1 introdução

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
CAMPUS DE CURITIBA
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA
ÊNFASE ELETROTÉCNICA
ELISEU BURDA
FELIPE MAFIOLETTI SCHUARTZ
MAICON MIRANDA DA SILVA
DESEQUILÍBRIO DE TENSÃO EM MOTORES DE INDUÇÃO E SEUS EFEITOS NA
TEMPERATURA, EFICIÊNCIA E TORQUE.
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA
2011
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ELISEU BURDA
FELIPE MAFIOLETTI SCHUARTZ
MAICON MIRANDA DA SILVA
DESEQUILÍBRIO DE TENSÃO EM MOTORES DE INDUÇÃO E SEUS EFEITOS
NA TEMPERATURA, EFICIÊNCIA E TORQUE.
Trabalho
de
Conclusão
de
Curso
de
Graduação, apresentado à disciplina de
TCC 1, do curso de Engenharia Industrial
Elétrica – Ênfase em Eletrotécnica do
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
(DAELT)
da
Universidade
Tecnológica
Federal do Paraná (UTFPR), como requisito
parcial
para
obtenção
do
título
de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Joaquim Eloir Rocha, Dr.
CURITIBA
2011
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 3
1.1 TEMA ..................................................................................................................... 3
1.1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA ................................................................................... 4
1.2 PROBLEMA E PREMISSAS .................................................................................. 5
1.3 OBJETIVOS ........................................................................................................... 5
1.3.1 OBJETIVO GERAL.............................................................................................. 5
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................... 5
1.4 JUSTIFICATIVA ..................................................................................................... 5
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ............................................................... 6
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ............................................................................... 6
1.7 CRONOGRAMA ..................................................................................................... 7
1.8 REFERÊNCIAS ...................................................................................................... 8
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1 INTRODUÇÃO
1.1 TEMA
Segundo Deckmann (2010), a qualidade de energia elétrica (QEE) possui
características variadas a ser entregue pelas concessionárias de energia elétrica aos
consumidores. A QEE pode ser definida pela forma como os consumidores fazem
uso da energia elétrica. Esta forma de uso de energia abrange características como
continuidade no fornecimento de energia e se, tal fornecimento, está em
conformidade com o uso de parâmetros considerados como desejáveis para a
operação segura tanto do sistema fornecedor de energia quanto das cargas
consumidoras. Tais parâmetros a serem considerados são: flutuações de tensão,
distorções harmônicas, variações de tensão de curta duração, variações de tensão
de longa duração, transitórios rápidos e desequilíbrios de sistemas trifásicos.
Segundo o órgão CSPE (CSPE, 1997), um sistema elétrico dito como ideal, deve
possuir as seguintes características de operação em regime permanente:
a) Perdas nulas na transmissão e distribuição;
b) Fator de potência unitário nas cargas;
c) Tensões e correntes alternadas, com formas senoidais;
d) Amplitudes constantes nos valores nominais;
e) Freqüência constante no valor síncrono;
f) Tensões trifásicas equilibradas.
Dentre dessas características, ressaltamos os problemas relacionados a tensões
trifásicas equilibradas. Canha (2009) observa que o desequilíbrio de tensão em um
sistema elétrico trifásico é uma condição na qual as fases apresentam tensão com
módulos diferentes entre si, ou defasagem angular entre as fases diferentes de 120°
elétricos ou, ainda, as duas condições simultaneamente.
Uma das principais causas do desequilíbrio de tensão é a distribuição desigual de
cargas monofásicas, que pode ser mudada continuamente através de um sistema de
alimentação de três fases. Em sistemas elétricos de grandes centros urbanos
existem
pesadas
demandas
monofásicas,
tais
como
iluminação.
Áreas
problemáticas, como em sistemas rurais, apresentam sistemas de energia elétrica
com linhas de distribuição extensas, as quais contribuem para o desequilíbrio de
tensão (VON JOUANNE e BANERJEE, 2001).
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Instalações industriais e comerciais podem ter tensões equilibradas de
alimentação de entrada, mas o desequilíbrio pode também se desenvolver dentro da
construção, se suas cargas monofásicas não forem uniformemente distribuídas entre
as três fases. Dentro de uma instalação do usuário, tensões desequilibradas também
podem ser causadas por equipamentos e pela alta impedância das conexões (por
exemplo, mau contato ou conexão solta) (VON JOUANNE e BANERJEE, 2001).
Ramalhete e Simonetti (2009), afirmam que as alterações que ocorrem no
sistema elétrico, em geral, provocam redução de vida útil e mau funcionamento de
equipamentos elétricos instalados, tanto em escritórios, quanto em residências e
plantas industriais. Nas plantas industriais, uma das cargas de maior aplicação é o
motor de indução trifásico (MIT).
No MIT, o ideal seria que o mesmo possuísse carga adequada em seu eixo, de
tal sorte que, não se excedam às condições nominais de placa do motor.Para não
haver redução da vida útil no motor de indução trifásico é necessário que este seja
alimentado através de um sistema de tensões equilibrado.. Como às vezes, não se
verifica esta condição de carga adequada no eixo dos motores, Abreu e Emanuel
(2002) informam que a cada 10ºC de elevação da temperatura do motor a vida útil
do mesmo é reduzida pela metade.
De acordo com Dymond e Stranges (2007), a presença de desbalanceamento de
tensão afeta as perdas, a temperatura, o ruído, a vibração, a pulsação torcional e o
escorregamento. As perdas nas barras rotóricas do motor aumentam e o calor
adicional gerado espraia-se por todo o motor. Segundo Guedes (1994), a elevação
de temperatura provoca a ruptura do material isolante e o conseqüente dano ao MIT.
