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Otimização Energética em Acionamentos Elétricos Aplicados a Sistemas de Bombagem Hidráulica Jóni Martins Silva Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientadores: Prof. a Helena Margarida Machado da Silva Ramos e Prof. Paulo José da Costa Branco Júri Presidente: Prof. Rui Manuel Gameiro de Castro Orientador: Prof. Paulo José da Costa Branco Vogal: Prof. Mário Rui Melício da Conceição Maio 2017

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Otimização Energética em Acionamentos ElétricosAplicados a Sistemas de Bombagem Hidráulica

Jóni Martins Silva

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Orientadores: Prof.a Helena Margarida Machado da Silva Ramos eProf. Paulo José da Costa Branco

Júri

Presidente: Prof. Rui Manuel Gameiro de CastroOrientador: Prof. Paulo José da Costa BrancoVogal: Prof. Mário Rui Melício da Conceição

Maio 2017

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A única fonte de conhecimento é a experiência.Albert Einstein

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Resumo

Eficiência energética é um conceito que cada vez mais nos acompanha. A procura por equipamen-

tos mais eficientes ou a melhoria dos existentes é cada vez mais importante, como forma de poupança

energética e económica, desde o consumo industrial ao doméstico. A maior fatia de consumo energé-

tico deve-se aos motores em funcionamento.

A maioria dos sistemas de bombagem hidráulica requerem bombas e motores a funcionar durante

largos períodos de tempo, resultando, normalmente, num arranque constante e operação a velocidade

fixa, se alimentados diretamente da rede de energia elétrica. A bombagem, seja de que tipo de fluido

for, necessita de caudal e pressão consoante as condições de funcionamento. O motor de indução e,

consequentemente, a bomba a rodar a diversas velocidades permitem diferentes caudais e alturas de

elevação.

O foco desta dissertação baseia-se no estudo da possibilidade do aumento da eficiência e poupança

energéticas, por utilização de um conversor eletrónico de potência que irá permitir o funcionamento das

bombas a diferentes frequências que não apenas a da rede. Estudam-se diferentes metodologias

de estimação do rendimento dos motores de indução, para que seja possível compará-los para as

diferentes cargas, velocidades e com o motor de indução associado ou não com um conversor eletrónico

de potência que permita obter uma caraterística de velocidade variável.

De todos as metodologias de estimativa do rendimento do motor de indução, evidencia-se a que

possibilita uma avaliação in loco da eficiência elétrica e da sua carga, sem necessidade de interromper

o seu funcionamento normal.

Palavras Chave

Motor de indução; Conversor eletrónico de potência; Comando V/f de velocidade; Eficiência energé-

tica; Bombagem hidráulica.

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Abstract

Energy efficiency is a concept that we all have heard of. The search for more efficient equipment

or even the improvement of existing ones is increasingly important as a form of energy and economic

savings, from the big industry to our homes. The largest share of energy consumption is due to running

motors.

The majority of hydraulic pumping systems require pumps and motors to run for extended periods of

time, resulting in, some cases, a constant starting-stop of the motor and only operates at fixed speed, if

fed directly from the electric power grid. Pumping any kind of fluid requires flow and pressure depending

on the operating conditions. The induction motor, and hence the pump, running at different speeds allow

different flow rates and lift heights.

The focus of this thesis is based on the study of the possibility of increasing efficiency and energy

savings by using an electronic power converter that will allow pumps to run at different frequencies than

just the grid’s. Different methodologies for efficiency estimation of the induction motor are studied so

that they can be compared for different loads, speeds and with the motor associated or not to a power

converter to achieve a variable speed characteristic.

From all tested methodologies to motor efficiency estimation, one puts in evidence that method that

makes it possible to carry out an on-site evaluation of the electric efficiency and the load of the induction

motor without interrupting its normal operation.

Keywords

Induction motor; Electronic power converter; V/f speed command; Energy efficiency; Hydraulic

pumping.

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Agradecimentos

Em primeiro lugar, agradeço ao Professor Paulo Branco por todo o apoio e confiança depositados em

mim para o desenvolvimento desta dissertação, por todo o companheirismo, amizade, disponibilidade,

compreensão e por nos dar margem para crescer enquanto alunos, investigadores e pessoas.

Um agradecimento, ainda, à Professora Helena Ramos pela disponibilidade, atenção, revisão desta

dissertação e por todas as sugestões feitas.

À Professora Didia Covas e ao seu aluno de doutoramento João Delgado, por me terem cedido um

dos seus motores e acionamento para o meu trabalho experimental e por toda a ajuda prestada.

Igualmente importante, ao meu querido pai Manuel, sonhador e lutador, pai exemplar, fonte de

inspiração e amor, cuja vida lhe foi retirada cedo de mais, sem a oportunidade de me ver concluir esta

etapa da minha vida, é por ele e para ele todo o meu trabalho, pelo seu carinho, pela sua confiança,

pela sua disponibilidade... por tudo.

À minha mãe Jacinta e à minha irmã Andreia por acreditarem em mim, investirem em mim, por me

compreenderem e ouvirem nos momentos difíceis e por estarem sempre presentes, mesmo estando

longe. É por elas e para elas todo o meu trabalho.

À minha sobrinha e afilhada Amanda.

Ao Ruben J., pelo ombro amigo e pela paciência ao longo destes vários meses.

Ao Francisco D., colega e amigo, pela ajuda constante e companhia diária.

Ao Ricardo C., por ser quem e como é na minha vida.

À Alexandra F., amiga e confidente.

Por fim, sem querer esquecer todos os que contribuiram de alguma forma para a concretização

e término desta dissertação: técnicos de laboratório, restantes colegas, amigos e familiares, o meu

sincero obrigado.

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Conteúdo

1 Introdução 1

1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Estrutura da dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Sistemas de bombagem hidráulica 5

2.1 Bomba centrífuga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Motor de indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 Conversor de tensão + comando V/f de velocidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.4 Eficiência Energética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3 Metodologias para a determinação do rendimento do motor de indução 19

3.1 Ligação direta à rede elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1.1 Método 1 - Circuito equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.2 Método 2 - Potência mecânica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.3 Método 3 - Fator de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2 Associação com um conversor eletrónico de potência com comando escalar de veloci-

dade ou V/f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4 Ensaios laboratoriais 27

4.1 Descrição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2 Determinação dos parâmetros em regime permanente do circuito equivalente do motor

de indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.3 Caraterização da eficiência energética do acionamento elétrico . . . . . . . . . . . . . . . 37

5 Caso de estudo e discussão de resultados 39

5.1 Bombas hidráulicas no IST (Campus da Alameda) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5.2 Resultados obtidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

6 Conclusões e trabalho futuro 61

6.1 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.2 Trabalho Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

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Bibliografia 67

Apêndice A Transdutor de corrente LA 25-NP A-1

Apêndice B Transdutor de tensão LV 25-P B-1

Apêndice C Bomba e motor de indução Grundfos C-1

Apêndice D Altivar 31HU55N4 D-1

Apêndice E Equipamento utilizado nas experiências laboratoriais E-1

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Lista de Figuras

2.1 Representação esquemática de uma bomba centrífuga (adaptado de [1]). . . . . . . . . . 6

2.2 Corte numa bomba centrífuga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3 Representação esquemática dos tipos de bomba (adaptado de [2]). . . . . . . . . . . . . 7

2.4 Caudal e altura para os diferentes tipos de bomba centrífuga (adaptado de [2]). . . . . . . 8

2.5 Curva caraterística de uma bomba para diferentes velocidades (adaptado de [3]). . . . . 9

2.6 Motor de indução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.7 Curva caraterística da velocidade de rotação do MI em função do binário (adaptado de [4]). 11

2.8 Distribuição típica de perdas num MI (adaptado de [5]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.9 Circuito equivalente do MI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.10 Circuito representativo de um conversor de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.11 I - Tensão trifásica da rede; II - Tensão da rede retificada (adaptado de [6]). . . . . . . . . 13

2.12 Exemplo da tensão de alimentação do MI para diferentes frequências, à saída do conver-

sor eletrónico de potência (adaptado de [7]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.13 Custos de energia comparados com os custos de um conversor eletrónico de potência

(adaptado de [8]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.14 Consumo energético mundial e dos países europeus da OCDE. . . . . . . . . . . . . . . 16

2.15 Acionamento eletromecânico de velocidade variável [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.1 Discrepância de resultados sob diferentes normas [5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2 Relação entre potência ativa P , reativa Q, aparente S e desfasagem ϕ. . . . . . . . . . . 21

3.3 Circuito equivalente do MI simplificado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1 Motor de indução Grundfos de 3 kW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2 Conversor eletrónico de potência Altivar 31 (modelo HU55N4). . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.3 Representação esquemática da montagem laboratorial: A - Máquina de corrente contí-

nua; B - Sensor de binário; C - Sensor de velocidade; D - Motor de indução. . . . . . . . . 29

4.4 Máquina de corrente contínua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.5 Tensão e corrente de uma fase do MI em vazio, com a MCC desacoplada. . . . . . . . . 31

4.6 Circuito equivalente do MI, para os ensaios em vazio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.7 Potência instantânea em vazio, com a MCC desacoplada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.8 Percentagem da harmónica h de corrente em relação à fundamental, no ensaio em vazio. 33

4.9 Percentagem da harmónica h de tensão em relação à fundamental, no ensaio em vazio. 33

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4.10 Tensão e corrente de uma fase do MI à carga máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.11 Potência instantânea em carga máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.12 Percentagem da harmónica h de corrente em relação à fundamental, no ensaio em carga

máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.13 Percentagem da harmónica h de tensão em relação à fundamental, no ensaio em carga

máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.14 Parâmetros do CE do MI simplificado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.15 Resultados do comando V/f de velocidade obtidos experimentalmente. . . . . . . . . . . 38

5.1 Eficiência dos motores de indução das bombas analisadas no Campus da Alameda. . . . 41

5.2 Curvas de binário vs eficiência do MI para os diferentes métodos, comparadas com a do

fornecedor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.3 Potência ativa de entrada do conversor eletrónico de potência, para cada situação de

carga e frequência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.4 Potência dissipada na MCC, para cada situação de carga e frequência. . . . . . . . . . . 48

5.5 Rendimento da MCC, para cada velocidade e carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.6 Rendimento da MCC, para as várias cargas e frequências testadas. . . . . . . . . . . . . 50

5.7 Rendimento do conjunto MI, conversor e MCC, para cada velocidade e carga. . . . . . . 51

5.8 Rendimento do conjunto MI, conversor e MCC, para as várias cargas e frequências tes-

tadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.9 Rendimento do conversor e do MI, para cada velocidade e carga. . . . . . . . . . . . . . 52

5.10 Rendimento do conjunto conversor e MI, para as várias cargas e frequências testadas. . 53

5.11 Rendimento do conversor Altivar 31, para diferentes cargas e velocidades, assumindo

dados do conversor de 10 HP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.12 Rendimento do conversor Altivar 31, para diferentes cargas e velocidades, assumindo

dados do conversor de 5 HP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.13 Rendimento do MI, para diferentes cargas e velocidades, com os dados do conversor de

5 HP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5.14 Rendimento do MI, para diferentes cargas e velocidades, com os dados do conversor de

10 HP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.15 Temperatura do MI para ensaio com o AT e o conversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.16 Binários disponíveis para os ensaios com o AT e o conversor. . . . . . . . . . . . . . . . . 59

E.1 Autotransformador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-2

E.2 Carga resistiva com ventoinha para maior fluxo de ar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-2

E.3 Osciloscópio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-2

E.4 Sonda de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-3

E.5 Transformador de tensão 400 V / 20 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-3

E.6 Multímetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-3

E.7 Sensor de velocidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-4

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E.8 Pinça amperimétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-4

E.9 Fonte para excitação da MCC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-4

E.10 Fonte de alimentação dos transdutores de tensão e corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . E-5

E.11 Sensor de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-5

E.12 Sensor de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-6

E.13 Dispositivo de aquisição de dados da National Instruments. . . . . . . . . . . . . . . . . . E-6

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Lista de Tabelas

4.1 Valores nominais da MCC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2 Valores nominais do MI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.3 Valores nominais do conversor eletrónico de potência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.1 Valores nominais dos motores de indução das bombas analisadas no Campus da Alameda. 40

5.2 Resultados para os motores de indução das diferentes bombas analisadas no Campus

da Alameda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.3 Fatores por escalão de faturação de energia reativa [10]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.4 Resumo de resultados do MI alimentado pelo AT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.5 Velocidade e escorregamento do MI nos ensaios com o AT. . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.6 Eficiências do MI, para diferentes situações de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.7 Erro relativo entre as eficiências dos vários métodos e a do fornecedor. . . . . . . . . . . 45

5.8 Comparação entre o binário estimado e medido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.9 Potência ativa de entrada do conversor eletrónico de potência, para cada situação de

carga e frequência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.10 Potência de excitação da MCC, para cada situação de carga e frequência. . . . . . . . . 47

5.11 Perdas de atrito e no ferro na MCC, para as diferentes frequências testadas. . . . . . . . 47

5.12 Perdas de Joule na MCC, para as diferentes cargas e frequências testadas. . . . . . . . . 47

5.13 Potência dissipada na MCC, para cada situação de carga e frequência. . . . . . . . . . . 48

5.14 Rendimento da MCC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.15 Rendimento do conjunto MI, conversor e MCC, para as várias cargas e frequências tes-

tadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.16 Rendimento do conjunto MI e conversor, para as diferentes frequências e cargas. . . . . 52

5.17 Rendimento do conversor para diferentes gamas de potência e várias cargas (adaptado

de [11]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.18 Carga do conversor para as diferentes velocidades e cargas (do MI) testadas. . . . . . . 54

5.19 Rendimento do conversor Altivar 31, para diferentes cargas e velocidades, assumindo

dados do conversor de 10 HP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.20 Rendimento do conversor Altivar 31, para diferentes cargas e velocidades, assumindo

dados do conversor de 5 HP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

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5.21 Rendimento do MI, para diferentes cargas e velocidades, com os dados do conversor de

5 HP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.22 Rendimento do MI, para diferentes cargas e velocidades, com os dados do conversor de

10 HP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5.23 Binário para cada situação de carga e velocidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

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Lista de Acrónimos

AT Autotransformador

CA Corrente alternada

CC Corrente contínua

CE Circuito equivalente

CEMEP European Committee of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics

EIA Energy Information Administration

FFT Fast Fourier Transform

IEC International Electrotechnical Commission

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IST Instituto Superior Técnico

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

MCC Máquina de corrente contínua

MI Motor de indução

OCDE Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico

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Lista de Símbolos

Símbolo Descrição Unidades SI

A Unidade de área m2

B Campo magnético TBmax Campo magnético máximo Tcosϕj Fator de potência da fase j, j=1,2,3 –cosϕtotal Fator de potência total do MI –f Frequência Hzfc Fator de carga –g Aceleração gravítica m/s2

D Caudal m3/sH Altura manométrica mHfr Perda de carga na linha de bombagem mHfs Perda de carga na sucção mHr Altura estática que se pretende bombar o fluido mHs Altura estática de sucção mIa Corrente na armadura da MCC AIc Fasor da corrente que atravessa a Rc no CE AIe Fasor da corrente do estator referente ao CE Aij(t) Corrente na fase j, j=1,2,3 Aim Corrente de magnetização AIr Corrente do rotor referente ao CE AIdiss Corrente nas resistências de dissipação AIe Amplitude da corrente de uma fase do estator no CE AIexc Corrente de excitação da MCC AIs Corrente no secundário dos transdutores ALe Indutância do estator HLm Indutância de magnetização HLr Indutância do rotor Hn Número de espiras –N Velocidade de rotação da bomba e/ou do motor rpmNs Velocidade de sincronismo rpmP Potência ativa WPatrito Potência de perdas de atrito da MCC WP b Potência útil de entrada na bomba WPh Potência hidraúlica WPdiss Potência dissipada WPFe Potência de perdas no ferro da MCC WPin Potência elétrica consumida WPinstj Potência instantânea na fase j, j=1,2,3 WPj Potência ativa na fase j, j=1,2,3 WPJoule Potência de perdas de Joule da MCC WPmec Potência mecânica WPn Potência nominal do MI Wpp Número de pares de polos do MI –Pperdas Potência de perdas do MI WPMCCperdas Potência de perdas da MCC W

xix

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Símbolo Descrição Unidades SI

Protor Potência à entrada do rotor do MI WPtotal Potência ativa total WQ Potência reativa WQj Potência reativa na fase j, j=1,2,3 VArQtotal Potência reativa total VArra Resistência da armadura da MCC ΩRc Resistência de perdas no ferro do MI ΩRe Resistência de um enrolamento do estator do MI ΩRr Resistência de um enrolamento do rotor do MI Ωs Escorregamento –Sj Potência aparente na fase j, j=1,2,3 VAStotal Potência aparente total VAt Tempo sT Binário Nmu Sinal sinusoidal de tensão VU Amplitude do sinal sinusoidal de tensão VV Tensão VVin Fasor de tensão de uma fase referente ao CE Vvj(t) Tensão simples na fase j, j=1,2,3 VV2 Fasor de tensão do ramo de magnetização no CE VVdiss Tensão nas resistências de dissipação VVexc Tensão de excitação da MCC Vγ Peso volúmico N/m3

ε Erro relativo %η Rendimento do MI %ηAT Valor do rendimento do MI obtido com o AT %ηMCC Rendimento da MCC %ηV/f Valor do rendimento do MI obtido com o conversor %ηconjunto Rendimento do conjunto conversor, MI e MCC %ηconversor Rendimento do conversor %ηexperimental Valor experimental do rendimento %ηfornecedor Valor teórico do fornecedor do rendimento %ρ Densidade volumétrica do fluido kg/m3

φ Fluxo magnético Wbϕim Fase da corrente de magnetização radϕj Desfasagem entre tensão e corrente da fase j, j=1,2,3 radϕtotal Desfasagem entre tensão e corrente total do MI radϕV2

Fase da tensão do ramo magnetização radω Velocidade angular de rotação do MI ou da bomba rad/sωs Velocidade angular de sincronismo rad/sωN Velocidade angular nominal do MI rad/s

xx

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1Introdução

Conteúdos1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Estrutura da dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1

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1.1 Motivação

Numa era em que a procura pela utilização de energias verdes e amigas do ambiente é cada vez

maior e mais exigente, o impacto ambiental provocado pela produção e consumo de energia elétrica e

os preços que se praticam atualmente são, provavelmente, um dos maiores problemas da sociedade

atual.

Seja para os consumidores básicos ou para a grande indústria, como para os produtores ou até

mesmo para as entidades governativas, é mandatório apostar em medidas e/ou regras de eficiência

energética de modo a tornar possível a redução dos elevados consumos e custos energéticos.

Não somente, mas essencialmente, na indústria, os motores elétricos acabam por ser uma das

principais fontes de consumo de eletricidade, procurando-se cada vez mais medidas de aumento de

eficiência energética, fazendo um uso racional de energia e de equipamentos disponíveis.

O aumento de eficiência energética passa por, não apenas, aumentar a eficiência dos novos motores

e sistemas que se construam de raíz, mas também alterar ou juntar outros acionamentos aos sistemas

já em funcionamento que permitam aumentar a sua eficiência.

São variadas as aplicações de motores e outros acionamentos atualmente existentes. Acabamos

por estar em constante contacto, sem nos apercebermos, de sistemas de bombagem hidráulica, mais

ou menos complexos, mais não seja na abertura de uma simples torneira, seja em nossas casas, ou

mesmo nas indústrias, escolas ou universidades, ou então de sistemas complexos usados nas grandes

centrais hidroelétricas e barragens.

