Optimização de sistemas eléctricos de força motriz

DOSSIER DOSSIER

revista revista técnico-profissional técnico-profissional

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o electricista o electricista Fernando Fernando J. T.J.E.T.Ferreira E. Ferreira e Dulce e Dulce H. C.H.Coelho C. Coelho

optimização optimização de de sistemas sistemas eléctricos eléctricos de de força força motriz motriz OsOssistemas sistemaseléctricos eléctricosdedeforça forçamotriz motrizsão, são,indubitavelmente, indubitavelmente,uma umadas dascargas cargas eléctricas eléctricasmais maisimportantes, importantes,sendo, sendo,por porisso, isso,desejável desejáveloptimizar optimizaro oseu seudesemdesempenho. penho.Neste Nesteartigo, artigo,apresentam-se apresentam-sediversas diversastecnologias tecnologiaspara paramelhorar melhoraro o desempenho desempenhodos dossistemas sistemaseléctricos eléctricosdedeforça forçamotriz, motriz,bem bemcomo comoososbenefícios benefícios técnico-económicos técnico-económicosque quedaí daíadvêm, advêm,nomeadamente nomeadamenteatravés atravésdadaintegração integraçãodede variadores variadoreselectrónicos electrónicosdedevelocidade, velocidade,dedemotores motoreseléctricos eléctricosmais maiseficientes, eficientes,dede sistemas sistemasdedetransmissão transmissãomecânica mecânicamais maiseficientes eficientese edadautilização utilizaçãodedetécnicas técnicas dedemanutenção manutençãocurativa curativadedemotores motoreseléctricos eléctricosadequadas. adequadas.Apresenta-se, Apresenta-se, também, também,uma umaestimativa estimativados dosrespectivos respectivospotenciais potenciaisdedepoupança poupançaeconómicos económicos para paraosossectores sectoresindustrial industriale eterciário terciáriodadaUnião UniãoEuropeia, Europeia,em em2015.

2015.

Palavras PalavrasChave: Chave:Sistemas SistemasEléctricos EléctricosdedeForça ForçaMotriz, Motriz,Motores MotoresEléctricos, Eléctricos,Motores Motoresdede Indução, Indução,Variadores VariadoresElectrónicos ElectrónicosdedeVelocidade, Velocidade,Reparação ReparaçãodedeMotores MotoresEléctricos, Eléctricos, Optimização, Optimização,Eficiência EficiênciaEnergética.

Energética.

2 2 , nos , nos sectores sectores industrial industrial testes à sua à sua produção. produção.

Estima-se Estima-se que, que, emem 2015 2015 e terciário dada UE,UE, os os motores motores eléctricos eléctricos serão serão responsáveis responsáveis pelo pelo conconNoNo seguimento seguimento dodo acordo acordo dede Quioto Quiotoemem 1997, 1997, os os sistemas sistemas eléctricos eléctricos e terciário sumo dede 721 721 TWh/ano TWh/ano e 224 e 224 TWh/ano, TWh/ano, respectivamente respectivamente [3,[3, 4].4]. dede força força motriz motriz (SEFMs), (SEFMs), devido devido à sua à sua importância importância emem termos termos dede sumo consumo consumo dede energia energia eléctrica, eléctrica, têm têm sido, sido, nosnos últimos últimos anos, anos, alvo alvo dede caracterização caracterizaçãoe einvestigação investigaçãonanaUnião UniãoEuropeia Europeia(UE).

(UE).Estudos Estudos recentes recentes caracterizaram caracterizaram os os sectores sectores industrial industrial e terciário e terciário e identie identi- 2› 2› SISTEMAS SISTEMAS ELÉCTRICOS ELÉCTRICOS DEDE FORÇA FORÇA MOTRIZ MOTRIZ ficaram ficaramas asprincipais principaistecnologias tecnologiasconducentes conducentesà àoptimização optimizaçãododo OsOsSEFMs SEFMssãosãocompostos compostosporpordiversos diversosmódulos/equipamentos. módulos/equipamentos.OsOs desempenho desempenho dosdos SEFMs, SEFMs, assim assim como como as as aplicações aplicações onde onde o potencial o potencial SEFMs, SEFMs, para para além além de,de, tipicamente, tipicamente, integrarem integrarem aparelhos aparelhos dede comando comando dede poupança poupança energética energética é mais é mais significativo significativo [1,[1, 2, 2, 3, 3, 4].4]. e protecção, e protecção, motores motores eléctricos, eléctricos, sistemas sistemas dede transmissão transmissão mecânica mecânica e e OsOs motores motores eléctricos eléctricos consomem consomem mais mais dede metade metade dada energia energia eléctrica eléctrica equipamentos equipamentos dede utilização utilização final, final, podem podem ainda ainda integrar integrar variadores variadores 3 3 total total consumida consumida nosnos países países desenvolvidos. desenvolvidos.

