1. introdução

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
CAMPUS DE CURITIBA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ALEXSANDRO FRAGOSO
EFEITOS DA DISTORÇÃO DE TENSÃO NO FUNCIONAMENTO
DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA
2011
ALEXSANDRO FRAGOSO
EFEITOS DA DISTORÇÃO DE TENSÃO NO FUNCIONAMENTO
DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de
Graduação, apresentado à disciplina de
metodologia aplicada ao TCC, do curso de
Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico
de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade
Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como
requisito parcial para obtenção do título de
Engenheiro Eletricista.
Orientador (a): Professor Dr. Joaquim Eloir Rocha
CURITIBA
2011
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ...............................................................................................................................................4
1.1 TEMA ..........................................................................................................................................................5
1.1.1 Delimitação do Tema.................................................................................................................................5
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS ......................................................................................................................6
1.3 OBJETIVOS..................................................................................................................................................6
1.3.1 Objetivo Geral ............................................................................................................................................6
1.3.2 Objetivos Específicos ................................................................................................................................6
1.4 JUSTIFICATIVAS .........................................................................................................................................7
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ....................................................................................................7
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO .....................................................................................................................7
1.7 CRONOGRAMA ...........................................................................................................................................8
1.8 REFERÊNCIAS ............................................................................................................................................8
1. INTRODUÇÃO
Nesse trabalho é analisado o comportamento das variáveis elétricas de um motor
de indução trifásico operando a plena carga em regime permanente, sob a influência das
distorções de harmônicos de tensão, usando o SciLab como ferramenta de simulação.
Além dos impactos nos custos de manutenção e substituição de motores das
indústrias, a distorção de harmônicos de tensão afeta também os usuários comuns, pois,
por exemplo, prédios construídos até a década de 1970, começaram a ter sérios
problemas nos anos de 1990, porque na época em que foram construídos e tiveram seu
condutores dimensionados havia poucas fontes geradoras de harmônicos de tensão, que
presentes na rede de alimentação em grande quantidade, fazem com que a corrente que
circula pelos condutores seja aumentada. Um dos problemas foi o sobreaquecimento dos
condutores de neutro, pelo efeito Joule, chegando até ao ponto de queimar o isolamento
dos fios, sendo necessário a troca dessas fiações de neutro por condutores de bitola maior.
Atualmente, no dimensionamento da fiação das instalações elétricas prediais é necessário
se levar em consideração a presença do terceiro harmônico de corrente no cálculo da
bitola dos condutores, dessa forma, dependendo do nível de terceiro hamônico presente
na rede de alimentação, é necessário aumentar a bitola do condutor neutro, impactando
nos custos de contrução da obra.
Futuramente, o controle da (TDH) será realizado pelas concessionárias de energia
elétrica gerando a cobrança de multas. Isso está dependendo da emissão de uma resolução
por parte da ANEEL, permitindo às concessionárias de energia elétrica registrarem e
cobrarem pelo excedente de harmônicos. Assim, no futuro, os consumidores industriais e
comerciais que excederem a quantidade de harmônicos permitido, terão que confinar o
excedente de harmônicos dentro de suas instalações, através do uso de filtros para
harmônicos. A concessionária também terá que controlar a qualidade da forma de onda
de tensão que fornecer.
“Nos sistemas de distribuição, cargas não lineares absorvem da fonte correntes não
senoidais que podem distorcer a tensão devido à interação com a impedância equivalente à montante da
barra da carga. Exemplos típicos de cargas não lineares incluem toda sorte de equipamentos largamente
utilizados em residências, comércio e indústria, com conversores estáticos na entrada, como TV, PC,
impressoras, reatores de lâmpadas fluorecentes, fluorecencetes compactas, no caso das indústrias,
conversores de frequencia. Essas cargas conectadas ao barramento geram distorção de tensão, mesmo
cargas lineares, sofrem os efeitos da distorção, e seu desempenho pode ser afetado. Embora distorcida, a
tensão de alimentação é periódica e, portanto, pode ser decomposta através da série de Fourier em uma
série infinita de ondas senoidais.”( De Brito, Claudio Marzo Cavalcanti e LEÃO, Ruth Pastôra
Saraiva, 2006, p. 1)
A ferramenta de trabalho será o programa de código aberto “SciLab”, pois esse
aplicativo tem as mesmas características de simulação e programação do “MathLab”,
porém diferente deste, por não ser necessário comprar a licença para o uso, o “SciLab”
