Motores eletricos Siemens e a Economia de Energia
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Jornadas Técnicas Novas perspectivas Drive Technology Mundo em Movimento 2005 Motores elétricos Siemens e a Economia de Energia Mundo em Movimento Tópicos • Instalando o motor elétrico com inversor de freqüência • Princípio de funcionamento • Partida e aceleração do motor com inversor • Curvas torque/rotação e corrente/rotação • O motor não parte... e agora ? • Efeito do PWM no sistema de isolação do motor • Motores antigos, recondicionados, não preparados para inversor • Elevação de temperatura • Operando o motor em baixa rotação • Efeito na ventilação • Efeito “motor-de-passo” • Ventilação forçada • Sensores de temperatura - benefícios 2005 Mundo em Movimento Tópicos • Operando acima da velocidade nominal do motor • Redução de torque • Limite de velocidade mecânico • Economia de energia com motores elétricos • Lei da eficiência energética - ABNT • Comprei motor alto rendimento e não economizei energia. • Os motores elétricos Siemens • Conformidade com ABNT • Feitos para durar • Economia real de energia elétrica • Mesma potência, mais torque • Acionamento por inversor • Conceito Modular 2005 Mundo em Movimento Construção mecânica Caixa de Ligação Olhal para Prensa-cabos Rolamento de Esferas Ventilador Chaveta Ponta de Eixo Mancal Tampa do Ventilador Fixação pelo Pé Carcaça 2005 Mundo em Movimento Estator Enrolamento estatórico (Cobre) Lâminas de aço isoladas Melhor rendimento 2005 Mundo em Movimento Rotor Chapas de aço isoladas Melhor rendimento Ranhuras diagonais Eliminam efeito „motor-de-passo“ 2005 Mundo em Movimento Rotação síncrona f ⋅ 60 n = 2⋅ s p ns [rpm] Rotação Síncrona f [Hz] p [-] Freqüência da corrente no estator Número de pólos do motor Freqüência = 50Hz 2-pólos: nS = 3000 rpm 4-pólos: nS = 1500 rpm 6-pólos: nS = 1000 rpm 8-pólos: nS = 750 rpm 60Hz è 3600 rpm è 1800 rpm è 1200 rpm è 900 rpm 2005 Mundo em Movimento Curvas TorqueXRotação e CorrenteXRotação M, I M In Ipè 5 a 9 x IN Ip I (Mmax) Mmaxè 2,5 a 3,5 x M n Mmax Linearidade M~I Mpè 2 a 2,5 x M n Mp 1,5 1 0 Ponto de operação Mn M n è In Nn Ns 2005 Mundo em Movimento Curvas características – Operação por inversor M, I M In M Ipè5 a 9xIN M max = konst max V =k f 2 Mmax Mmaxè2,5 a 3,5MN Mpè2 a 2,5MN 3 PONTO DE 2 OPERAÇÃO 1,5 M èINM MNM NèKonst 1 MN 0 NN NS Área de campo constante Tensão e freq. variam Área de enfraquecimento de campo Tensão fica constante Somente freq. varia 2005 Mundo em Movimento O motor não parte. E agora? Motor ligado diretamente à rede, partia com carga. Com conversor de freqüência, o motor não parte. Para partir com carga, o motor deve estar necessitando mais torque do que o torque nominal. Com conversor, acima de 50% de sobrecarga é preciso fornecer muito mais corrente para o aumentar o torque no motor. O que fazer ? Troque Troque oo motor motor !! Trabalho em sobrecarga dentro da faixa de linearidade de torque / corrente. Nessa faixa, torque é proporcional à corrente do motor. 2005 Mundo em Movimento O PWM e a isolação do motor 0 V Tempo inversor motor I s = C P × dV dt 2005 Mundo em Movimento O efeito do PWM sobre o motor comum Curto entre espiras Com inversores PWM, os picos de tensão sobre o enrolamento do motor ultrapassam 1200 V, muito superior à classe de tensão dos isolantes utilizados em motores comuns (600 V). Rotor “pontilhado” A corrente parasita Is fecha pequenos curtos no entreferro do motor, criando marcas pontilhadas sobre o rotor. O motor perde torque ao longo do tempo (fica “mais fraco”). 