Estudo da Eficiência Energética e Dimensionamento de Motores de

ESTUDO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E DIMENSIONAMENTO DE
MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS A PARTIR DA PLOTAGEM DE SUAS
CURVAS CARACTERÍSTICAS
Antônio C. Delaiba, Arthur H. P. de Medeiros, Décio Bispo, Marcos V. Silva, Matheus S. F. dos Santos,
Paulo H. O. Rezende
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia-MG,
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
Resumo - O presente estudo propõe representar o
funcionamento do motor de indução trifásico (MIT)
através de curvas características que mostram o
desempenho de variáveis elétricas (corrente, fator de
potencia) e variáveis mecânicas (escorregamento,
rendimento). Através das curvas características
levantadas, será realizada uma breve introdução sobre o
estudo da eficiência energética dos motores, destacando
uma das causas mais importantes de sua operação, o
correto dimensionamento.
Palavras-Chave – Curvas Características do MIT,
Dimensionamento de Motores, Eficiência Energética,
Motor de Indução Trifásico (MIT), Motor de linha
padrão.
STUDY OF ENERGETIC EFFICIENCY AND
A CORRECT SPECIFICATION OF THE
THIPHASE INDUCTION MOTORS BASED
ON THE LIFTED CHARACTERISTICS
CURVES
Abstract - The present study proposes to represent the
operation of the triphase induction motor (MIT) through
characteristics curves that show the performance from
electricals variables (Current, Potency Factor) and
mechanics variables (Slip, Efficiency). Through those
characteristics curves upright will be achieve one little
introduction about study with motor’s energetic
efficiency, detaching one of those causes most important
of its operation, the correct specification.
Keywords - Characteristics curves of MIT, specification
of motors, Energetic efficiency, triphase induction motor
(MIT), Standard motor.
iniciar um estudo de eficiência energética estudando
justamente esses motores. Para tal, em primeira instância,
deve-se analisar o dimensionamento dos motores de indução
trifásicos, pois se os mesmos estiverem mal dimensionados
ocorrerá desperdício de energia, que poderia ser evitado [1].
Para analisar o dimensionamento dos motores, serão
utilizadas suas curvas características, que retratam o
comportamento dos mesmos, sendo estas levantadas ou
obtidas diretamente pelo fabricante, pela plotagem de
medições levantadas em laboratório ou por meio de equações
e parâmetros do motor.
II. OBTENÇÃO DAS CURVAS CARACTERÍSTICAS
Existem basicamente três métodos para obtenção das
curvas características dos motores, que serão descritos
detalhadamente a seguir.
A. Obtenção das curvas características do fabricante
É o método mais simples e rápido de se obter as curvas
dos motores, porém os fabricantes não disponibilizam com
facilidade esse tipo de informação. Além disso, os dados do
motor em estudo devem ser especificados corretamente a fim
de que não se cometa erros.
B. Obtenções das curvas características através de medições
diretas no motor
Como o interesse é a plotagem das curvas de Corrente X
Carga, Fator de Potência X Carga, Escorregamento X Carga,
Rendimento X Carga, são essas cinco grandezas que serão
medidas durante o funcionamento normal do motor.
Ao iniciar as medições, é importante buscar o instante em
que o motor está operando na sua capacidade máxima,
evitando resultados inadequados. A seguir, serão descritas as
etapas para se obter as curvas a partir desse método.
As medições foram realizadas no motor da marca ‘WEG’,
com os seguintes dados:
I. INTRODUÇÃO
No Brasil, o setor industrial é responsável por 44% do
consumo da energia elétrica produzida no país, dentro dos
quais os motores elétricos são responsáveis por
aproximadamente 55% do consumo, o que corresponde a
cerca de 30% da energia total gerada.
Estudos mostram que economizar custa menos que gerar a
mesma quantidade de energia, portanto qualquer iniciativa de
otimizar o seu consumo é de grande importância.
