Utilização eficiente de energia em motores

1. Utilização eficiente de energia em motores Humberto Jorge Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

2. Introdução • Os motores de indução representam 90% do consumo de energia em força motriz • Nos países desenvolvidos os motores consumem metade da energia eléctrica • Os sistemas que integram motores têm potenciais elevados de poupança de energia eléctrica Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

3. Aplicações típicas de motores • Bombas • Compressores • Ventiladores • Moinhos • Misturadores • Elevadores • Tapetes rolantes • Electrodomésticos • Equipamento de escritório • etc. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

4. Consumo de EE na Indústria Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

5. Sistemas de força motriz Em 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. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

6. Utilização eficiente dos motores • Dimensionamento correcto dos motores • Utilização de motores de alto rendimento • Utilização de transmissões mecânicas de baixas perdas • Utilização de variadores electrónicos de velocidade para adaptar o regime de trabalho às flutuações de carga • Optimização das condições de funcionamento Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

7. Perdas e Rendimento • As perdas num motor de indução correspondem à energia que não é convertida em trabalho útil, e que é transformada em calor. • As perdas não só contribuem para a redução do rendimento do motor, mas também vão provocar um aumento da sua temperatura. • Um aumento excessivo de temperatura pode conduzir a uma redução substancial da vida do motor. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

8. Perdas típicas nos motores Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

9. CurvasCaracterísticas Rendimento & F.P. Perdas Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

10. Rendimento dos motores Motores de maior dimensão apresentam maior rendimento Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

11. Variação do Cos j com a carga I - Corrente total IP - Corrente activa IR - Corrente reactiva Cos j - Factor de potência Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

12. Factor de potência dos Motores de indução Característica construtiva Característica de utilização Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

13. Desvantagens do sobre-dimensionamento • Menor rendimento • o rendimento dos motores reduz-se substancialmente, especialmente nos motores mais pequenos • Menor factor de potência • o factor de potência degrada-se rapidamente a partir da plena carga • Maior custo da instalação • do motor, da aparelhagem de accionamento associada (contactores, arrancadores, etc.) Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

14. Exemplo de dimensionamentoBomba de 24 kW/2900 rpm funcionando 4500 h/ano accionada por um de dois motores de 30 kW ou de 55 kW Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

15. Condições ambientais e de manutenção • Devem trabalhar a temperaturas baixas • Os condutores de cobre têm menos resistência e portanto menos perdas • A vida do motor aumenta (por cada 10 ºC de elevação a duração do isolamento reduz-se a metade) • As necessidades de manutenção de motores de indução são essencialmente limpeza da carcaça, a fim de reduzir a temperatura, e nalguns casos lubrificação dos rolamentos Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

16. Motores de alto rendimento Menores perdas => temperatura de funcionamento mais baixa => vida útil mais longa. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

17. Motores de alto rendimento (Algumas desvantagens) Aspectos menos positivos no funcionamento de um motor de alto rendimento, causados pela menor resistência do rotor: • Diminuição do binário de arranque => problemas em cargas com elevada inércia. • Aumento da corrente de arranque, o que pode ter implicações no dimensionamento da alimentação e accionamento do motor. • Diminuição do escorregamento, ou seja um pequeno aumento da velocidade do motor. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

18. Motores de Alto Rendimento 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. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

19. Decisão de Instalação de Motores 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. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

20. Decisão de Instalação de Motores 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. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

21. Reparação/Rebobinagem • Factores de índole técnica e económica que devem ser pesados aquando da decisão de reparar/substituir: • Apurar previamente o estado geral do motor danificado a fim de prever em que condição ficará após a reparação; • Preço do motor e da reparação; • Número de horas de operação; • Factor de carga; • Custo da electricidade; • No caso da substituição, e assumindo que um motor reparado sofre uma quebra de rendimento de 1%, a compra de um EEM é normalmente vantajosa do ponto de vista do tempo de retorno do capital investido ("payback time") e em termos de tempo de vida do motor. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

22. Controlo 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. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

23. Aplicações com carga variável ou parcialRepresentam 60% das aplicações de força motriz na indústria, e 80% no sector terciário Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

24. Bombas e Ventiladores Os 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 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

25. Métodos Convencionais de Controlo de Velocidade • 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. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

26. Métodos Convencionais de Controlo de Velocidade • caixas de velocidade com engrenagens • sistemas de correia com polias de diâmetro variável • embraiagens excêntricas de disco seco • transmissões hidráulicas • embraiagens electromagnéticas. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

27. Variadores Electrónicos de Velocidade (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 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

28. Características binário/velocidade(motor de indução) Características binário/velocidade do motor de indução funcionando a frequência variável e com uma relação linear frequência /tensão Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

29. Tipos de VEV’s Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

30. Utilização de VEV´s no controlo de caudais P1- Controlo por válvula P2- Controlo de velocidade incluindo perdas no VEV P3- Controlo de velocidade sem perdas no VEV Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

31. Bombas e Ventiladores Ventilador Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

32. (c) (a) (e) (d) (b) Transmissão mecânica • Tipicamente 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 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

33. Transmissão 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. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

34. Transmissão por correia 1- Correias trapezoidais, 2- correias síncronas (dentadas) Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

35. Transmissão 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. Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

36. Exemplos • 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 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

37. Considerações gerais • 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% Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

38. Poupanças anuais e payback 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 Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

39. Avaliação das opções na compra ou substituição de motor de 45kW Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

40. FUNCIONAMENTO DIÁRIO DO VENTILADOR Nº DE HORAS 6 4,5 3 1,5 50 60 70 80 90 100 % CAUDAL CURVAS CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA CURVA DO VENTILADOR POTÊNCIA(kW) CURVA DO SISTEMA ESTRANGULADO 10 30 40 50 60 60 50 60 70 80 90 100 % CAUDAL Avaliação económica do investimento num VEV ASSUMIR QUE: POTÊNCIA VENTILADOR =75KW FUNCIONAMENTO = 300 DIAS/ANO CUSTO VEV+INSTALAÇÃO =7000 EUROS PREÇO DO kWh =0,06€ (tarifa fixa) Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria