RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA PIBIC: CNPq, CNPq/AF, UFPA, UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PARD, PIAD, PIBIT, PADRC E FAPESPA Período: SETEMBRO/2016 a JANEIRO/2017 (X) PARCIAL ( ) FINAL IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinulado o Plano de Trabalho): Sistema de Gestão das Unidades Consumidoras de Energia Elétria da Cidade Universitária Prof. José da Silveira Neto Nome do Orientador: Carminda Célia Moura de Moura Carvalho Titulação do Orientador: Doutora Fauldade: Fauldade de Engenharia Elétria e Biomédia (FEEB) Instituto/Núleo: Instituto de Tenologia (ITEC) Laboratório: Laboratório de Tenologias Avançadas em Iluminação e Instalações Elétrias do CEAMAZON Título do Plano de Trabalho: Análise Comparativa Envolvendo a Utilização de Chaves Convenionais e de Chave Soft Starter para a Partida de Motores Assínronos Nome do Bolsista: Nilton Felipe Pinheiro Rosendo Tipo de Bolsa: ( ) PIBIC/ CNPq ( ) PIBIC/CNPq AF ( )PIBIC /CNPq- Cota do pesquisador ( X ) PIBIC/UFPA ( ) PIBIC/UFPA AF ( ) PIBIC/ INTERIOR ( )PIBIC/PARD ( ) PIBIC/PADRC ( ) PIBIC/FAPESPA 1

2 INTRODUÇÃO Motores de Indução Trifásios são largamente usados em setores industriais, nos quais se faz neessária a onversão de energia elétria em meânia. O uso em larga esala deste motor está assoiado om suas araterístias onstrutivas robustas, failidade na manutenção, adaptação a situações diversas e usto de operação inferior quando omparados a outros tipos de motores quando bem dimensionado. A partida direta de tais equipamentos gera onsequênias negativas ao iruito de potênia ao qual o mesmo está onetado, omo por exemplo, queda de tensão no sistema e elevada soliitação de ondutores e equipamentos de omando devido a orrente de pio (Ip) na partida (CHAPMAN, 2013). Para que as partidas de motores sejam mais efiientes, são utilizadas ténias e equipamentos que suavizam esses proedimentos na rede e dão maior vida útil ao motor. Amplamente utilizados nas indústrias, ferramentas omo haves de partidas ontroladas por miroproessadores, inversores ou soft starter suavizam o proesso de partida. Empregando soft starter para partida do motor é possível a diminuição da tensão iniial apliada, a qual pode ser aumentada gradualmente até que atinja o valor nominal, dessa forma fazendo om que haja menos exigênia de energia da rede para aelerar a arga. Assim omo o método de partida através de have Soft Starter, outros métodos mais modernos e efiientes podem ser estudados, omo os sistemas de partidas utilizando CLPs e inversores, os quais possuem finalidades omuns, porém robustez e apaidades não tão omuns um ao outro. A fim de omprovar a efiiênia dos métodos de partida, pretende-se onfrontar os resultados obtidos através de medições onsiderando a partida suave e métodos de partida onvenionais. 2

3 JUSTIFICATIVA As haves de partida ontroladas por miroproessadores, inversores ou soft starter, vêm sendo largamente adotadas pelas indústrias para partida suave de motores de indução trifásios. Com esses equipamentos, é possível reduzir a tensão iniial apliada, aumentando gradualmente a sua magnitude até atingir o valor nominal. Dessa forma, o torque e a orrente de partida podem ser regulados de forma a soliitar da rede o valor mínimo de energia neessário para aelerar a arga. As haves soft starter, por exemplo, evitam as elevadas soliitações impostas aos equipamentos de omando e aos enrolamentos do motor durante a partida, ontribuindo para aumentar a vida útil dos mesmos. Além disso, ofereem proteção ontra falta de fase, suborrente e sobreorrente, além de monitorar a temperatura interna do motor ontra ajustes inadequados de parâmetros. As haves soft starter possuem ainda a função eonomia de energia, que reduz a tensão apliada ao motor após a partida, dependendo do nível de arregamento do mesmo. Esse proedimento, segundo os fabriantes, ontribui para melhorar o fator de potênia, embora introduza maiores níveis de harmônios, devido à abertura do ângulo de ondução dos tiristores. Para estabeleer parâmetros de omparação, serão realizadas medições aionando-se o motor onsiderando-se vários níveis de arregamento, pois a potênia reativa absorvida por um motor de indução aumenta muito levemente desde a sua partida até a operação a plena arga. No entanto, a potênia ativa absorvida da rede rese proporionalmente ao arregamento do motor e aumento da orrente. Esse omportamento resulta em variações no fator de potênia e no rendimento do motor desde a operação a vazio até a plena arga. Por outro lado, a Resolução Normativa nº414 da Agênia Naional de Energia Elétria ANEEL, em seu artigo 95, estabelee que o limite mínimo permitido para o fator de potênia das unidades onsumidoras deve ser de 0,92. Em virtude do exposto, tendo em vista as melhorias que o setor elétrio exige a fim de que sejam atendidos os requisitos de onservação e de qualidade de energia nas instalações, e onsiderando ainda as ampanhas governamentais de inentivo à utilização de equipamentos de alta efiiênia, é imperativo que sejam desenvolvidos estudos levando em onsideração os aspetos de qualidade e efiiênia energétia dos sistemas de uso final, entre eles os motores de indução largamente empregados nas indústrias. Nesse sentido, a presente proposta pretende forneer uma ontribuição aos estudos e análises que vêm sendo desenvolvidos a fim de avaliar o impato provoado pela utilização dos diversos sistemas de partida de motores nas redes de distribuição. O estudo prevê a realização de testes de laboratório envolvendo diferentes arregamentos do motor e a oleta de dados (tensão, orrente, fator de potênia e de desloamento, distorções harmônias) para análise omparativa de desempenho. 3