Como os motores de indução trifásicos são responsáveis
por grande parcela do consumo desta energia é interessante
TABELA I
Dados de Placa dos Motores
STANDARD
Potência: 1.5 cv
1.1HP
Velocidade: 3370 rpm
60 Hz
CAT N
Reg S1
MAX Amb 40ºC
Alt 1000m
FS 1.15
Isol B
Ip / In 7.5
Ip 55
220 /380 V
4.27 / 2.47 A
Η 78.6%
cosφ 0.86
1) Corrente X Carregamento - A tabela abaixo mostra
valores de correntes para o motor citado anteriormente, em
pontos de cargas definidos no texto.
TABELA II
Corrente X Carregamento
Carreg.( %)
Istandard (A)
1.21
5.4
1.00
4.6
0.85
3.9
0.75
3.7
Motor convencional
0
Escorregamento (%)
Para encontrar o carregamento do motor, é necessário
acoplar ao mesmo, um dinamômetro, na ocasião foi utilizado
um do tipo freio de Focault. Aplicam-se, então, a tensão e
freqüência nominais ao motor, e coloca-se carga em cinco
pontos com, aproximadamente, 25%, 50%, 75%, 85% e
100% da carga nominal e outro ponto de carga superior a
100% não excedendo 150% da carga nominal. O motor deve
ser colocado em ordem decrescente de carga.
Os ensaios foram realizados no laboratório de Eficiência
Energética do Convênio UFU/ ELETROBRÁS.
O carregamento do motor pode ser estudado também
como sendo a potência elétrica que é entregue ao eixo, já
subtraído das perdas. O software utilizado para plotar as
curvas características foi o MATLAB.
Foram realizadas as medições para os diferentes valores
de carga, em 121%, 100%, 85%, 75%, 50% e 25% . Valor de
carga é a porcentagem da potência de saída no eixo do motor
em relação à nominal.
2
2
4
4
6
6
8
8
10
Experimental
Fabricante
0
20
40
60
80
100
Potência fornecida em relação à nominal (%)
120
140
Fig. 2 Gráficos Escorregamento X Carregamento.
3)Fator de Potência X Carregamento - Para encontrar o
Fator de Potência com as medições realizadas, é necessário
um cálculo simples para cada valor de carregamento.
A equação usada para esse cálculo é mostrada a abaixo:
P = 3 ⋅V ⋅ I ⋅ cosϕ
(1)
Onde:
0.5
2.9
0.25
2.3
Com os dados obtidos na tabela II, a curva Corrente X
Carga foi obtida definindo dos vetores no MATLAB e, por
fim, a plotagem dos mesmos utilizando regressão linear.
V : Valor da tensão de linha medida;
I : Valor da corrente de fase medida;
P : Valor da potência lida para o carregamento.
A tabela IV mostra o Fator de Potência calculado para
cada valor de carga.
Motor convencional
Experimental
TABELA IV
Fator de Potência X Carregamento
Carreg.( %)
f.P.standard
5.5
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
5.5
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
0
20
40
60
80
100
Potência fornecida em relação à nominal (%)
120
1.21
0.868
1.00
0.836
0.85
0.841
0.75
0.80
0.50
0.716
0.25
0.554
Motor convencional
Fator de potência
Corrente (A)
Fabricante
140
Fig. 1 Gráfico Corrente X Carregamento.
0.95
0.9
0.85
0.8
0.75
0.7
0.65
0.6
0.55
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
2) Escorregamento X Carregamento - O escorregamento
também foi medido, para os mesmos pontos de carga.
0.2
Experimental
0.1
Fabricante
TABELA III
Escorregamento X Carregamento
Carreg.( %)
Sstandard
1.21
0.082
1.00
0.071
0.85
0.059
0.75
0.057
0.50
0.041
0
0.25
0.032
20
40
60
80
100
Potência fornecida em relação à nominal (%)
120
140
Fig. 3 Gráfico Fator de Potência X Carregamento.
4)Rendimento X Carregamento - Conhecendo a potência
de entrada e o valor das perdas corrigidas, podemos usar a
equação abaixo para determinar o rendimento em cada
condição de carga do motor.


 Potência de Entrada − Perdas 

 ×100%
η=


 Potência de Entrada 


(2)
TABELA VI
Dados do ensaio a vazio
As perdas correspondem a perdas “Joule”, núcleo
magnético, mecânicas e suplementares.
