utilização eficiente de energia em motores humberto jorge mestrado em engenharia electrotécnica e...
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Utilização eficiente de Utilização eficiente de energia em motoresenergia em motores
Humberto JorgeHumberto Jorge
Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresComputadores
Gestão de Energia em Edifícios e na IndústriaGestão de Energia em Edifícios e na Indústria
222003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
IntroduçãoIntrodução
Os motores de indução representam 90% Os motores de indução representam 90% do consumo de energia em força motrizdo consumo de energia em força motriz
Nos países desenvolvidos os motores Nos países desenvolvidos os motores consumem metade da energia eléctricaconsumem metade da energia eléctrica
Os sistemas que integram motores têm Os sistemas que integram motores têm potenciais elevados de poupança de potenciais elevados de poupança de energia eléctricaenergia eléctrica
332003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Aplicações típicas de motoresAplicações típicas de motores
BombasBombas
CompressoresCompressores
VentiladoresVentiladores
MoinhosMoinhos
MisturadoresMisturadores
ElevadoresElevadores
Tapetes rolantesTapetes rolantes
ElectrodomésticosElectrodomésticos
Equipamento de Equipamento de escritórioescritório
etc.etc.
442003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Consumo de EE na IndústriaConsumo de EE na Indústria
Energia electricaconsumida pela
indústria (100 %)
Força Moriz(64 %)
Ventil.Compress.Bombas
etc.
Perdas nos motores(11,3 %)
Perdas nas máq. etransmissão mecânicas
(20,7 %)
Perdastotais
(32 %)
Outrosusos
(36 %)
Energia útil(32 %)
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Sistemas de força motrizSistemas de força motrizEm geral os sistemas de força motriz podem integrar 4 módulos:
(a) Variador Electrónico de Velocidade (VEV)
(b) Motor Eléctrico
(c) Transmissão mecânica
(d) Dispositivo de uso final.
ENERGIA VARIADOR
ELECTRÓNICO
DE VELOCIDADE(VEV)
MOTORELÉCTRICO
TRANSMISSÃOMECÂNICA
Pperdas
DISPOSITIVODE USO FINAL
Pentrada
Psaída(útil)
Pperdas
Pperdas
Pperdas
PVEVPmotor Ptrans
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Utilização eficiente dos Utilização eficiente dos motoresmotores
Dimensionamento correcto dos motoresDimensionamento correcto dos motores
Utilização de motores de alto rendimentoUtilização de motores de alto rendimento
Utilização de transmissões mecânicas de Utilização de transmissões mecânicas de baixas perdasbaixas perdas
Utilização de variadores electrónicos de Utilização de variadores electrónicos de velocidade para adaptar o regime de trabalho velocidade para adaptar o regime de trabalho às flutuações de cargaàs flutuações de carga
Optimização das condições de funcionamentoOptimização das condições de funcionamento
772003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Perdas e RendimentoPerdas e RendimentoAs perdas num motor de indução correspondem à As perdas num motor de indução correspondem à energia que não é convertida em trabalho útil, e que é energia que não é convertida em trabalho útil, e que é transformada em calor.transformada em calor.
As perdas não só contribuem para a redução do As perdas não só contribuem para a redução do rendimento do motor, mas também vão provocar um rendimento do motor, mas também vão provocar um aumento da sua temperatura.aumento da sua temperatura.
Um aumento excessivo de temperatura pode conduzir Um aumento excessivo de temperatura pode conduzir a uma redução substancial da vida do motor.a uma redução substancial da vida do motor.
Eléctrica Potência
Perdas
Eléctrica Potência
Mecânica PotênciaRendimento 1
882003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Perdas típicas nos motoresPerdas típicas nos motoresTipo deperdas
Localização Dependência Valor(%)
Perdas noCobre
Condutores do estator erotor
Crescem rapidamentecom a carga
18 %rotor37 %
estatorPerdas no
FerroCircuito magnético Constantes e
independentes dacarga
20
PerdasMecânicas
Rolamentos, ventoinhae parte rotativa
Constantes eindependentes dacarga
9
Perdassuplementares
Perdas devidas a: Saturação do ferro Acabamento das
superfícies do entreferro Harmónicos
Constantes eindependentes dacarga
16
992003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
CurvasCurvas CaracterísticasCaracterísticas
PerdasRendimento & F.P.
10102003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Rendimento dos motoresRendimento dos motores
Motores de maior dimensão apresentam maior rendimento
11112003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Variação do Cos Variação do Cos com a carga com a carga
I - Corrente total
IP - Corrente activa
IR - Corrente reactiva
Cos - Factor de potência
12122003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Factor de potência dos Motores Factor de potência dos Motores de induçãode indução
Característica construtiva Característica de utilização
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Desvantagens do sobre-dimensionamentoDesvantagens do sobre-dimensionamento
Menor rendimentoMenor rendimento o rendimento dos motores reduz-se o rendimento dos motores reduz-se
substancialmente, especialmente nos motores mais substancialmente, especialmente nos motores mais pequenospequenos
Menor factor de potênciaMenor factor de potência o factor de potência degrada-se rapidamente a partir o factor de potência degrada-se rapidamente a partir
da plena cargada plena carga
Maior custo da instalaçãoMaior custo da instalação do motor, da aparelhagem de accionamento do motor, da aparelhagem de accionamento
associada (contactores, arrancadores, etc.)associada (contactores, arrancadores, etc.)
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Exemplo de dimensionamentoExemplo de dimensionamentoBomba de 24 kW/2900 rpm funcionando Bomba de 24 kW/2900 rpm funcionando 4500 h/ano accionada por um de dois 4500 h/ano accionada por um de dois motores de 30 kW ou de 55 kWmotores de 30 kW ou de 55 kW
Motor de 30kW
Motor de 55kW
Regime de carga (%) 80 43Rendimento (%) 88 78
Factor de potência 0,87 0,73Potência absorvida em (kW) 27,27 30,77
Energia / ano (kWh) 122 715 138 465Encargo energia (0,06€/kWh) 7362,90 € 8307,90 €Diferença de encargos / ano 945 €
15152003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Condições ambientais e de Condições ambientais e de manutençãomanutenção
Devem trabalhar a temperaturas baixasDevem trabalhar a temperaturas baixas Os condutores de cobre têm menos resistência e Os condutores de cobre têm menos resistência e
portanto menos perdasportanto menos perdas A vida do motor aumenta (por cada 10 ºC de A vida do motor aumenta (por cada 10 ºC de
elevação a duração do isolamento reduz-se a elevação a duração do isolamento reduz-se a metade)metade)
As necessidades de manutenção de motores As necessidades de manutenção de motores de indução são essencialmente limpeza da de indução são essencialmente limpeza da carcaça, a fim de reduzir a temperatura, e carcaça, a fim de reduzir a temperatura, e nalguns casos lubrificação dos rolamentosnalguns casos lubrificação dos rolamentos
16162003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Motores de alto rendimentoMotores de alto rendimentoModificações Variação
(%)Redução das
perdasChapa magnética mais fina e demelhor qualidade
… Perdas no ferro
Aumento do comprimento docircuito magnético
15 a 35 Perdas no ferro
Optimização do entreferro … Perdas no ferro esuplementares
Aumento da secção dos enro-lamentos do rotor e do estator
20 Perdas no cobre
Optimização dos sistemas deventilação
… Perdas mecânicas
Rolamentos e lubrificantes demelhor qualidade
… Perdas mecânicas
Menores perdas => temperatura de funcionamento mais baixa => vida útil mais longa.
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Motores de alto rendimento Motores de alto rendimento
(Algumas desvantagens)(Algumas desvantagens)Aspectos menos positivos no funcionamento de Aspectos menos positivos no funcionamento de um motor de alto rendimento, causados pela um motor de alto rendimento, causados pela menor resistência do rotor:menor resistência do rotor:
Diminuição do binário de arranque => problemas em Diminuição do binário de arranque => problemas em cargas com elevada inércia. cargas com elevada inércia.
Aumento da corrente de arranque, o que pode ter Aumento da corrente de arranque, o que pode ter implicações no dimensionamento da alimentação e implicações no dimensionamento da alimentação e accionamento do motor.accionamento do motor.
Diminuição do escorregamento, ou seja um pequeno Diminuição do escorregamento, ou seja um pequeno aumento da velocidade do motor.aumento da velocidade do motor.
18182003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Exemplo
Motores de 10hp podem apresentar velocidades à plena carga de 1460 RPM ou 1450 RPM, para motores de alto rendimento e standard respectivamente.
Em bombas e ventiladores => a carga e o consumo sobem, anulando uma parte substancial da economia obtida com a introdução do motor de alto rendimento (a carga das bombas e ventiladores centrífugos cresce aproximadamente com o cubo da velocidade).
Há possibilidade de evitar este aumento de carga através de ajustamentos na transmissão, na bomba ou sobretudo utilizando o
controlo electrónico de velocidade.
Motores de Alto RendimentoMotores de Alto Rendimento
19192003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Decisão de Instalação de Decisão de Instalação de Motores de Alto RendimentoMotores de Alto Rendimento
Instalação de um novo equipamento ou motor
Para um uso superior a 2000h/ano um EEM é normalmente vantajoso (EEM vs Standard):
O motor existente avariou
Precisa de ser rebobinado. Se tem um número elevado de horas de funcionamento por ano, deverá ser considerada a sua substituição por um EEM. A diferença no investimento é significativamente maior que no caso anterior.