NaNa UE,UE, os os motores motores eléctricos eléctricos electrónicos electrónicos dede velocidade velocidade (Fig. (Fig. 1).1).

O rendimento O rendimento dede umum SEFM SEFM é igual é igual sãosão responsáveis responsáveis porpor cerca cerca dede 70% 70% e 35% e 35% dada energia energia eléctrica eléctrica concon- aoao produto produto dosdos rendimentos rendimentos individuais individuais dede cada cada umum dosdos módulos módulos queque sumida sumidanosnossectores sectoresindustrial industriale terciário, e terciário,respectivamente respectivamente[3].[3].NaNa o compõem. o compõem.

A taxa A taxa dede avarias avarias (número (número dede falhas falhas num num determinado determinado indústria, indústria, o consumo o consumo dede energia energia eléctrica eléctrica dosdos motores motores eléctricos eléctricos porpor período período dede tempo) tempo) dede umum SEFM SEFM é igual é igual aoao somatório somatório dasdas taxas taxas dede utilização utilização final final reparte-se reparte-se maioritariamente maioritariamente pelas pelas bombas bombas (21%), (21%), venventiladores tiladores (16%) (16%) e compressores e compressores (25%).

(25%).

NoNo sector sector terciário, terciário, o consumo o consumo 1 Na1 Na conferência conferência de Quioto de Quioto realizada realizada em em 1997, 1997, a União a União Europeia Europeia comprometeu-se comprometeu-se a reduzir a reduzir dosdosmotores motoreseléctricos eléctricosreparte-se reparte-semaioritariamente maioritariamentepelas pelasbombas bombas em em 8%8% as emissões as emissões de CO de 2CO registadas em em 1990, 1990, num num período período de 13 de 13 anos anos (até(até 2010) 2010) [1].[1].

2 registadas 2 Assumindo (16%), (16%), ventiladores ventiladores (24%), (24%), refrigeração refrigeração (25%), (25%), ar ar condicionado condicionado (17%) (17%) 2 Assumindo umauma taxataxa média média de crescimento de crescimento anual anual de 1.2% de 1.2% e 1.0% e 1.0% parapara os sectores os sectores indusinduse elevadores/tapetes e elevadores/tapetes rolantes rolantes (11%) (11%) [3].[3]. trialtrial e terciário, e terciário, respectivamente. respectivamente.

Desta Desta forma, forma, pequenos pequenos aumentos aumentos nono rendimento rendimento dosdos SEFMs SEFMs terão terão 3 O3rendimento O rendimento em em potência potência (ou(ou em em energia) energia) de um de um dispositivo/sistema dispositivo/sistema define-se define-se pelapela razão razão umum impacto impacto muito muito significativo significativo nana redução redução dodo consumo consumo dede energia energia entre entre a potência a potência (ou(ou energia) energia) fornecida fornecida útilútil e a epotência a potência (ou(ou energia) energia) consumida. consumida.

A diferença A diferença eléctrica eléctrica dada UEUE e, e, consequentemente, consequentemente, dasdas emissões emissões dede COCO entre as referidas as referidas potências potências (ou(ou energias) energias) corresponde corresponde às perdas às perdas de potência de potência (ou(ou de energia). de energia).

2 ineren2 ineren- entre

1› 1› INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO

1

1

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revista revista técnico-profissional técnico-profissional

o electricista o electricista

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25 25 dede €/ano €/ano , conforme , conforme se se pode pode verver nasnas tabelas tabelas 2, 2, 3 e3 4.e 4.

EmEm relação relação à à REFERÊNCIAS reparação reparação eficiente eficiente dosdos MIsMIs (REMI), (REMI), que que pressupõe pressupõe a garantia a garantia dodo REFERÊNCIAS [1] [1] ISR-University ISR-University of Coimbra, of Coimbra, Motors Motors Study Study Group, Group, "Actions "Actions to Promote to Promote Energy-Efficient Energy-Efficient seuseurendimento rendimentooriginal, original,estima-se estima-seque, que,com coma sua a suaaplicação, aplicação,a a Electric Electric Motors", Motors", DGXVII, DGXVII, European European Commission, Commission, October October 1996; 1996; poupança poupança dede energia energia eléctrica eléctrica nosnos sectores sectores industrial industrial e terciário e terciário dada Almeida, A.; A.; Ferreira, Ferreira, F.; F.; Walters, Walters, D.; D.; Parasiliti, Parasiliti, F.: F.: "Barriers "Barriers Against Against Energy-Efficient Energy-Efficient UE,UE,emem2015, 2015,possa possaatingir atingir5.65.6TWh/ano, TWh/ano,traduzindo-se traduzindo-senuma numa [2] [2]Almeida, Motor Motor Repair", Repair", European European Commission, Commission, SAVE SAVE Project, Project, 1999; 1999; poupança poupança dede cerca cerca dede 378 378 Milhões Milhões dede €/ano €/ano e numa e numa redução redução dasdas [3] [3] Almeida, Almeida, A.; A.; Fonseca, Fonseca, P.; Ferreira, P.; Ferreira, F.; Guisse, F.; Guisse, F.; Diop, F.; Diop, A.; A.; Previ, Previ, A.; A.; Russo, Russo, S.; Falkner, S.; Falkner, H.; H.; emissões emissões dede COCO 2.32.3 Mton/ano.

