Motores trifásicos de muito alto rendimento: considerações técnico - económicas

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Fernando J. T. E. Ferreira1,2 e Armindo M. Teixeira3 Dep.º de Eng.ª Electrotécnica, Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC) 2 Instituto de Sistemas e Robótica, Universidade de Coimbra (ISR-UC) 3 WEGeuro - Indústria Eléctrica, S.A.

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motores trifásicos de muito alto rendimento {CONSIDERAÇÕES TÉCNICO-ECONÓMICAS}

Actualmente os motores de alto rendimento de Classes IE2 e IE3 já são obrigatórios nalguns países. No entanto, alguns fabricantes estão a introduzir no mercado motores de rendimento ainda superior, de Classe IE4. Também se está a considerar a criação de uma nova Classe de rendimento IE5. Dentro da Classe IE4, os motores de ímanes permanentes de arranque directo são uma entrada recente no mercado industrial. O seu desempenho em regime permanente é excelente mas, como em todas as tecnologias, há que ter em conta algumas potenciais desvantagens, tanto no caso de substituição de motores de indução em aplicações existentes como no caso de novas aplicações. Neste artigo, para além de uma visão geral das normas internacionais relacionadas com o desempenho dos motores eléctricos, apresenta-se uma análise técnicoeconómica comparativa de motores comerciais de 7,5 kW de Classes IE2, IE3 e IE4 e os resultados de um caso real de substituição de um motor de indução de 5,5 kW com rotor em gaiola de esquilo por um motor de ímanes permanentes de arranque directo de Classe IE4.

Palavras-Chave – Rendimento, Perdas, Motores Eléctricos, Normas/Standards, Classes de Rendimento IE2, IE3 e IE4, Motor de Ímanes Permanentes de Arranque Directo, Motor de Indução Trifásico com Rotor em Gaiola de Esquilo.

I. INTRODUÇÃO A nível mundial, os motores eléctricos são responsável pelo consumo de mais de 40% da energia eléctrica. Na União Europeia (UE), os Sistemas Eléctricos de Força Motriz (SEFM) consomem mais de 2/3 da energia eléctrica na indústria e cerca de 1/3 da energia eléctrica no sector terciário (edifícios não residenciais). Mais de 85% dos SEFM industriais integram motores de indução trifásicos com rotor em gaiola de esquilo (MIRG), sendo, de longe, o tipo de motor eléctricos mais utilizado [1-4]. Pelo facto de representarem a carga eléctrica industrial mais relevante, os motores eléctricos industriais tornam-se particularmente atractivos para o investimento na melhoria do seu rendimento, uma vez que tal se traduz em reduções significativas no consumo energético e, consequentemente, no aumento da competitividade e na redução do impacto ambiental das explorações industriais [1-4].

Actualmente, no contexto do mercado global, um dos tópicos mais importantes é a harmonização das normas/standards dos motores eléctricos relacionadas com o seu desempenho, com a sua classificação em função do rendimento nominal e com a definição dos seus parâmetros nominais [5]. Como resultado de um significativo esforço na última década no sentido da harmonização global das normas/ standards associadas aos motores eléctricos industriais, particularmente das relacionadas com o seu desempenho, existe actualmente um conjunto de normas internacionais da Comissão Electrotécnica Internacional (IEC1), que se apresentam resumidas na Tabela 1 [6].

Presentemente, tanto as normas IEC 60034-2-1 e IEC 60034-30 [7, 8] estão sob revisão, e estão a ser preparadas novas propostas para as suas segundas edições (a última proposta da norma IEC 60034-2-1 foi preparada em Junho de 2011). Para a norma IEC 60034-2-3 [9], existe apenas uma proposta, uma vez que esta não foi aprovada em Setembro de 2011 (será apresentada uma nova proposta em 2012) [5].

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IEC - International Electrotechnical Committee. Instituição que define normas internacionais relacionadas com electricidade e equipamentos eléctricos.

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com uma regulação apropriada da amplitude da tensão aplicada aos seus terminais.

IV. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Instituto de Sistemas e Robótica – Universidade de Coimbra (ISR-UC) e à empresa Optisigma – Energia & Ambiente, Lda., pelo dados técnicos disponibilizados, bem como à empresa WEGeuro - Indústria Eléctrica, S.A., pela oferta de um motor WQuattro de 5,5 kW.

Figura 10 . Valores experimentais do binário, rendimento, subida de temperatura

REFERÊNCIAS

nas testas dos enrolamentos e da componente fundamental da tensão para os

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motores de Classes IE3 e IE4, garantindo a maximização do rendimento em cada ponto de carga, para uma frequência fundamental de 50 Hz. Temperatura am-

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biente entre 21 e 25º C. Motores alimentados por VEV com inversor de 2 níveis e frequência de comutação de 4 kHz. [3]

a ser significativamente mais baratos que os de ímanes permanentes, até porque estes últimos requerem sempre um controlador ou VEV, uma vez que não conseguem realizar o arranque directo da rede, encarecendo ainda mais este tipo de solução. Mesmo no caso dos MIRG controlados por VEV, em grande parte dos casos, não se podem substituir directamente por motores trifásicos de ímanes permanentes sem se trocar de VEV, porque estes últimos requerem um tipo de controlo diferente.