Realizando os cálculos para cada carregamento, foram
encontrados os seguintes valores de rendimentos:
TABELA V
Rendimento X Carregamento
Carreg.( %)
η (%)
standard
1.21
73.15
1.00
73.85
0.85
74.77
0.75
73.99
0.50
71.56
0.25
61.66
Rendimento (%)
Motor convencional
90
90
80
80
70
70
60
60
50
50
40
40
30
30
20
Experimental
10
0
Fabricante
0
20
40
60
80
100
Potência fornecida em relação à nominal (%)
120
Os parâmetros obtidos depois de realizados os ensaios
estão dispostos nas tabelas abaixo:
20
10
R(Ω)
3.86
Io (A)
1.37
Po (W)
157.2
Zo (Ω)
160.14
Prot (W)
135
TABELA VII
Parâmetros do motor
Motor
Resistência(Ω)
Zrb (Ω)
Xs (Ω)
Ls (mH)
Xm (Ω)
Lm (mH)
Xr (Ω)
Lr (mH)
Standard
5.63
12.1
3.05
8.09
157.04
416
2.78
7.37
A partir do momento que os dados do motor são
levantados, é possível utilizar equações e traçar as curvas
características do mesmo.
Para isso, é feito o estudo do circuito equivalente do motor
de indução [3]:
1) Circuito equivalente do motor de indução trifásico Dado o circuito equivalente:
0
Fig. 4 Gráfico Rendimento X Carregamento.
Observando as curvas traçadas no MATLAB, comparada
com as obtidas pelo fabricante, nota-se que, as obtidas pelas
medições ficaram bem próximas das fornecidas pelo
fabricante, comprovando uma boa precisão nas medições e
nos cálculos executados.
C. Obtenções das curvas características utilizando dados
dos parâmetros construtivos do motor
É o método mais teórico, pois, consiste em levantar as
curvas utilizando dados construtivos dos motores, como
resistência dos enrolamentos e reatância de magnetização,
aplicados a equações baseadas no modelo matemático do
circuito equivalente.
A fim de encontrar tais parâmetros é necessário realizar o
ensaio de rotor livre e o de rotor bloqueado [2], [3], [4].
O ensaio com rotor livre de um motor de indução trifásico
fornece informações em relação à corrente de excitação do
mesmo e suas perdas a vazio. Deve ser realizado aplicandose freqüência e tensão nominais à máquina, e medidos a
tensão de fase (V1), corrente de linha (I1) e a potência elétrica
total de entrada (P).
O ensaio de rotor bloqueado informa a respeito das
resistências dos enrolamentos e das reatâncias de dispersão
do motor. Para esse ensaio, é necessário que se trave o rotor
para que o mesmo não gire e a tensão a ser aplicada possui
um valor reduzido da tensão nominal da máquina (cerca de
10 a 25% da tensão nominal) para limitar o valor da corrente
no rotor.
Fig. 5 Circuito equivalente do motor de indução.
