Frenagem Regenerativa ao Modelo Apresentado Utilizando-se um modelo de transportador de correia, pode-se determinar o ganho de energia obtido através do conceito de frenagem regenerativa sobre este equipamento. Os dados do modelo são apresentados abaixo e foram colhidos em um sistema real de transporte por correia utilizado em uma indústria. Há outros dados que podem ser fornecidos por indicações técnicas. Porém, estes dados não serão aqui apresentados, pois não serão necessários aos cálculos. - Potência nominal do motor: 50 HP; - Tensão nominal (rms): 220 V; - Freqüência nominal: 60 Hz; - Tipo de rotor: Gaiola de esquilo; - Largura da correia: 1050 mm; - Comprimento da correia: 246 m; - Velocidade da correia: 1,5 m/s; - Tonelagem transportada: 500 t/h; - Regime de trabalho: 8h/dia; - Correia deslizando sobre roletes; - Distância entre os centros dos tambores: 120 m; - Altura de elevação: 18m; - Ângulo de inclinação do transportador: 8.63 º; - Transporte descendente; - Diâmetro do tambor de acionamento: 90 cm; - Diâmetro do tambor de retorno: 75 cm; - Tipo do material transportado: Pedra britada; - Peso específico do material transportado: 2300 kg/m 3 ; Aplicando-se alguns destes dados obtidos na equação (1), obtém-se a força efetiva exigida pelo transportador: Conhecendo-se a força efetiva, pode-se calcular a potência do motor, para o acionamento deste transportador de correia, através da equação (2). Assim:

4 4 Assim, kw (equivalentes a HP) de potência seriam conseguidos através do reaproveitamento da energia que seria liberada, caso fossem utilizados resistores para liberação desta energia. Na frenagem regenerativa, toda a energia devolvida ao inversor pelo motor é desviada para um módulo especial, onde será condicionada (sincronizada e nos mesmos padrões da rede elétrica que será devolvida) e devolvida para a rede de alimentação. Neste caso, não são necessários módulos de chaveamento e nem o resistor de dissipação. Em vez disso, utiliza-se uma unidade de frenagem regenerativa e um reator. A potência que poderia ser reaproveitada através de frenagem regenerativa, encontrada anteriormente foi de kw. Assumindo-se um ciclo de trabalho de 24 horas por dia, 30 dias por mês, obtemos: 12.31x24x30 = kw.h Tem-se, assim, um total mensal de energia elétrica conseguida através da frenagem regenerativa no transportador de correia de 8863 kilowatts. 3.2 Validação do Modelo Através dos ensaios realizados em laboratório, pôde-se validar o modelo apresentado. Foram realizados ensaios através do protótipo de transportador de correia no Laboratório de Qualidade e Eficiência Energética da UFPA LabQuali plotando-se a energia em relação ao tempo. O gráfico de cima foi obtido através de dados adquiridos em um sistema supervisório desenvolvido em LabView para aquisição dos dados do sistema motriz, enquanto que o gráfico de baixo descreve o comportamento da energia em função do tempo obtido através do modelo matemático utilizado para simular o transportador de correia. Pode-se notar que o comportamento das duas curvas são equivalentes. Os momentos em que o gráfico toca o nível zero de energia demonstram a mudança de carga do sistema, quando o transportado pára por um instante muito pequeno, para que seja aumentada a carga sobre o equipamento. Desta forma, demonstra-se a validação do modelo utilizado para os estudos em eficiência energética do equipamento. Figura 02. Gráficos obtidos através de sistema supervisório feito em linguagem Labview e plotagem dos dados através do modelo matemático desenvolvido ENSAIOS Após verificado o potencial de energia conseguido através de estudos relacionados ao modelo desenvolvido, serão abordados estudos em um protótipo de transportador de correia, simulando assim seu regime de trabalho normal. O principal objetivo destes ensaios será o de fornecer as possibilidades de se conseguir energia através da frenagem, bem como o potencial de estudos a serem realizados sobre o mesmo. Através deste estudo de caso, poderá se feira a verificação da utilização prática da frenagem regenerativa, bem como a possibilidade de outras alternativas para aproveitamento da energia da frenagem.