2005 Mundo em Movimento Como minimizar os efeitos do PWM Medida Efeito Reator de saída • Compensa as Correntes Parasitas Capacitivas devido a cabos longos entre o conversor e o motor • Reduz a taxa dv/dt nos terminais do motor e reduz o “stress” na isolação Filtro limitador de tensão (filtro dv/dt) • Limita o dv/dt nos terminais do motor a 500V/µs Filtro Senoidal • Alimenta o motor com tensão e corrente praticamente senoidais • Limita os picos de tensão nos terminais do motor a ~1,76*UL 2005 Mundo em Movimento Classe de isolação, temperatura de operação 180oC 155oC 130oC Motores antigos - classe de isolação B. Motores atuais no mercado – classe F/B (conforme ABNT): Classe de isolação F, utilização conforme classe B Significa que, em operação nominal, ainda mantém 25oC de folga de temperatura. 2005 Mundo em Movimento Limite de torque em baixa rotação Limite de torque com ventilação externa Limitação de torque devido ao enfraquecimento de campo: M ~1/f Limitação de torque devido à redução da ventilação. Campo constante fN/2 Enfraquecimento de campo 2005 Mundo em Movimento Limite de torque em baixa rotação Motores da série 1LA8(BT) e 1LA1(MT) 2005 Mundo em Movimento Classe de isolação, operação com inversor 180oC 155oC 130oC Motores classe B não devem ser operados por inversor de freqüência. Nos motores classe F/B, desconsidere a folga de 25oC existente em operação com velocidade fixa. 2005 Mundo em Movimento Motor queimado por sobrecarga 2005 Mundo em Movimento Motor elétrico com moto-ventilador acoplado 2005 Mundo em Movimento Sensores de temperatura PTC – “Positive Temperature Coefficient” QUANDO O PTC CHEGA NA CORRESPONDENTE TEMPERATURA, SUA RESISTÊNCIA AUMENTA. A UNIDADE DE ATUAÇÃO ENTÃO RESPONDE. R (kohm) 100 PTC EXISTEM PTCs PARA ALARME E PTCs PARA DESARME 10 1 A DIFERENÇA DE TEMPERATURAS ENTRE ALARME E DESARME É 10°C 0.1 0 100 200 300 Temp C PARA MOTORES CLASSE DE ISOLAÇÃO F UTILIZAÇÃO B, TEM-SE: PTC PARA ALARME= 145°C PTC PARA DESARME=155°C KTY84 KTY 84 R (kohm) 3 SENSOR QUE VARIA SUA RESISTÊNCIA EM FUNÇÃO LINEAR COM A TEMPERATURA 2 UM SÓ SENSOR PARA ALARME E DESARME 1 Outros tipos: PT100; PT1000 0 100 200 300 Temp C 2005 Mundo em Movimento RESUMO PRÁTICO Curvas características – Operação por inversor Acima de nN são reduzidos o fluxo magnético, devido à reatância indutiva do estator e também a corrente máxima possível do rotor curto-circuitado que produz momento, devido à reatância indutiva do rotor. Os dois efeitos produzem um efeito ao quadrado. M, P Mmax M max ∼ Mmax ≈ 2,5·MN (dependendo do motor) 1 n2 Região de sobrecarga A potência mecânica permanece constante devido à relação: P~Mxn PN MN Momento reduzido para motores com refrigeração própria. A ventoinha no eixo do motor não fornece ventilação suficiente. ≈ 70% Mn Mn ∼ P Pn ~ 1 n 30% Região de operação n1 nn 1 n Acima de n1 não temos mais nenhuma capacidade de sobrecarga. MN cai a distância de 30% do momento máximo. n Faixa de potência constante Faixa de fluxo constante Faixa de enfraquecimento de campo 2005 Mundo em Movimento Lei de Eficiência Energética Os rendimentos publicados em decreto-lei são medidos à 100% carga. 2005 Mundo em Movimento Rendimento em função da carga % η Dados publicados na placa do motor cos φ O RENDIMENTO VARIA COM A POTÊNCIA UTILIZADA PELO MOTOR 2005 Maior rendimento = Maior economia de energia? Não necessariamente ! Na ânsia de atender a Lei de Eficiência Energética, fabricantes melhoraram o rendimento de seus motores a 100% de carga, em detrimento da curva de rendimento em carga parcial. 100% As curvas de rendimento dos motores no Brasil possuem a seguinte forma: Os rendimentos em carga parcial são muito piores do que a 100% carga. 