1.1.1 Delimitação do Tema
Serão feitos experimentos controlados em uma bancada de ensaios montada
e/ou adaptada para essa finalidade. Os ensaios serão realizados com diferentes
condições de carga: 50%, 75% e 100%. Serão emulados diferentes desequilíbrios
de tensão: 2%, 4% e 6%. Será utilizado um motor trifásico de indução de baixa
potência acoplado a um gerador que aplicará torque no eixo. A potência do motor e
do gerador será definida no decorrer do trabalho. O desequilíbrio de fases será
obtido pela inserção de resistências em série com um dos bobinados do motor.
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Serão registrados o aumento de temperatura, a perda de rendimento e o efeito no
torque em função do grau de desequilíbrio emulado.
1.2 PROBLEMA E PREMISSAS
Considerando que as instalações industriais apresentam desequilíbrios nas
tensões e que este desbalanceamento trifásico provoca, nos motores de indução
trifásicos, menor eficiência, maior aquecimento, diminuição de torque e aumento de
vibração, deseja-se mensurar três desses efeitos através de ensaios de laboratório.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Medir o impacto do desequilíbrio de tensão em um motor trifásico emulando
desequilíbrios controlados e registrando o aumento da temperatura, a diminuição da
eficiência e a perda de torque.
1.3.2 Objetivos Específicos
 Buscar e analisar referências que tratem do tema;
 Definir um transdutor de temperatura a ser utilizado na implementação;
 Determinar o método mais adequado de cálculo de torque no motor utilizado;
 Implementar ou adaptar um sistema motor-carga com o transdutor de
temperatura;
 Realizar os ensaios e registrar os resultados;
 Discutir os resultados obtidos e concluir sobre o impacto do desequilíbrio no
motor estudado.
1.4 JUSTIFICATIVA
O trabalho proposto vai estudar os efeitos deletérios do desequilíbrio de tensão
em motores de indução. O desequilíbrio de tensão é um fenômeno muito comum
nas instalações industriais.. Segundo o catálogo de motores trifásicos de baixa
tensão da Siemens (2011), os motores de indução são responsáveis por cerca de
50% da energia consumida pelas indústrias e é a principal força motriz utilizada
pelas mesmas. Assim, este tema é de grande importância para a formação
acadêmica dos autores e futura atuação profissional.
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1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Serão delimitados o embasamento teórico do problema e a revisão bibliográfica
através de livros, revistas e artigos científicos do segmento. Posteriormente, serão
executados testes e ensaios no motor de indução trifásico WEG modelo 3 90L,
220/380V, para analisar os efeitos do desequilíbrio da tensão de alimentação do
mesmo.
O desequilíbrio de tensões nas três fases será simulado por uma resistência em
série com o enrolamento de uma das fases, o qual irá variar de magnitude
dependendo da queda de tensão desejada.
As grandezas elétricas serão medidas por instrumentos existentes na UTFPR. A
temperatura será mensurada por um transdutor de temperatura e monitorada por um
software de instrumentação virtual. O torque será obtido por cálculo em função da
potência de saída associada com a velocidade de rotação do sistema.
A alteração no rendimento será avaliada pela medição da potência de entrada no
motor e pela medição da potência na saída do gerador.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
A estrutura desse trabalho está organizada em quatro capítulos principais,
conforme descrito:
O primeiro capítulo abordará a introdução geral com a descrição do problema, a
justificativa para a resolução do problema, os objetivos gerais e específicos e o
método de pesquisa adotado.
O segundo capítulo será destinado às referências, onde estará todo o
embasamento teórico necessário à realização desse projeto, abordando os assuntos
relacionados ao motor de indução trifásico como seu funcionamento, as causas e
efeitos do desequilíbrio da tensão de alimentação, o impacto no rendimento e na
vida útil do motor devido às perdas térmicas e as tecnologias existentes para
correção dos problemas.
O terceiro capítulo será destinado aos testes e ensaios no motor. Com base nos
dados levantados serão discutidos os resultados obtidos.
No quarto capítulo constarão as considerações finais, considerando as análises
feitas no terceiro capítulo.
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1.7 CRONOGRAMA
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1.8 REFERÊNCIAS
ABREU, José P. Gonçalves, EMANUEL, A. E.; Induction Motor Thermal Aging
Caused by Voltage Distortion and Imbalance: Loss of Useful Life and Its
Estimated Cost; IEEE Transactions On Industry Applications, vol. 38, nº 1; 2002
CANHA, Luciane Neves; Avaliação dos Desequilíbrios de Tensão em Redes
de Distribuição Secundária, Universidade Federal de Santa Maria, CBQEE, 2009.
CSPE; Qualidade do Fornecimento de Energia Elétrica - Indicadores, Padrões e
Penalidades;1997.
DECKMANN, Sigmar Maurer, POMILIO, José Antenor; Avaliação da Qualidade de
Energia Elétrica; 2010.
DYMOND, J. H. and Stranges, N.; Operation on unbalanced voltage: one motor’s
experience and more, IEEE Transaction on Industry Applications; 2007.
GUEDES, Manuel Vaz; O Motor de Indução Trifásico – Seleção e Aplicação;
1994.
RAMALHETE, Marina Passos, SIMONETTI, Domingos S. Lyrio; Aspectos de
Qualidade de Energia Elétrica e Eficiência Energética em Motores de Indução
Trifásicos; 2009.
SIEMENS ENTERPRISE; Motores Trifásicos de Baixa Tensão (Catálogo); 2011;
Disponível
em:
<http://www.siemens.com.br/templates/v2/templates/TemplateD.Aspx?channel=9286
> acessado em 25/08/2011.
VON JOUANNE, Annette, BANERJEE, Basudeb; Assessment of Voltage
Unbalance; IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, 2001.