Desde a necessidade de elevação de água para a agricultura, ou para consumo, o seu próprio

transporte, ou mesmo o transporte de outros líquidos ou fluidos, representam complexos sistemas, dos

quais bombas e motores de indução são dos equipamentos imprescindíveis ao seu funcionamento. A

sua utilização recorrente, sobredimensionamento (i.e. funcionamento a uma carga inferior à esperada)

e idade contribuem para um elevado consumo de eletricidade, majorando a necessidade de poupança

e adoção de medidas que contribuam para um aumento da eficiência energética dos acionamentos que

constituem todo o sistema.

1.2 Objetivos

Os principais objetivos da presente dissertação de mestrado são:

1. Avaliação e análise de uma metodologia de determinação da eficiência energética do acionamento

elétrico em tempo real aplicado a um sistema de bombagem hidráulica.

2. Caraterização em termos de eficiência elétrica do motor elétrico que aciona as bombas hidráulicas

(motor de indução) quando ligado diretamente à rede de energia elétrica. Avaliação energética da

opção: uso de um conversor eletrónico de potência, que permite um comando V/f de velocidade,

para diferentes condições de operação.

2

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1.3 Estrutura da dissertação

A presente dissertação encontra-se dividida em sete capítulos, como se descrevem de seguida:

• Capítulo 1 - capítulo introdutório;

• Capítulo 2 - que descreve os sistemas de bombagem hidráulica e os seus constituintes;

• Capítulo 3 - descritivo dos diferentes métodos de determinação do rendimento do motor de indu-

ção a utilizar;

• Capítulo 4 - neste capítulo descrevem-se os ensaios laboratoriais realizados;

• Capítulo 5 - exposição de um caso de estudo onde se analisaram bombas hidráulicas no Campus

da Alameda e apresentam-se e discutem-se os resultados;

• Capítulo 6 - fazem-se conclusões e propostas de trabalho futuro.

Por fim são apresentados a Bibliografia e os Apêndices.

3

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4

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2Sistemas de bombagem hidráulica

Conteúdos2.1 Bomba centrífuga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Motor de indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3 Conversor de tensão + comando V/f de velocidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4 Eficiência Energética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

5

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Existem sistemas de bombagem hidráulica mais ou menos complexos, dependendo da aplicação e

dos seus objetivos finais.

No contexto desta dissertação, considera-se como um sistema de bombagem hidráulica o conjunto

bomba centrífuga, motor de indução MI e conversor eletrónico de potência, e as ligações entre estes.

Pretendendo analisar a influência, em termos de impacto energético, deste último equipamento na

alimentação do MI, neste capítulo, de acordo com os objetivos desta dissertação e dos instrumentos

que se pretendem estudar, descrevem-se cada um dos elementos constituintes deste sistema, assim

como uma abordagem, que acaba por ser a base de todo este trabalho, sobre eficiência energética.

2.1 Bomba centrífuga

As bombas hidráulicas surgiram com base na necessidade de transporte e elevação de água para

fins agrícolas sendo que, atualmente, são conhecidas variadas aplicações para todo o tipo de fluidos

que não apenas a água: ar condicionado e refrigeração de edifícios, abastecimento público de águas,

bombeamento de químicos e combustíveis, entre outras. Podem dividir-se em dois grandes grupos:

bombas de deslocamento positivo e bombas dinâmicas (e.g. centrífugas).

As bombas de deslocamento positivo recorrem a meios mecânicos para variar o tamanho ou mover

a câmara de fluido para que este se desloque. Por sua vez, as bombas centrífugas (Figuras 2.1 e

2.2) têm como principal função fornecer energia a um fluido de modo a elevá-lo, convertendo energia

mecânica em energia de pressão através de motores [12].

Figura 2.1: Representação esquemática de uma bomba centrífuga (adaptado de [1]).

Inventada em 1689 pelo físico Denis Papin, é simples e robusta, de construção barata, sendo atu-

almente a que mais se utiliza. É dado movimento ao fluido através de impulsores imersos, provocando

aumento da pressão, ou do fluxo, à saída da bomba.

6

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Figura 2.2: Corte numa bomba centrífuga.

Podem ser de fluxo radial, axial ou misto, como esquematiza a Figura 2.3. A sua utilização irá

depender da aplicação pretendida: tendo em conta o caudal D e a altura manométrica H, além da

direção de bombagem. A Figura 2.4 representa uma distribuição típica do tipo de bomba recomendada

para um certo caudal e altura manométrica. Consoante a aplicação e objetivo finais, há que ter em

conta outros fatores: desde preço, tempo de vida útil esperado ou mesmo a robustez que se espera

que o sistema em que se encontra instalada possa apresentar, e não apenas o caudal e a altura.

Figura 2.3: Representação esquemática dos tipos de bomba (adaptado de [2]).

A altura manométrica de uma bomba é a carga total de elevação a que a bomba trabalha e é dada

pela equação (2.1)

H = −hs + hfs + hr + hfr (2.1)

onde hs representa a altura estática de sucção, hfs a perda de carga na sucção, hr a altura estática

que se pretende bombar o fluido e hfr a perda de carga na linha de bombagem [13].

É possível relacionar diferentes caudais, alturas e potências P b com a velocidade N de operação

7

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Figura 2.4: Caudal e altura para os diferentes tipos de bomba centrífuga (adaptado de [2]).

das bombas recorrendo às leis de afinidade (equações (2.2)-(2.4)) [14].

DB

DA=NB

NA(2.2)

HB

HA=

(NB

NA

)2

(2.3)

P bB

P bA

=

(NB

NA

)3

(2.4)

Sendo as curvas caraterísticas das bombas as que se apresentam na Figura 2.5, as leis de afinidade

permitem, sabendo um dado caudal (ou altura ou potência) e a velocidade de rotação - A -, obter um

novo caudal (ou altura ou potência) para outra velocidade de operação - B - que se pretenda.

O rendimento de uma bomba é dado pelo quociente entre a potência à entrada - potência mecânica

Pmec - e pela potência disponível à saída - potência hidráulica Ph. A potência hidráulica pode ser

calculada pela equação (2.5)

Ph = γDH = ρgDH (2.5)

sendo γ o peso volúmico do fluido, ρ a sua densidade e g a constante de aceleração gravítica.

Para se fazer uma análise in loco e em tempo real que permita uma avaliação das bombas hidráuli-

cas (mais concretamente, do MI que as alimenta), uma vez que não tínhamos equipamento disponível

que permitisse determinar a potência hidráulica nas bombas em análise no Campus da Alameda, nem

8

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Figura 2.5: Curva caraterística de uma bomba para diferentes velocidades (adaptado de [3]).

forma de obter nem medir diretamente a potência mecânica no eixo de acoplamento entre o MI e a

bomba, e sendo inexequível isolar os motores das mesmas para poder analisá-los, foi necessário re-

correr a um dos métodos de cálculo do rendimento do MI descrito no Capítulo 3.

2.2 Motor de indução

São variadas as utilizações e aplicações dos motores elétricos. Estes permitem transformar energia

elétrica em energia mecânica e, por sua vez, um gerador permite a transformação contrária, podendo

ser máquinas síncronas, de corrente contínua MCC ou de indução (ou assíncronas).

No trabalho experimental desenvolvido, o motor da bomba hidráulica testado era de indução, similar

ao que se apresenta na Figura 2.6, de rotor em gaiola e usava-se uma MCC a funcionar como gerador,

para simulação de carga.

O MI, pela sua robustez, fiabilidade e custo, é dos motores elétricos mais usados atualmente, po-

dendo ser de rotor bobinado ou em gaiola de esquilo. É também dos mais simples motores passíveis

de serem usados em sistemas de acionamento de velocidade variável [15].

É um motor trifásico, de corrente alternada, constituído por um rotor, a parte rotativa, no interior

do estator, a parte fixa, existindo entre estes um entreferro. O estator é composto por chapas finas

de aço laminado, com ranhuras onde passam os enrolamentos, envolvido por uma estrutura de ferro

ou aço. O rotor (em gaiola de esquilo), por sua vez, é constituído por barras de um material condutor

9

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Figura 2.6: Motor de indução.

que se localizam diagonalmente em volta do aglomerado de chapas laminadas, curto-circuitadas nas

extremidades.

Os enrolamentos do estator, ao serem percorridos por um sistema trifásico simétrico de correntes

alternadas sinusoidais, criam um campo magnético girante. A velocidade de rotação deste campo

denomina-se, habitualmente, por velocidade de sincronismo Ns e está dependente da frequência f da

rede e do número de pares de polos pp do MI (equação (2.6)).

Ns = 60f

pp(2.6)

O campo criado atua sobre os enrolamentos do rotor induzindo uma força eletromotriz que, por sua

vez, origina correntes a circular no rotor. Inicialmente, estando o rotor parado, estas correntes irão

produzir um campo que rodará à mesma velocidade do campo magnético girante criado pelo estator,

resultando num binário inicial que fará o rotor girar, caso seja superior às forças que se opõem ao

movimento.

Este tenderá a rodar no mesmo sentido e próximo da velocidade do campo girante criado pelas

correntes que percorrem o estator. Porém, as forças de atrito fazem com que a velocidade de rotação

alcançada pelo rotor N , embora próxima, apresente um escorregamento s em relação à de sincronismo

(equação (2.7)).

s =Ns −NN

(2.7)

É, de facto, pelo rotor não girar à mesma velocidade da do campo girante que se tem binário. Caso a

velocidade de rotação do rotor igualasse a do campo girante os condutores estariam estacionários em

relação ao campo criado pelo estator, não induzindo corrente nos enrolamentos do rotor e, como tal,

não produzindo binário. A sua relação com a velocidade de rotação tem o comportamento caraterístico

apresentado na Figura 2.7. Sendo no ramo descendente, aproximadamente linear, que se pretende

estar a trabalhar.

Na conversão de energia comum para o funcionamento de um motor existem perdas associadas

a esta conversão eletromecânica: perdas de Joule nos enrolamentos, tanto do estator como do rotor,

10

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Figura 2.7: Curva caraterística da velocidade de rotação do MI em função do binário (adaptado de [4]).

perdas no ferro - histerese e Foucault - e perdas mecânicas provocadas pelo atrito e ventilação. O

gráfico apresentado na Figura 2.8 representa, de acordo com a literatura, uma distribuição de perdas

típica no MI.

Figura 2.8: Distribuição típica de perdas num MI (adaptado de [5]).

Sabendo a potência de perdas Pperdas do MI, como se mostrará no Capítulo 3, o seu rendimento η

pode ser calculado pela equação (2.8).

η =Pin − Pperdas

Pin(2.8)

O rendimento do MI pode, também, ser dado pelo quociente entre a potência mecânica Pmec disponível

no eixo e a potência elétrica de entrada Pin - potência consumida pelo motor - (equação (2.9)).

η =Pmec

Pin(2.9)

11

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Porém, a potência mecânica ou se obtém por estimação, a partir da estimação de parâmetros do MI,

ou por medição direta: a partir da velocidade de rotação e do binário T medidos no eixo de acoplamento

entre os dois motores (ou entre o MI e a bomba), pela relação que se apresenta na equação (2.10)

Pmec = Tω (2.10)

sendo ω a velocidade (de rotação) angular, que se determina com recurso à equação (2.11).

ω = N2π60

(2.11)

A Figura 2.9 representa o circuito equivalente CE do MI [16], onde: Re simboliza a resistência

de um enrolamento de uma das fases do estator, Rr a resistência de um enrolamento de uma das

fases do rotor, referida ao estator, Le e Lr indutâncias, que representam as fugas, do estator e rotor,

respetivamente, Lm a indutância de magnetização e Rc a resistência de perdas no ferro.

Re

Ie

Le Lr

Ir

Rr

sRc

IC

Lm

Im

Vin V2

Figura 2.9: Circuito equivalente do MI.

2.3 Conversor de tensão + comando V/f de velocidade

Existem variadas aplicações para um motor que requerem o seu funcionamento a velocidades dife-

rentes da nominal. Nos sistemas de bombagem hidráulica, diferentes velocidades de rotação possibi-

litam diferentes caudais ou alturas a que se pretendam operar, como tal, a utilização de um conversor

eletrónico de potência, que possibilita um comando V/f de velocidade, pode tornar-se vantajosa.

O recurso a este tipo de acionamento permite controlar a velocidade a que o MI e a bomba operam,

variando a tensão e frequência que o alimenta, disponibilizando um valor de binário próximo do valor

nominal, uma vez que o rácio tensão/frequência é próximo de constante, de modo a manter o nível de

fluxo magnético no seu valor máximo para cada frequência testada.

O conversor eletrónico de potência é diretamente alimentado da rede. A tensão em cada uma

das fases de entrada do conversor eletrónico de potência passará por três andares distintos, que se

apresentam na Figura 2.10, até alimentar cada uma das fases do MI.

No andar A - conversão CA/CC - a tensão de entrada (Figura 2.11-I) é convertida por uma ponte

retificadora a díodos. Estes permitem que a corrente flua apenas numa direção, consoante a fase que

seja mais positiva (em relação às outras duas) resultando na curva apresentada na Figura 2.11-II, a

verde.

12

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Rede MI

A B C

Figura 2.10: Circuito representativo de um conversor de tensão.

Figura 2.11: I - Tensão trifásica da rede; II - Tensão da rede retificada (adaptado de [6]).

Agora, à entrada do andar B - barramento CC -, temos uma tensão CC com uma ligeira ondulação

CA. O condensador, ou banco de condensadores, se corretamente dimensionados, permitirão reduzir,

ou até eliminar, esta ondulação.

Por fim, no andar C - conversão CC/CA - cada IGBT+díodo funciona como um interruptor. Quando

um dos interruptores do topo é fechado, a fase respetiva do MI é ligada ao positivo do barramento CC

e torna-se positiva e quando é fechado um dos interruptores de baixo, a fase é ligada ao lado negativo

do barramento CC e torna-se negativa. É esta possibilidade de tornar a fase negativa e positiva (com

mais ou menos pulsos, durante mais ou menos tempo) que permite alimentar o MI com a frequência

pretendida para este operar, como exemplifica a Figura 2.12.

Por forma a maximizar a eficiência do MI, o campo magnético criado deve ter valores na zona linear

da curva de magnetização caraterística do material do núcleo, caso contrário, aumentarão as perdas

causadas pela saturação magnética do material [17].

A evolução temporal da tensão u(t) que alimenta uma fase do MI pode ser descrita como na equação

(2.12)

u(t) = U cos(ωt) (2.12)

13

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Figura 2.12: Exemplo da tensão de alimentação do MI para diferentes frequências, à saída do conversoreletrónico de potência (adaptado de [7]).

que se relaciona com o fluxo magnético φ pela equação (2.13)

u(t) = ndφ

dt(2.13)

onde n é o número de espiras que cria o fluxo.

Substituindo a equação (2.12) na equação (2.13), integrando no tempo e resolvendo em ordem ao

fluxo, obtém-se a equação (2.14).

φ(t) =U

nωsin(ωt) (2.14)

O campo magnético B, por sua vez, relaciona-se com o fluxo, pela equação (2.15)

B =φ

A=

U

nAωsin(ωt) = Bmax sin(ωt) (2.15)

onde A representa a unidade de área.

Observa-se que o valor máximo do campo magnético é proporcional ao quociente entre a tensão e

a frequência [18], assim:

Bmax ∝U

ω≡ V

f

A variação da velocidade - frequência - e o ajuste de tensão são feitos para que se mantenha o

nível de magnetização. De facto, a frequência aumenta até que se atinja o valor máximo de tensão,

utilizando-se este tipo de comando V/f para evitar o enfraquecimento do campo ou a saturação do

circuito magnético [15].

Ao fim ao cabo, as vantagens da utilização de um comando V/f de velocidade irão depender, tam-

bém, do impacto económico que possa ter, seja numa nova instalação, seja para modificação ou melho-

ramento de outra. O custo associado a um conversor eletrónico de potência, comparado com o custo

atual da energia (Figura 2.13), poderá ser, à partida, uma mais-valia.

14

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Figura 2.13: Custos de energia comparados com os custos de um conversor eletrónico de potência (adaptadode [8]).

Provavelmente o maior problema associado aos conversores eletrónicos de potência é a produção

de harmónicas [19] pois, além de poderem provocar danos nos componentes elétricos do conversor,

contribuem, ainda, para o seu sobreaquecimento e, também, do MI que alimenta, provocando mais

perdas por efeito de Joule.

Existem variadas aplicações, atualmente, para os conversores eletrónicos de potência que permi-

tem um comando V/f de velocidade, desde pequenas ventoinhas, unidades de ar condicionado ou, na

grande indústria, na alimentação e controlo de motores. São conhecidos ainda, por ser um equipa-

mento de elevada eficiência, a rondar entre os 95 e os 98 % [19], se próximo do ponto nominal, e perto

de 75 % para cargas menores e para velocidades a rondar os 20 Hz [20].

Embora se saiba que não estar a trabalhar no ponto (ou próximo do ponto) nominal de operação,

reconhecido como o de melhor eficiência, o comando V/f de velocidade acaba por ser vantajoso por nos

permitir selecionar o intervalo de velocidades de trabalho, sem necessidade extra de correias/correntes

e sistemas de roldanas, uma vez que disponibiliza para cada velocidade de trabalho pretendida, o biná-

rio máximo possível. Este ajuste de velocidades permite variar a velocidade do acionamento, consoante

o caudal necessário para a bomba, resultando numa poupança de energia maior quando comparado

com outras técnicas de controlo de caudal [21].

2.4 Eficiência Energética

As projeções da EIA indicam que o consumo energético mundial, em termos globais de energia

provenientes de todas as fontes, continue a aumentar indiscutivelmente, sendo esperado um aumento

de 56 % entre 2010 e 2040 [22], devido ao consumo excessivo dos países não pertencentes à OCDE,

enquanto que o consumo energético nos países europeus que pertencem à OCDE não se afaste muito

de uma constante, assim como a globalidade dos países da OCDE (Figura 2.14).

Os motores elétricos são, atualmente, uma das fontes principais de consumo de eletricidade, culmi-

nando nos elevados custos associados ao seu funcionamento. Sabe-se que estes representam cerca

de 70 % do consumo elétrico na indústria e 30 % no comércio e serviços, do qual, no geral, 60 % é

proveniente de compressores, bombas e ventiladores [9].

15

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Figura 2.14: Consumo energético mundial e dos países europeus da OCDE.

Como se não bastasse, mais de 95 % dos custos associados a um motor ao longo da sua vida útil

são provenientes do seu consumo energético, não sendo mais do que 5 % a parcela correspondente

ao investimento inicial e manutenção ao longo dos anos [9], apresentando as bombas uma distribuição

de custos similar [23].

Atualmente, tanto no ramo comercial como no ramo industrial, são variados os custos que se pre-

tendem cada vez mais controlar e reduzir e a energia assume um lugar de grande destaque, motivada

pelas incertezas da disponibilidade energética na Terra, quer por restrições ou políticas ambientais ou

apenas pela necessidade de redução de custos decorrentes da competitividade do mercado.

A eficiência energética surge, como tal, com o intuito de colmatar o consumo excessivo ou des-

necessário de energia, acima das necessidades globais de uma aplicação ou de um equipamento ou

sistema específicos. Sendo igualmente importante fazer uma utilização racional dos equipamentos,

pois é essencial que estes funcionem corretamente e durante o máximo de tempo possível, não deixa

de ser fulcral analisar a hipótese de substituição de equipamentos por novos, mais eficientes e/ou que

utilizem tecnologias que o sejam.

No âmbito desta dissertação, sabe-se que deixa de ser vantajoso ter-se uma bomba a funcionar à

velocidade máxima quando não se tem disponível o caudal máximo para o sistema instalado ou, então,

porque um caudal e velocidade inferiores são suficientes para alcançar a altura que se deseja para

certa instalação. É neste tipo de pensamento que temos de nos basear para descobrir e criar medidas

de eficiência energética vantajosas, ou pelo menos testá-las para poder confirmar o quão vantajosas

podem ser.