20202003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Decisão de Instalação de Decisão de Instalação de Motores de Alto RendimentoMotores de Alto Rendimento
O motor existente está fortemente sobredimensionado
Se o motor tem um número elevado de horas de funcionamento por ano, deverá ser considerada a sua substituição por um EEM com uma potência não excedendo o máximo da potência mecânica requerida.
21212003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Reparação/RebobinagemReparação/RebobinagemFactores de índole técnica e económica que devem ser Factores de índole técnica e económica que devem ser pesados aquando da pesados aquando da decisão de reparar/substituirdecisão de reparar/substituir::
Apurar previamente o estado geral do motor danificado a fim de Apurar previamente o estado geral do motor danificado a fim de prever em que condição ficará após a reparação; prever em que condição ficará após a reparação;
Preço do motor e da reparação; Preço do motor e da reparação; Número de horas de operação; Número de horas de operação; Factor de carga;Factor de carga; Custo da electricidade;Custo da electricidade;
No caso da substituição, e assumindo que um motor reparado No caso da substituição, e assumindo que um motor reparado sofre uma quebra de rendimento de 1%, a compra de um sofre uma quebra de rendimento de 1%, a compra de um EEMEEM é normalmente vantajosa do ponto de vista do tempo de retorno é normalmente vantajosa do ponto de vista do tempo de retorno do capital investido (do capital investido ("payback time""payback time") e em termos de tempo de ) e em termos de tempo de vida do motor. vida do motor.
22222003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Controlo de VelocidadeControlo de Velocidade
Uma grande parte das aplicações em que se utiliza força motriz beneficiaria, em termos de consumo de electricidade e desempenho global, se a velocidade do motor se ajustasse às necessidades do processo.
Conduz em geral a uma poupança substancial de energia.
23232003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Aplicações com carga variável ou parcialAplicações com carga variável ou parcial Representam 60% das aplicações de força motriz Representam 60% das aplicações de força motriz
na indústriana indústria, e , e 80% no sector terciário80% no sector terciário
Ventiladores Bombas Máquinas de lavar Elevadores Serras de bancada Compressores
Desumidificadores Condicionadores de ar Correias transportadoras
Máquinas pneumáticas Escadas rolantes Etc.
24242003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Bombas e VentiladoresBombas e VentiladoresOs métodos convencionais de controlar caudais em bombas e ventiladores baseiam-se no uso de dispositivos de estrangulamento (válvulas, persianas, etc.) que restringem o caudal mas introduzindo simultaneamente perdas consideráveis.
Bomba
25252003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
A velocidade de saída de um motor pode ser variado interpondo entre o motor e a carga de diversos tipos de dispositivos:
• caixas de velocidade com engrenagens
• sistemas de correia com polias de diâmetro variável
• embraiagens excêntricas de disco seco
• transmissões hidráulicas
• embraiagens electromagnéticas.
Métodos Convencionais de Métodos Convencionais de Controlo de VelocidadeControlo de Velocidade
26262003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Métodos Convencionais de Métodos Convencionais de Controlo de VelocidadeControlo de Velocidade
caixas de velocidade com engrenagenscaixas de velocidade com engrenagens
sistemas de correia com polias de sistemas de correia com polias de diâmetro variável diâmetro variável
embraiagens excêntricas de disco secoembraiagens excêntricas de disco seco
transmissões hidráulicastransmissões hidráulicas
embraiagens electromagnéticasembraiagens electromagnéticas..
27272003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
3AC
input
ACto DC
converterFilter
Inverter:DC to
variablevoltage
&frequency
AC Motor
DC linkLigação DC
Alimentaçãotrifásica
RectificadorCA para CC
Filtro
InversorCC para CA
comFrequência e
tensão variável
Motor
Variadores Electrónicos de Variadores Electrónicos de VelocidadeVelocidade (VEVs) (VEVs)
Os VEVs convertem a tensão da rede de 50 Hz numa tensão contínua e em seguida numa tensão com frequência variável sob controlo externo do utilizador que pode ir de 0 a 150 Hz consoante o tipo de aplicações.
Diagrama geral dos variadores electrónicos de velocidade que utilizam inversores na saída
28282003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Características binário/velocidadeCaracterísticas binário/velocidade(motor de indução)(motor de indução)
Características binário/velocidade do motor de indução funcionando a frequência variável e com uma relação linear frequência /tensão
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Tipos de VEV’sTipos de VEV’s
30302003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Utilização de VEV´s no Utilização de VEV´s no controlo de caudaiscontrolo de caudais
P1- Controlo por válvula
P2- Controlo de velocidade incluindo perdas no VEV
P3- Controlo de velocidade sem perdas no VEV
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Bombas e VentiladoresBombas e Ventiladores
Ventilador
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(a)
(c)
(d) (e)
(b)
Transmissão mecânicaTransmissão mecânicaTipicamente são usados 3 tipos de transmissão mecânica:
• Acoplamentos directos no veio; • Engrenagens; • Correias.
