Economia de Energia com Eficiência nos Accionamentos Eficientes 1 João Pratas SEW-EURODRIVE EURODRIVE PORTUGAL Departamento de Engenharia
Apresentação da SEW-EURODRIVE Portugal Introdução 2 Sistemas de accionamentos Potencial de economia em sistemas de accionamentos Motores de alto rendimento Redutores de velocidade Conversores de frequência Elementos de transmissão de potência Accionamentos mecatrónicos Conclusão
SEW-EURODRIVE Líder mundial na produção de engenharia de accionamentos - Aprx. 10.500 trabalhadores - V. de negócios aprx. 1.500 milhões 3-12 centros de produção - 63 estabelecimentos de montagem - Presença em 46 países
SEW-EURODRIVE PORTUGAL 4 Fundada em Junho de 1990 Estabelecimento industrial de montagem inaugurado do em Outubro de 1992 Sede na Mealhada e escritórios técnicos em Lisboa e Porto
SEW-EURODRIVE PORTUGAL 5 Número de empregados: 40 Capacidade de produção: 1 linha e 10 ilhas de montagem - 20 000 unid/ano Grandes stocks de electrónica e sobresselentes
Gama de produtos MOTION STUDIO software de operação Nível mestre 6 PLC Controlo do movimento Operação Visualização PLC de segurança Nível controlo MOVIDRIVE B Redutores Industriais Servo accionamentos Accionamentos Standard Tecnologia de accionamentos descentralizada MOVIAXIS Protecção de superfície e corrosão MOVITRAC B Comunicarão IP66 Nível campo Nível quadro eléctrico
Introdução Numa altura em que as questões ambientais, como a poluição e o aquecimento global (e consequente degelo dos glaciares) estão na ordem do dia, os aspectos associados à energia adquirem especial destaque. As fontes de energia fóssil (petróleo, gás natural e carvão) estão a reduzir drasticamente e a constante instabilidade nos seus locais de exploração está a influenciar substancialmente os seus custos, o que obriga a uma séria reflexão acerca dos limites de consumo energético. 7
Introdução Não menos importante que a forma de produzir energia, em que o papel das renováveis se exige cada vez mais preponderante, é como esta se consome. As exigências económicas e ambientais são no sentido da racionalização e da eficiência do consumo, optimizando ao máximo a eliminação de desperdícios. Nesta complexa equação energética, a produção e o consumo são apenas duas das muitas variáveis.. 8 O gráfico seguinte mostra a evolução do consumo de energia primária em Portugal, a qual cresceu 7,1% no período 2000-2005. Fonte: Direcção Geral de Energia
Introdução Consumo energético por sector 9 Em 2005, o peso do consumo dos principais sectores de actividade económica relativamente ao consumo final de energia, foi de 28,4% na Indústria, 35,4% nos Transportes, 16,5% no Doméstico, 13,0% nos Serviços e 6,7% nos outros sectores (onde se inclui a Agricultura, Pescas, Construção e Obras Públicas). Constata-se assim uma forte incidência dos sectores de Indústria e Transportes no consumo de energia final. Fonte: Direcção Geral de Energia
Sistemas de accionamentos Os accionamentos são responsáveis por mais de 60% do consumo de energia eléctrica na indústria. 10 Os sistemas de accionamentos têm que ser abordados como um todo, já que a existência de um componente de baixo rendimento influencia drasticamente o rendimento global.
Sistemas de accionamentos Um sistema de accionamento consiste no seguinte: 11 um conversor de frequência, que converte a energia eléctrica da rede de uma forma controlada. Esse controlo pode ser em malha aberta ou em malha fechada; o motor eléctrico, que converte energia eléctrica em energia mecânica; redutores, que ajustam a potência mecânica do motor ao ponto de trabalho da maquina accionada (reduz a velocidade e aumenta o binário); e elementos de transmissão de potência.
Potencial de economia em sistemas de accionamentos 12 1. Aumento da utilização de motores de alto rendimento 10% 2. Utilização de controlo electrónico de velocidade 30% 3. Optimização do sistema mecânico 60% Fonte: ZVEI brochura Abril 2006 Saving energy with electric drives
Motores de alto rendimento 13 Os motores eléctricos são o tipo de máquina mais usado na indústria em virtude da sua grande versatilidade, gama de potências, robustez, duração, reduzida manutenção, baixa poluição, facilidade de produção e custos de aquisição relativamente baixos. Como qualquer máquina, o motor eléctrico, responsável pela conversão de energia eléctrica em energia mecânica, apresenta perdas. O rendimento é definido como sendo a razão entre a potência de saída (ao nível do veio de saída do accionamento) e a potência eléctrica absorvida à entrada.