Contudo, sabe-se que os motores elétricos são dimensionados para operarem em torno do seu

ponto nominal de funcionamento - ponto de maior eficiência. É, assim, essencial que o correto dimen-

16

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sionamento dos motores e das bombas seja feito a priori, além da seleção de um conversor eletrónico

de potência adequado.

Além desta análise, existem normas que não apenas as indústrias ou empresas têm de cumprir,

ou metas e regras que têm de ser alcançadas mas, antes do consumidor final, há normas que os

fabricantes têm, ainda, de respeitar e executar.

Ao longo dos anos surgiram diferentes formas de classificação do rendimento dos motores elétricos.

Por forma a haver uma uniformização global, a CEMEP criou um sistema padrão de classificação do

rendimento energético para a IEC. Por exemplo, a norma internacional 640/2009 (IEC 60034-30) divide

em quatro classes as eficiências dos motores 1:

• IE1: eficiência standard;

• IE2: eficiência elevada;

• IE3: eficiência premium;

• IE4: eficiência super premium.

É esta, ainda, que descreve o procedimento correto e necessário para medição dos níveis de eficiência

dos motores: motores de indução trifásicos de rotor em gaiola, de 1 a 3 pares de polos, para tensões

nominais até 1000 V e potências nominais dos 0.75 aos 375 kW.

Pode-se acrescentar, ainda, as regulações impostas pela União Europeia. A mais conhecida, e em

vigor, definida como uma meta para 2020 na qual se pretende uma redução de 20 % das emissões de

gases de efeito de estufa, 20 % do consumo energético e um aumento de 20 % da eficiência energética

[24].

Mas o conceito de eficiência energética vai além das normas e legislação a cumprir. Acaba por ser

uma medida de poupança através de redução de perdas e de adoção de outras medidas que permi-

tam um consumo menor de energia elétrica. Engloba, ainda, a importância da redução da emissão

dos gases de efeito de estufa e ainda a redução do consumo de combustíveis fósseis e procura por

alternativas sustentáveis.

A eficiência energética implica, desta forma, a criação e implementação de medidas e/ou estratégias

que possam combater o consumo excessivo de energia elétrica, desde que é criada até à sua utilização

final. Importando, igualmente, garantir a eficiência do sistema na globalidade (Figura 2.15), desde a

fonte da energia elétrica até ao equipamento de uso final, e não apenas numa das partes.

Contudo, o âmbito deste trabalho visa, apenas, a análise do MI alimentado de diferentes formas

e para uma aplicação específica, importando comparar, em termos de eficiência, a utilização de um

comando V/f de velocidade que permita trabalhar a diferentes velocidades, em detrimento de uma

ligação direta à rede e, consequentemente, a velocidade fixa.

1Segundo as diretivas aprovadas até à presente data, os motores colocados no mercado europeu de 7.5 a 375 kW desde2015 e de 0.75 a 375 kW a partir do ano corrente, terão de ter classe mínima IE3, ou IE2 se equipados com conversor eletrónicode potência com comando V/f de velocidade.

17

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Figura 2.15: Acionamento eletromecânico de velocidade variável [9].

18

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3Metodologias para a determinação do

rendimento do motor de indução

Conteúdos3.1 Ligação direta à rede elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2 Associação com um conversor eletrónico de potência com comando escalar de

velocidade ou V/f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

19

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3.1 Ligação direta à rede elétrica

Existem variados métodos normalizados que permitem analisar os motores. Os mais utilizados são

as normas IEEE 112-B, IEC 34.2 e JEC 37 [5]. Porém, mesmo em laboratórios com condições elétricas

e ambientais controladas, a aplicação destas normas resulta em diferentes rendimentos para o motor

(Figura 3.1). Por essa razão, outros métodos, além dos normalizados, são também utilizados.

Figura 3.1: Discrepância de resultados sob diferentes normas [5].

Como tal, pretende-se com este capítulo explicitar e descrever os diferentes métodos a serem usa-

dos nesta dissertação para determinação do rendimento do MI ou, mais não seja, uma aproximação

deste.

"O rendimento de um motor descreve o nível de eficiência com que este transforma energia elétrica

em energia mecânica" [9]. A energia elétrica, proveniente da rede, irá alimentar diretamente o MI ou o

acionamento responsável por alimentá-lo.

Para se fazer a análise de rendimentos é necessário recorrer à evolução temporal da tensão e cor-

rente de entrada do MI ou do conversor eletrónico de potência. O MI, ao ser ligado diretamente à rede,

com o auxílio do autotransformador AT, apresentam uma caraterística muito próxima de uma sinusoide

enquanto que, quando se recorre ao comando V/f de velocidade, deixam de ser sinusoidais e, como

será explicado posteriormente, foi necessário registar a tensão e corrente de entrada do conversor.

É, de facto, com recurso a estas grandezas que poderá ser feita a análise em termos de energia

elétrica e mecânica, com base na potência elétrica consumida e potência mecânica, quer seja medida

diretamente quer obtida por estimativa.

Tudo isto está dependente de se conseguir ter acesso isolado ao MI para poder estudá-lo em vazio

e em diferentes situações de carga ou, no caso em que se estudam as bombas no seu regime de

funcionamento normal, se se tem limitação no tipo de caraterização que se consegue fazer do MI e

ter-se que recorrer a outro método para analisá-lo, sem ter de interromper o seu funcionamento.

Os diferentes processos para determinação do rendimento do MI têm em conta as três situações

distintas que se apresentam de seguida:

• Para o caso em que se recorre exclusivamente ao CE do MI;

20

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• Para o caso em que se tem o sensor de binário, que permite determinar diretamente a potência

mecânica no eixo pela sua relação com a velocidade de rotação;

• Para o caso em que se analisam os motores de indução das bombas no Campus, no seu funcio-

namento normal, e que se recorre ao seu fator de carga.

O produto da evolução temporal da corrente ij(t) e da tensão vj(t) permite obter a potência ins-

tantânea Pinstj (equação (3.1)), cujo valor médio representa a potência ativa Pj da fase j em questão

(equação (3.2))

Pinstj = vj(t)ij(t) (3.1)

Pj =1T

∫ T

0vj(t)ij(t)dt (3.2)

sendo T o período da tensão e/ou da corrente, obtido de:

T =1f

Sabe-se que as potências ativa P , reativa Q e aparente S e a própria desfasagem ϕ se relacionam

de acordo com a representação esquemática apresentada na Figura 3.2.

Figura 3.2: Relação entre potência ativa P , reativa Q, aparente S e desfasagem ϕ.

Assim, obtendo, a partir da análise da evolução no tempo da tensão e da corrente, a desfasagem

ϕj , para cada fase j, entre estas, torna-se possível calcular a potência reativa Qj (equação (3.3)) e,

também, a potência aparente Sj (equação (3.4)).

Qj = Pj tanϕj (3.3)

Sj =Pj

cosϕj(3.4)

Logo, sabendo as potências de cada fase, as equações (3.5), (3.6) e (3.7) permitem obter a potência

ativa Ptotal, reativa Qtotal e aparente Stotal, respetivamente, de entrada do MI.

Ptotal =

3∑j=1

Pj (3.5)

Qtotal =

3∑j=1

Qj (3.6)

21

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Stotal =

3∑j=1

Sj (3.7)

O fator de potência cosϕtotal do MI calcula-se com recurso à equação (3.8).

cosϕtotal = cos

∑3j=1 ϕj

3(3.8)

3.1.1 Método 1 - Circuito equivalente

Os parâmetros do CE do MI, apresentado anteriormente na Figura 2.9, podem ser aproximados e

determinados a partir dos ensaios em vazio e em carga máxima, como será apresentado no Capítulo

4. A magnitude das indutâncias Le e Lr é habitualmente reduzida, para mais ainda num motor novo

e sem ter tido utilização prévia, o qual, com um escorregamento baixo, permite-nos assumir que são

pequenas o suficiente para serem desprezadas [25], resumindo-se, então, o CE do MI ao apresentado

na Figura 3.3.

Re

Ie

Rr

s

Ir

Rc

Ic

Lm

Im

Vin V2

Figura 3.3: Circuito equivalente do MI simplificado.

A potência à entrada do rotor Protor do MI é dada pela equação (3.9)

Protor = Ptotal − 3Re|Ie|2 − 3Rc|Ic|

2(3.9)

onde, no segundo membro da equação, o segundo termo corresponde à potência dissipada no estator

e o terceiro termo às perdas por histerese e Foucault. Se se retirar à equação (3.9) as perdas no rotor,

obtém-se a potência mecânica, dada, neste caso, pela equação (3.10).

Pmec = Protor − 3Rr|Ir|2

(3.10)

O rendimento do MI é, assim, possível calcular tendo como base o seu CE e a equação (3.11).

η =Ptotal − Pperdas

Ptotal=Ptotal − 3Re|Ie|

2 − 3Rc|Ic|2 − 3Rr|Ir|

2

Ptotal(3.11)

3.1.2 Método 2 - Potência mecânica

Além do cálculo do rendimento descrito anteriormente, uma vez que se media diretamente a veloci-

dade de rotação N e o binário T no acoplamento entre o MI e a MCC, em parte dos ensaios com o AT,

pode-se calcular a potência mecânica Pmec através das equações (2.10) e (2.11), já apresentadas.

22

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Uma vez que a partir da equação (3.5) se obteve a potência ativa de entrada do MI, o seu rendimento

pode, então, ser obtido pelo quociente entre a potência mecânica e aquela (equação (3.12)).

η =Pmec

Ptotal(3.12)

3.1.3 Método 3 - Fator de carga

Porém, para o caso em que se analisam os motores de indução acoplados às bombas em funciona-

mento no Campus da Alameda, não sendo possível aplicar os dois métodos anteriores para o cálculo

do rendimento, foi necessário aproximar o cálculo do rendimento do MI a partir do conhecimento do

fator de carga fc (equação (3.13)) e do ponto nominal de operação do motor, assim como da potência

ativa obtida da equação (3.5) [5]

fc =ω

ωN

ωs − ωωs − ωN

(3.13)

sendo ω a velocidade (angular) de funcionamento do MI, ωN a sua velocidade (angular) nominal e ωs a

velocidade (angular) de sincronismo. Para este método calcula-se o rendimento pela equação (3.14)

η = fcPn

Ptotal(3.14)

sendo Pn a potência nominal do MI.

3.2 Associação com um conversor eletrónico de potência com co-mando escalar de velocidade ou V/f

Como foi referido no Capítulo 2, a tensão e a corrente registadas à saída do conversor eletrónico

de potência não são puramente sinusoidais. O raciocínio e tentativa iniciais foram recorrer à análise

das componentes harmónicas da tensão e da corrente de entrada do MI. Para tal, utilizar-se-ia a

transformada rápida de Fourier FFT para obter a amplitude e o argumento de cada harmónica.

Primeiramente, tomamos como suporte a tensão e a corrente de entrada do MI adquiridos pelo

osciloscópio, recorrendo a um transformador de tensão e a uma sonda de corrente. Se decidíssemos

pela opção FFT do osciloscópio apenas conseguiríamos obter a amplitude das harmónicas, não sendo

possível obter o argumento respetivo.

A tentativa seguinte foi, então, de registar a evolução temporal da tensão e da corrente, também no

osciloscópio. A dificuldade estaria, desta vez, em selecionar uma janela de visualização adequada para

o seu registo, uma vez que o osciloscópio apresenta uma escala temporal que regista sempre 2500

pontos, importando um registo de períodos completos e suficientes para não se perder resolução.

Obtendo a tensão e a corrente como um somatório de harmónicas, o cálculo das potências ativa e

reativa de entrada do MI e do fator de potência poderiam ser efetuados, para as diferentes situações

de carga e velocidade que se pretendessem testar. Para tal, as evoluções temporais da tensão e da

corrente poderiam ser descritas como um somatório de harmónicas, sabendo a amplitude - Uh e Ih,

respetivamente - e a fase - ψh e φh, respetivamente - de cada harmónica h, de acordo com as equações

23

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(3.15) e (3.16), respetivamente, e, consequentemente, o cálculo de potências [26].

u(t) =∑h=1

√2Uh cos(hωt+ ψh) (3.15)

i(t) =∑h=1

√2Ih cos(hωt+ φh) (3.16)

A potência ativa P poderia, assim, ser calculada com recurso à equação (3.17).

P =∑h=1

UhIh cos(ψh − φh) (3.17)

Por sua vez, a potência aparente S seria dada pela equação (3.18)

S =

√SR

2 + SX2 + SD

2 (3.18)

na qual, SR2 representa uma componente ativa aparente, SX

2 uma componente reativa aparente e SD2

a potência de distorção. A potência ativa aparente seria obtida pela equação (3.19)

SR2 =

∑n=1

Un2∑n=1

In2cos2(ψn − φn) (3.19)

na qual n simboliza as harmónicas comuns à onda de tensão e de corrente. A potência reativa aparente

(designada, comummente, apenas por potência reativa) seria calculada pela equação (3.20)

SX2 =

∑n=1

Un2∑n=1

In2sin2(ψn − φn) (3.20)

e a potência de distorção dada pela equação (3.21)

SD2 =

∑n=1

Un2∑p=1

Ip2 +

∑m=1

Um2

∑n=1

In2 +

∑p=1

Ip2

(3.21)

em que m simboliza as harmónicas que apenas existem na onda de tensão e p as harmónicas que

apenas figuram da onda de corrente [26].

O fator de potência cosφ seria dado pela quociente entre a potência ativa e a aparente (equação

(3.22)).

cosφ =P

S(3.22)

O rendimento do MI poderia, então, ser calculado pelo primeiro método apresentado na secção

anterior, que diz respeito à equação (3.11).

Após várias tentativas e muitos ensaios, para diferentes cargas, velocidades e registo de diversos

períodos, tanto da tensão como da corrente, apercebemo-nos que o ruído, as harmónicas e a ele-

vada frequência de comutação dos interruptores do conversor não permitiam resultados coerentes nem

fisicamente corretos.

Foi, assim, necessário adquirir dois transdutores de tensão e de corrente que permitissem ler e

registar a sua evolução para as diferentes frequências de operação, com recurso a software e a hard-

ware específico - LabVIEW TM e um dispositivo de aquisição de dados da National InstrumentsTM, e,

supostamente, com maior resolução.

24

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Com recurso aos transdutores LA 25-NP e LV 25-P, construiu-se um sensor de corrente (Figura

E.11) e um de tensão (Figura E.12), respetivamente. Tendo em conta a gama de valores esperados

para leitura, tanto de tensão como de corrente, foi necessário dimensionar algumas resistências a ligar

aos trandutores, de acordo com os esquemas elétricos apresentados nos Apêndices A e B, respetivos

a cada um dos transdutores.

O transdutor de corrente utilizado permite selecionar diferentes escalas de corrente máxima de lei-

tura. Desta forma, o sensor de corrente foi dimensionado para uma leitura de corrente nominal de 8 A e

máxima de 12 A. Embora se saiba que a corrente nominal de uma fase do MI seja de 6.9√

2 = 8.91 A,

superior à corrente nominal de entrada do transdutor, optou-se por esta, pois na escala seguinte a cor-

rente nominal seria de 12 A (e 18 A de corrente máxima) e estaríamos a perder resolução na aquisição

e registo de dados. Além disto, a corrente Is para uma corrente de entrada nominal é de 25 mA, sendo,

então, adicionada no ponto de medida do transdutor uma resistência de 180 Ω que permite uma relação

de tensão adquirida/corrente medida de 0.5625 V/A.

Por sua vez, o transdutor de tensão foi dimensionado para uma leitura de tensão nominal de 330 V

e máxima de 462 V, embora a tensão simples nominal de uma fase do MI seja de 230√

2 = 325.27 V.

A corrente nominal de entrada do transdutor é de 10 mA logo, para uma tensão nominal de 330 V,

adicionou-se uma resistência de 33 kΩ. Por outro lado, a corrente Is para uma tensão de entrada

nominal é de 25 mA, sendo, então, adicionada no ponto de medida do transdutor uma resistência de

330 Ω que permite uma relação de tensão adquirida/tensão medida de 0.025 V/V.

Estes transdutores, de facto, permitiam uma maior resolução no registo da tensão e da corrente de

entrada do MI, possibilitando o registo de 5000 pontos por segundo, durante o tempo que desejásse-

mos. Mas, ainda assim, não suficiente para haver coerência nos resultados obtidos.

Restou, então, adquirir a tensão e corrente de entrada do conversor eletrónico de potência que iriam

permitir uma aproximação no cálculo do rendimento do MI.

Assim, recorrendo de igual forma às equações (3.1) e (3.2), obtém-se a potência ativa de uma fase

e total de entrada do conversor. O quociente da potência dissipada Pdiss na carga resistiva ligada

à armadura da MCC com a potência total ativa de entrada permite obter o rendimento ηconjunto do

conjunto conversor, MI e MCC (equação (3.23))

ηconjunto =Pdiss

Ptotal(3.23)

sendo o rendimento do conjunto o produto dos rendimentos dos três equipamentos (equação (3.24)).

ηconjunto = η(ηconversor)(ηMCC) (3.24)

Sabendo a potência de perdas PMCCperdas na MCC é possível obter o seu rendimento ηMCC (equação

(3.25))

ηMCC =Pdiss

Pdiss + PMCCperdas − Pexc

(3.25)

onde Pexc representa a potência de excitação da MCC e a potência de perdas na MCC é dada pela

equação (3.26)

PMCCperdas = PFe + Patrito + PJoule (3.26)

25

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sendo PFe as perdas no ferro da MCC, Patrito as perdas de atrito e PJoule as perdas de Joule dadas

pela equação (3.27)

PJoule = ra(Ia)2 (3.27)

na qual ra representa a resistência da armadura da MCC, de valor medido e igual a 1.8 Ω e Ia a corrente

que por ela circula.

Assim, torna-se possível obter o rendimento do conjunto conversor e MI pela equação (3.28).

η(ηconversor) =ηconjuntoηMCC

(3.28)

Sabendo o rendimento do conversor, substitui-se na equação (3.28) e obtém-se o valor do rendimento

do MI (equação (3.29)).

η =ηconjunto

ηMCCηconversor(3.29)

26

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4Ensaios laboratoriais

Conteúdos4.1 Descrição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.2 Determinação dos parâmetros em regime permanente do circuito equivalente do

motor de indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.3 Caraterização da eficiência energética do acionamento elétrico . . . . . . . . . . . . 37

27

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4.1 Descrição

Para proceder à análise e estudo do motor da bomba Grundfos de 3 kW (Apêndice C), neste caso,

de indução (Figura 4.1), realizou-se um conjunto de experiências laboratoriais, tanto com o AT (Figura

E.1), como com o conversor eletrónico de potência (Figura 4.2). Registaram-se dados para os diferentes

ensaios, para várias situações de carga e, para o comando V/f de velocidade, também para diferentes

frequências.

Figura 4.1: Motor de indução Grundfos de 3 kW.

Figura 4.2: Conversor eletrónico de potência Altivar 31 (modelo HU55N4).

Os ensaios com o AT vão permitir determinar os parâmetros do CE do MI, possibilitando a obtenção

de um método de determinação do seu rendimento.

A Figura 4.3 representa a primeira montagem experimental testada em laboratório. O que difere na

montagem dos ensaios com o AT para os ensaios com o comando V/f de velocidade é a alimentação

do MI: tanto o conversor como o AT são alimentados diretamente das três fases da rede disponíveis na

bancada de trabalho, que vão alimentar cada uma das fases do MI, ligada em estrela.

Tanto o MI como o sensor de binário foram facultados por um aluno de doutoramento do Departa-

28

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Figura 4.3: Representação esquemática da montagem laboratorial: A - Máquina de corrente contínua; B - Sensorde binário; C - Sensor de velocidade; D - Motor de indução.

mento de Engenharia Civil - Secção de Hidráulica. Porém, aquando da realização dos ensaios com o

conversor eletrónico de potência, já não o tínhamos disponível para utilização.