Os acoplamentos directos no veio são o tipo de transmissão mais utilizado (cerca de 50% das aplicações).
Engrenagens Correias
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Transmissão mecânicaTransmissão mecânica
Acoplamentos directos: Os acoplamentos directos, se forem alinhados com precisão, possuem um rendimento muito elevado (99%).
Engrenagens: As engrenagens simples ou redutoras, são tipicamente utilizados em cargas que requerem velocidades baixas (abaixo de 1200 rpm) e binário muito elevado (que utilizando correias poderia resultar em escorregamento). Existem vários tipos de engrenagens: helicoidais, de dentes direitos, cónicas e com sem-fim.
Correias: Estas permitem mais flexibilidade no posiciona-mento do motor em relação à carga, e usando polias de diferentes tamanhos permitem reduzir/aumentar a velocidade. Existem vários tipos de correias: (a) Correias em V, (b) Correias com dentes, (c) correias síncronas, (d) correias lisas.
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Transmissão por correiaTransmissão por correia
1- Correias trapezoidais, 2- correias síncronas (dentadas)
35352003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Transmissão MecânicaTransmissão Mecânica
Correntes: Tal como as correias síncronas, as correntes não têm deslizamento. Normalmente são usadas em aplicações onde é requerido uma velocidade reduzida e binário elevado, suportam ambientes com temperaturas elevadas e cargas de choque e têm um tempo de vida elevado se forem apropriadamente lubrificadas. O seu rendimento ascende aos 98% se forem sujeitas a uma manutenção periódica.
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ExemplosExemplos
Compra de um motor de 45 kW para uma nova instalação (Pode ser comprado um motor standard ou um motor de alto rendimento)
Substituição de um motor de 45 kW avariado por um motor novo (2 opção acima indicadas) ou reparação do motor
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• Preço médio da electricidade : 0,045€/kWh
• Número de horas de funcionamento por ano:
a) Trabalho contínuo, sem paragens significativas: 8400 horas/ano;
b) Trabalho não contínuo : 4000 horas/ano
• Motor com a carga nominal
• Motor de Alto Rendimento (EEM) custa tipicamente mais 30 % que um Motor Standard (STD)
• EEMs possuem um rendimento superior (em média 3%)
• Após a reparação o rendimento decresce em média 1%
Considerações geraisConsiderações gerais
38382003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Poupanças anuais e Poupanças anuais e paybackpayback
kWhNPPoupança NEEMSTD
€11
anual Poupança
Preçode DiferençaPayback
STD - Rendimento do Motor Standard
EEM - Rendimento do Motor de Alto Rendimento
PN - Potência Nominal do Motor
N - Nº de horas de funcionamento por ano
€/kWh - Preço da electricidade
39392003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Avaliação das opções na compra ou Avaliação das opções na compra ou substituição de motor de 45kWsubstituição de motor de 45kW
Poupanças anuais Payback simplesDiferença deRendimento
Diferença de custo 4000horas/ano
8400horas/ano
4000horas/ano
8400horas/ano
SituaçõesPossíveis:
% Contos Contos Contos anos/meses anos/meses
Compra de um EEMem vez de um
Standard3 90 56 117 1 ano e 7 meses 9 meses
Compra de Standardem vez daReparação
1 101 19 41 5 anos e 4 meses 2 anos e 6 meses
Compra de um EEMem vez daReparação
4 191 75 157 2 anos e 6 meses 1 ano e 3 meses
Rendimento (%) Preço (Contos)
Motor Standard 92 295
Motor de AltoRendimento
95 385
Reparação 91 194
40402003/042003/04 Gestão de Energia em Edifícios e na InGestão de Energia em Edifícios e na Indústriadústria
Avaliação económica do Avaliação económica do investimento num VEVinvestimento num VEV
% CAUDAL
Nº DE HORAS
50 60 70 80 90 100
6
4,5
3
1,5
FUNCIONAMENTO DIÁRIO DO VENTILADOR
50 60 70 80 90 100
CURVA DO VENTILADOR
CURVA DO SISTEMA ESTRANGULADO
% CAUDAL
CURVAS CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA
6060
50
4030
10POTÊNCIA(kW)
ASSUMIR QUE:
POTÊNCIA VENTILADOR
=75KW
FUNCIONAMENTO
= 300 DIAS/ANO
CUSTO VEV+INSTALAÇÃO =7000 EUROS
PREÇO DO kWh
=0,06€ (tarifa fixa)