Motores de alto rendimento Estado actual na União Europeia 14 O acordo voluntário obtido em 1999 entre a CEMEP (Associação Europeia de Fabricantes de Motores Eléctricos) e a Comissão Europeia sobre o rendimento de motores de 2 e 4 pólos, na gama de potências 1,1 a 90 kw, foi revisto em 2004. Os motores foram classificados de acordo com o seu rendimento: - EFF1 Motores de alto rendimento; - EFF2 Motores de rendimento aumentado; - EFF3 Motores sem qualquer requisito especial.
Motores de alto rendimento Situação futura na União Europeia 15 O lote 11 da Directiva EUP Produtos que consomem energia (Energy Using Products) descreve as orientações de design, a compatibilidade ambiental, o impacte ambiental e o consumo de energia de máquinas / motores eléctricos rotativos. A directiva irá abranger os motores de 2, 4 e 6 pólos, na gama de potências de 0,75 a 200 kw. Os motores passam a ser classificados por: - IE1 (= EFF2) com utilização proibida; - IE2 (= EFF1) com utilização obrigatória; - IE3 (= Premium) com utilização voluntária; - IE4 (ainda não aplicável a accionamentos assíncronos). Nota: A Directiva EUP só entrará em vigor quando for transposta para o direito nacional
Motores de alto rendimento Acordo Voluntário Os motores estão divididos em três classes de rendimento: 96 16 94 92 Eficiência em % 90 88 86 84 82 80 78 76 EFF1 EFF2 EFF3 74 1 10 100 P N em kw
Motores de alto rendimento Directiva EUP Motores estão também divididos em três classes de rendimento, mas 100 Wirkungsgradgrenzen Verfahren A Classes de rendimento 17 95 Eficiência em % Wirkungsgrad eta 90 85 80 EFF1 Premium 75 70 0,1 1 10 100 1000 EFF2 EFF3 Pn P N in [kw] Premium Efficiency High Alto rendimento Efficiency (eff1) Standard Rendimento (eff2) melhorado (eff2)
Motores de alto rendimento O principio do novo sistema modular de motores EFF2 Potencial economia de energia 18 Potência EFF1 Premium Rendimento mais >
Motores de alto rendimento Formas de melhorar o rendimento Realizáveis com 19 Material de melhor qualidade com menor resistência Gaiolas em cobre em vez de alumínio Aumentar as dimensões das partes activas (P ~ D²) Motor de maiores dimensões para a mesma potência P i P o P i Perdas
Motores de alto rendimento Evolução da aquisição de motores na Europa 20 Fonte: ZVEI
Motores de alto rendimento 21 Ferramenta de cálculo do tempo de amortização no SEW-Workbench
Redutores de velocidade A velocidade dos motores eléctricos trifásicos é aproximadamente entre 750 e 3.000 rpm, dependendo do número de pólos e da frequência de alimentação. Contudo, a maioria das aplicações requerem velocidades muito mais baixas (tipicamente entre 15 e 300 rpm). Nesses casos, são utilizados redutores em separado ou o ideal seria, como um moto-redutor, i.e. uma unidade integrada combinando um motor eléctrico e um redutor. 22
Redutores de velocidade Na mesma razão que uma caixa redutora reduz a velocidade aumenta o binário. Tornando o redutor o sistema ideal para adaptar a velocidade do motor ao ponto de trabalho da máquina, em termos de velocidade e binário. 23 Uma solução mais económica, comparando com um motor sobre - dimensionado a rodar a baixas frequências. Nota: Os conversores de frequência reduzem a velocidade até zero rpm mantendo o binário nominal, mas não o multiplicam como fazem os redutores.
