Utiliza

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Utilização eficiente de energia em motores

• Humberto Jorge
• Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de
  Computadores
• Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

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Introdução

• Os motores de indução representam 90 do consumo
  de energia em força motriz
• Nos países desenvolvidos os motores consumem
  metade da energia eléctrica
• Os sistemas que integram motores têm potenciais
  elevados de poupança de energia eléctrica

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Aplicações típicas de motores

• Bombas
• Compressores
• Ventiladores
• Moinhos
• Misturadores
• Elevadores

• Tapetes rolantes
• Electrodomésticos
• Equipamento de escritório
• etc.

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Consumo de EE na Indústria
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Sistemas de força motriz
Em geral os sistemas de força motriz podem
integrar 4 módulos (a) Variador Electrónico de
Velocidade (VEV) (b) Motor Eléctrico (c)
Transmissão mecânica (d) Dispositivo de uso
final.
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Utilização eficiente dos motores

• Dimensionamento correcto dos motores
• Utilização de motores de alto rendimento
• Utilização de transmissões mecânicas de baixas
  perdas
• Utilização de variadores electrónicos de
  velocidade para adaptar o regime de trabalho às
  flutuações de carga
• Optimização das condições de funcionamento

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Perdas e Rendimento

• As perdas num motor de indução correspondem à
  energia que não é convertida em trabalho útil, e
  que é transformada em calor.
• As perdas não só contribuem para a redução do
  rendimento do motor, mas também vão provocar um
  aumento da sua temperatura.
• Um aumento excessivo de temperatura pode conduzir
  a uma redução substancial da vida do motor.

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Perdas típicas nos motores
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Curvas Características
Rendimento F.P.
Perdas
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Rendimento dos motores
Motores de maior dimensão apresentam maior
rendimento
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Variação do Cos j com a carga
I - Corrente total IP - Corrente activa IR -
Corrente reactiva Cos j - Factor de potência
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Factor de potência dos Motores de indução
Característica construtiva Característica de
utilização
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Desvantagens do sobre-dimensionamento

• Menor rendimento
• o rendimento dos motores reduz-se
  substancialmente, especialmente nos motores mais
  pequenos
• Menor factor de potência
• o factor de potência degrada-se rapidamente a
  partir da plena carga
• Maior custo da instalação
• do motor, da aparelhagem de accionamento
  associada (contactores, arrancadores, etc.)

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Exemplo de dimensionamentoBomba de 24 kW/2900
rpm funcionando 4500 h/ano accionada por um de
dois motores de 30 kW ou de 55 kW
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Condições ambientais e de manutenção

• Devem trabalhar a temperaturas baixas
• Os condutores de cobre têm menos resistência e
  portanto menos perdas
• A vida do motor aumenta (por cada 10 ºC de
  elevação a duração do isolamento reduz-se a
  metade)
• As necessidades de manutenção de motores de
  indução são essencialmente limpeza da carcaça, a
  fim de reduzir a temperatura, e nalguns casos
  lubrificação dos rolamentos

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Motores de alto rendimento
Menores perdas gt temperatura de funcionamento
mais baixa gt vida útil mais longa.
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Motores de alto rendimento (Algumas desvantagens)

• Aspectos menos positivos no funcionamento de um
  motor de alto rendimento, causados pela menor
  resistência do rotor
• Diminuição do binário de arranque gt problemas em
  cargas com elevada inércia.
• Aumento da corrente de arranque, o que pode ter
  implicações no dimensionamento da alimentação e
  accionamento do motor.
• Diminuição do escorregamento, ou seja um pequeno
  aumento da velocidade do motor.

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Motores de Alto Rendimento
Exemplo Motores de 10hp podem apresentar
velocidades à plena carga de 1460 RPM ou 1450
RPM, para motores de alto rendimento e standard
respectivamente. Em bombas e ventiladores gt a
carga e o consumo sobem, anulando uma parte
substancial da economia obtida com a introdução
do motor de alto rendimento (a carga das bombas e
ventiladores centrífugos cresce aproximadamente
com o cubo da velocidade). Há possibilidade de
evitar este aumento de carga através de
ajustamentos na transmissão, na bomba ou
sobretudo utilizando o controlo electrónico de
velocidade.
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Decisão de Instalação de Motores de Alto
Rendimento
Instalação de um novo equipamento ou motor Para
um uso superior a 2000h/ano um EEM é normalmente
vantajoso (EEM vs Standard) O motor existente
avariou Precisa de ser rebobinado. Se tem um
número elevado de horas de funcionamento por ano,
deverá ser considerada a sua substituição por um
EEM. A diferença no investimento é
significativamente maior que no caso anterior.
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Decisão de Instalação de Motores de Alto
Rendimento
O motor existente está fortemente
sobredimensionado Se o motor tem um número
elevado de horas de funcionamento por ano, deverá
ser considerada a sua substituição por um EEM com
uma potência não excedendo o máximo da potência
mecânica requerida.
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Reparação/Rebobinagem

• Factores de índole técnica e económica que devem
  ser pesados aquando da decisão de
  reparar/substituir
• Apurar previamente o estado geral do motor
  danificado a fim de prever em que condição ficará
  após a reparação
• Preço do motor e da reparação
• Número de horas de operação
• Factor de carga
• Custo da electricidade
• No caso da substituição, e assumindo que um motor
  reparado sofre uma quebra de rendimento de 1, a
  compra de um EEM é normalmente vantajosa do ponto
  de vista do tempo de retorno do capital investido
  ("payback time") e em termos de tempo de vida do
  motor.