Como já foi referido, a MCC (Figura 4.4) aqui representada estará a funcionar como gerador e é

utilizada para simular a carga para o MI, para tal, aos terminais da armadura liga-se uma carga resistiva

(Figura E.2) para dissipação de energia.

Figura 4.4: Máquina de corrente contínua.

As Tabelas 4.1 e 4.2 mostram os valores nominais da MCC e do MI, respetivamente, usadas nos

ensaios laboratoriais, e a Tabela 4.3 os do conversor eletrónico de potência.

Tabela 4.1: Valores nominais da MCC.

TensãoArmadura [V]

CorrenteArmadura [A] Potência [kW] Velocidade [rpm] Tensão

Excitação [V]

220 16 3 1500 220

Tabela 4.2: Valores nominais do MI.

Tensão [V]D / Y

Corrente [A]D / Y

Corrente máxima [A]D / Y Velocidade [rpm] cosφ

220 - 240 / 380 - 415 11 / 6.3 12 / 6.9 2910 0.82 - 0.87

29

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Tabela 4.3: Valores nominais do conversor eletrónico de potência.

Entrada Saída

Tensão [V] 380 / 500 380 / 500Corrente [A] 21.9 14.3Frequência [Hz] 50 / 60 0.5 - 500

Neste capítulo explicitam-se, então, os referidos ensaios realizados para obtenção dos parâmetros

do CE do MI, assim como os necessários para o cálculo de rendimentos.

4.2 Determinação dos parâmetros em regime permanente do cir-cuito equivalente do motor de indução

Impôs-se no AT a tensão composta de entrada do MI de 400 V e registou-se a evolução temporal da

corrente ij(t) e da tensão vj(t) de cada fase j do MI no osciloscópio (Figura E.3) com auxílio de sondas

de corrente (Figura E.4) e de um transformador de tensão 400 V / 20 V (Figura E.5), respetivamente. Ao

mesmo tempo, liam-se os valores de binário T e velocidade N (Figura E.7) num software (LabVIEW TM)

no computador e, recorrendo a dois multímetros (Figura E.6) e duas pinças amperimétricas (Figura

E.8), mediu-se a tensão e a corrente de excitação (Figura E.9) - Vexc e Iexc, respetivamente, - e da

armadura - Va e Ia, respetivamente, - da MCC.

Como foi referido anteriormente, o CE do MI resume-se ao apresentado na Figura 3.3. O valor de

Re mede-se diretamente em cada uma das fases do estator do MI apresentando todas o mesmo valor

de 1.6 Ω.

É de salientar que, daqui em diante, o valor médio será a referência - entenda-se média aritmética

dos valores das três fases - dos diferentes parâmetros calculados e, quando oportuno, também se

mostram as evoluções da tensão e corrente no tempo apenas para uma das fases, uma vez que as três

fases da máquina estavam equilibradas. De qualquer forma, computacionalmente foram registados e

calculados os valores para cada uma das fases, com o intuito de o confirmar.

Com o MI desacoplado da MCC, realizam-se os ensaios em vazio. A Figura 4.5 apresenta a tensão

e a corrente para uma das fases do MI. Estes ensaios permitem calcular os parâmetros Rc e Lm através

da aproximação do CE do MI ao circuito da Figura 4.6, uma vez que em vazio, o escorregamento é tão

baixo que nos permite eliminar o ramo mais à direita do CE do MI da Figura 3.3.

A partir das equações (3.1) e (3.2) obtém-se a potência instantânea, que se apresenta na Figura

4.7. Esta permite, para uma fase do MI, e com recurso às equações (3.5) e (3.6), obter uma potência

ativa de entrada do motor, para a situação descrita, de:

P =Ptotal

3=

225.083

= 75.03 W

e reativa de:

Q =Qtotal

3=

1964.123

= 654.71 VAr

30

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-0.5 -0.495 -0.49 -0.485 -0.48 -0.475 -0.47 -0.465 -0.46-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10C

orr

ente

[A]

Tempo [s]-0.5 -0.495 -0.49 -0.485 -0.48 -0.475 -0.47 -0.465 -0.46

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

Ten

são

[V]

Figura 4.5: Tensão e corrente de uma fase do MI em vazio, com a MCC desacoplada.

Re

Ie

Rc

Ic

Lm

Im

Vin V2

Figura 4.6: Circuito equivalente do MI, para os ensaios em vazio.

Se analisarmos as Figuras 4.8 e 4.9 verifica-se que tanto a corrente como a tensão de entrada do

MI apresentam todas as harmónicas inferiores a 10 % da fundamental, como tal, opta-se por aplicar o

CE apenas à fundamental sem necessidade de aplicá-lo a todas as harmónicas e obter os resultados

como um somatório de harmónicas.

A análise à tensão e à corrente então registadas no osciloscópio permite inferir que, para os ensaios

em causa, a corrente média de uma fase do estator tem de amplitude Ie = 2.98 A e fase ϕ = 1.4567 rad.

Por sua vez, a tensão média de uma fase é de Vin = 216.85 V.

Uma análise ao circuito da Figura 4.6 permite obter a equação seguinte:

V2 = Vin −ReIe (4.1)

31

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-0.5 -0.495 -0.49 -0.485 -0.48 -0.475 -0.47 -0.465 -0.46-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800P

otên

cia

inst

antâ

nea

[W]

Tempo [s]

Figura 4.7: Potência instantânea em vazio, com a MCC desacoplada.

que permitirá calcular Lm, assim:

Lm =|V2|

2

2π50Q=

216.36205680

= 227.58 mH

Uma vez que uma indutância introduz uma desfasagem deπ

2, a fase da corrente Im obtém-se de:

ϕIm= ϕV2

− π

2= 0.0219− 1.5708 = −1.55 rad

e o seu valor absoluto de:

|Im| =√

Q

2π50Lm=√

9.16 = 3.03 A

Sendo a corrente Ic dada por:

Ic = Ie − Im = 0.2730 + 0.0655j

é, finalmente, possível obter Rc a partir de:

Rc =|V2||Ic|

=216.360.2807

= 770.80 Ω

Por sua vez, o ensaio em carga máxima permite determinar Rr. Acoplando a MCC ao MI, com a

carga resistiva ligada à armadura da MCC e com a excitação desta desligada, alimenta-se o MI com o

AT com 400 V composta, posteriormente, ao mesmo tempo que se lê a tensão e a corrente de cada

fase do MI no osciloscópio, aumenta-se a excitação da MCC, até a corrente no MI estar no seu valor

nominal, ou seja, à carga máxima.

32

Page 55: Otimização Energética em Acionamentos Elétricos Aplicados ... · A maioria dos sistemas de bombagem hidráulica requerem bombas e motores a funcionar durante largos períodos

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 6000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Frequência [Hz]

I 50h

/I 50 [%

]

Figura 4.8: Percentagem da harmónica h de corrente em relação à fundamental, no ensaio em vazio.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 6000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Frequência [Hz]

V5

0h/V

50 [%

]

Figura 4.9: Percentagem da harmónica h de tensão em relação à fundamental, no ensaio em vazio.

33

Page 56: Otimização Energética em Acionamentos Elétricos Aplicados ... · A maioria dos sistemas de bombagem hidráulica requerem bombas e motores a funcionar durante largos períodos

A Figura 4.10 apresenta a tensão e a corrente de uma fase do MI para esta situação de máxima

carga.

-0.5 -0.495 -0.49 -0.485 -0.48 -0.475 -0.47 -0.465 -0.46-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Co

rren

te [A

]

Tempo [s]-0.5 -0.495 -0.49 -0.485 -0.48 -0.475 -0.47 -0.465 -0.46

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

Ten

são

[V]

Figura 4.10: Tensão e corrente de uma fase do MI à carga máxima.

A potência instantânea é novamente calculada a partir das equações (3.1) e (3.2), como se apre-

senta na Figura 4.11. Recorrendo, também, às equações (3.5) e (3.6) obtém-se, para a situação de

máxima carga, de ativa:

P =Ptotal

3=

3577.713

= 1192.60 W

e de reativa:

Q =Qtotal

3=

2245.13

= 748.37 VAr

Verifica-se pela análise das Figuras 4.12 e 4.13 que tanto a corrente como a tensão de entrada

do MI, desta vez no ensaio de máxima carga, apresentam todas as harmónicas inferiores a 10 % da

fundamental, como tal, opta-se por aplicar uma vez mais o CE apenas à fundamental sem necessidade

de aplicá-lo a todas as harmónicas e obter os resultados como um somatório de harmónicas.

A evolução temporal da corrente e da tensão, observadas no osciloscópio, permitem registar o valor

médio da corrente de Ie = 6.46 A com fase ϕ = 0.5604 rad e tensão simples de Vin = 215.90 V. Além

disso, o valor de tensão de excitação da MCC que faz com que o MI esteja à carga máxima, no ensaio

realizado, é de Vexc = 65.50 V com corrente de excitação de Iexc = 0.109 A. Esta situação de carga

provoca uma dissipação na carga resistiva ligada à armadura da MCC de:

Pdiss = VaIa = 163.1× 15.01 = 2448.31 W

34

Page 57: Otimização Energética em Acionamentos Elétricos Aplicados ... · A maioria dos sistemas de bombagem hidráulica requerem bombas e motores a funcionar durante largos períodos

-0.5 -0.495 -0.49 -0.485 -0.48 -0.475 -0.47 -0.465 -0.46-500

0

500

1000

1500

2000

2500P

otên

cia

inst

ânta

nea

[W]

Tempo [s]

Figura 4.11: Potência instantânea em carga máxima.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 6000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Frequência [Hz]

I 50h

/I 50 [%

]

Figura 4.12: Percentagem da harmónica h de corrente em relação à fundamental, no ensaio em carga máxima.

35

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0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 6000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Frequência [Hz]

V5

0h/V

50 [%

]

Figura 4.13: Percentagem da harmónica h de tensão em relação à fundamental, no ensaio em carga máxima.

A análise do circuito da Figura 3.3 permite que se obtenha para o cálculo de Rr a seguinte equação:

Rr =|V2||Ir|

s (4.2)

sendo s o escorregamento que se calcula pela equação (2.7). Como o MI em estudo tem 1 par de

polos, a velocidade de sincronismo Ns calcula-se pela equação (2.6):

Ns =60× 50

1= 3000 rpm

e a velocidade medida pelo sensor de velocidade é de N = 2929 rpm, substituindo em (2.7), obtemos

s = 0.0237.

Sendo a tensão V2 dada pela equação (4.1) e igual a:

V2 = 207.15 + 5.49j

e ir dada por

Ir = Ie − Ic − Im (4.3)

com

Ic =V2Rc

= 0.2687 + 0.0071j

e

Im =V2

j2π50Lm= 0.0768− 2.8973j

36

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Substituindo em (4.3) e em (4.2), respetivamente, temos:

Ir = 5.1248− 0.5426j

e

Rr =207.2235× 0.0237

5.1534= 0.95 Ω

Os parâmetros obtidos para o CE simplificado do MI apresentam-se na Figura 4.14.

1.6 Ω

0.95 Ω

s770.80 Ω 227.58 mH

Figura 4.14: Parâmetros do CE do MI simplificado.

4.3 Caraterização da eficiência energética do acionamento elé-trico

Sabendo a potência dissipada nas resistências ligadas à armadura da MCC no teste de máxima

carga, obtida anteriormente, os ensaios para as restantes situações de carga são efetuados para uma

percentagem da potência que se dissipa na carga resistiva. Por exemplo, para termos o MI a34

de

carga, procuramos dissipar 75 % da potência dissipada no ensaio de carga máxima e, para meia carga,

50 % deste valor. O raciocínio será o mesmo para as restantes cargas que se pretendam testar.

Esta variação na potência dissipada e, automaticamente, na carga do MI consegue-se alterando a

(potência de) excitação da MCC. Estes ensaios são realizados tanto com o AT como com o comando

V/f de velocidade, para possibilitar a comparação, oportunamente, em termos energéticos, entre os

dois.

Com o conversor eletrónico de potência Altivar 31 ligado à rede alimentou-se as três fases do MI.

Os parâmetros no conversor foram definidos para uma tensão composta máxima de 400 V entre fases

do MI e 50 Hz de frequência máxima de operação (em concordância com os parâmetros exigidos pelo

equipamento para o tipo de comando pretendido, como é descrito no manual do equipamento, parcial-

mente apresentado no Apêndice D) e de acordo com os valores nominais do MI. Definindo a velocidade

de rotação pretendida - a frequência - é feito o ajuste automático de tensão, caraterístico deste tipo de

equipamento. A evolução do comando V/f de velocidade registado nos ensaios laboratoriais para a

situação de máxima carga apresenta-se na Figura 4.15.

Outros ensaios foram, ainda, realizados, para diversas situações de carga e para frequências a

variar entre os 10 e os 50 Hz. Assim, registou-se a corrente ij(t) e a tensão vj(t) de uma fase j de

37

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0 10 20 30 40 500

50

100

150

200

250

300

350

400

Ten

são

co

mpo

sta

[V]

Frequência [Hz]

Figura 4.15: Resultados do comando V/f de velocidade obtidos experimentalmente.

entrada do conversor no osciloscópio com auxílio de uma sonda de corrente e de um transformador

de tensão 400 V / 20 V, respetivamente. Ao mesmo tempo, e recorrendo a dois multímetros e duas

pinças amperimétricas, mediu-se a tensão e a corrente de excitação Vexc e Iexc e da armadura Va e Ia,

respetivamente, da MCC.

Além dos ensaios referidos, foi necessário realizar outros que permitissem determinar, ou pelo me-

nos aproximarmo-nos de um valor representativo das perdas por atrito e das perdas no ferro da MCC.

Com o MI alimentado pelo conversor eletrónico de potência, realizaram-se testes, para as diferentes

velocidades acima descritas, com a MCC acoplada e desacoplada do MI, e ainda ensaios em vazio,

com e sem excitação na MCC. Os primeiros permitem determinar as perdas por atrito e os segundos

as perdas no ferro.

38

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5Caso de estudo e discussão de

resultados

Conteúdos5.1 Bombas hidráulicas no IST (Campus da Alameda) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405.2 Resultados obtidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

39

Page 62: Otimização Energética em Acionamentos Elétricos Aplicados ... · A maioria dos sistemas de bombagem hidráulica requerem bombas e motores a funcionar durante largos períodos

5.1 Bombas hidráulicas no IST (Campus da Alameda)

Em paralelo com o trabalho laboratorial desenvolvido, analisaram-se alguns motores de indução

acoplados a bombas hidráulicas em funcionamento, de potência superior a 7.5 kW, no Campus da

Alameda, mais concretamente no Pavilhão de Civil e na Torre Norte.

Foi um trabalho realizado em conjunto com outros dois colegas [27, 28], que pretendiam analisar

desiquilíbrios e avarias nas máquinas e averiguar a necessidade de substituir os motores, ou a utilização

de um conversor eletrónico de potência para melhoria da eficiência.

Com o intuito de determinar o rendimento dos motores de indução das bombas em estudo fez-se

o levantamento dos valores nominais de cada um, assim como da evolução temporal da tensão e da

corrente de cada fase do MI, quando em operação, além da medição da sua velocidade de rotação. A

Tabela 5.1 resume os valores nominais dos motores de indução analisados.

Tabela 5.1: Valores nominais dos motores de indução das bombas analisadas no Campus da Alameda.

Bomba(B###)

Tensão [V]D / Y

Corrente [A]D / Y Potência [kW] Velocidade [rpm] cosφ

BPC 1 380 / 660 34.5 / 19.9 18.5 1470 0.9BPC 1 (R) 380 / 660 34.5 / 19.9 18.5 1470 0.9

BPC 2 380 / 660 9.1 / 15.7 7.5 1464 0.85BPC 2 (R) 380 / 660 9.1 / 15.7 7.5 1464 0.85

BPF 1 380 / 660 9.1 / 15.7 7.5 1464 0.85BPF 1 (R) 380 / 660 9.1 / 15.7 7.5 1464 0.85

BQ 1 380 / 660 9.1 / 15.7 7.5 1464 0.85BQ 1 (R) 380 / 660 9.1 / 15.7 7.5 1464 0.85

B 19 380 / - 16.5 / - 7.5 1435 0.81B 19 (R) 380 / - 16.5 / - 7.5 1435 0.81

Os motores de indução analisados estavam todos ligados em triângulo. Apresentam-se aqui com a

nomenclatura encontrada in loco, sendo (R) o que distingue o motor (e também a bomba) de reserva, do

motor B### em causa. Um sistema automatizado permite alternar entre motores garantindo, ainda,

que, caso um deles avarie, haja um outro que possa continuar em operação sem interrupções.

A tensão e a corrente registadas permitem determinar a potência de entrada do MI mas, uma vez

que não era possível isolar os motores das bombas para os testar em vazio, nem havia disponível um

caudalímetro que permitisse determinar a potência à saída e muito menos a potência mecânica no

acoplamento de ligação entre a bomba e o MI, foi necessário um método que permitisse determinar o

rendimento. Resta-nos, então, recorrer ao fator de carga, como já havia sido descrito no Capítulo 3,

sendo a equação (3.14) que possibilita o seu cálculo.

Assim, a partir das equações apresentadas no Capítulo 3 que permitem o cálculo de potências,

fator de potência e ao Método 3, é possível obter, para os motores analisados na Torre Norte e no

Pavilhão de Civil, o seu rendimento. Os resultados obtidos apresentam-se na Tabela 5.2. Para mais

fácil análise e comparação, apresenta-se na Figura 5.1 os rendimentos obtidos para os motores de

40

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indução analisados.

Tabela 5.2: Resultados para os motores de indução das diferentes bombas analisadas no Campus da Alameda.

Bomba(B###) η [%] fc cosφ P [kW] Q [kVAr] S [kVA] N [rpm]

BPC 1 92.65 0.80 0.790 16.04 12.32 20.29 1476BPC 1 (R) 87.21 0.80 0.808 17.04 12.29 21.08 1474

BPC 2 49.77 0.28 0.571 4.26 6.08 7.46 1490BPC 2 (R) 63.29 0.28 0.435 3.35 6.89 7.68 1490

BPF 1 66.77 0.62 0.689 6.93 7.26 10.06 1478BPF 1 (R) 49.95 0.51 0.723 7.60 7.24 10.52 1482

BQ 1 49.01 0.39 0.707 6.04 5.98 8.52 1486BQ 1 (R) 77.31 0.42 0.754 4.10 3.53 5.43 1485

B 19 55.56 0.55 0.748 7.42 6.57 9.94 1465B 19 (R) 67.17 0.66 0.738 7.33 6.63 9.96 1458

BPC 1 BPC 1 (R) BPC 2 BPC 2 (R) BPF 1 BPF 1 (R) BQ 1 BQ 1 (R) B 19 B 19 (R)0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Efic

iênc

ia d

o m

oto

r [%

]

Bomba

Figura 5.1: Eficiência dos motores de indução das bombas analisadas no Campus da Alameda.

É ponto assente que a aplicação de métodos normalizados em campo nem sempre é exequível e,

por vezes, acaba por haver discrepância entre os resultados obtidos pelas diferentes normas.

O fator de carga permite medir o quão perto está o motor a trabalhar do ponto nominal de operação.

Um fator de carga superior a 75 % permite considerar o motor adequado para a função a que se

destina [5], o que vem confirmar que, de todas as bombas analisadas, além dos motores de indução

41

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que as alimentam estarem praticamente todos a funcionar a potência inferior à nominal, apenas os

primeiros dois apresentam um fator de carga superior a este valor, sendo também os que apresentam

o valor de rendimento mais alto.

Outro ponto importante a ser verificado aqui, nesta análise feita aos motores de indução das bombas

no Campus, é a potência reativa e o seu impacto na fatura da energia elétrica.