Redutores de velocidade Potencial de economia de energia nos redutores A eficiência dos redutores é influenciada pela ligação entre o motor e o redutor e as perdas no interior do redutor 24 O engrenamento ideal, seria uma ligação aço / aço; Quanto maior a velocidade de entrada, maiores as perdas nos rolamentos e as perdas por chapinagem no óleo; A quantidade correcta de óleo e o estado do óleo garantem a redução das perdas e longa operação livre de desgaste. Valor característico por estágio Tipo de engrenagem Engrenagem cilíndrica Engrenagem cónica Engrenagem sem-fim Redução máxima Eficiência aprox. 7 aprox. 5 aprox. 50 aprox. 98 % aprox. 98 % aprox. 50 96 % Fonte: ZVEI brochura Abril 2006 Saving energy with electric drives
Conversores de frequência 25 Os conversores de frequência convertem a tensão da rede de 50 Hz numa tensão contínua e em seguida sintetizam uma frequência variável sob controlo externo do utilizador consoante o tipo de aplicações.
Conversores de frequência Os accionamentos de velocidade variável (motor CA + CF) têm as seguintes efeitos: Os processos são melhorados com a introdução de parâmetros de processo variáveis que tornam todo o processo mais flexível; Velocidade optimizada para cada aplicação especifica; Função de economia de energia dinâmica; A magnetização do motor assíncrono é controlada, dependendo da carga, com adaptação da relação tensão / frequência; O desgaste mecânico é reduzido por rampas; Em caso de operação com frenagem, a energia retorna ao circuito intermédio (DC link) ou para o sistema de alimentação (módulo regenerativo de alimentação); Desliga quando não está a ser utilizado. 26
Conversores de frequência Vantagens da utilização de conversores de frequência: Elevado rendimento 96-98% e elevada fiabilidade; Elevado factor de potência; Dimensão reduzida, não oferecendo problemas de implantação; O ajustamento/programação fácil; Possibilidade de controlo de vários tipos de motores; Motores de indução com resposta dinâmica comparável aos motores DC (no caso do controlo vectorial); Adaptação do motor à carga (binário e velocidade); Arranques suaves (poupanças de energia!) e frenagem controlada; 27
Conversores de frequência Vantagens da utilização de conversores de frequência : Protecção do motor contra curto-circuitos, sobre-intensidades, sobretensões, falta de fase, etc. (vantagem técnica e económica!); Poupança substancial de energia e tempo de retorno do investimento reduzido, particularmente quando aplicados ao controlo de caudais de bombas, ventiladores e compressores centrífugos; Possibilidade de integrarem módulos de regeneração, que poderão ser muito vantajosos para cargas com uma elevada frequência de travagens; Diminuição do ruído acústico e melhoria do controlo dos processos, da produtividade e da qualidade dos produtos; Menor desgaste dos componentes/equipamentos mecânicos. 28
Conversores de frequência Exemplo de aplicação: Sistema de ventilação industrial 29 Estado inicial : Motor CA de duas velocidades P = 16/4 kw Potencia instalada na máquina: 1 MW
Conversores de frequência Exemplo de aplicação: Sistema de ventilação industrial 30 Alteração: Motor de alto rendimento eff1 P = 16 kw Controlado por um conversor de frequência com a Função Economia de energia
Conversores de frequência Função economia de energia 250 Lastmoment 31 200 Motormoment (High) Motormoment (Low) 150 Estado inicial: accionamento de duas velocidades 100 50 Função carga Carga parcial 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Cada processo tem um perfil de carga, que não é normalmente constante durante a operação. O diagrama apresenta a característica de carga de um sistema de ventilação industrial. A antiga instalação tentava adoptar um perfil de carga com accionamento de duas velocidades. Se a aplicação for regulada para o ponto de operação óptimo do motor ele rodará à carga parcial o grau de eficiência só é bom num ponto de operação. Em todos os outros pontos de funcionamento o grau de eficiência é mau.
Conversores de frequência Função economia de energia 250 Aumento da frequência 32 200 150 100 Aumento da velocidade = aumento da carga 50 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Se a mesma aplicação for accionada com conversor de frequência pode ser executado do seguinte modo normalmente a velocidade adoptada é a requerida para o sistema. Através da regulação da velocidade da aplicação, reduz-se as perdas de energia o qual leva a um menor consumo. Mas: Com diferentes cargas o motor tem uma óptima eficiência apenas num ponto operacional - em todos os outros pontos de funcionamento o grau de eficiência é menor que o óptimo.
Conversores de frequência Função economia de energia 250 Aumento da frequência 33 200 150 100 50 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Ao usar a Função economia de energia ( disponível nos conversores de frequência) o motor terá um elevado grau de eficiência em toda velocidade. A carga adoptada e o escorregamento são regulados para optimizar o valor - portanto, a eficiência energética dos motores obtêm um óptimo resultado. Apenas as combinação de motor de alto rendimento e a Função economia de energia juntos são capazes de proporcionar óptimos benefícios!