4 OBJETIVOS O objetivo desta proposta nos primeiros seis meses foi estudar as araterístias de partida dos motores de indução, bem omo estudar as araterístias da arga aionada (freio magnétio), a fim de determinar os parâmetros para determinação da urva de onjugado versus veloidade do motor e da arga. As análises experimentais futuras envolverão a realização de medições utilizando um Analisador de Qualidade de Energia e uma banada didátia de instalações elétrias, onde serão testados diferentes formas de partida e vários níveis de arregamento do motor, a fim de omprovar a sua ontribuição para a onservação e qualidade da energia elétria. Em função do exposto, pretendeu-se nos primeiros seis meses: 1. Realizar uma onsolidação teória iniial, a fim de que se pudesse obter um maior domínio aera dos assuntos que envolvem as partidas de motores e o seu aionamento por haves onvenionais e soft starter; 2. Estudar as araterístias de partida dos motores em função do tipo e ategoria do motor; 3. Determinar experimentalmente as urvas de onjugado do motor e da arga. MATERIAIS E MÉTODOS A fim de alançar os objetivos propostos nessa primeira etapa, iniialmente foram realizados testes em um motor de indução trifásio om o intuito de extrair ino parâmetros: resistênia e reatânia do rotor, resistênia e reatânia do estator e reatânia de magnetização. Esses parâmetros foram obtidos a partir dos testes de rotor bloqueado e de ensaio a vazio realizados no motor. No teste de rotor bloqueado foi utilizada uma fonte de tensão e frequênia variáveis om finalidade de fazer om que a magnitude da tensão fosse elevada aos pouos, enquanto a frequênia foi mantida a 60Hz. O rotor estava meaniamente bloqueado e as fases sendo analisadas pelo equipamento de oleta de dados. Esse teste forneeu parâmetros que serviram para alular a resistênia do rotor, a reatânia do rotor e a reatânia do estator. No teste de ensaio a vazio a tensão da fonte foi gradualmente sendo elevada, e quando o motor entrou em regime permanente, a tensão nominal foi apliada. Assim omo no ensaio de rotor bloqueado, as fases fiaram sendo monitoradas pelo analisador de energia. O objetivo desse ensaio é obter a orrente de magnetização, a qual é utilizada para levantamento da urva onjugado x veloidade do motor. Para a obtenção da resistênia do estator é neessário que seja realizado o teste de orrente ontínua, no qual é injetada orrente ontínua nos enrolamentos do motor. No entanto, pelo motivo de não haver fonte de orrente ontínua disponível para a realização desse teste, utilizou-se um inversor para obter esse parâmetro. Além disso, o valor da reatânia de magnetização foi mostrado pelo inversor e pôde ser omparado om o valor obtido através dos álulos. O equipamento utilizado para a realização da oleta de dados foi o analisador de energia HIOKI PW3198, onforme a figura 1, a seguir. 4

5 Figura 1. Analisador HIOKI PW3198. O motor utilizado para a realização dos ensaios foi o motor de indução trifásio W21 WEG plus alto rendimento, onforme a figura 2, e possui as espeifiações de fábria desritas na tabela 1. O motor pertene a ategoria N, o qual apresenta onjugado de partida normal e orrente de partida elevada (MAMEDE,2013). Figura 2. Motor de indução trifásio Tabela 1. Dados de plaa do motor de indução trifásio. Potênia 1,1 kw ou 1,5 v Veloidade Nominal 1715 rpm Frequênia 60 Hz Tensão Nominal em Δ 220 V Corrente Nominal em Δ 4,42 A Fator de Potênia 0,8 Fator de Serviço 1,15 Categoria N 5