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Controlo de Velocidade
Uma grande parte das aplicações em que se utiliza
força motriz beneficiaria, em termos de consumo
de electricidade e desempenho global, se a
velocidade do motor se ajustasse às necessidades
do processo. Conduz em geral a uma poupança
substancial de energia.
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Aplicações com carga variável ou parcial
Representam 60 das aplicações de força motriz na
indústria, e 80 no sector terciário
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Bombas e Ventiladores
Os métodos convencionais de controlar caudais em
bombas e ventiladores baseiam-se no uso de
dispositivos de estrangulamento (válvulas,
persianas, etc.) que restringem o caudal mas
introduzindo simultaneamente perdas consideráveis.
Bomba
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Métodos Convencionais de Controlo de Velocidade

• A velocidade de saída de um motor pode ser
  variado interpondo entre o motor e a carga de
  diversos tipos de dispositivos
• caixas de velocidade com engrenagens
• sistemas de correia com polias de diâmetro
  variável
• embraiagens excêntricas de disco seco
• transmissões hidráulicas
• embraiagens electromagnéticas.

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Métodos Convencionais de Controlo de Velocidade

• caixas de velocidade com engrenagens
• sistemas de correia com polias de diâmetro
  variável
• embraiagens excêntricas de disco seco
• transmissões hidráulicas
• embraiagens electromagnéticas.

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Variadores Electrónicos de Velocidade (VEVs)
Os VEVs convertem a tensão da rede de 50 Hz numa
tensão contínua e em seguida numa tensão com
frequência variável sob controlo externo do
utilizador que pode ir de 0 a 150 Hz consoante o
tipo de aplicações. Diagrama geral dos
variadores electrónicos de velocidade que
utilizam inversores na saída
28
Características binário/velocidade(motor de
indução)
Características binário/velocidade do motor de
indução funcionando a frequência variável e com
uma relação linear frequência /tensão
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Tipos de VEVs
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Utilização de VEVs no controlo de caudais
P1- Controlo por válvula P2- Controlo de
velocidade incluindo perdas no VEV P3- Controlo
de velocidade sem perdas no VEV
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Bombas e Ventiladores
Ventilador
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Transmissão mecânica

• Tipicamente são usados 3 tipos de transmissão
  mecânica
• Acoplamentos directos no veio
• Engrenagens
• Correias.
• Os acoplamentos directos no veio são o tipo de
  transmissão mais utilizado (cerca de 50 das
  aplicações).

Engrenagens
Correias
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Transmissão mecânica
Acoplamentos directos Os acoplamentos directos,
se forem alinhados com precisão, possuem um
rendimento muito elevado (99). Engrenagens As
engrenagens simples ou redutoras, são tipicamente
utilizados em cargas que requerem velocidades
baixas (abaixo de 1200 rpm) e binário muito
elevado (que utilizando correias poderia resultar
em escorregamento). Existem vários tipos de
engrenagens helicoidais, de dentes direitos,
cónicas e com sem-fim. Correias Estas permitem
mais flexibilidade no posiciona-mento do motor em
relação à carga, e usando polias de diferentes
tamanhos permitem reduzir/aumentar a velocidade.
Existem vários tipos de correias (a) Correias em
V, (b) Correias com dentes, (c) correias
síncronas, (d) correias lisas.
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Transmissão por correia
1- Correias trapezoidais, 2- correias síncronas
(dentadas)
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Transmissão Mecânica
Correntes Tal como as correias síncronas, as
correntes não têm deslizamento. Normalmente são
usadas em aplicações onde é requerido uma
velocidade reduzida e binário elevado, suportam
ambientes com temperaturas elevadas e cargas de
choque e têm um tempo de vida elevado se forem
apropriadamente lubrificadas. O seu rendimento
ascende aos 98 se forem sujeitas a uma
manutenção periódica.
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Exemplos

• Compra de um motor de 45 kW para uma nova
  instalação (Pode ser comprado um motor standard
  ou um motor de alto rendimento)
• Substituição de um motor de 45 kW avariado por um
  motor novo (2 opção acima indicadas) ou reparação
  do motor

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Considerações gerais

• Preço médio da electricidade 0,045?/kWh
• Número de horas de funcionamento por ano
• a) Trabalho contínuo, sem paragens
  significativas 8400 horas/ano
• b) Trabalho não contínuo 4000 horas/ano
• Motor com a carga nominal
• Motor de Alto Rendimento (EEM) custa tipicamente
  mais 30 que um Motor Standard (STD)
• EEMs possuem um rendimento superior (em média 3)
• Após a reparação o rendimento decresce em média 1

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Poupanças anuais e payback
?STD - Rendimento do Motor Standard ?EEM -
Rendimento do Motor de Alto Rendimento PN -
Potência Nominal do Motor N - Nº de horas de
funcionamento por ano /kWh - Preço da
electricidade
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Avaliação das opções na compra ou substituição de
motor de 45kW
40
Avaliação económica do investimento num VEV
ASSUMIR QUE POTÊNCIA VENTILADOR 75KW FUNCIONAMEN
TO 300 DIAS/ANO CUSTO VEVINSTALAÇÃO 7000
EUROS PREÇO DO kWh 0,06 (tarifa fixa)