Como se sabe, a potência ativa é necessária para produzir trabalho enquanto que a reativa é ne-

cessária para a criação do fluxo magnético indispensável ao funcionamento dos motores, aumentando,

se o seu elevado consumo for impactante, as perdas das redes de distribuição e nas instalações de

utilização [10]. A faturação de energia reativa é feita de acordo com a Tabela 5.3, através da análise do

fator tanϕ, que se define como o quociente entre a potência reativa e a potência ativa.

Tabela 5.3: Fatores por escalão de faturação de energia reativa [10].

Escalão Descrição Fator multiplicativo

1 Para 0.3 ≤ tanϕ < 0.4 0.332 Para 0.4 ≤ tanϕ < 0.5 1.003 Para tanϕ ≥ 0.5 3.00

Obviamente a faturação de reativa é feita para a globalidade consumida no Campus, mas não deixa

de ser interessante confirmar que de todas as bombas analisadas, os respetivos motores de indução

apresentam todos tanϕ > 0.5, sendo este o fator multiplicado mais alto para a faturação energética.

5.2 Resultados obtidos

Pretende-se nesta secção apresentar os dados adquiridos e resultados obtidos de todas as experi-

ências realizadas tanto com o AT como com o comando V/f de velocidade, focando nos resultados de

rendimento e na sua diferença, obtidos para o MI. De salientar que os resultados aqui apresentados

dizem apenas respeito ao MI da Grundfos de 3 kW facultado pelo Departamento de Engenharia Civil -

Secção de Hidráulica e testado em laboratório.

A Tabela 5.4 resume as potências ativa e reativa de entrada do MI da Grundfos testada em labora-

tório, fator de potência e potência de excitação Pexc (equação (5.2)), assim como a potência dissipada

Pdiss (equação (5.1)) na MCC, para as diferentes situações de carga.

Pdiss = VaIa (5.1)

Pexc = VexcIexc (5.2)

Apresenta-se, ainda, na Tabela 5.5 a velocidade de trabalho do MI e o seu escorregamento, obtido

pela equação (2.7), aquando dos primeiros ensaios realizados com o AT e sem o sensor de binário.

A dimensão dos valores de escorregamento obtidos para o MI permitem, de facto, corroborar a

aproximação considerada para o CE, onde se desprezaram as indutâncias Le e Lr para os ensaios e

cálculos com recurso ao CE do MI.

42

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Tabela 5.4: Resumo de resultados do MI alimentado pelo AT.

Carga P [kW] Q [kVAr] cosφ Pexc [kW] Pdiss [kW]

100 % 3.58 2.25 0.847 7.14 2.4590 % 3.25 2.21 0.828 6.01 2.2380 % 2.90 2.10 0.810 4.70 1.9875 % 2.72 2.14 0.786 4.49 1.8470 % 2.60 2.04 0.786 3.69 1.7160 % 2.26 2.02 0.746 2.46 1.4750 % 1.88 2.02 0.681 1.70 1.2340 % 1.64 1.97 0.640 1.51 0.9830 % 1.40 1.91 0.592 1.01 0.7525 % 1.24 1.93 0.542 0.76 0.63

Tabela 5.5: Velocidade e escorregamento do MI nos ensaios com o AT.

Carga N [rpm] s

100 % 2929.0 0.023790 % 2932.2 0.022680 % 2941.9 0.019475 % 2942.7 0.019170 % 2945.7 0.018160 % 2953.0 0.015750 % 2959.0 0.013740 % 2967.3 0.010930 % 2974.3 0.008625 % 2978.2 0.0073

Como é sabido, os ensaios realizados com o AT permitem obter, além dos parâmetros do CE do MI,

já apresentados no Capítulo 4, as curvas de eficiência experimentais.

A partir dos três diferentes métodos, representados pelas equações (3.11), (3.12) e (3.14) e des-

critos no Capítulo 3, obtêm-se as diferentes eficiências para as várias situações de carga, como se

resume na Tabela 5.6. A Figura 5.2 permite, por sua vez, a comparação entre as curvas de eficiência

(em função do binário) para os diferentes métodos, comparadas, ainda, com a curva que se obtém das

da datasheet do fornecedor1, junta no Apêndice C.

Para o Método 1, tendo em consideração as várias cargas testadas com o AT, a diferença entre

eficiência máxima e mínima do MI não é mais do que 7.74 %. Por sua vez, o Método 2 apresenta a

maior diferença, de 23.19 % e o Método 3 de 17.25 %.

Como facilmente se comprova pela Figura 5.2, o método que mais se distancia da curva do forne-

cedor é o Método 2, principalmente para os ensaios com menores cargas, sendo de 19.94 % o erro

relativo de maior valor. O Método 1 apresenta erro relativo máximo, e o mais baixo entre os diferen-1A curva do fornecedor não é explicitamente disponibilizada na datasheet mas é possível, sabendo a potência mecânica (útil)

no eixo e a velocidade de rotação, calcular o binário a partir da equação (5.3), daí ser em função deste que se apresentam ascurvas de rendimento.

T =Pmec

ω(5.3)

43

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Tabela 5.6: Eficiências do MI, para diferentes situações de carga.

η [%]

Carga Método 1 Método 2 Método 3

100 % 87.61 83.99 82.0190 % 87.76 83.79 86.2480 % 87.48 80.84 83.0975 % 87.26 81.29 87.6470 % 87.18 78.27 86.6560 % 86.50 76.24 86.5550 % 84.87 76.32 90.9240 % 83.95 70.82 83.3730 % 82.21 63.42 76.6525 % 80.02 60.80 73.67

0 2 4 6 8 10 120

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Binário [Nm]

Re

ndim

ento

do

MI

[%]

Método 1Método 2Método 3Fornecedor

Figura 5.2: Curvas de binário vs eficiência do MI para os diferentes métodos, comparadas com a do fornecedor.

tes métodos, de apenas 2.38 % e o Método 3 de 5.89 %. A Tabela 5.7 resume o erro relativo entre

eficiências, quando comparadas com a do fornecedor, calculadas pela equação (5.4).

ε =|ηexperimental − ηfornecedor|

ηfornecedor(5.4)

Apresentam-se os valores absolutos uma vez que apenas se pretende comparar o quanto se afastam

do teórico, i.e., dos dados do fornecedor.

Sabendo o rendimento do MI, obtido pela equação (3.11), é possível estimar o binário reorganizando

44

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Tabela 5.7: Erro relativo entre as eficiências dos vários métodos e a do fornecedor.

ε [%]

Carga Método 1 Método 2 Método 3

100 % 0.42 3.61 5.8990 % 0.59 4.11 1.3280 % 0.14 7.82 5.2675 % 0.50 7.29 0.0670 % 0.59 10.64 1.0860 % 1.15 12.56 0.7450 % 2.35 11.60 5.3140 % 2.38 15.89 0.9830 % 2.22 19.94 3.2525 % 1.91 18.83 1.64

as equações (2.10) e (3.12), obtendo a equação (5.5).

T =ηPtotal

ω(5.5)

A Tabela 5.8 permite comparar o binário obtido a partir da estimativa de parâmetros do MI com o

valor medido diretamente pelo sensor de binário, exclusivamente para os ensaios com o AT.

Tabela 5.8: Comparação entre o binário estimado e medido.

T [Nm]

Carga Método 1 Método 2

100 % 10.22 9.9090 % 9.29 9.0780 % 8.24 8.0975 % 7.69 7.5770 % 7.36 7.2760 % 6.32 6.2950 % 5.16 5.1740 % 4.43 4.4930 % 3.71 3.8025 % 3.19 3.28

Posteriormente aos ensaios com o AT foram realizados ensaios com o conversor eletrónico de po-

tência, para diferentes cargas e frequências. Como descrito no Capítulo 3, foi necessário determinar o

rendimento da MCC, de forma a ser possível aproximar um rendimento para o conjunto conversor e MI,

uma vez que não se tinham disponíveis curvas de eficiência do conversor usado no laboratório, nem se

conseguiu obter o rendimento do MI, a partir da tensão e da corrente de entrada deste.

A Tabela 5.9 resume a potência ativa de entrada do conversor eletrónico de potência, para cada

velocidade e carga testadas, que também se apresenta na Figura 5.3. Cada carga era caraterística de

uma diferente excitação da MCC, potências estas registadas na Tabela 5.10.

45

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Tabela 5.9: Potência ativa de entrada do conversor eletrónico de potência, para cada situação de carga efrequência.

Ptotal [kW]

Carga 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

100 % 1.00 1.37 1.80 2.41 2.89 2.87 3.09 3.63 4.1690 % 0.89 1.23 1.68 2.26 2.65 2.60 2.87 3.42 3.8480 % 0.78 1.09 1.45 1.98 2.40 2.31 2.61 2.98 3.4575 % 0.75 1.02 1.42 1.85 2.31 2.24 2.48 2.85 3.2170 % 0.70 0.95 1.34 1.74 2.15 2.08 2.33 2.65 3.0060 % 0.58 0.82 1.10 1.51 1.88 1.92 2.07 2.35 2.6650 % 0.51 0.74 0.96 1.28 1.62 1.66 1.82 2.04 2.3340 % 0.45 0.62 0.80 1.11 1.39 1.43 1.58 1.72 2.0330 % 0.38 0.51 0.65 0.89 1.15 1.17 1.27 1.42 1.6925 % 0.36 0.44 0.60 0.82 0.99 1.03 1.15 1.25 1.4520 % 0.32 0.39 0.48 0.71 0.88 0.91 1.01 1.14 1.2810 % 0.24 0.28 0.36 0.49 0.64 0.62 0.75 0.80 0.940 % 0.17 0.21 0.22 0.33 0.42 0.43 0.43 0.56 0.68

0

20

40

60

80

100

010

2030

4050

0

1000

2000

3000

4000

5000

Frequência [Hz]Carga [%]

Pot

ênci

a a

tiva

[W]

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Figura 5.3: Potência ativa de entrada do conversor eletrónico de potência, para cada situação de carga efrequência.

A Tabela 5.11 combina as perdas de atrito e no ferro da MCC e, por sua vez, a Tabela 5.12 as

perdas de Joule para as diferentes cargas e velocidades, nos ensaios realizados com o comando V/f de

velocidade, que vão possibilitar obter as eficiências da MCC para cada ensaio (equação (3.25)) a partir

da potência dissipada em cada ensaio na MCC (Tabela 5.13 e Figura 5.4), como resume a Tabela 5.14

e se apresenta nas Figuras 5.5 e 5.6.

46

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Tabela 5.10: Potência de excitação da MCC, para cada situação de carga e frequência.

Pexc [W]

Carga 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

100 % 76.82 23.10 20.39 13.27 13.38 9.28 23.83 7.73 6.4290 % 60.28 16.92 15.38 11.44 10.45 7.30 20.18 5.95 5.1780 % 47.10 13.18 11.56 8.83 13.06 5.46 17.33 4.42 4.0075 % 42.15 10.02 10.17 7.66 7.08 4.95 15.92 3.96 3.3970 % 37.66 8.18 8.57 6.73 6.18 4.22 14.50 3.40 3.1160 % 28.74 6.36 6.41 4.86 4.65 3.29 12.24 2.53 2.2250 % 22.90 5.30 4.45 3.60 3.17 2.30 10.31 1.86 1.6240 % 17.84 3.72 3.13 2.37 2.16 1.59 8.06 1.36 1.1330 % 13.21 2.08 1.91 1.49 1.38 0.99 6.43 0.79 0.7325 % 11.13 1.66 1.46 1.06 0.98 0.76 5.09 0.60 0.4920 % 9.14 1.27 1.11 0.86 0.70 0.52 4.19 0.43 0.3610 % 5.33 0.55 0.40 0.26 0.25 0.17 2.33 0.12 0.19

Tabela 5.11: Perdas de atrito e no ferro na MCC, para as diferentes frequências testadas.

10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

Patrito [W] 1.74 8.33 17.81 74.23 111.90 132.43 178.23 180.11 259.49PFe [W] 45.22 62.25 73.70 80.88 82.08 84.63 102.34 117.33 141.43

Tabela 5.12: Perdas de Joule na MCC, para as diferentes cargas e frequências testadas.

PJoule [W]

Carga 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

100 % 78.31 141.04 165.47 213.47 266.16 272.76 287.13 354.82 400.6990 % 71.44 127.37 149.48 191.33 240.96 247.67 260.93 320.32 358.8780 % 63.34 113.25 132.02 168.66 211.90 216.22 231.88 284.41 317.4575 % 59.47 105.78 124.63 158.03 199.21 202.25 217.01 268.35 296.3070 % 55.56 98.38 114.62 147.49 183.62 186.54 198.45 249.78 280.3560 % 46.82 85.08 99.24 125.77 157.36 163.13 169.01 215.43 239.2950 % 39.26 71.53 82.23 106.25 130.45 134.71 141.81 177.85 198.0740 % 31.80 56.45 66.74 84.78 105.45 107.36 113.08 138.60 158.7130 % 23.48 42.74 49.92 62.98 77.70 81.58 84.81 105.62 120.3025 % 19.48 35.04 41.99 52.64 65.06 68.39 69.75 90.74 98.7020 % 14.61 28.71 32.74 42.66 51.98 54.45 55.90 71.10 79.0310 % 7.67 14.38 17.09 20.89 25.46 25.79 27.11 34.45 41.78

A MCC, sempre a trabalhar como gerador, obteve um rendimento máximo de 89.54 % e o mais baixo

de 36.90 %.

Por sua vez, as Figuras 5.7 e 5.8 e a Tabela 5.15 representam o rendimento global do conjunto,

obtido pela equação (3.23) a partir dos dados na Tabela 5.13 e na Tabela 5.9, para cada velocidade e

situação de carga testadas no laboratório.

O rendimento global do conjunto apresenta um valor máximo de 60.70 % e mínimo de 17.80 %, para

47

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Tabela 5.13: Potência dissipada na MCC, para cada situação de carga e frequência.

Pdiss [W]

Carga 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

100 % 414.89 718.78 1032.63 1318.78 1636.74 1680.32 1806.09 2205.68 2488.6690 % 378.63 648.57 933.17 1187.71 1482.12 1523.73 1637.44 1994.33 2239.4380 % 335.75 577.45 824.71 1052.22 1308.51 1334.93 1459.61 1758.54 1984.0375 % 316.14 538.92 778.01 986.66 1234.00 1252.92 1365.91 1658.12 1843.6770 % 295.58 501.25 718.20 920.59 1144.33 1162.56 1257.90 1539.65 1743.4660 % 248.88 433.13 621.47 784.91 983.62 1019.59 1083.34 1332.49 1482.7650 % 209.68 363.74 514.36 662.28 813.84 840.88 909.79 1114.27 1232.5840 % 170.22 286.72 417.10 529.14 657.48 671.90 729.19 866.09 995.3430 % 126.85 216.36 310.69 391.57 484.21 508.27 548.43 661.82 752.9225 % 105.84 177.36 260.82 327.18 404.61 425.93 425.56 567.29 617.5820 % 80.06 144.98 203.01 264.33 322.98 338.25 362.80 443.09 492.3110 % 43.16 72.80 105.83 129.47 157.59 159.73 178.53 213.06 258.73

0

20

40

60

80

100

010

2030

4050

0

500

1000

1500

2000

2500

Frequência [Hz]

Carga [%]

Pot

ênci

a d

issi

pad

a na

MC

C [W

]

500

1000

1500

2000

Figura 5.4: Potência dissipada na MCC, para cada situação de carga e frequência.

os vários casos testados.

Como foi descrito, a partir do rendimento do conjunto global e da MCC, obtém-se o rendimento do

conjunto conversor e MI (equação (3.28)). De acordo com os dados da Tabela 5.16, apresenta-se nas

Figuras 5.9 e 5.10 a sua evolução.

Efetivamente, se tivesse sido possível calcular o rendimento do conversor eletrónico de potência

usado no laboratório ou se se soubesse o seu rendimento, a partir de documentação técnica, para

48

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Tabela 5.14: Rendimento da MCC.

ηMCC [%]

Carga 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

100 % 89.54 79.22 81.36 78.78 78.56 77.76 76.86 77.39 75.7890 % 86.69 78.18 80.53 78.00 77.74 76.91 75.85 76.52 74.8080 % 84.16 77.19 79.55 76.96 76.91 75.73 74.67 75.28 73.5375 % 83.10 76.42 79.07 76.36 76.17 75.15 73.93 74.69 72.6670 % 82.01 75.72 78.43 75.68 75.50 74.43 73.03 73.90 72.0060 % 79.28 74.37 77.12 73.98 73.94 73.01 71.24 72.31 69.9250 % 76.81 72.67 75.24 71.98 71.70 70.64 68.83 70.18 67.3640 % 73.65 69.93 72.89 69.02 68.86 67.55 65.41 66.58 64.0630 % 68.91 66.04 69.01 64.39 64.18 63.07 60.42 62.20 59.1325 % 65.68 63.05 66.39 61.28 61.06 59.94 55.21 59.41 55.3020 % 60.43 59.66 62.24 57.31 56.84 55.52 52.20 54.62 50.6510 % 46.68 46.31 49.45 42.42 41.82 39.69 36.90 39.11 36.90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Re

ndim

ento

da

MC

C [%

]

Carga [%]

10Hz15Hz20Hz25Hz30Hz35Hz40Hz45Hz50Hz

Figura 5.5: Rendimento da MCC, para cada velocidade e carga.

diferentes cargas e/ou velocidades, conseguir-se-ia obter facilmente o rendimento do MI, embora se

tenha contactado o fornecedor deste equipamento, não nos conseguiram facultar nada mais que o

manual de programação e utilização.

Dadas as circunstâncias, para que se consiga mais facilmente comparar o rendimento do MI obtido

com o AT e com o comando V/f de velocidade, resta-nos ou considerar um rendimento constante para

49

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0

20

40

60

80

100

010

2030

4050

0

20

40

60

80

100

Frequência [Hz]Carga [%]

Re

ndim

ento

da

MC

C [%

]

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

Figura 5.6: Rendimento da MCC, para as várias cargas e frequências testadas.

Tabela 5.15: Rendimento do conjunto MI, conversor e MCC, para as várias cargas e frequências testadas.

(η)(ηconversor)(ηMCC) [%]

Carga 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

100 % 41.33 52.64 57.35 54.69 56.58 58.52 58.49 60.70 59.8790 % 42.68 52.92 55.55 52.66 55.86 58.51 57.00 58.33 58.3980 % 42.88 52.81 56.77 53.16 54.63 57.79 56.03 59.01 57.5275 % 42.26 52.70 54.65 53.40 53.46 56.01 55.16 58.09 57.4370 % 42.36 52.79 53.51 52.78 53.20 55.94 54.01 58.07 58.1360 % 43.15 52.59 56.50 51.85 52.38 53.22 52.29 56.70 55.7850 % 41.30 49.18 53.64 51.56 50.11 50.59 50.07 54.60 52.9440 % 38.00 45.96 52.20 47.49 47.23 47.00 46.17 50.46 48.9330 % 33.52 42.43 47.46 44.02 41.93 43.28 43.30 46.46 44.4725 % 29.76 40.23 43.19 39.87 40.81 41.47 36.94 45.31 42.5120 % 24.83 37.46 42.05 37.24 36.81 37.20 35.90 38.73 38.6010 % 17.80 25.97 29.18 26.47 24.70 25.59 23.89 26.66 27.43

o conversor, ou assumir uma curva de eficiência de um outro de uma gama próxima. Optou-se, então,

pela segunda hipótese.

O conversor eletrónico de potência utilizado nas experiências laboratoriais era de 7.5 HP. Embora,

on-line, a informação encontrada de rendimentos destes equipamentos, para a carga a que estejam a

operar, seja diminuta, acabou-se por encontrar alguma documentação de rendimentos de conversores

de diferentes gamas de potência, para várias cargas, como mostra a Tabela 5.17.

50

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70R

end

imen

to d

o c

onj

unt

o [%

]

Carga [%]

10Hz15Hz20Hz25Hz30Hz35Hz40Hz45Hz50Hz

Figura 5.7: Rendimento do conjunto MI, conversor e MCC, para cada velocidade e carga.