6 A urva araterístia do onjugado x veloidade do motor de ategoria N é disriminada no gráfio da figura 3. Figura 3. Curva araterístia de ada ategoria (MANUAL DE MOTORES WEG) Os valores de tensão, orrente e potênia obtidos do teste de rotor bloqueado são mostrados na figura 4. Como relatado anteriormente, no teste de rotor bloqueado a tensão foi gradualmente elevada, até que a orrente atingisse o valor nominal, ou próximo dele, sendo neessário 40,19 V em média (das três fases) para atingir a orrente nominal. Os valores de tensão, orrente e potênia por fase podem ser onferidos na figura 4. Figura 4.Valores obtidos no teste de rotor bloqueado. No teste de ensaio a vazio os valores mostrados pelo analisador de energia são apresentados na figura 5. 6

7 Figura 5.Valores obtidos no ensaio a vazio Para obtenção do valor da resistênia do estator o inversor modelo CFW 11 WEG retornou o valor através do teste de auto ajuste, omo mostrado na figura 6. Figura 6. Resistênia do rotor e reatânia de magnetização no inversor de frequênia CFW 11 Para o levantamento da urva de onjugado x veloidade do motor foi utilizado um ódigo no software Matlab, o qual exigia os parâmetros internos do iruito equivalente do motor de indução trifásio (figura 7): resistênia e reatânia do estator, reatânia de magnetização e resistênia e reatânia do rotor. Esses parâmetros foram obtidos através dos testes em vazio e de rotor bloqueado. 7

8 Onde: R1 Resistênia do estator. R2 Resistênia do rotor. X1 Reatânia do estator. X 2 Reatânia do rotor. Xm Reatânia do ramo de magnetização. Figura 7. Ciruito equivalente do motor de indução trifásio. Os valores obtidos pelo equipamento da figura 1 foram manipulados em equações para, enfim, obter as variáveis destaadas na figura 7. Calulados os parâmetros neessários para iniiar as variáveis do ódigo no software Matlab foi gerada a urva de onjugado x veloidade do motor. É importante salientar que em todos os ensaios realizados o motor foi ligado em delta ou triângulo. Na realização dos ensaios foi utilizada uma fonte de tensão e frequênia variável onforme a figura 8. Figura 8. Fonte de tensão e frequênia variável. Freio eletromagnétio A arga utilizada neste trabalho é onstituída por um freio eletromagnétio ou Freio de Fouault (figura 9). As desobertas a respeito do freio eletromagnétio foram obtidas por volta de O físio dinamarquês Hans Christian Oersted demonstrou a relação entre orrente elétria e ampo eletromagnétio. A partir dos estudos de Oersted, André Marie Ampére, onluiu que uma espira formada por um ondutor apresenta diferença de potenial em suas extremidades quando mergulhada em um ampo eletromagnétio invariante. Essa tensão é denominada força eletromotriz induzida (SADIKU,2012). 8

9 Figura 9. Carga utilizada nos ensaios. RESULTADOS Determinação da urva de onjugado x veloidade do motor de indução trifásio. Ensaio em vazio No ensaio em vazio os ontatos do estator foram ligados em delta e o rotor foi deixado livre para que a únia arga do motor fossem as perdas por atrito e ventilação, sendo apliada a tensão da rede de 220 V. Esse teste é realizado para obter-se as araterístias do ramo de magnetização onforme a figura 10. Figura 7. Ciruito equivalente do motor em vazio. Com o rotor livre, os resultados obtidos foram os mostrados na tabela 2 a seguir. Tabela 2. Valores obtidos no ensaio em vazio. Frequênia Tensão de fase Corrente de fase Potênia de entrada 60 Hz 222,28 V 1,54 A 142,1 W 9