pode ser encontrado na internet e sua aquisição é gratuita. Desse modo, a inclusão de
software livre na programação, simulação e aquisição de dados deste (TCC) visa não
apenas reduzir os custos da pesquisa, mas mostrar que há outras opções, tão boas quanto
as versões pagas com características similares.
"Scilab é um ambiente utilizado no desenvolvimento de programas para a resolução de
problemas numéricos. Criado e mantido por pesquisadores pertencentes ao Institut de Recherche en
Informatique et en Automatique, INRIA, através do Projeto MÉTALAU (Méthods, algorithmes et logiciels
pour l’automatique) e a Ecole Nationale des Ponts et Chauss´ees, ENPC, Scilab é gratuito (free software) e
é distribuído com o código fonte (open source software). A partir de maio de 2003, o Scilab passou a ser
mantido por um consórcio de empresas e instituições francesas denominado de- Consórcio Scilab. Embora
seja apresentado como um software CASCD, Computer Aided Control System Design - Projeto de
Sistemas de Controle Auxiliado por Computador, o Scilab pode ser usado para desenvolvimento ou
prototipação de software numérico de propósito geral. É interessante, também, mostrar que o Scilab é uma
excelente ferramenta de suporte para linhas de pesquisa onde o uso de computadores na resolução numérica
de problemas é intensivo.”(PIRES, Paulo Sérgio da Motta, 2004. p. 1).
Outro ponto importante a ser abordado nesse trabalho é a modelagem de um
motor de indução trifásico considerando os harmônicos, pois esse equipamento é
largamente utilizado nas indústrias de todo o planeta, sendo de fundamental importância
os estudos que levem ao acréscimo de eficiência e aumento de vida útil.
“Motores elétricos (ME) são equipamentos que convertem energia elétrica em mecânica.
As aplicações comuns dos (ME) como em bombas, ventiladores, sopradores, compressores etc. Sendo
utilizados em diversos setores da indústria. Os Estados Unidos têm sozinhos mais de 13.5 bilhões de
motores elétricos em uma estimativa aproximada. É dito que nos motores elétricos cerca de 70% da
energia consumida nas indústrias é devido aos motores de indução ". (Khoucha, Farid, Lagoun,
Mouna Soumia, Kheloui, Abdelaziz, and Benbouzid, Mohamed El Hachemi, 2011, p.1).
"Motores de indução são, os mais utilizados de todos os motores elétricos, eles são
simples de construir e robustos e oferecem um desempenho razoável, por exemplo um motor assíncrono
tem uma curva de torque-velocidade que é controlável de forma estável sob carga, e tem eficiência
satisfatória. Por serem amplamente utilizados, as indústrias necessitam entender seu valor, além de sua
importância econômica."(KIRLEY, James L. Jr , 2009, p. 1).
Assim não se faz necessário tecer maiores comentários sobre a importância do
estudo desse tema, que consiste em pesquisar, modelar e a fazer a aquisição de dados de
um motor trifásico de indução no “SciLab”, simulando o efeito da distorção de tensão na
perda de rendimento, no aumento do fator de potência e em outras variáveis que serão os
tópicos abordados no estudo aqui prosposto. Os resultados serão registrados em gráficos
gerados pelo programa de simulação "SciLab" mostrando as conseqüências das
distorções de tensões de harmônico e suas influências na alimentação dos motores
trifásicos de indução.
1.1 TEMA
EFEITOS DA DISTORÇÃO DE TENSÃO NO FUNCIONAMENTO DO MOTOR
DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
1.1.1 Delimitação do Tema
Esse estudo se concentra nas influências da distorção de tensão na alimentação de
um motor de indução trifásico, devido às redes de distribuição de energia estarem sujeitas
a absorção de correntes não senoidais, ou seja cargas não lineares. A distorção de
harmônicos de tensão tem como origem equipamentos de uso comum nas residências,
comércios e indústrias, tais como televisores, computadores, reatores de lâmpadas
fluorescentes e no caso das indústrias, conversores de frequência. Os efeitos nos motores
de indução (MI) são sobreaquecimento, perda de eficiência, queda do fator de potência e
vibrações mecânicas na máquina. Esse fatores contribuem para a diminuição da vida útil
do motor e aumentam a probabilidade de uma falha mecânica inesperada.
"Motores de indução são componentes críticos de muitos processos industriais e são
frequentemente integrados a equipamentos disponíveis comercialmente e processos industriais.
Conversores de frequência são equipamentos que muitas vezes fornecem capacidades essenciais para o
sucesso empresarial e para a segurança de equipamentos e de pessoal”. (Benbouzid, Mohamed El
Hachemi, 2000, p. 1).
Pretende-se Simular o circuito equivalente do motor de indução MI, considerando
a presença de harmônicos, em regime permanente e alimentando o circuito com tensões
distorcidas. Assim , será possível avaliar o comportamento das correntes, perda de
eficiência, queda do fator de potência e diminuição no rendimento.
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS
Os motores de indução são afetados pelas distorções harmônicas na forma de
onda da tensão de alimentação, a qual deixa de ser puramente senoidal. Esse fato reduz a
vida útil dos motores e a sua eficiência entre outros efeitos deletérios. Quantificar esses
efeitos, mesmo que através de modelos matemáticos, contribuirá para o entendimento e
concientização do problema. O estudo será restrito ao uso de simulação computacional,
mas os resultados refletirão os efeitos físicos no motor estudado.
1.3 OBJETIVOS
Será realizado o estudo e a simulação do funcionamento de um motor de indução
trifásico operando sob a influência dos harmônico de tensões no ambiente do software
"SciLab", que será a ferramenta computacional que irá auxiliar no estudo abordado nesse
Trabalho de Conclusão de Curso (TCC).
1.3.1 Objetivo Geral
Investigar os efeitos da aplicação de tensões não senoidais em um motor de
indução
trifásico.
1.3.2 Objetivos Específicos