5 5 Os ensaios foram realizados em um protótipo de transportador de correia, conforme ilustrado abaixo. As grandezas medidas e calculadas são: - Velocidade de rotação da esteira; - peso da carga transportada; - Potência ativa e reativa; - Fator de Potência; - Tensão e corrente nas três fases; - Velocidade linear da esteira. Figura 03. Protótipo de transportador de correia utilizado para análise dos ganhos em frenagem regenerativa. O inversor de freqüência utilizado corresponde ao modelo SFW-09 da Weg. Este modelo permite o controle de velocidade e torque de motores de indução trifásicos. Uma das principais vantagens deste modelo, direcionada aos objetivos deste trabalho, é a função Frenagem Ótima para o controle vetorial, permitindo o ajuste automático dos reguladores e parâmetros de controle a partir da identificação dos parâmetros do motor e da carga utilizados. Os ensaios foram feitos para análise do conjugado, que é dado por: Onde: T n = Conjugado, em N.m; P = Potência do motor, em cv; n s = velocidade do rotor, em rpm. T n 7024P n = (3) s

6 6 Figura 04. Esquema de alimentação e regeneração CC no inversor de freqüência. Foram feitas análises para duas velocidades: 250rpm e 600 rpm, variando o peso sobre a correia entre 10kg, 25kg e 50kg para a velocidade de 250rpm e 0kg e 50kg para 600rpm. Os resultados são demonstrados nas tabelas à seguir: Tabela 01. Medidas realizadas no transportador de correia para uma velocidade n s=250rpm. I A(A) I B(A) I C(A) n s(rpm) T s(n.m) 10kg 1,3 1,3 1, ,11 25kg 1,4 1,3 1,5 196,5 53,62 50kg 1,7 1,6 1,6 159,3 66,12 Tabela 02. Medidas realizadas no transportador de correia para uma velocidade n s=600rpm. I A(A) I B(A) I C(A) n s(rpm) T s(n.m) 0kg 2,2 2,2 2,2 586,6. 17,96 50kg 2,7 2,7 2, Através dos resultados analisados, pôde-se observar que o torque acompanha o aumento da carga no transportador inversamente, demonstrando assim que o motor busca compensar esse aumento de carga sem diminuição da eficiência do sistema. A tensão CC obtida através do resistor de frenagem no inversor de freqüência varia em uma faixa que vai de 110V a 124V. Esta tensão obtida já é referente à tensão da frenagem, devido ao sistema estar sendo frenado pela carga CONCLUSÃO A necessidade de frenagem de sistemas motrizes, como transportadores de correia, está presente em diversas indústrias. Dentre os tipos de frenagem, a frenagem regenerativa constitui uma fonte a mais de energia que pode ser utilizada para os mais variados processos. Através da utilização de tiristores, GTOs ou IGBTs, pode-se enviar de volta à rede de alimentação a energia que seria gasta em resistores de frenagem, em uma frenagem que não utilizasse tal técnica. Uma outra forma de reaproveitamento seria o armazenamento em bancos de capacitores, com a possibilidade de correção do fator de potência. Um sistema computacional para avaliação do potencial de frenagem regenerativa em sistemas acionados por motores elétricos de indução foi implementado. Foram utilizados modelos para o estudo da potência necessária para o acionamento de um transportador de correia. O estudo do retorno da geração de energia na implantação do sistema de frenagem regenerativa foi apresentado. Paralelo aos estudos da frenagem nos modelos elaborados, ensaios foram realizados confirmando a existência da energia presente no resistor de frenagem, através do acionamento de um protótipo de transportador de correia, por meio de um inversor de freqüência que possui o parâmetro de reutilização de energia através da frenagem regenerativa. Devido à busca cada vez maior por parte das indústrias na eficiência energética e visto que esta consiste em um modo mais barato de ganhos energéticos, a frenagem regenerativa em sistemas acionados por motores elétricos