Função economia de energia Conversores de frequência Optimização do sistema: 34 Sistema actual: Accionamento de duas velocidades Consumo médio de potência: Energia utilizada por accionamento: Custos da energia por accionamento: Todos os accionamentos (96 unidades.): 11,6 83.500 7.000 670.000 kw kwh Consumo de energia: - 14 % A mesma instalação com motores de alto rendimento conversores de frequência com a Função economia de energia activa Consumo médio de potência: Energia utilizada por accionamento: Custos da energia por accionamento: Todos os accionamentos (96 unidades.): Economia anual (total): Economia anual por accionamento: 10,0 72.000 6.000 581.000 89.000 930 kw kwh Amortizarão: apr. 2 anos Efeito adicional: Melhoria da funcionalidade
Elementos de transmissão de potência 35 A transmissão de potência entre o motor e o redutor, ou entre um destes e a máquina, tais como polias, correias, cremalheiras e correntes, cujo rendimento influência o rendimento global do sistema.
Elementos de transmissão de potência Potencial de economia relacionado com a transmissão de potência 36 A) A transmissão ideal é através de um acoplamento rígido, como a solução moto-redutor e/ou a solução de redutor com veio oco: As perdas por transmissão são praticamente eliminadas; Fonte: ZVEI brochura Abril 2006 Saving energy with electric drives
Elementos de transmissão de potência B) No entanto, em muitos casos, são utilizadas correias ou correntes: 37 As correias em V devem ser evitadas por causa do seu baixo nível de eficiência; Se utilizar correntes, assegurar uma correcta lubrificação. Valor característico Tipo de correia Redução máxima Correia plana Correia - V Correia dentada Corrente Eficiência Fonte: ZVEI brochura Abril 2006 Saving energy with electric drives
Accionamentos mecatrónicos Observámos as vantagens de um accionamento ser constituído por um motor directamente acoplado a um redutor e o primeiro ser controlado por um conversor de frequência. Então a solução ideal será ter uma unidade de accionamento mecatrónico constituído por esses três elementos - motor, redutor e conversor de frequência. 38
Accionamentos mecatrónicos O conversor de frequência integrado na caixa de terminais tem particularidade de se adaptar a motores de qualquer classe de rendimento (eff2, eff1 ou Premium). O motor por sua vez também se adapta a qualquer redutor e em qualquer posição de montagem. Este sistema para além das poupanças de energia, não ocupam espaço nos quadros eléctricos e tem uma forte redução de custos em termos de cablagens e manutenção. 39
Accionamentos mecatrónicos Potencial de economia com accionamentos mecatrónicos 40 Elevada eficácia global: - novo conceito de motor; - nova electrónica de potência e método de controlo inteligente; O grau de eficácia global (redutor, motor e conversor de frequência) entre 10 e 25% superior, comparado com os accionamentos standard; Com o accionamento mecatrónico podemos obter uma economia de energia entre 15 e 30%; Os custos adicionais podem ser amortizados em 1 a 2 anos. O accionamento mecatrónico da figura é equipado de série com motor de classe de rendimento Premium
Conclusão Quando seleccionamos um accionamento, para além do seu correcto dimensionamento em termos de binário e velocidade, também temos de ter em conta o seu rendimento, pois não é apenas o custo de aquisição do accionamento que influencia a economia do sistema. Os custos relacionados com um accionamento podem ser comparados com um Iceberg em que o valor da compra do accionamento é apenas a parte visível, a quando da aquisição. 41
Conclusão Custos de investimento 42 Arranque Formação Equipamento opcional Peças sobressalentes Manutenção Pessoal Controlo Segurança Energia Reposição de sistemas Reconversão Reciclagem
Obrigado 43 pela Vossa atenção Esta apresentação teve como base alguns trabalhos do Investigador Fernando J. T. E. Ferreira - E-mail: jeepisr@isr.uc.pt TM: 967 074 930 Contactos João Pratas Departamento de Engenharia SEW-EURODRIVE PORTUGAL Tel. 231 209 692 / Tlm. 935 987 120 / FAX. 231 203685 Serviço de Emergência 24/24H:935 987 130 E-mail: jpratas@sew-eurodrive.pt