90% 80% R e n d im e n to % Mundo em Movimento 70% 60% 50% 40% 30% 0% 25% 50% 75% 100% 125% Carga (%) 2005 Mundo em Movimento Maior rendimento = Maior economia de energia? Praticamente nenhuma aplicação opera a 100% de carga todo o tempo. Considerando as folgas de projeto de máquinas, a grande maioria dos motores hoje operam entre 50 e 80% da carga nominal ! Para se avaliar uma real economia de energia, é necessário considerar o ciclo de operação completo da carga acionada. Portanto, pode acontecer de se trocar motores antigos comuns por novos, classificados como “Alto-Rendimento”, e Passar a consumir mais energia elétrica ! 2005 Mundo em Movimento Motores elétricos Siemens: feitos para durar 2005 Mundo em Movimento Motores elétricos Siemens: feitos para durar Principais características: Fabricados e projetados conforme as normas ABNT (NBR) em correspondência com as normas IEC Aptos para serviço contínuo (S1), temperatura ambiente máxima 40ºC e altura máxima de instalação de 1000m Projetados para instalação em rede com variação de tensão permanente de ± 5% (zona A, ABNT) ou ± 10% (zona B, ABNT) Grau de proteção: IP 55 para uso universal (que corresponde ao IPW55 ABNT ) Tensão e freqüência: • 380 VD / 660 VY – 60 Hz • 220 VDD / 380 VYY / 440 VD – 60 Hz Polaridade: 2, 4, 6 e 8 pólos 2005 Mundo em Movimento Motores elétricos Siemens: feitos para durar Principais características: Isolação Durignit IR-2000: • Classe de isolação “F” • Alta resistência mecânica e elétrica • Vida útil prolongada • Excelente proteção contra gases corrosivos, vapores, poeira e umidade • Resistente às solicitações ocasionadas pelas vibrações • Apto a ser acionado por conversores de freqüência (AC) PWM Carcaça: • Liga de alumínio injetado: carcaça 63 até 160L (Rendimento Standard) • Ferro fundido: carcaça 180M até 315L (Alto Rendimento) Pés: • Solidários: carcaças 63 até 100L • Parafusados: carcaças 112M até 315L2005 Mundo em Movimento Motores elétricos Siemens: feitos para durar Motores tipo 1LG4: • Alto Rendimento (ABNT) • Carcaça de Ferro 180-315L • Forma construtiva IMB3T (caixa de ligação no topo, gira 360 graus) • 2 furos para prensa cabos métricos • 2 olhais de içamento removíveis • Baixo nível de ruído • Classe F de isolação • Pés escamoteáveis Motores tipo 1LA7: • Rendimento superior ao Standard (ABNT) • Carcaça de Alumínio 60-160L • Redução no peso de até 40% com relação à carcaça de ferro • Classe F de isolação • Forma construtiva IMB3T (caixa de ligação no topo) • Pés escamoteáveis 2005 Mundo em Movimento Dimensionais dos motores elétricos Siemens 2005 Mundo em Movimento Dimensionais dos motores elétricos Siemens Motores são 100% compatíveis com ABNT: • • • • Ponta-de-eixo Distância entre furos de fixação Carcaças e potências nominais Dados elétricos a 60 Hz 2005 Mais torque de partida e torque máximo 350 300 30% 30%mais mais torque torque na napartida partida Conjugado Mundo em Movimento Siemens 20% 20%mais mais torque torque máximo máximo 250 200 Fabricante K 150 Fabricante E 100 Fabricante W 50 Motor 75 cv 4 polos, Alto rendimento 0% 20% 40% 60% 80% Rotação 100% 2005 Mundo em Movimento Melhor rendimento em qualquer carga 100% 90% Rendimento % 80% 70% W SIEMENS 60% 50% 40% 30% 0% 25% 50% 75% 100% 125% Carga (%) Exemplo motores de Alto Rendimento 2005 Mundo em Movimento Conceito Modular • Com sensor de velocidade Gerador de impulso • Com refrigeração externa • Com refrigeração externa e sensor de velocidade Ventilação Forçada separada • Com freio • Com freio e sensor de vel. • Com freio e refrigeração externa Freio Eletromagnético E m xe pl o Ex em plo • Com freio, refrigeração externa e sensor de vel. 2005