10 Ensaio de rotor bloqueado No ensaio de rotor bloqueado os ontatos do estator foram ligados em delta e o rotor travado meaniamente para que o esorregamento fosse igual a unidade. A tensão foi sendo aumentada gradativamente até que o fluxo de orrente fosse aproximadamente o valor a plena arga. Esse ensaio fornee informações sobre as impedânias de dispersão onforme a figura 11. Figura 8. Ciruito equivalente do motor om o rotor bloqueado. Com o rotor bloqueado os resultados obtidos foram os mostrados na tabela 3 a seguir. Tabela 3. Valores obtidos om o rotor bloqueado. Frequênia Tensão de fase Corrente de fase Potênia de entrada 60 Hz 40,19 V 2,51 A 212 W Após a realização dos testes foram feitos os álulos para a determinação dos parâmetros internos do motor de indução trifásio. Segundo o atálogo do fabriante, o motor utilizado se enquadra na lasse A pois possui onjugado e orrente de partida onsideradas normais, portanto os valores de X1 e X2 serão divididos meio a meio. Os resultados são apresentados na tabela 4. Tabela 4. Parâmetros internos do motor obtidos através dos ensaios. R 1 R 2 X 1 X 2 X m 2,19 Ω 9,02 Ω 5,71 Ω 5,71 Ω 138,62 Ω Utilizando um ódigo no software Matlab foi possível plotar a urva de onjugado x veloidade do motor de indução apresentada na figura

11 Figura 9. Curva de onjugado x veloidade do motor de indução. Como se pode pereber, a urva enontrada após os ensaios não ondiz om a urva araterístia dos motores da ategoria N. Todos os testes e álulos foram realizados mais de uma vez om o intuído de enontrar os motivos que estão fazendo om que o levantamento da urva de onjugado x veloidade do motor esteja diferente do esperado. Chegou-se à onlusão que será neessário refazer o ensaio a vazio no motor aoplando-se ao seu eixo um motor sínrono, a fim de que os resultados reflitam os valores reais de perdas do motor. Determinação da urva de onjugado x veloidade da arga. Sabe-se que o onjugado da arga pode ser expresso pela equação (MAMEDE,2013) : C C 0 K n x C = Conjugado resistente da arga em Nm; C 0 = Conjugado da arga para rotação zero em Nm; K = Constante que depende das araterístias da arga; n = Rotação nominal do motor em rps; x = Parâmetro dependente da arga (bombas, ventiladores, britadeiras, et.) e pode assumir os valores -1, 0, 1, 2 Os onjugados de arga são divididos e lassifiados em quatro grupos: 11

12 Conjugado onstante Nesse tipo de arga o parâmetro x é zero, sendo K uma onstante que depende da arga modifiando a expressão para: C C 0 K Resultando em uma onstante. Neste aso, a potênia demandada pela arga é proporional a veloidade angular, ou melhor: K = Constante que depende da arga P = Potênia demandada pela arga. Conjugado linear P ( C0 K ). n Neste tipo de onjugado, o parâmetro x é igual a 1, sendo assim, a expressão resultante é dada a seguir: C C 0 Como mostrado, a relação é linear, dessa forma, a potênia varia om o quadrado da veloidade, o que matematiamente implia na expressão a seguir: Conjugado quadrátio K P C n K n 2 0 n Como se poderia imaginar, o parâmetro x será igual a 2, resultando em: C C 2 0n Kn Oasionando no omportamento parabólio. A potênia tem relação ubia om a veloidade, resultando em: Conjugado hiperbólio Para este aso, tem-se x= -1 e C 0 P C n K 3 0 n podendo ser onsiderada nulo impliando na expressão: C Caso n fosse igual a zero, o onjugado seria infinito, porém, fisiamente isso não aontee, pois n varia dentro de uma dada faixa. Nesse aso, a potênia permanee onstante, ou seja: Conjugados não definidos K n P K Nesse aso a equação do onjugado não pode ser definida preisamente, podendo-se hegar ao mesmo através de análises gráfias. Na prátia o mesmo é tido omo onjugado onstante, sendo o valor da onstante o valor do máximo onjugado obtido. 12

13 A arga utilizada nesse trabalho é um freio eletromagnétio o qual terá a intensidade de frenagem ontrolada prinipalmente pela tensão apliada ao iruito magnétio. A rotação do diso metálio, o qual está mergulhado em um ampo gerado pelas duas bobinas gera um torque induzido no sentido ontrário, o qual atuará ontra o sentido de rotação do motor, realizando a frenagem. Não foi possível até o momento a realização da simulação dos tipos de arga itadas aima no motor. Conjugado do motor e a influênia na potênia Na físia, potênia é a veloidade om que uma dada quantidade energia é transformada, ou a rapidez om que o trabalho é realizado. A unidade de potênia no Sistema Internaional (SI) é o Watt (W), no entanto, para a potênia meânia, a unidade usual é v (avalo vapor), a qual tem equivalênia a 736W (MAMEDE,2013). Onde: A relação entre potênia e onjugado do motor é dada pela expressão a seguir: P n = Potênia nominal do motor em Watts C n = Conjugado nominal do motor em mn n = Rotação nominal do motor em rps P 2. n. n C n Quando a energia meânia é apliada sob a forma de movimento rotativo, a potênia desenvolvida depende do onjugado e da veloidade de rotação n. A relação kw é: C n C( Kg / m). n( rpm) P( kw ) 974 Onde: Sendo que o rendimento do aoplamento é dado por: P = Potenia transmitida a arga em Watts a P P n PUBLICAÇÕES O trabalho ainda não foi finalizado, portanto ainda não foi possível gerar publiações. 13