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Buscar e analisar referências que tratem do tema;
Pesquisar no ambiente do software SciLab as ferramentas necessárias para a
simulação;
Configurar o modelo que represente o comportamento eletromecânico em regime
permanente e considerando harmônicos do motor de indução;
Desenvolver um método no ambiente SciLab para gerar as distorções controladas
na forma de onda de tensão;

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
Calcular a corrente de alimentação, o rendimento, o fator de potência de
deslocamento, o fator de potência verdadeiro, o torque eletromagnético e a
velocidade para diferentes distorções de tensão;
Realizar as simulações e registrar os resultados;
Discutir os resultados obtidos e concluir sobre o impacto da distorção da tensão
no motor estudado.
1.4 JUSTIFICATIVAS
A simulação do modelo de um motor de indução trifásico permitirá a aplicação
das várias ordens de harmônicos sobre o modelo estudado e a aquisição dos dados que
irão gerar os gráficos comparativos de tensão, torque eletromagnético, do
escorregamento, da corrente de alimentação, da corrente fundamental, da impedância, do
fator de potência de deslocamento, do fator de potência total e do rendimento. Todas
essas grandezas serão analizadas em função da variação dos harmônicos que são gerados
na rede de distribuição e alimentação que a concessionária fornece aos usuários. A
utilização desse tipo de motor é grande não só no Brasil como em todo o mundo, além
desse fator todo o esforço que resulte no aumento da eficiência energética e elevação da
vida útil dos motores de indução trifásiaca justificam o estudo dos “EFEITOS DA
DISTORÇÃO DE TENSÃO NO FUNCIONAMENTO DO MOTOR DE INDUÇÃO
TRIFÁSICO”.
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS



No programa computacional “SciLab” será modelado o circuito
equivalente de um motor de indução trifásico, considerando os
harmônicos. Os parâmetros do motor ainda serão definidos, mas será um
motor entre 1,5 cv e 10 cv.
Os dados gerados a partir da aplicação de vários níveis de tensão de
harmônico serão registrados em tabelas para a elaboração dos gráficos
dentro do próprio ambiente do “SciLab”.
Com base nos resultados obtidos será feita a conclusão do estudo do
“EFEITOS DA DISTORÇÃO DE TENSÃO NO FUNCIONAMENTO
DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO”.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO

No capítulo 2 vai se buscar literatura adequada para elaborar os estudos
que serão feitos na modelagem e simulação.
 No capítulo 3 o programa computacional “SciLab” será estudado e se
pretende identificar as ferramentas disponíveis para a modelagem e
simulação do sistema de um motor de indução trifásico.
 O estudo da modelagem a ser adotada para o motor de indução será
abordado no capítulo 4 . A partir do modelo, serão identificadas as
equações das diversas grandezas que serão envolvidas, em consonância
com o modelo adotado.
 A simulação do motor de indução (MI) será realizado no capítulo 5 para
diversas situações de distorção de tensão. Assim vários resultados serão
emitidos e analisados.
 No capítulo 6 serão feitos os comentários finais e a conclusão do trabalho.
1.7 CRONOGRAMA
1.8 REFERÊNCIAS
DE BRITO, Claudio Marzo Cavalcanti e LEÃO, Ruth Pastôra Saraiva, Desempenho de
um motor Trifásico Submetido a Distorções Harmônicas na Tensão de Alimentação,
Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, 2006.
DA MOTTA, Pires, Paulo Sérgio, Introdução ao Scilab Versao 3.0, Departamento de
Engenharia de Computação e Automação, Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Natal-RN, 2004.
KIRLEY, James L. Jr , Traction Motor Design Considerations, Massachusetts Institute
of Technology, 77 Massachusetts Avenue Cambridge, 2009.
BENBOUZID, Mohamed El Hachemi, A Review of Induction Motors Signature
Analysis as a Medium for Faults Detection, Aachen, Germany, IEEE
TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 47, Nº. 5, 2000.
KHOUCHA, Farid; LAGOUN, Mouna Soumia; KHELOUI, Abdelaziz, and
BENBOUZID, Mohamed El Hachemi, Senior Member, IEEE, A Comparison of
Symmetrical and Asymmetrical Three-Phase H-Bridge Multilevel Inverter for DTC
Induction Motor Drives, IEEE Ttransations on energy convencion, Vol. 26, N°. 1, 2011.