0

20

40

60

80

100

010

2030

4050

0

20

40

60

80

100

Frequência [Hz]

Carga [%]

Re

ndim

ento

do

co

nju

nto

conv

erso

r, M

I e M

CC

[%]

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Figura 5.8: Rendimento do conjunto MI, conversor e MCC, para as várias cargas e frequências testadas.

51

Page 74: Otimização Energética em Acionamentos Elétricos Aplicados ... · A maioria dos sistemas de bombagem hidráulica requerem bombas e motores a funcionar durante largos períodos

Tabela 5.16: Rendimento do conjunto MI e conversor, para as diferentes frequências e cargas.

(η)(ηconversor) [%]

Carga 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

100 % 46.15 66.45 70.49 69.43 72.02 75.25 76.11 78.44 79.0090 % 49.23 67.70 68.98 67.52 71.86 76.11 75.15 76.23 78.0680 % 50.95 68.41 71.36 69.07 71.04 76.30 75.03 78.38 78.2475 % 50.86 68.96 69.12 69.94 70.18 74.53 74.61 77.77 79.0470 % 51.66 69.72 68.23 69.74 70.46 75.15 73.96 78.58 80.7460 % 54.43 70.72 73.26 70.09 70.84 72.90 73.39 78.41 79.7850 % 53.77 67.67 71.30 71.63 69.89 71.61 72.75 77.80 78.6040 % 51.59 65.73 71.61 68.81 68.59 69.58 70.58 75.79 76.3830 % 48.64 64.24 68.77 68.36 65.34 68.62 71.66 74.21 75.2125 % 45.31 63.82 65.05 65.06 66.83 69.18 66.90 76.27 76.8720 % 41.09 62.78 67.56 64.97 64.76 66.99 68.78 70.90 76.2110 % 38.13 56.08 59.02 62.41 59.07 64.47 64.74 68.17 74.35

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Re

ndim

ento

do

co

nve

rsor

e d

o M

I [%

]

Carga [%]

10Hz15Hz20Hz25Hz30Hz35Hz40Hz45Hz50Hz

Figura 5.9: Rendimento do conversor e do MI, para cada velocidade e carga.

Não havendo informação específica para o equipamento em estudo, nem on-line para a mesma

gama de potência, optou-se por considerar as duas gamas de potência da Tabela 5.17. Primeiro, os

ensaios realizados permitem saber a que carga está a trabalhar o conversor eletrónico de potência, com

base na corrente de entrada consumida pelo equipamento. Comparando a corrente consumida com a

nominal sabe-se a que carga está o acionamento sujeito, resultados que se apresentam na Tabela 5.18.

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0

20

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100

01020304050

0

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40

60

80

100

Frequência [Hz]

Carga [%]

Re

ndim

ento

do

co

nju

nto

conv

erso

r e

MI [

%]

40

45

50

55

60

65

70

75

80

Figura 5.10: Rendimento do conjunto conversor e MI, para as várias cargas e frequências testadas.

Tabela 5.17: Rendimento do conversor para diferentes gamas de potência e várias cargas (adaptado de [11]).

ηconversor [%]

Potência [HP] 1.6 % 12.5 % 25 % 42 % 50 % 75 % 100 %

5 35 80 88 91 92 94 9510 41 83 90 93 94 95 96

Sabendo a carga do conversor, sabe-se o seu rendimento, e com este, sabe-se o rendimento do MI, a

partir do rendimento do conjunto conversor e MI já obtido.

As Tabelas 5.19 e 5.20 representam o rendimento do conversor Altivar 31 usado nas experiências

laboratoriais obtido para as cargas a que estava sujeito, assumindo as cargas e rendimentos da Tabela

5.17. As Figuras 5.11 e 5.12 representam graficamente o seu rendimento, para as cargas e velocidades

testadas. Assume-se que o rendimento do conversor Altivar 31 oscile entre os valores apresentados:

na primeira, os valores oscilam entre 65.57 % e 93.41 %, enquanto que na segunda, entre 61.32 % e

91.69 %.

As Tabelas 5.21 e 5.22 apresentam os resultados obtidos para o MI, assim como as Figuras 5.14 e

5.13, respetivamente. Uma vez que não se tinha informação de um conversor eletrónico de potência

de 7.5 HP, supõe-se que o rendimento oscile entre os valores apresentados: no primeiro, os valores

oscilam entre 54.86 % e 91.40 %, enquanto que no segundo, entre 53.21 % e 87.41 %.

Comparando estes resultados com os obtidos com o AT não se obtiveram rendimentos superiores a

3 %. Sabendo que diferentes velocidades irão permitir diferentes caudais e pressões para as bombas

53

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Tabela 5.18: Carga do conversor para as diferentes velocidades e cargas (do MI) testadas.

Carga 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

100 % 16.12 20.68 25.66 33.56 37.72 38.58 41.05 45.53 50.7390 % 14.75 18.63 24.25 31.00 35.53 35.71 37.67 43.70 47.5380 % 13.24 17.49 21.96 28.45 32.79 32.51 35.30 39.45 43.0175 % 12.74 16.44 21.10 28.45 32.79 32.51 35.30 39.45 43.0170 % 12.15 15.43 20.00 25.07 30.09 29.68 32.42 35.66 37.9560 % 10.50 13.74 17.49 22.15 26.90 27.99 29.50 32.28 34.4350 % 9.50 12.65 15.84 20.05 23.93 24.98 26.58 28.68 31.0040 % 8.95 11.19 13.74 17.63 21.05 22.01 23.47 25.30 27.7630 % 7.53 9.86 11.60 14.79 17.99 18.49 19.77 21.46 24.4325 % 7.49 8.58 10.73 13.84 15.98 16.58 18.31 19.36 21.4620 % 6.80 7.95 9.50 12.33 14.52 15.16 16.48 17.49 19.4510 % 5.75 6.62 7.12 9.50 11.05 11.78 13.01 13.65 15.300 % 4.29 4.93 5.02 6.39 8.08 8.49 9.82 10.00 11.74

Tabela 5.19: Rendimento do conversor Altivar 31, para diferentes cargas e velocidades, assumindo dados doconversor de 10 HP.

η [%]

Carga 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

100 % 86.74 89.46 90.99 92.16 92.53 92.60 92.78 93.08 93.4190 % 85.49 88.46 90.65 91.87 92.35 92.36 92.53 92.97 93.2180 % 83.78 87.75 89.95 91.51 92.08 92.05 92.33 92.67 92.9275 % 83.11 86.99 89.63 91.20 91.90 91.98 92.24 92.54 92.7370 % 82.25 86.15 89.16 90.85 91.75 91.69 92.04 92.36 92.5560 % 79.42 84.39 87.75 90.02 91.24 91.43 91.67 92.02 92.2550 % 77.29 82.98 86.51 89.18 90.56 90.83 91.18 51.54 91.8740 % 75.98 80.69 84.39 87.84 89.61 89.97 90.43 90.90 91.3930 % 72.02 78.11 81.39 85.54 88.08 88.38 89.05 89.77 90.6925 % 71.87 75.04 79.86 84.50 86.63 87.10 88.27 88.85 89.7720 % 69.59 73.26 77.29 82.53 85.26 85.89 87.03 87.75 88.8910 % 65.57 68.94 70.69 77.29 80.45 81.69 83.48 84.28 86.02

hidráulicas, uma enorme vantagem na sua utilização poderá também ser essa. Contudo, os rendimen-

tos assumidos podem não ser os mais exatos ou mais corretos para o conversor eletrónico de potência

utilizado em laboratório.

Com o MI à carga nominal registou-se a sua temperatura, no seu ponto mais quente, fisicamente

acessível, alimentado tanto com o AT como com o conversor. A Figura 5.15 apresenta a sua evolução,

após quase duas horas em funcionamento contínuo, até estabilização.

O MI alimentado com o conversor eletrónico de potência apresenta um funcionamento sempre a

temperatura superior que com o AT. A introdução de harmónicas, caraterística deste acionamento,

contribuindo para aumento das perdas por efeito de Joule, representadas por este aquecimento, po-

dem aqui ficar demonstradas, resultando num comportamento inferior ao esperado do comando V/f de

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Tabela 5.20: Rendimento do conversor Altivar 31, para diferentes cargas e velocidades, assumindo dados doconversor de 5 HP.

η [%]

Carga 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

100 % 84.12 87.09 88.78 90.14 90.59 90.67 90.90 91.27 91.6890 % 92.76 85.99 88.40 89.80 90.36 90.38 90.58 91.12 91.4380 % 80.91 95.22 87.63 89.38 90.04 90.01 90.34 90.75 91.0775 % 80.19 84.40 87.27 89.03 89.84 89.92 90.23 90.60 90.8370 % 79.26 83.47 86.76 88.63 89.66 89.59 89.99 90.38 90.6160 % 76.21 81.57 85.22 87.70 89.07 89.29 89.56 89.98 90.2450 % 73.92 80.05 83.87 86.78 88.31 88.61 89.00 89.42 89.8040 % 72.51 77.58 81.57 85.32 87.25 87.65 88.17 88.69 89.2530 % 68.24 74.79 78.33 82.81 85.57 85.90 86.64 87.43 88.5625 % 68.09 71.50 76.69 81.69 83.99 84.51 85.79 86.42 87.4320 % 65.64 69.58 73.92 79.56 82.51 83.20 84.43 85.22 86.4710 % 61.32 64.94 66.82 73.92 77.32 78.65 80.59 81.46 83.34

0

20

40

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010

2030

4050

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Frequência [Hz]

Carga [%]

Re

ndim

ento

do

co

nve

rsor

Alti

var

31

[%]

70

75

80

85

90

Figura 5.11: Rendimento do conversor Altivar 31, para diferentes cargas e velocidades, assumindo dados doconversor de 10 HP.

velocidade em relação à alimentação a velocidade fixa com o AT, pelo menos no regime estacionário

estudado.

A Tabela 5.23 resume os binários obtidos para cada carga testada nos ensaios a diferentes veloci-

dades com o conversor e a Figura 5.16 permite comparar os diferentes binários disponibilizados pelo

MI e comparar, ainda, com os valores medidos e estimados de binário dos ensaios com o AT.

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010

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100

Frequência [Hz]

Carga [%]

Re

ndim

ento

do

co

nve

rsor

Alti

var

31

[%]

65

70

75

80

85

90

Figura 5.12: Rendimento do conversor Altivar 31, para diferentes cargas e velocidades, assumindo dados doconversor de 5 HP.

Tabela 5.21: Rendimento do MI, para diferentes cargas e velocidades, com os dados do conversor de 5 HP.

η [%]

Carga 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

100 % 54.86 76.30 79.39 77.03 79.50 82.99 83.73 85.94 86.1790 % 59.48 78.73 78.03 75.19 79.52 84.21 82.96 83.66 85.3880 % 62.97 80.27 81.43 77.28 78.90 84.77 83.06 86.37 85.9275 % 63.42 81.71 79.20 75.56 78.12 82.88 82.69 85.84 87.0270 % 65.17 83.52 78.65 78.68 78.59 83.88 82.18 86.95 89.1160 % 71.42 86.69 85.96 79.92 79.53 81.64 81.94 87.15 88.4150 % 72.74 84.53 85.01 82.54 79.14 80.82 81.74 87.01 87.5340 % 71.15 84.73 87.79 80.65 78.61 79.38 80.05 85.45 85.5830 % 71.27 85.89 87.79 82.55 76.35 79.88 82.71 85.45 85.0225 % 66.54 89.26 84.83 79.64 79.57 81.86 77.98 88.26 87.9220 % 62.60 90.22 91.40 81.66 78.49 80.52 81.46 83.19 88.1410 % 62.18 86.36 88.33 84.43 76.40 81.97 80.33 83.69 89.22

Os ensaios com o conversor eletrónico de potência, à velocidade de 50 Hz, não apresentam um

binário superior a 4 % àquele que se tem quando o MI é alimentado diretamente da rede, pelo AT.

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Frequência [Hz]

Carga [%]

Re

ndim

ento

do

MI

[%]

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60

65

70

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85

90

Figura 5.13: Rendimento do MI, para diferentes cargas e velocidades, com os dados do conversor de 5 HP.

Tabela 5.22: Rendimento do MI, para diferentes cargas e velocidades, com os dados do conversor de 10 HP.

η [%]

Carga 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

100 % 53.21 74.28 77.47 75.34 77.83 81.26 82.03 84.27 84.5890 % 57.59 76.54 76.10 73.49 77.81 82.40 81.22 82.00 83.7580 % 60.82 77.96 79.33 75.48 77.15 82.89 81.27 84.58 84.2075 % 61.20 79.27 77.12 76.69 76.36 81.03 80.89 84.04 85.2470 % 62.80 80.93 76.53 76.76 76.79 81.96 80.36 85.08 87.2460 % 68.53 83.80 83.48 77.86 77.64 79.73 80.06 85.21 86.4950 % 69.57 81.55 82.42 80.32 77.17 78.84 79.79 84.99 85.5540 % 67.90 81.46 84.85 78.33 76.54 77.34 78.05 83.37 83.5730 % 67.54 82.25 84.49 79.92 74.18 77.64 80.47 83.22 82.9325 % 63.04 85.05 81.45 76.99 77.15 79.43 75.79 85.84 85.6320 % 59.05 85.69 87.41 78.73 75.96 77.99 79.03 80.79 85.7310 % 58.15 81.35 83.50 80.74 73.43 78.92 77.55 80.88 86.43

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Frequência [Hz]

Carga [%]

Re

ndim

ento

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MI

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85

Figura 5.14: Rendimento do MI, para diferentes cargas e velocidades, com os dados do conversor de 10 HP.

Figura 5.15: Temperatura do MI para ensaio com o AT e o conversor.

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Tabela 5.23: Binário para cada situação de carga e velocidade.

T [Nm]

Carga 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz

100 % 7.76 9.95 10.39 10.89 11.23 9.94 9.47 10.22 10.6090 % 7.32 9.10 9.49 9.91 10.28 9.12 8.70 9.35 9.6680 % 6.68 8.21 8.49 8.89 9.17 8.11 7.88 8.38 8.7075 % 6.37 7.74 8.06 8.41 8.74 7.67 7.44 7.96 8.1770 % 6.04 7.26 7.50 7.91 8.17 7.19 6.94 7.47 7.8060 % 5.26 6.39 6.60 6.90 7.17 6.43 6.13 6.61 6.8250 % 4.57 5.49 5.60 5.98 6.12 5.48 5.33 5.69 5.8840 % 3.87 4.50 4.69 4.99 5.15 4.58 4.49 4.66 4.9930 % 3.08 3.59 3.69 3.96 4.07 3.71 3.66 3.82 4.0825 % 2.70 3.09 3.22 3.47 3.57 3.27 3.11 3.42 3.5820 % 2.22 2.67 2.67 3.00 3.06 2.80 2.80 2.91 3.1210 % 1.55 1.72 1.75 1.99 2.03 1.85 1.95 1.95 2.25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

2

4

6

8

10

12

Bin

ário

[Nm

]

Carga [%]

10HzV/f

15HzV/f

20HzV/f

25HzV/f

30HzV/f

35HzV/f

40HzV/f

45HzV/f

50HzV/f

50HzAT

medido

50HzAT

estimado

Figura 5.16: Binários disponíveis para os ensaios com o AT e o conversor.

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6Conclusões e trabalho futuro

Conteúdos6.1 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626.2 Trabalho Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

61

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6.1 Conclusões

A importância de uma utilização eficiente da energia elétrica é deveras importante e indispensável

para a sustentabilidade do modo de vida da sociedade atual. A eficiência energética surge, assim, com

a necessidade de tornar todos os processos, desde a criação à fase última de consumo de energia,

económica e, até, ambientalmente sustentáveis.

A indústria acaba por ser o maior consumidor de energia elétrica e a tarefa de aumentar a eficiência

energética começa por tornar todos os sistemas já instalados eficientes. A confirmação de algum tipo

de avaria nos motores, o seu funcionamento a cargas menores que as recomendadas e/ou esperadas,

o seu sobredimensionamento, a possibilidade de juntar outros acionamentos que permitam um aumento

de eficiência e, quando necessário, a adoção de novas tecnologias e equipamentos, construídos sob

cada vez mais restritas e exigentes normas, regras e/ou políticas, são algumas das opções base para

o melhoramento ou o aumento da eficiência dos sistemas instalados.

Os motores elétricos são utilizados para os mais diversos fins, a alimentação de bombas é um

dos exemplos. Alimentados diretamente da rede, funcionam a velocidade fixa. Embora seja esta a

frequência que permite o MI estar a trabalhar próximo da velocidade nominal, a necessidade de dife-

rentes caudais e alturas de bombeamento de água pode beneficiar de outras velocidades de rotação

de funcionamento.

Ter o MI e, consequentemente, a bomba a rodar a diferentes frequências pode ser conseguido com

um comando V/f de velocidade. Porém, mais do que nunca, o interesse primeiro é garantir que todo

este processo seja o mais eficiente possível.

No desenvolvimento desta dissertação foi realizado um vasto conjunto de trabalhos experimentais

que pretendiam confirmar se a utilização de um conversor eletrónico de potência na alimentação de um

MI proporcionava um aumento da eficiência energética, em detrimento de uma ligação direta à rede.

Importa salientar que toda a análise que se pretenda fazer in loco está limitada, pois não se pode

simplesmente parar os motores de indução em funcionamento. De acrescentar que todas as técnicas

de procura por avarias ou desiquilíbrios no motor e análise em termos energéticos são só vantajosas

se forem possíveis realizar durante o seu normal funcionamento.

Nesta dissertação descreveram-se três diferentes métodos que permitem obter o rendimento do MI

a partir de diferentes dados adquiridos, um dos quais se utiliza para analisar os motores no Campus

no seu funcionamento normal. Foram, ainda, feitos ensaios laboratoriais a um MI (a funcionar como

motor) alimentado pelo AT e pelo conversor eletrónico de potência, acoplado a uma MCC, a funcionar

como gerador, para diferentes cargas. Pretendia-se, pelos vários métodos, poder obter o rendimento

do MI e analisar, em termos de eficiência, a diferença entre uma ligação direta à rede e funcionamento

com velocidade fixa, assim como um funcionamento com diferentes velocidades, com o conversor.

Verificou-se que a tensão e a corrente que alimenta o MI, nos ensaios com o AT, não apresentam

harmónicas com uma amplitude superior a 10 % da fundamental, o que nos permite recorrer aos valores

obtidos da harmónica fundamental e não necessitando aplicar o CE a cada harmónica nem obter os

resultados como um somatório de harmónicas.

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Os ensaios em carga máxima e em vazio realizados com o AT permitiram calcular e/ou estimar

os parâmetros do CE do MI. Recorre-se a este para determinar o rendimento do MI, pelo Método 1

apresentado. Comparando a curva de eficiência, obtida por este método, com a curva do fornecedor,

obteve-se um erro relativo máximo de 2.38 % e médio de 1.23 %, o que nos permite inferir que os parâ-

metros obtidos para o MI, assim como as aproximações assumidas, refletem um bom comportamento

para o motor analisado, resultando numa descrição correta para os valores de rendimento obtidos para

o MI.

O equipamento utilizado para medição direta de binário, no Método 2, fora utilizado pela primeira

vez nos ensaios realizados nesta dissertação. À partida, este seria o método que se esperava resulta-

dos com menor erro, uma vez que implicava apenas a medição direta de grandezas, porém tal não se

verificou. Este permitiu calcular o rendimento do MI, partindo da medição do binário no acoplamento

entre o MI e a MCC e da sua velocidade. A aquisição de ambas as grandezas foram feitas com soft-

ware e dispositivos de aquisição de dados específicos, facultados temporariamente por um aluno de

doutoramento do Departamento de Engenharia Civil - Secção de Hidráulica. Porém, foi este o método

que obteve o erro relativo máximo mais alto, de 19.94 % e médio de 11.23 %, comparativamente aos

valores do fornecedor, embora para situações de carga próximas da máxima, este erro seja inferior a

10 %.