14 ATIVIDADES A SEREM DESENVOLVIDAS NOS PRÓXIMOS MESES Para os próximos meses está previsto o estudo de parametrização da partida soft starter, estudar o funionamento dessa partida em função do arregamento do motor (partida a vazio, om arregamento parial e a plena arga), onfrontar experimentalmente essa partida om as onvenionais, a fim de mostrar sua ontribuição para a onservação e qualidade da energia elétria, e apresentar relatórios e trabalhos ientífios em eventos da área. CONCLUSÃO Nesses primeiros seis meses de estudo foi possível verifiar a importânia do onheimento das araterístias do motor e da arga aionada pelo mesmo para que se possa ontrolar da melhor forma possível a sua forma de aionamento, e assim, utilizar a energia da forma mais efiiente possível. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Weg: Manual soft starter. 2. Kosow, Irving L., Máquinas Elétrias e Transformadores. Editora Globo. São Paulo. 12ª Edição DUGAN, Roger C., MGRANAGHAN, Mark F. and BEATY, H. Wayne. Eletrial Power Systems Quality. MGraw-Hill, 265 p, Mamede Filho, João. Instalações Elétrias Industriais. Editora LTC. 8ª Edição. Rio de Janeiro SILVA, JOSÉ E. Análise de Cargas Espeiais Harmônias. Seminários Ténios. São Paulo, Brasil, Rashid, M. H., Eletrônia de Potênia Ciruitos, Dispositivos e Apliações. Makron Books. São Paulo Chapman, Stephen J., Fundamentos de Máquinas Elétrias. MGraw Hill. 5ª Edição Sadiku, Matthew N.O. Elementos de eletromagnetismo. Bookman. 4ª Edição. DIFICULDADES Nessa etapa do projeto os objetivos iniiais foram alançados, om exeção da determinação da urva de onjugado da arga, que não foi possível finalizar antes do prazo de entrega desse relatório devido a indisponibilidade dos equipamentos neessários para a determinação da mesma. 14

15 PARECER DO ORIENTADOR O aluno tem se mostrado bastante apliado em todas as tarefas que desenvolve, possuindo exelente apaidade de aprendizado. Nessa primeira etapa oorreram difiuldades assoiadas à determinação da urva de onjugado do motor, mas o trabalho desenvolvido é bastante promissor. Os resultados enontrados, em breve, serão submetidos a ongressos na área. DATA: 24 / Fevereiro / 2017 ASSINATURA DO ORIENTADOR ASSINATURA DO ALUNO INFORMAÇÕES ADICIONAIS: Em aso de aluno onluinte, informar o destino do mesmo após a graduação. Informar também em aso de alunos que seguem para pós-graduação, o nome do urso e da instituição. 15

16 FICHA DE AVALIAÇÃO DE RELATÓRIO DE BOLSA DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA O AVALIADOR DEVE COMENTAR, DE FORMA RESUMIDA, OS SEGUINTES ASPECTOS DO RELATÓRIO: 1. O projeto vem se desenvolvendo segundo a proposta aprovada? Se oorreram mudanças signifiativas, elas foram justifiadas? 2. A metodologia está de aordo om o Plano de Trabalho? 3. Os resultados obtidos até o presente são relevantes e estão de aordo om os objetivos propostos? 4. O plano de atividades originou publiações om a partiipação do bolsista? Comentar sobre a qualidade e a quantidade da publiação. Caso não tenha sido gerada nenhuma, os resultados obtidos são reomendados para publiação? Em que tipo de veíulo? 5. Comente outros aspetos que onsidera relevantes no relatório 6. Pareer Final: Aprovado ( ) Aprovado om restrições ( Reprovado ( ) ) (espeifiar se são mandatórias ou reomendações) 7. Qualidade do relatório apresentado: (nota 0 a 5) Atribuir oneito ao relatório do bolsista onsiderando a proposta de plano, o desenvolvimento das atividades, os resultados obtidos e a apresentação do relatório. Data : / /. Assinatura do(a) Avaliador(a) 16