O circuito acima mostra que a potência total Pg transferida
através do entreferro desde o estator é:
R
P = n I  S
2
g
f
2
2




(3)
As perdas do rotor podem ser calculadas por:
P
Rotor
= nf
2
I R
2
2
(4)
Agora, a potência eletromagnética, Pmec, desenvolvida
pelo motor pode ser determinada subtraindo a dissipação de
potência do rotor da potência de entreferro:
P =P −P
Pmec = (1 − S ) Pg
P Rotor = S P g
mec
g
Rotor
(5)
(6)
(7)
Somando X2 com (R2/S), e colocando em paralelo com
jXm, resulta em:
Z
f


− X 2 X m + j  R2 X m 
S


=
R2 + j ( X + X )
2
m
S
(8)
Onde essa impedância Zf representa o paralelo entre
grandezas do rotor e a impedância de magnetização,
possuindo uma parte real e uma imaginária:
Z
= Rf + j X
f
(9)
f
Finalmente, a impedância de entrada total do circuito é:
Z
= R1 + j X 1 + Z f
Ent
(10)
A potência total transferida através do entreferro desde o
estator é:

P = n I  RS
2
g
2
2
f




(11)
Mas, modificando essa equação, I2 é a parcela de corrente
que passa por X2 e R2/S no circuito equivalente, e
considerando o circuito como uma única impedância de
entrada em série com a fonte, a corrente I1 é a mesma para
essa impedância. Dessa forma, I1 é calculada da seguinte
maneira:
I
1
=
V
Z
(12)
1
Ent
Obtida a corrente, podemos substituir na equação 3,
considerando que a única resistência que dissipa potência em
Zf é Rf, pois, a potência dissipada em Zf é a mesma dissipada
em (R2/S). Assim, podemos escrever:
P =n I R
2
g
f
2
f
(13)
A potência mecânica pode ser calculada por:
P
mec
= (1 − S ) P g
(14)
Finalmente, a potência de saída no eixo (carregamento do
motor) é obtida subtraindo da potência mecânica as perdas
rotacionais:
P
Eixo
= PMec − P Rot
(15)
Para o cálculo do rendimento dos motores, precisa-se
encontrar primeiro a potência de entrada e, assim, calcular o
rendimento em si:
PEnt = n f VI cos ϕ
η=
P
P
Eixo
×100%
(16)
(17)
Ent
Com essas equações pode se plotar as curvas
características dos motores. Para isso, o software MATLAB
é novamente utilizado. Mas, em vez de criar apenas vetores
como foi feito com as medições, incrementam-se laços no
programa para que possa variar o escorregamento em todas
as equações melhorando a precisão. As curvas obtidas são
semelhantes às encontradas no método anterior.
III. DIMENSIONAMENTO E DIAGNÓSTICO
ENERGÉTICO
Com o objetivo de obter a eficiência energética de uma
planta ou processo em que esteja presente o motor de
indução trifásico, ou seja, produzir mais com o menor gasto
de energia elétrica possível, o dimensionamento correto do
motor é um fator determinante na busca por uma boa
eficiência.
Sendo assim, pode-se realizar o diagnóstico energético do
motor verificando se a economia de energia com a
substituição do motor é viável ou não.
A. Dimensionamento
Como o motor de indução trifásico do tipo gaiola de
esquilo é considerado o mais importante uso final de energia
elétrica, qualquer iniciativa que se desenvolva para aumentar
o rendimento, ou seja, diminuir as perdas desses motores, é
válida para a economia do país.
As quatro principais causas do uso ineficiente de um
motor elétrico são: superdimensionamento, reparo
inadequado do motor, utilização de motores de baixo
rendimento e acoplamento motor-carga de baixa eficiência.
Em relação aos custos relacionados aos motores elétricos,
devemos ressaltar o custo de aquisição, referentes ao preço
de compra do motor no mercado, e ao custo operacional,
relativo ao custo da energia elétrica necessária para o
funcionamento do motor.
Um fato importante é que o custo operacional do motor
pode chegar a 100 vezes o valor do custo de aquisição, o que
reforça a necessidade de se criar boas condições de
funcionamento para o motor elétrico. As causas do uso
ineficiente dos motores são os aspectos que, quando levados
em conta, podem reduzir esse custo operacional.
1) Superdimensionamento - é dito que um motor está
superdimensionado quando sua potência nominal é bem
superior à potência solicitada pela carga mecânica, e as
conseqüências dessa situação são, entre outras, a redução do
fator de potência, do rendimento do motor e uma maior
corrente de partida. Em geral, para cargas entre 75% e 100%
da nominal, o motor pode ser considerado bem
dimensionado, entre 50% e 75%, deve ser realizado o
diagnóstico energético e abaixo de 50%, ele é considerado
subdimensionado.
2) Reparo inadequado do motor - O reparo do motor
geralmente apresenta menor custo inicial em relação ao custo
da aquisição de um novo motor. Contudo, é necessário ter
cautela ao se optar pelo reparo, pois, os métodos utilizados
para o reparo do mesmo pode muitas vezes afetar seu
rendimento devido às alterações nas suas propriedades
magnéticas e/ou mecânicas.