Nem sempre se têm ambientes eletrico-ambientalmente controlados que permitam aplicar normas

específicas para determinar o rendimento dos motores. O Método 3 permite contornar essa dificuldade

e pode, ainda, ser aplicado aos motores de indução analisados no Campus sem necessidade de inter-

romper o seu funcionamento normal. Apresenta um erro relativo máximo de 5.89 % e médio de 2.55 %,

o que vem revelar ser, também, um bom método para a determinação do rendimento do MI.

Foram vários os dados adquiridos e registados: evolução temporal da tensão e da corrente de

alimentação do MI e do conversor eletrónico de potência, velocidade, tensão e corrente de excitação

e da armadura da MCC. Porventura, a maior dificuldade desta dissertação foi a aquisição de dados,

para posterior tratamento. A leitura feita aos valores de tensão e corrente da MCC resultam de tensão

e corrente CC e os problemas ocorreram na leitura e aquisição da tensão e corrente de entrada do

MI. Aliás, importa salientar que a alimentação do MI diretamente da rede, auxiliada pelo AT, embora

influenciadas por outras harmónicas ou ruído externo, tanto a tensão como a corrente aproximam-se de

sinusoides, facilitando todo o tratamento de dados e obtenção de resultados, porém, toda a aquisição

de dados feita para os ensaios com o comando V/f de velocidade veio a revelar várias dificuldades e

problemas a superar.

Com o intuito de determinar o rendimento do MI, o objetivo principal, e primeiro, era conseguir obter

a potência de entrada do motor e conseguir obter ou estimar de alguma forma a potência mecânica,

que nos permitisse uma aproximação o mais correta e/ou aceitável do rendimento do MI.

A eletrónica que constitui um conversor eletrónico de potência é responsável por adicionar ruído e

harmónicas que aparecem na tensão e corrente de entrada do MI. A leitura e registo destas é limitada

pelo equipamento disponível, pois requer grandes escalas de tempo e frequência de amostragem, para

que os dados registados sejam fiáveis e tenham resolução suficiente para registar e mostrar aquilo que

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o MI está mesmo a receber. Mais que isso, também temos limitação no equipamento disponível no

laboratório, uma vez que está indicado para trabalhar à frequência da rede.

Os primeiros registos feitos à saída do conversor e adquiridos pelo osciloscópio davam-nos duas

alternativas: ou se recorria à FFT da tensão e da corrente diretamente no osciloscópio, sem sucesso,

pois apenas se conseguia obter o valor absoluto das várias harmónicas constituintes e ficava em falta

o argumento, para poder fazer o cálculo de potências, ou, então, registavam-se as evoluções temporais

da tensão e da corrente (ensaios registados com várias janelas de tempo) porém, não sendo puramente

sinusoidais, recorria-se computacionalmente à FFT para obter os valores absolutos e argumentos das

harmónicas, e poder ainda obter a tensão e a corrente como somatórios de harmónicas e as potências

relacionadas também com estes. Todavia, os resultados que se obtiveram não apresentavam coerência

nem significado físico.

Pensou-se que o problema estaria no ruído presente tanto na tensão como na corrente ou no facto

do osciloscópio não ter resolução suficiente, e registar sempre o mesmo número de pontos, indepen-

dentemente da escala de tempo selecionada, e como tinham uma elevada componente harmónica de

alta frequência, introduzida pelo conversor eletrónico de potência, se precisaria de um dispositivo que

permitisse regista-los com uma frequência de amostragem superior à do osciloscópio.

Surgiam então duas hipóteses: a construção de um filtro passa-baixo que filtrasse a componente de

alta frequência presente na alimentação do MI ou a aquisição de um dispositivo para adquirir a tensão

e a corrente com melhor e maior resolução.

Primeiramente, testou-se um filtro passa-baixo, todavia, apenas se conseguia alguma filtragem na

leitura e não na tensão e na corrente de alimentação do MI, uma vez que não se conseguia fazer o

motor rodar alimentando as três fases com três filtros, deixando de fazer sentido estar a tratar dados

que não eram aqueles que realmente alimentavam o MI.

Foi, então, que surgiu a possibilidade de comprar dois trandutores, um de tensão e outro de corrente,

com os quais se construíram dois sensores distintos, de tensão e corrente. Recorreu-se a software

específico e a um dispositivo de aquisição de dados para registar a tensão e a corrente, para os variados

ensaios realizados, não obstante, os resultados obtidos após tratamento de dados, voltou a resultar em

valores incoerentes para as experiências em causa.

É importante referir que, quando se fala em falta de coerência nos resultados obtidos, se deve ao

facto de, uma vez que se obtinha facilmente a potência dissipada pela MCC, e se esperava um fluxo de

potência a diminuir desde a rede até à dissipada, tal não se verificava nos resultados que se obtinham,

e ainda ocorria que as potências aumentassem e diminuissem irregularmente de carga para carga

testada, quando não era esperado.

Sabe-se que o conversor eletrónico de potência é um acionamento de alta eficiência, restando-nos

então adquirir a tensão e a corrente de entrada deste, por forma a haver uma hipótese de aproxi-

mar/estimar o rendimento do MI para os acionamentos. Com base na tensão e na corrente de entrada

do conversor e dos valores lidos na excitação e armadura da MCC e das suas perdas, foi possível obter

o rendimento do conjunto conversor e MI.

De facto sabe-se que interessava obter o rendimento do MI em estudo e não apenas de uma apro-

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ximação pelo rendimento do conjunto, porém haviam dois problemas: ou se obtinha o rendimento do

conversor a partir da razão entre potência à entrada e à saída deste, o que não foi possível, pois não

se conseguia utilizar os dados registados à saída, ou então se se conseguia do fornecedor informação

acerca do seu rendimento, o que também não foi concretizável.

Quando se tentou pesquisar na internet documentação deste equipamento não se conseguiram

obter resultados conclusivos, tentando, ainda, contactar outro fornecedor de equipamentos similares

mas, uma vez mais, a resposta foi a mesma. Conseguiu-se, contudo, encontrar alguma informação

on-line, embora não da mesma gama de potência, mas de uma gama superior e outra inferior o que

nos permitiu ter uma noção do comportamento do MI alimentado pelo conversor eletrónico de potência,

em termos de eficiência e binário, como se pretendia.

Sabendo as curvas de rendimento do conversor e a carga a que está a trabalhar, a partir da corrente

de entrada deste, comparativamente à nominal, como se sabe o rendimento do conjunto conversor e

MI, consegue-se obter, assim, o rendimento do MI.

Um dos objetivos da utilização do comando V/f de velocidade é permitir o MI funcionar a diferentes

velocidades e, consequentemente, permitir diferentes caudais e alturas para o caudal que passa pela

bomba. Todavia, os resultados obtidos não resultaram em rendimentos superiores a 3 % aos obtidos

com o AT.

Fizeram-se dois testes de medição de temperatura ao MI, à velocidade de 50 Hz e carga nominal,

com o AT e com o conversor eletrónico de potência e, verificou-se que a temperatura do MI foi superior

nos ensaios com o comando V/f de velocidade. Uma das desvantagens da utilização de um conversor

prende-se ao facto de adicionarem harmónicas à tensão e à corrente que alimenta o motor, contribuindo

para um aumento das perdas de Joule, além do impacto que têm na própria eletrónica do equipamento,

perdas estas que contribuem para uma diminuição do rendimento do MI.

Idealmente, seria esperado que o rendimento do MI aumentasse significativamente com a utilização

do conversor eletrónico de potência, mas tal não se verificou. As considerações feitas em termos de

ensaios e rendimentos para o conversor certamente têm influência nos resultados obtidos. Os ren-

dimentos assumidos podem não ser os mais exatos ou mais corretos para o conversor eletrónico de

potência utilizado em laboratório pois, embora possam dar uma boa aproximação do seu comporta-

mento, permite-nos apenas ter noção da gama de valores possíveis para o rendimento do conversor,

consoante a carga a que esteja a trabalhar, em cada ensaio realizado, contribuindo, apenas, para um

conhecimento aproximado do rendimento do MI em análise.

Paralelamente ao trabalho desenvolvido em laboratório para esta dissertação, observaram-se os

motores de indução das bombas no seu funcionamento normal no Campus da Alameda. Pretendeu-se

analisar a sua eficiência e o seu estado de carga e, como se verificou nos resultados apresentados, os

motores de indução analisados encontravam-se a trabalhar a cargas inferiores às recomendadas, além

da potência reativa em excesso que provoca um fator de potência inferior ao recomendado para não

haver uma faturação extra.

O motor de uma bomba, comparativamente ao denominado motor de reserva, apresenta uma dis-

crepância entre os seus rendimentos. Estando ambos a trabalhar alternadamente e com a mesma

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finalidade, apresentam diferentes consumos de energia elétrica, além de, maioritariamente, estarem

aquém do ponto de funcionamento nominal.

Um dos pontos importantes deste trabalho é a descrição de um método que permite que se analisem

os motores de indução (neste caso das bombas) sem a necessidade de parar todo o sistema em que se

encontra instalado. Apenas com as evoluções no tempo de tensão e corrente e a medida da velocidade,

consegue-se obter a carga e estimar um rendimento para o MI, que vai nos permitir inferir se o motor se

encontra bem dimensionado para a aplicação em causa e se ainda, pelo trabalho desenvolvido [27,28],

apresentam algum tipo de desequilíbrio e/ou avaria no rotor ou no estator.

6.2 Trabalho Futuro

Este trabalho permitiu-nos confirmar que para as situações testadas, para as condições e compor-

tamentos assumidos, a vantagem primeira de utilização de um conversor eletrónico de potência para

aumento de eficiência do MI não foi significativa.

Sugere-se, então, para trabalho futuro, como seguimento desta dissertação ou como complemento,

determinar os parâmetros do CE do MI que variam com a carga a que o motor está sujeito, por forma

a determinar a sua eficiência e aproximar o modelo de análise de eficiência dos motores de indução a

um estudo mais completo.

A análise da potência reativa nos motores de indução e a sua compensação, uma vez que esta em

excesso é também faturada, merece também ser efetuada.

Seria interessante fazer esta mesma análise de otimização energética dos sistemas de bombagem

hidráulica, utilizando também um conversor eletrónico de potência com comando V/f de velocidade,

mas com o MI a funcionar como gerador, tanto para geração como para recuperação de energia.

A variação do caudal pode ser conseguida por válvulas de seccionamento. Seria interessante com-

parar esta possibilidade com a utilização de um conversor eletrónico de potência, em termos de efici-

ência global da operação, da bomba e do MI, assim como de economização energética.

Sugere-se, ainda, comparar os arranques do MI com o AT e com o conversor eletrónico de potência

ou, ainda, com um arrancador suave, com o intuito de confirmar se se consegue alguma poupança de

energia durante esse processo.

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ATransdutor de corrente LA 25-NP

A-1

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9November2011/version 14 LEM reserves the right to carry out modifications on its transducers, in order to improve them, without prior notice www.lem.com

Current Transducer LA 25-NPFor the electronic measurement of currents: DC, AC, pulsed..., with galvanic isolation between the primary circuit and the secondary circuit.

Electrical data

IPN Primary nominal current rms 25 AtIPM Primary current, measuring range 0 .. ± 36 AtRM Measuring resistance @ TA = 70°C TA = 85°C RM min RM max RM min RM max

with ± 15 V @ ± 25 At max 100 320 100 315 Ω @ ± 36 At max 100 190 100 185 ΩISN Secondary nominal current rms 25 mAKN Conversion ratio 1-2-3-4-5 : 1000VC Supply voltage (± 5 %) ± 15 VIC Current consumption 10 + IS mA

Accuracy - Dynamic performance data

X Accuracy @ IPN, TA = 25°C ± 0.5 %εL Linearity error < 0.2 % Typ MaxIO Offset current 1) @ IP = 0, TA = 25°C ± 0.05 ± 0.15 mAIOM Magnetic offset current 2) @ IP = 0 and specified RM, after an overload of 3 x IPN ± 0.05 ± 0.15 mAIOT Temperature variation of IO 0°C .. + 25°C ± 0.06 ± 0.25 mA + 25°C .. + 70°C ± 0.10 ± 0.35 mA - 25°C .. + 85°C ± 0.5 mA - 40°C .. + 85°C ± 1.2 mAtr Response time 3) to 90 % of IPN step < 1 µsdi/dt di/dt accurately followed > 50 A/µsBW Frequency bandwidth (- 1 dB) DC .. 150 kHz

General data

TA Ambient operating temperature - 40 .. + 85 °CTS Ambient storage temperature - 45 .. + 90 °CRP Primary coil resistance per turn @ TA = 25°C < 1.25 mΩRS Secondary coil resistance @ TA = 70°C 110 Ω @ TA = 85°C 115 ΩRIS Isolation resistance @ 500 V, TA = 25°C > 1500 MΩm Mass 22 g Standards EN 50178: 1997

Notes: 1) Measurement carried out after 15 mn functioning 2) The result of the coercive field of the magnetic circuit 3) With a di/dt of 100 A/µs.

IPN = 5-6-8-12-25 At

Features

Closed loop (compensated) current transducer using the Hall effect

Isolated plastic case recognized according to UL 94-V0.

Advantages

Excellent accuracy Very good linearity Low temperature drift Optimized response time Wide frequency bandwidth No insertion losses High immunity to external

interference Current overload capability.

Applications

AC variable speed drives and servo motor drives

Static converters for DC motor drives

Battery supplied applications Uninterruptible Power Supplies

(UPS) Switched Mode Power Supplies

(SMPS) Power supplies for welding

applications.

Application domain

Industrial.

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9November2011/version 14 LEM reserves the right to carry out modifications on its transducers, in order to improve them, without prior notice www.lem.com

Current Transducer LA 25-NP

Isolation characteristics

Vd Rms voltage for AC insulation test, 50 Hz, 1 min 2.5 kVVw Impulse withstand voltage 1.2/50 µs 9 kV MindCp Creepage distance 10.63 mmdCI Clearance 10.63 mmCTI Comparative Tracking Index (group IIIa) 175

Applications examples

According to EN 50178 and IEC 61010-1 standards and following conditions:

Over voltage category OV 3 Pollution degree PD2 Non-uniform field

Safety

This transducer must be used in electric/electronic equipment with respect to applicable standards and safety requirements in accordance with the manufacturer’s operating instructions.

Caution, risk of electrical shock

When operating the transducer, certain parts of the module can carry hazardous voltage (eg. primary busbar, power supply). Ignoring this warning can lead to injury and/or cause serious damage. This transducer is a build-in device, whose conducting parts must be inaccessible after installation. A protective housing or additional shield could be used. Main supply must be able to be disconnected.

EN 50178 IEC 61010-1

dCp, dCI, Rated insulation voltage Nominal voltageBasic insulation 1700 V 1700 VReinforced insulation 600 V 600 V

Vw

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9November2011/version 14 LEM reserves the right to carry out modifications on its transducers, in order to improve them, without prior notice www.lem.com

Dimensions LA 25-NP (in mm)

Number of primary turns

Primary current Nominal output current

ISN [mA]

Turns ratio KN

Primary resistance

RP [mΩ]

Primary insertion inductance

LP [µH]

Recommended connectionsnominal

IPN [A]maximum

IP [A]

1 25 36 25 1 / 1000 0.3 0.023

5 4 3 2 1 IN

OUT 6 7 8 9 10

2 12 18 24 2 / 1000 1.1 0.09

5 4 3 2 1 IN

OUT 6 7 8 9 10

3 8 12 24 3 / 1000 2.5 0.21

5 4 3 2 1 IN

OUT 6 7 8 9 10

4 6 9 24 4 / 1000 4.4 0.37

5 4 3 2 1 IN

OUT 6 7 8 9 10

5 5 7 25 5 / 1000 6.3 0.58

5 4 3 2 1 IN

OUT 6 7 8 9 10

Mechanical characteristics General tolerance ± 0.2 mm Fastening & connection of primary 10 pins 0.7 x 0.6 mm Fastening & connection of secondary 3 pins Ø 1 mm Recommended PCB hole 1.2 mm

Connection

Remarks IS is positive when IP flows from terminals 1, 2, 3, 4, 5 to

terminals 10, 9, 8, 7, 6. This is a standard model. For different versions (supply

voltages, turns ratios, unidirectional measurements...), please contact us.

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BTransdutor de tensão LV 25-P

B-1

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20November2012/version 18 LEM reserves the right to carry out modifications on its transducers, in order to improve them, without prior notice www.lem.com

Voltage Transducer LV 25-PFor the electronic measurement of currents: DC, AC, pulsed..., with galvanic isolation between the primary circuit and the secondary circuit.

Electrical data

IPN Primary nominal current rms 10 mAIPM Primary current, measuring range 0 .. ± 14 mARM Measuring resistance RM min RM max

with ± 12 V @ ± 10 mA max 30 190 Ω @ ± 14 mA max 30 100 Ω with ± 15 V @ ± 10 mA max 100 350 Ω @ ± 14 mA max 100 190 ΩISN Secondary nominal current rms 25 mAKN Conversion ratio 2500 : 1000VC Supply voltage (± 5 %) ± 12 .. 15 VIC Current consumption 10 (@ ± 15 V) + IS mA

Accuracy - Dynamic performance data

XG Overall accuracy @ IPN, TA = 25°C @ ± 12 .. 15 V ± 0.9 % @ ± 15 V (± 5 %) ± 0.8 %εL Linearity error < 0.2 % Typ MaxIO Offset current @ IP = 0, TA = 25°C ± 0.15 mAIOT Temperature variation of IO 0°C .. + 25°C ± 0.06 ± 0.25 mA + 25°C .. + 70°C ± 0.10 ± 0.35 mAtr Response time 1) to 90 % of IPN step 40 µs

General data

TA Ambient operating temperature 0 .. + 70 °CTS Ambient storage temperature - 25 .. + 85 °CRP Primary coil resistance @ TA = 70°C 250 ΩRS Secondary coil resistance @ TA = 70°C 110 Ωm Mass 22 g Standard EN 50178: 1997

Note: 1) R1 = 25 kΩ (L/R constant, produced by the resistance and inductance of the primary circuit).

IPN = 10 mA VPN = 10 .. 500 V

Features

Closed loop (compensated) current transducer using the Hall effect

Isolated plastic case recognized according to UL 94-V0.

Principle of use

For voltage measurements, a current proportional to the measured voltage must be passed through an external resistor R1 which is selected by the user and installed in series with the primary circuit of the transducer.

Advantages

Excellent accuracy Very good linearity Low thermal drift Low response time High bandwidth High immunity to external

interference Low disturbance in common

mode.

Applications

AC variable speed drives and servo motor drives

Static converters for DC motor drives

Battery supplied applications Uninterruptible Power Supplies

(UPS) Power supplies for welding

applications.

Application domain

Industrial.

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20November2012/version 18 LEM reserves the right to carry out modifications on its transducers, in order to improve them, without prior notice www.lem.com

Voltage Transducer LV 25-P

Isolation characteristics

Vd Rms voltage for AC insulation test, 50 Hz, 1 min 2.5 1) kVVw Impulse withstand voltage 1.2/50 µs 16 kV MindCp Creepage distance 19.5 mmdCI Clearance 19.5 mmCTI Comparative Tracking Index (group IIIa) 175

Note: 1) Between primary and secondary.

Applications examples

According to EN 50178 and IEC 61010-1 standards and following conditions:

Over voltage category OV 3 Pollution degree PD2 Non-uniform field

Safety

This transducer must be used in electric/electronic equipment with respect to applicable standards and safety requirements in accordance with the manufacturer’s operating instructions.

Caution, risk of electrical shock

When operating the transducer, certain parts of the module can carry hazardous voltage (eg. primary busbar, power supply). Ignoring this warning can lead to injury and/or cause serious damage. This transducer is a build-in device, whose conducting parts must be inaccessible after installation. A protective housing or additional shield could be used. Main supply must be able to be disconnected.

