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  • FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

    METODOLOGIA DE ANLISE TCNICA DE MELHORIA DE EFICINCIA ENERGTICA RESULTANTE DA UTILIZAO

    DE CONTROLADORES EM MOTORES ELCTRICOS

    NATLIA DAS DORES ANGLICO DA COSTA

    Dissertao submetida para satisfao parcial dos requisitos do grau de

    MESTRE EM ENGENHARIA ELECTROTCNICA E DE COMPUTADORES ESPECIALIZAO EM ENERGIA

    Orientador: Prof. Cludio Monteiro

    JULHO DE 2008

  • Natlia das Dores Anglico da Costa, 2008

  • iii

    RESUMO

    O presente trabalho dedicado ao estudo de eficincia energtica em motores de induo trifsicos (baixa tenso) com rotor em gaiola de esquilo, conseguida com equipamento de arranque e/ou controlo de motores. apresentada a anlise e a comparao de diversos sistemas de arranque e controlo.

    O trabalho descrito na presente dissertao constitudo por um conjunto de etapas que culminaram nos resultados e concluses apresentados. As etapas so constitudas por:

    Pesquisa e consulta de material relacionado com o tema: motor de induo trifsico (impacto energtico, anlise de eficincia energtica, perdas associadas), Normas de metodologia de clculo de eficincia energtica em motores, procedimentos e tecnologias de melhoria de eficincia energtica no motor de induo trifsico (equipamento de controlo e/ou arranque de motores: soft-starter, variadores electrnicos de velocidade, arrancadores especiais com poupana de energia).

    Realizao de procedimentos de teste e ensaios laboratoriais baseados na consulta bibliogrfica. Os ensaios decorreram nas instalaes do Laboratrio de Mquinas Elctricas da FEUP e o material testado foi cedido pelo Laboratrio e pela BLB Engenharia. So realizados ensaios em regime permanente e ensaios de arranques em carga para diferentes equipamentos de controlo/arranque de motores. No final do trabalho laboratorial, procedeu-se instalao para teste dum dos equipamentos, em ambiente industrial, na Pedreira da Madalena em Vila Nova de Gaia, por intermdio da BLB Engenharia.

    Anlise de resultados e criao dum software de anlise emprica de eficincia energtica em motores de induo trifsicos associados aos equipamentos estudados.

    PALAVRAS-CHAVE: eficincia energtica, motor de induo trifsico, equipamentos de controlo/arranque de motores, ensaios laboratoriais, software de anlise emprica.

  • v

    ABSTRACT

    This thesis is dedicated to the study of energetic efficiency in three-phase squirrel-cage induction motors when combined with controllers/equipment. A comparative analysis of several of such equipments is presented.

    The thesis is divided into three main stages, each with the following objectives:

    Research of reference work already done on the subject of three-phase induction motor (energy impact, efficiency analysis, associated losses), Standards on calculation methods of energy efficiency in motors, procedures and technological improvements of energy efficiency in the three-phase induction motor (control or starting equipment: soft-starter, variable speed controller, special soft-starters with energy saving features).

    Elaboration of laboratorial test procedures based on the reference work selected on the previous stage. The laboratorial tests were thereafter executed on the Electric Machines Laboratory of Faculty of Engineering of Porto University (FEUP). Equipment for the tests was provided by the Laboratory and BLB Engenharia. Steady state and variable load start tests were conducted to several start/control equipments. An industrial test was provided by BLB Engenharia using one of the equipments tested in the Laboratory. This industrial test took place in the Madalena Quarry in Vila Nova de Gaia.

    Result analysis based on this analysis an economical energetic efficiency software tool was developed to three-phase induction motors when using the tested and evaluated equipment.

    KEYWORDS: energy efficiency, three-phase induction motor, motor control equipment, laboratory tests, software of economical analysis.