7 7 de indução constitui uma alternativa interessante de ganhos de energia sem grandes modificações na planta já instalada. Desta forma, busca-se contribuir para a eficientização do parque industrial brasileiro, através do desenvolvimento de métodos eficazes de eficiência em sistemas motrizes industriais. 6.0 TRABALHOS FUTUROS Com os resultados apresentados até então concluídos e com os equipamentos em laboratório disponíveis, o campo aberto às pesquisas na frenagem torna-se amplo. Com o protótipo utilizado em laboratório, poderá ser realizada a simulação de transportadores de correia que realizam movimentos em declives. Um motor dimensionado para exercer um determinado torque servirá para simular a força da gravidade atuando no material a ser transportado. Assim, o outro motor deverá compensar esta força, de modo que a frenagem para manter a correia em uma velocidade constante poderá ser então mensurada. A análise dos impactados harmônicos causados pelo chaveamento dos componentes de eletrônica de potência, como IGBTs e GTOs, no acionamento motriz das cargas para utilização da frenagem regenerativa é outro fator a ser estudado em futuros trabalhos sobre frenagem regenerativa. 7.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Daus, W.; Körber, S.; Becker, N. (1998) Raw Coal Loading and Belt Conveyer System at the Nochten Opencast Mine Translated from Braunkohle Surface Mining 50 nº2 March/April (2) Apter, R.; Präthaler, M. (2002) Regeneration of Power in Hybrid Vehicles IEEE (3) Rodríguez, J.; Pontt, J.; Alzamora, G.; Becker, N.; Einenkel, O.; cornet, J. L.; Weinstein, A. (2001) Novel 20 MW Downhill Conveyor System Using Three-Level Converters IEEE (4) Correias Mercúrio Manual Técnico Correias Transportadoras e Elevadoras 2ª Edição (5) Alspaugh, M. A. (2004) Latest Developments in Belt Conveyor Technology MINExpo September 27 (6) Victor, R (2003) Inversores CA Regenerativos Entendendo a Regeneração FAAP Revista Engenharia, nº 16 (7) Nogueira, F. J. H. (2004) Correias Transportadoras Guia Avançado Procel Indústria, Eletrobrás (8) Locatelli, E. R. (2004) Motor Elétrico Guia Avançado Procel Indústria, Eletrobrás (9) Polímio, J. A. (2001) Eletrônica de Potência DSCE FEEC UNICAMP (10) Matsui, K.; Tsuboi, K.; Muto, S. (1992) Power Regenerative controls by Utilizing Thyristor Rectifier of Voltage Source Inverter IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 28, nº 4, July/August (11) Rodríguez, J.; Pontt, J.; Becker, N. and Weinstein A. (2002) Regenerative Drives in the Megawatt Range for High-Performance Downhill Belt Conveyors. IEEE Transactions on Industry Applications vol. 01 January/February (12) WEG (2006) Manual do Usuário Inversor de Freqüência CFW-09 (13) Braun, D. H.; Gilmore, T. P. and Maslowski, W. A. (1991) Regenerative Converter for PWM AC Drives IEEE Manuscript Received June DADOS BIBLIOGRÁFICOS Fábio Mauricio Sena de Oliveira Nascido em Santarém, PA em 07 de junho de Graduação (2006) em Engenharia Elétrica: UFPA Atualmente é aluno de mestrado em Engenharia Elétrica pela Unicamp Rogério Diogne de Souza e Silva Nascido em Belém, PA, em 16 de agosto de Mestrado (2004) e Graduação (2002) em Engenharia Elétrica: UFPA. Atualmente é aluno de doutorado pela Universidade Federal do Pará. Maria Emília de Lima Tostes Nascida em Recife, PE, em 06 de abril de Doutorado (2003), Mestrado (1992) e Graduação (1988) em Engenharia Elétrica: UFPA Professora Adjunta do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da UFPA Roberto Carlos Barros Freire Nascido em Belém, PA, em 15 de julho de Graduação (2006) em Engenharia Elétrica: UFPA Atualmente é aluno do mestrado em Engenharia Elétrica pela UFPA Heldo Samuel Silva da Silva Nascido em Belém, PA, em 15 de julho de Graduação (2005) em Engenharia Elétrica: UFPA Empresas: Concremat Engenharia e Tecnologia S/A, desde 2007 Engenheiro Pleno I