EN 50178 IEC 61010-1

dCp, dCI, Rated insulation voltage Nominal voltageBasic insulation 1600 V 1600 VReinforced insulation 800 V 800 V

Vw

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20November2012/version 18 LEM reserves the right to carry out modifications on its transducers, in order to improve them, without prior notice www.lem.com

Dimensions LV 25-P (in mm)

Mechanical characteristics General tolerance ± 0.2 mm Fastening & connection of primary 2 pins

0.635 × 0.635 mm Fastening & connection of secondary 3 pins Ø 1 mm Recommended PCB hole Ø 1.2 mm

Remarks IS is positive when VP is applied on terminal + HT. This is a standard model. For different versions (supply

voltages, turns ratios, unidirectional measurements...), please contact us.

Instructions for use of the voltage transducer model LV 25-P

Primary resistor R1: the transducer’s optimum accuracy is obtained at the nominal primary current. As far as possible, R1 should be calculated so that the nominal voltage to be measured corresponds to a primary current of 10 mA. Example: Voltage to be measured VPN = 250 V a) R1 = 25 kΩ / 2.5 W, IP = 10 mA Accuracy = ± 0.9 % of VPN (@ TA= + 25°C) b) R1 = 50 kΩ / 1.25 W, IP = 5 mA Accuracy = ± 1.5 % of VPN (@ TA= + 25°C) Operating range (recommended): taking into account the resistance of the primary windings (which must remain low compared to R1, in order to keep thermal deviation as low as possible) and the isolation, this transducer is suitable for measuring nominal voltages from 10 to 500 V.

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CBomba e motor de indução Grundfos

C-1

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Nome empresa:Criado por:Telefone:

Data: 05-07-2016

Impresso do CAPS Grundfos [2016.04.035]

Texto da proposta

Código: 96593287NK 40-125/127 A1-F-A-E-BAQE

Líquido:Líquido bombeado: ÁguaGama de temperatura do líquido: 0 .. 120 °CTemperatura do líquido: 20 °CDensidade: 998.2 kg/m³

Técnicos:Velocidade para características da bomba: 2900 rpmCaudal nominal: 46.9 m³/hAltura manométrica nominal: 16.2 mDiâmetro efectivo do impulsor: 127 mmImpulsor nom: 125 mmCódigo empanque.1:Tipo 2:Superfície rotativa vedante 3:Apoio fixo 4:Vedante secundário: BAQEEmpanque secundário: NONETolerância da curva: ISO9906:2012 3B

Materiais:Corpo da bomba: Ferro fundido

EN-GJL-250ASTM A48-40 B

Impulsor: Ferro fundidoEN-GJL-200ASTM A48-30 B

Borracha: EPDM

Instalação:Temperatura ambiente máxima: 60 °CPressão máx. de funcionamento: 16 barFlange padrão: EN 1092-2Entrada da bomba: DN 65Descarga da bomba: DN 40Estágio da pressão: PN 16Tipo de acoplamento: PadrãoBase: C - Channel

Car. eléctricas:Tipo de motor: 100LCClasse de eficiência IE: IE2Potência nominal - P2: 3 kWFrequência da rede: 50 HzTensão nominal: 3 x 220-240 D/380-415 Y VCorrente nominal: 11,0/6,30 ACorrente de arranque: 840-920 %Cos phi - factor de potência: 0,87-0,82Velocidade nominal: 2900-2920 rpm

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Nome empresa:Criado por:Telefone:

Data: 05-07-2016

Impresso do CAPS Grundfos [2016.04.035]

Eficiência: IE2 84,6%Eficiência do motor com carga total: 84.6 %Eficiência do motor a 3/4 de carga: 86 %Eficiência do motor a 1/2 carga: 85.5 %Número de pólos: 2Classe de protecção (IEC 34-5): 55 Dust/JettingClasse de isolamento (IEC 85): FTipo de lubrificante: Grease

Outros:Índ. efic. mín. MEI ≥: 0.70Estado ErP: EuP Autónomos/Prod.Peso líquido: 102 kgPeso bruto: 127 kgVolume de expedição: 0.382 m³

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Data: 05-07-2016

Impresso do CAPS Grundfos [2016.04.035]

Posição Quantid. Descrição1 NK 40-125/127 A1-F-A-E-BAQE

Código: 96593287

Bomba centrífuga de voluta, monocelular não auto-ferrante, em conformidade com ISO 5199, dedimensões e rendimento nominal em conformidade com EN 733. As flanges são PN 16 dedimensões em conformidade com EN 1092-2. A bomba tem um orifício de aspiração axial, umbocal de saída radial e um veio horizontal. Foi concebida segundo o princípio de construçãodesmontável pela parte traseira, que permite a remoção do motor, do acoplamento, da caixa derolamentos e do impulsor sem causar interferências no corpo da bomba ou na tubagem.

O vedante de fole em borracha não equilibrado cumpre os requisitos da norma DIN EN 12756.A bomba está equipada com um motor assíncrono auto-ventilado, montado numa base. A bombae o motor estão montados numa base comum.

Informações de produto adicionaisMEI=0.70 | MEI>0.70

A bomba e o motor estão montados numa base comum em aço, em conformidade com ISO 3661.A concepção de construção desmontável pela parte traseira permite realizar assistência técnica àbomba quando o corpo de bomba ainda está ligado às tubagens de entrada e de descarga.

1) Retire os parafusos no pé de apoio da caixa de rolamentos e na base do motor.2) Retire a caixa de rolamentos e o motor do corpo da bomba.

As peças em ferro fundido possuem um revestimento de resina epóxi aplicado num processo deelectrodeposição catódica (CED). O CED constitui um processo de pintura por imersão de elevadaqualidade, no qual um campo eléctrico em redor dos produtos garante a deposição das partículasde tinta como uma camada fina e bem controlada na superfície. O pré-tratamento é uma parteintegrante do processo. O processo completo é constituído pelos seguintes elementos:

1) Limpeza de base alcalina.2) Fosfatização de zinco.3) Electrodeposição catódica.4) Endurecimento até atingir a espessura de película seca de 18-22 my m.O código da cor do produto terminado é NCS 9000/RAL 9005.

BombaO corpo da bomba possui um orifício de ferragem e um orifício de drenagem fechados por bujões.

O impulsor é um impulsor fechado, com pás de curvas duplas com superfícies suaves. O impulsortem equilíbrio estático em conformidade com ISO 1940-1 classe G6.3 e equilíbrio hidráulico paracompensar o impulso axial.Os anéis de desgaste usados no corpo da bomba e para o impulsor são fabricados embronze/latão ou ferro fundido.

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A bomba está equipada com um vedante de fole em borracha não equilibrado com transmissão de binário aolongo da mola e à volta dos foles. Graças aos foles, o vedante não desgasta o veio e o movimento axial não éobstruído por depósitos no veio.

Vedante principal:- Material do anel vedante rotativo: Carbono grafite, impregnado de metal- Material do apoio fixo: Carboneto de silício (SiC)

Esta combinação de materiais possui uma resistência muito boa à corrosão e é especialmenteadequada para água até +120 °C. No entanto, a vida útil do vedante será reduzida a temperaturasacima de +90 °C. Esta combinação de materiais não é recomendada para líquidos que contenhampartículas, uma vez que isto resultará num desgaste elevado na face SiC.Material do vedante secundário: EPDM (borracha de etileno-propileno)A EPDM possui uma excelente resistência à água quente. A EPDM não é adequada para óleosminerais.

O veio é fabricado em aço inoxidável e possui um diâmetro de 24 mm, no qual é montado oacoplamento.A bomba utiliza um acoplamento standard entre a bomba e o eixo do motor.

MotorO motor é um motor totalmente blindado e auto-ventilado com as dimensões principais de acordocom as normas IEC e DIN e designação de montagem B3 (IM 1001). As tolerâncias eléctricasestão em conformidade com IEC 60034.

A classificação de eficiência do motor é IE2, em conformidade com IEC 60034-30.O motor possui termístores (sensores PTC) nos enrolamentos, de acordo com a norma DIN44081/DIN 44082. A protecção reage a temperaturas de aumento lento e também de aumentorápido, por exemplo, sobrecarga constante e condições de estagnação.Os interruptores térmicos devem estar ligados a um circuito de controlo externo de forma agarantir que a reposição automática não causa acidentes. Os motores devem ser ligados a umsistema de protecção do motor, de acordo com as regulamentações locais.

É possível ligar o motor a uma transmissão de velocidade variável para ajustar o desempenho dabomba a qualquer ponto de funcionamento. O Grundfos CUE oferece uma gama variada detransmissões de velocidade variável. Poderá encontrar mais informações em Grundfos ProductCenter.

Características técnicas

Líquido:Líquido bombeado: ÁguaGama de temperatura do líquido: 0 .. 120 °CTemperatura do líquido: 20 °CDensidade: 998.2 kg/m³

Técnicos:Velocidade para características da bomba: 2900 rpmCaudal nominal: 46.9 m³/hAltura manométrica nominal: 16.2 mDiâmetro efectivo do impulsor: 127 mmImpulsor nom: 125 mmCódigo empanque.1:Tipo 2:Superfície rotativa vedante 3:Apoio fixo 4:Vedante secundário: BAQEEmpanque secundário: NONETolerância da curva: ISO9906:2012 3B

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Data: 05-07-2016

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Posição Quantid. DescriçãoMateriais:Corpo da bomba: Ferro fundido

EN-GJL-250ASTM A48-40 B

Impulsor: Ferro fundidoEN-GJL-200ASTM A48-30 B

Borracha: EPDM

Instalação:Temperatura ambiente máxima: 60 °CPressão máx. de funcionamento: 16 barFlange padrão: EN 1092-2Entrada da bomba: DN 65Descarga da bomba: DN 40Estágio da pressão: PN 16Tipo de acoplamento: PadrãoBase: C - Channel

Car. eléctricas:Tipo de motor: 100LCClasse de eficiência IE: IE2Potência nominal - P2: 3 kWFrequência da rede: 50 HzTensão nominal: 3 x 220-240 D/380-415 Y VCorrente nominal: 11,0/6,30 ACorrente de arranque: 840-920 %Cos phi - factor de potência: 0,87-0,82Velocidade nominal: 2900-2920 rpmEficiência: IE2 84,6%Eficiência do motor com carga total: 84.6 %Eficiência do motor a 3/4 de carga: 86 %Eficiência do motor a 1/2 carga: 85.5 %Número de pólos: 2Classe de protecção (IEC 34-5): 55 Dust/JettingClasse de isolamento (IEC 85): FTipo de lubrificante: Grease

Outros:Índ. efic. mín. MEI ≥: 0.70Estado ErP: EuP Autónomos/Prod.Peso líquido: 102 kgPeso bruto: 127 kgVolume de expedição: 0.382 m³

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96593287 NK 40-125/127 50 HzH

[m]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Q [m³/h]0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

eta[%]

0

20

40

60

80

100

NK 40-125/127, 3*400 V, 50Hz

Líquido bombeado = ÁguaTemper. líquido = 20 °CDensidade = 998.2 kg/m³

P[kW]

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

NPSH[m]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

P1

P2

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Data: 05-07-2016

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H[m]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Q [m³/h]0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

eta[%]

0

20

40

60

80

100

NK 40-125/127, 3*400 V, 50Hz

Líquido bombeado = ÁguaTemper. líquido = 20 °CDensidade = 998.2 kg/m³

P[kW]

0

1

2

3

NPSH[m]

0

2

4

6P1

P2

65

550 100100750

6036

2

80830.5

19303346

110

242

140

40 4 x 19

L3L2L1

+T +T+T

TO AMPLIFIERRELAY

IEC

TP

211

THE

RM

ALL

Y P

RO

TEC

TED

WH

EN

TH

E T

HE

RM

ISTO

RS

AR

EC

ON

NE

CTE

D T

O A

MP

LIFI

ER

RE

LAY

FO

R C

ON

TRO

L O

F M

AIN

SU

PP

LYTH

ER

MIS

TOR

S P

TC A

CC

OR

DIN

G T

O D

IN 4

4082

TO AMPLIFIERRELAY

+T +T+T

L1 L2 L3

Descrição ValorInf. geral:Designação do produto: NK 40-125/127 A1-F-A-E-BAQECódigo:: 96593287Número EAN:: 5700831851448

Técnicos:Velocidade para característicasda bomba:

2900 rpm

Caudal nominal: 46.9 m³/hAltura manométrica nominal: 16.2 mDiâmetro efectivo do impulsor: 127 mmImpulsor nom: 125 mmCódigo empanque.1:Tipo2:Superfície rotativa vedante3:Apoio fixo 4:Vedantesecundário:

BAQE

Empanque secundário: NONEDiâmetro do veio: 24 mmTolerância da curva: ISO9906:2012 3BVersão da bomba: A1

Materiais:Corpo da bomba: Ferro fundido

EN-GJL-250ASTM A48-40 B

Impulsor: Ferro fundidoEN-GJL-200ASTM A48-30 B

Código do material: ABorracha: EPDMCódigo para a borracha: E

Instalação:Temperatura ambiente máxima: 60 °CPressão máx. de funcionamento: 16 bar

Flange padrão: EN 1092-2Código da ligação: FEntrada da bomba: DN 65Descarga da bomba: DN 40Estágio da pressão: PN 16Tipo de acoplamento: PadrãoAnel(éis) de desgaste: anel(éis) desgasteBase: C - Channel

Líquido:Líquido bombeado: ÁguaGama de temperatura do líquido: 0 .. 120 °C

Temperatura do líquido: 20 °CDensidade: 998.2 kg/m³

Car. eléctricas:Tipo de motor: 100LCClasse de eficiência IE: IE2Potência nominal - P2: 3 kWFrequência da rede: 50 HzTensão nominal: 3 x 220-240 D/380-415 Y VCorrente nominal: 11,0/6,30 ACorrente de arranque: 840-920 %

55010010075060

80830.5

19303346

404 x 19

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Descrição ValorCos phi - factor de potência: 0,87-0,82Velocidade nominal: 2900-2920 rpmEficiência: IE2 84,6%Eficiência do motor com cargatotal:

84.6 %

Eficiência do motor a 3/4 decarga:

86 %

Eficiência do motor a 1/2 carga: 85.5 %Número de pólos: 2Classe de protecção (IEC 34-5): 55 Dust/JettingClasse de isolamento (IEC 85): FProtecção do motor: PTCMotor n.º: 87262363Tipo de lubrificante: Grease

Outros:Índ. efic. mín. MEI ≥: 0.70Estado ErP: EuP Autónomos/Prod.Peso líquido: 102 kgPeso bruto: 127 kgVolume de expedição: 0.382 m³

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96593287 NK 40-125/127 50 Hzcos phi

eta

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

P2 [kW]0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0

I[A]

0

2

4

6

8

NK40-125/127 + 100LC 3 kW 3*400 V, 50 Hz

eta

cos phi

I

n[rpm]

2000

2200

2400

2600

2800

P1[kW]

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

n

P1

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Impresso do CAPS Grundfos [2016.04.035]

96593287 NK 40-125/127 50 Hz

Nota! Todas as unidades estão em [mm], salvo indicação contrária.Exclusão de responsabilidade: este desenho dimensional simplificado não apresenta todos os detalhes.

65

550

100

100

750

60

362

8083

0.5

1930

334

6

110242140

404

x 19

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96593287 NK 40-125/127 50 Hz

Nota!Todas unidades em[mm] salvo indicação contrária.

L3L2L1

+T +T+T

TO AMPLIFIERRELAY

IEC

TP

211

THE

RM

ALL

Y P

RO

TEC

TED

WH

EN

TH

E T

HE

RM

ISTO

RS

AR

EC

ON

NE

CTE

D T

O A

MP

LIFI

ER

RE

LAY

FO

R C

ON

TRO

L O

F M

AIN

SU

PP

LYTH

ER

MIS

TOR

S P

TC A

CC

OR

DIN

G T

O D

IN 4

4082

TO AMPLIFIERRELAY

+T +T+T

L1 L2 L3

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DAltivar 31HU55N4

D-1

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24 1624589 10/2009

Motor control menu drC-

(1)Procedure:- Check that the motor is cold.- Disconnect the cables from the motor terminals.- Measure the resistance between 2 of the motor terminals (U. V. W) without modifying its connection.- Use the keys to enter half the measured value.- Increase the factory setting of UFr (page 20) to 100% rather than 20%.

Do not use rSC on any other setting than nO or tUn = POn with the flying restart function (FLr page 67).

Code Description Adjustment range

Factory setting

rSC Cold state stator resistance nOnO: Function inactive. For applications which do not require high performance or do not tolerate automatic autotuning (passing a current through the motor) each time the drive is powered up.InIt: Activates the function. To improve low-speed performance whatever the thermal state of the motor. XXXX : Value of cold state stator resistance used, in mΩ.Caution: • It is strongly recommended that this function is activated in Lifting and Handling applications.• The function should only be activated (InIt) when the motor is in cold state.• When rSC = InIt, parameter tUn is forced to POn. At the next run command, the stator resistance is

measured with an auto-tune. Parameter rSC then changes to this value (XXXX) and maintains it; tUn remains forced to POn. Parameter rSC remains at InIt as long as the measurement has not been performed.

• Value XXXX can be forced or modified using the keys (1).tUn Motor control auto-tuning nO

It is essential that all the motor parameters (UnS, FrS, nCr, nSP, COS) are configured correctly before performing auto-tuning.nO: Auto-tuning not performed.YES: Auto-tuning is performed as soon as possible, then the parameter automatically switches to dOnE or nO in the event of a fault (the tnF fault is displayed if tnL = YES (see page 68).dOnE: Use of the values given the last time auto-tuning was performed.rUn: Auto-tuning is performed every time a run command is sent.POn: Auto-tuning is performed on every power-up.LI1 to LI6: Auto-tuning is performed on the transition from 0 V 1 of a logic input assigned to this function.Caution: tUn is forced to POn if rSC = InIt.Auto-tuning is only performed if no command has been activated. If a "freewheel stop" or "fast stop" function is assigned to a logic input, this input must be set to 1 (active at 0).Auto-tuning may last for 1 to 2 seconds. Do not interrupt; wait for the display to change to "dOnE" or "nO".

During auto-tuning the motor operates at nominal current.tUS Auto-tuning status

(information only, cannot be modified)tAb

tAb: The default stator resistance value is used to control the motor.PEnd: Auto-tuning has been requested but not yet performed.PrOG: Auto-tuning in progressFAIL: Auto-tuning has failed.dOnE: The stator resistance measured by the auto-tuning function is used to control the motor.Strd: The cold state stator resistance (rSC other than nO) that is used to control the motor.

UFt Selection of the type of voltage/frequency ratio nL: Constant torque for motors connected in parallel or special motorsP: Variable torque: pump and fan applicationsn: Sensorless flux vector control for constant torque applicationsnLd: Energy saving, for variable torque applications not requiring high dynamics (behaves in a similar way to the P ratio at no load and the n ratio on load)

L

UnS

FrS

nP

Voltage

Frequency

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EEquipamento utilizado nasexperiências laboratoriais

E-1

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Figura E.1: Autotransformador.

Figura E.2: Carga resistiva com ventoinha para maior fluxo de ar.

Figura E.3: Osciloscópio.

E-2

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Figura E.4: Sonda de corrente.

Figura E.5: Transformador de tensão 400 V / 20 V.

Figura E.6: Multímetro.

E-3

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Figura E.7: Sensor de velocidade.

Figura E.8: Pinça amperimétrica.

Figura E.9: Fonte para excitação da MCC.

E-4

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Figura E.10: Fonte de alimentação dos transdutores de tensão e corrente.

Figura E.11: Sensor de corrente.

E-5

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Figura E.12: Sensor de tensão.

Figura E.13: Dispositivo de aquisição de dados da National Instruments.

E-6