  • vii

    AGRADECIMENTOS

    Por toda a orientao prestada e por todo o apoio concedido para esclarecimento de dvidas e organizao de ideias ao longo do Projecto: Professor Cludio Domingos Martins Monteiro Por todo o apoio, pacincia e disponibilidade, bem como por toda a ajuda na compreenso da parte de electrnica de potncia: Professor Rui Manuel Esteves Arajo Por todo o apoio prestado na compreenso da parte de mquinas elctricas: Professor Carlos Manuel de Arajo S Por todo o apoio prestado no Laboratrio de Mquinas Elctricas: Tcnico Especialista Principal Jos Fernando Costa Pinheiro Jorge Por todo o apoio prestado, aos colegas: Rui Manuel de Sousa Pena Jos Lus Machado Rei Filipe Andr Romualdo de Carvalho Rui Miguel da Silva Azevedo Pela sugesto de Projecto, por todo o apoio concedido ao longo das diversas etapas e pela interface com a BLB Engenharia: Eng Ricardo Joo Guimares Por todo o apoio prestado na colaborao com a BLB Engenharia: Eng Mrio Jorge Sampaio Ribeiro Pela disponibilidade e cooperao da Solusel, Pedreira da Madalena: Eng Fernandes Por todo o apoio, pacincia e orientao prestados ao longo do Projecto na parte laboratorial e na compreenso terica: Eng David Emanuel da Silva Rua

  • ix

    NDICE Captulo 1 ..................................................................................................................... 1 Introduo .................................................................................................................... 1

    1.1. Impacto Energtico dos Motores de Induo Trifsicos...................................... 1 1.2. Objectivos Propostos ......................................................................................... 2 1.3. Estrutura da Dissertao..................................................................................... 2

    Captulo 2 ..................................................................................................................... 5 Eficincia Energtica em Motores ................................................................................ 5

    2.1. Introduo ......................................................................................................... 5 2.2. Tipos de Perdas .................................................................................................. 6

    2.2.1. PERDAS ELCTRICAS OU POR EFEITO DE JOULE ............................ 6 2.2.2. PERDAS MAGNTICAS OU NO FERRO ................................................ 7 2.2.3. PERDAS MECNICAS ............................................................................. 7 2.2.4. PERDAS ADICIONAIS ............................................................................. 7

    2.3. Metodologias de Anlise de Eficincia em Motores Elctricos ........................... 9 2.3.1. NORMA IEC 60024-2 (1972) .................................................................... 10 2.3.2. NORMA IEC 61972 (2002) ....................................................................... 11 2.3.3. NORMA IEEE 112 (1991) ......................................................................... 12

    2.4. Procedimentos e Tecnologias para Melhorar a Eficincia Energtica em Motores de Induo Trifsicos ............................................................................................... 13

    2.4.1. MINIMIZAO DE PERDAS ATRAVS DE ASPECTOS CONSTRUTIVOS ............................................................................................... 14 2.4.2.ESCOLHA ADEQUADA DE MOTORES ................................................. 14 2.4.3. UTILIZAO DE VARIADORES ELECTRNICOS DE VELOCIDADE ............................................................................................................................ 16 2.4.4. UTILLIZAO DE SOFT-STARTERS .................................................... 19 2.4.5. UTILIZAO DE ARRANCADORES ESPECIAIS COM POUPANA DE ENERGIA ..................................................................................................... 21

    2.5. Concluses ....................................................................................................... 23 Captulo 3 .................................................................................................................... 25 Ensaios Laboratoriais .................................................................................................. 25

    3.1. Motores e Equipamentos utilizados nos Ensaios................................................ 25 3.2. Ensaios em Regime Permanente ....................................................................... 25

    3.2.1. ANLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS .............................................. 27 3.3. Ensaios de Arranques ........................................................................................ 33

    3.3.1. ARRANQUE DIRECTO ........................................................................... 34 3.3.2. ARRANQUE COM ESTRELA-TRINGULO .......................................... 35 3.3.3. ARRANQUE COM AUTO-TRANSFORMADOR .................................... 37 3.3.4. ARRANQUE COM SOFT-STARTER ....................................................... 38

  • 3.3.5. ARRANQUE COM VEV.......................................................................... 38 3.3.6. ARRANQUE COM MEC ......................................................................... 39 3.3.7. ARRANQUE COM POWERBOSS .......................................................... 40

    3.4. Concluses dos Ensaios Laboratoriais .............................................................. 48 Captulo 4 ................................................................................................................... 49 Implementao Industrial ..........................................................................

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