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Porém, a última geração de LSPM, com gaiola de esquilo auxiliar, são uma solução economicamente rentável em termos de custo de ciclo de vida, podendo substituir directamente os MIRG existentes com ou sem VEV. Actualmente, na UE, os MIRG de classe IE4, estão comercialmente disponíveis para a gama de potência de 0,75 a 7,5 kW, sendo o seu binário de arranque similar ao dos MIRG equivalentes. Uma vez que o seu potencial de poupança de energia é muito elevado, faz sentido promover a sua utilização através de incentivos adequados, particularmente para as gama de potência média-baixa. Apesar do preço dos LSPM ser cerca de 2,1 vezes superior ao dos MIRG de classe IE2 equivalentes, quando consideradas as duas opções para novas aplicações, é expectável que o tempo de retorno do investimento adicional seja inferior a 2,5 anos para mais 5840 h/ano de funcionamento à carga nominal, sendo uma opção muito atractiva do ponto de vista industrial, particularmente se se tiver em conta que nos LSPM é expectável um tempo de vida mais longo devido ao facto da sua temperatura de funcionamento ser significativamente mais baixa que a dos MIRG. À semelhança dos MIRG, se os LSPM estiverem sobredimensionados, o seu rendimento e FP podem ser significativamente melhorados

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Improving the Penetration of Energy-Efficient Motors and Drives, Edited by A. De Almeida, University of Coimbra, prepared for the SAVE Programme, 2000; De Almeida, A; Ferreira, F.; Fong, J.; Fonseca, P.: “EuP Lot 11 Motors, Ecodesign Assessment of Energy Using Products,- Final Report for the European Commission, Brussels, Belgium,” ISR-University of Coimbra, February 2008; De Almeida, A.; Ferreira, F.; Fong, J.; Conrad, B.: “Electric Motor Ecodesign and Global Market Transformation,” IEEE Industrial & Commercial Power Systems Conf., Conf. Proc., Clearwater Beach Florida, USA, May 4-8, 2008; De Almeida, A., F. J. T. E. Ferreira, J. Fong, “Standards for Efficiency of Electric Motors”, IEEE Industry Applications Magazine, Vol. 17, No. 1, pp. 12-19, Jan./Feb. 2011; Brunner, C.; Waide, P.; Jakob, M.: “Harmonized Standards for Motors and Systems - Global progress report and outlook”, 7th Energy Efficiency in Motor Driven Systems (EEMODS’11), Alexandria, USA, 2011; International Electrotechnical Commission (IEC) Webstore, http:// webstore.iec.ch/, Nov. 2011; IEC60034-2-1, Ed. 1: Rotating electrical machines - Part 2-1: Standard method for determining losses and efficiency from tests (excluding machines for traction vehicles), 2007; IEC600-34-30, Ed. 1: Rotating electrical machines - Part 30: Efficiency classes of single-speed, three-phase, cage-induction motors (IE-code), 2008; IEC 60034-2-3, Ed.1, Draft, 2/1626/CDV, Rotating electrical machines – Part 2-3: Specific test methods for determining losses and efficiency of converter-fed AC motors, April 2011; IEC600-34-30, Ed. 2, Draft, Nov. 2011, WG31/2CD: Rotating electrical machines - Part 30: Efficiency classes of single-speed, three-phase, cage-induction motors (IE-code), Nov. 2011; IEC/TS 600-34-31, Ed. 1: Rotating electrical machines - Part 31: Selection of energy-efficient motors including variable speed applications - Application guide, 2010; WEG Motor Catalogue, “WQuattro - Super Premium Efficiency Motor”, 2011; Baghurst, A.; Pierre Angers, P.; Doppelbauer, M.: “A standard algorithm for the calculation of induction motor efficiency based on International Standard IEC 60034-2-1”, 7th Energy Efficiency in Motor Driven Systems (EEMODS’11), Alexandria, USA, 2011; Möhle, A.: “The Round-Robin-Test for the improvement of IEC 600342-1”, 7th Energy Efficiency in Motor Driven Systems (EEMODS’11), Alexandria, USA, 2011; Patra, M.: “Standardization for ASD”, 7th Energy Efficiency in Motor Driven Systems (EEMODS’11), Alexandria, USA, 2011; Ferreira, F.; De Almeida, A.: “Technical and Economical Considerations on Line-Start PM Motors including the Applicability of the IEC600342-1 Standard”, 7th Energy Efficiency in Motor Driven Systems (EEMODS’11), Alexandria, USA, 2011.