3) Motores de baixo rendimento - Optar pelos motores de
alto rendimento ao invés de motores da linha padrão, com
rendimento um pouco abaixo, nem sempre é a melhor
escolha a ser feita. A economia no consumo de energia e o
tempo de retorno do investimento são funções dos
rendimentos dos motores, do tempo de operação, da potência
solicitada pela carga, da tarifa de energia elétrica e dos seus
preços iniciais.
4) Acoplamento motor-carga - O acoplamento é
responsável pela transmissão da potência do motor para a
carga e pode ser feito de vários tipos. Dependendo da forma
adotada, seu rendimento pode variar de 50% a 99%. Os
principais tipos de acoplamento são direto, polias e correias e
caixas de engrenagens.
B. Diagnóstico Energético
Para realizar o diagnóstico energético, assim como, a
verificação do dimensionamento do motor, é necessário
colher alguns dados em campo. Essa fase é fundamental,
pois, são os dados colhidos que irão garantir a veracidade do
resultado do estudo. O levantamento dos dados pode ser feito
através do levantamento por amostragem, utilizado quando a
planta industrial apresenta uma grande quantidade de
máquinas iguais desempenhando a mesma tarefa,
economizando tempo, porém, os resultados não são
totalmente confiáveis; levantamento por dados da placa,
através da leitura dos dados de placa das máquinas; e
levantamento detalhado, uma combinação aperfeiçoada dos
dois casos anteriores atingindo todos os motores instalados,
pois, requer um dispêndio de tempo maior, sendo os
resultados os mais precisos possíveis. Os dados relevantes a
serem levantados são:
1) Horas de funcionamento - A viabilidade de uma
medida de eficiência energética em motores é diretamente
influenciada pelo seu regime de funcionamento, fazendo-se
necessário o conhecimento do tempo de operação de cada
motor. Este trabalho é muito difícil, pois, não há medidores
de tempo para as máquinas. Assim, recomenda-se adquirir
esses dados através de informações com o pessoal de
operação e manutenção, pelo monitoramento dos motores ou
da produção.
para a fase principal do trabalho, que seria transformar esses
dados em informações úteis, com propostas de melhorias e
possibilidades de ganhos energéticos e financeiros. O método
deve ser aplicado seguindo alguns passos [5].
O primeiro passo é determinar se o motor está operando
ou não em condições adequadas e favoráveis de
funcionamento. Sendo assim, devem-se medir as correntes
nas três fases e calcular a média. Em seguida, introduz-se o
valor médio das correntes na curva característica do motor,
que foi adquirida de uma das três formas citadas
anteriormente. Desta maneira, verifica-se o carregamento do
motor.
Fig. 6. Determinando o carregamento do motor.
Dependendo do carregamento do motor, deve-se
prosseguir com a análise de eficiência energética. Portanto, a
partir do Ponto II, eleva-se uma reta vertical interceptando as
curvas de fator de potência e de rendimento. O cálculo da
energia consumida por esse motor é dado pela seguinte
fórmula.
Energia =
( Pot motor × Carreg × h × 0,736) (18)
η
Onde:
2) Dados de placa - A norma NBR 7094/1996 define que
todo motor de indução deve conter informações relativas às
suas características de operação e de fabricação.
3) Dados construtivos - Esses dados dizem respeito à
situação em que o motor se encontra instalado na planta
industrial como tipo e local da fixação.
Potmotor = potência do motor em CV;
Carreg = carregamento atual do motor em porcentagem;
h = número de horas de funcionamento;
η = rendimento do motor para o carregamento em questão
dado em porcentagem;
Energia = dada em kWh.
4) Dados de carga acionada – Referem-se às medições
elétricas e mecânicas que devem ser consideradas a principal
etapa do trabalho, pois, é a partir delas que todas as decisões
serão tomadas. As grandezas que devem ser obtidas são:
corrente de cada fase, tensão entre fases (linha), potência
ativa de entrada, fator de potência, velocidade de rotação e
dados de processo. Essas medidas podem ser realizadas
através de equipamentos elétricos próprios. É importante
lembrar que todas as medições citadas acima devem ser
feitas quando a máquina estiver operando com máximo
carregamento.
C. Aplicando o método
De posse de uma enorme quantidade de dados, passa-se
Fig. 7. Determinando o fator de potência e o rendimento do
motor.
A escolha de um motor mais adequado pode ser feita
através do cálculo da potência real solicitada pela carga, que
é calculada multiplicando-se a potência nominal do motor
pelo seu carregamento.
E a economia financeira é dada pela expressão abaixo.
Economia = Energiaeco × Tarifa
(22)
Onde:
Potreal = Potmotor × Carreg
(19)
Economia = o valor monetário da economia;
Tarifa = tarifa cobrada pela concessionária de energia
elétrica pelo kWh;
Onde:
Potmotor = potência do motor em CV;
Carreg = carregamento atual do motor;
Potreal = potência real do motor em CV.
A partir desse valor, escolhe-se o motor imediatamente
superior ao mesmo. Em seguida, calcula-se o rendimento do
novo motor, dado pela relação entre a potência real e a
potência deste último.
Carregnovomotor =
Potreal
×100%
Potnovomotor
Dessa maneira, realiza-se a análise de dimensionamento e
diagnóstico energético de motores de indução trifásicos. É
possível analisar situações nas quais o motor sofreu um
reparo, verificando a sua qualidade após a reforma, e
também, a troca de um motor da linha padrão por um motor
de alto rendimento, sendo que, nesta situação, o tempo de
retorno do investimento inicial do motor de alto rendimento
deve ser levado em consideração para um trabalho mais
completo [5].
(20)
IV. CONCLUSÕES
Onde:
Potnovomotor = potência do motor em CV;
Potreal = potência real do motor em CV.
Carregnovomotor = carregamento atual do motor dado em
porcentagem;
E utilizando a curva característica do motor novamente, a
partir do carregamento do novo motor encontra-se a corrente,
o rendimento e o fator de potência do mesmo.
Pode-se concluir que o método proposto é bem simples e
aplicável, visto que nas indústrias há um grande número de
motores mal dimensionados, comprovando o não
conhecimento da técnica apresentada. Sendo assim, pode-se
efetuar um estudo em qualquer setor onde houver um motor
de indução incluso num determinado processo, verificando o
seu dimensionamento e realizando o diagnóstico energético.
Para haver uma economia de energia considerável para o
sistema elétrico é preciso que a técnica seja difundida, pois,
com uma grande quantidade de motores dimensionados
corretamente ter-se-á o uso racional da energia elétrica no
que diz respeito ao consumo pelos motores elétricos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Fig. 8. Determinando os dados do novo motor a partir do
carregamento.
Portanto, a energia consumida pelo novo motor pode ser
calculada aplicando a equação 18 e, assim, calcula-se a
economia de energia através da diferença entre o consumo
dos dois motores.
Energia eco = Energia1 − Energia 2
(21)
Onde:
Energia1 = energia consumida pelo motor analisado em
kWh;
Energia2 = energia consumida pelo novo motor em kWh;
Energiaeco = energia economizada kWh.
[1] P. C. F. Freitas, D. Bispo, A. C. Delaiba, S.F.P. Silva
“Análise comparativa dos rendimentos dos motores da
linha padrão e de alto rendimento sob o enfoque da
eficiência energética”. Simpósio Brasileiro de Sistemas
elétricos (SBSE) 2008, Belo Horizonte-MG.
[2] V. D. Toro, Fundamentos de Máquinas Elétricas,
Tradução de Onofre de Andrade Martins,1ª Edição,
Prentice-Hall do Brasil, Rio de Janeiro, 1990.
[3] A.E. Fitzgerald, C.K. Jr., S.D. Umans, Máquinas
Elétricas, com introdução à eletrônica de potência,
Tradução de Anatólio Laschuk. Bookman, 6ª Edição,
Porto Alegre, 2006.
[4] ABNT – NBR 5383-1 fevereiro/2002 “Máquinas
Elétricas Girantes parte 1: Motores de Indução – Ensaio”
[5] E. Szyszka, M. Américo, Metodologia de Realização de
Diagnósticos Energético.