Mton/ano.

Nesta Nesta estimativa estimativa assume-se assume-se que que 2 de 2 de Reichert, Reichert, J.; Malmose, J.; Malmose, K.: K.: "Improving "Improving thethe Penetration Penetration of Energy-Efficient of Energy-Efficient Motors Motors andand 2/32/3 dosdos MIMI emem funcionamento funcionamento já já foram foram reparados reparados [2,[2, 3, 3, 4].4].

Drives", Drives", European European Commission, Commission, DGTE, DGTE, SAVE SAVE II Programme II Programme 2000; 2000;

. Potencial Tabela Tabela 2 . 2Potencial económico económico de de poupança poupança de de energia energia eléctrica eléctrica estimado estimado para para 2015 2015 na na UE,UE, emem TWh/ano TWh/ano [2, [2, 3, 4].

3, 4].

[4] [4] Almeida, Almeida, A.; A.; Ferreira, Ferreira, F.; Fonseca, F.; Fonseca, P.; P.; Chretien, Chretien, B.; B.; Falkner, Falkner, H.; H.; Reichert, Reichert, J.; West, J.; West, M.;M.; Nielsen, Nielsen, S.; S.; Both, Both, D.: D.: "VSDs "VSDs for for Electric Electric Motor Motor Systems", Systems", European European Commission, Commission, DGTE, DGTE, SAVE SAVE II Programme II Programme 2000; 2000; [5] [5] Almeida, Almeida, A.; Ferreira, A.; Ferreira, F.; Busch, F.; Busch, J. F.;J. Angers, F.; Angers, P.: "Comparative P.: "Comparative Analysis Analysis of IEEE of IEEE 112-B 112-B andand IECIEC 34-2 34-2 Efficiency Efficiency Testing Testing Standards Standards Using Using Stray Stray Load Load Losses Losses in Low in Low Three-Phase, Three-Phase, Cage Cage Induction Induction Motors", Motors", IEEE, IEEE, Industry Industry Application Application Society, Society, ICPSICPS Department, Department, NewNew Orleans, Orleans, LA, LA, MayMay 2001; 2001; [6] [6] March, March, D.: D.: "Inverters "Inverters rev rev up up small-motor small-motor drives", drives", EDNEDN Europe, Europe, MayMay 2000; 2000; [7] [7] Control Control Engineering Engineering Europe: Europe: "Integrated "Integrated motor-drive motor-drive combinations", combinations", February February 2001; 2001;

. Redução Tabela Tabela 3 . 3Redução dasdas emissões emissões de de COCO ao ao potencial potencial económico económico de de 2 associadas 2 associadas poupança poupança de de energia energia eléctrica eléctrica estimado estimado para para 2015 2015 na na UE,UE, emem Mton/ano Mton/ano [2, [2, 3, 4].

3, 4].

[8] [8] Bartos, Bartos, F.: "Forward F.: "Forward to the to the Past' Past' withwith SR Technology", SR Technology", Control Control Engineering Engineering International, International, Nov/Dec Nov/Dec 1999; 1999; [9] [9] Ferreira, Ferreira, F.: "Técnicas F.: "Técnicas Avançadas Avançadas de Manutenção de Manutenção Curativa Curativa e Reabilitação e Reabilitação de Motores de Motores de de Indução Indução Trifásicos Trifásicos de de Baixa Baixa Tensão", Tensão", TeseTese de de Mestrado, Mestrado, Faculdade Faculdade de de Ciências Ciências e e Tecnologia Tecnologia da Universidade da Universidade de Coimbra, de Coimbra, 2002; 2002; [10][10] Almeida, Almeida, A.; A.; Ferreira, Ferreira, F.; Busch, F.; Busch, J.; Angers, J.; Angers, P.: "Comparative P.: "Comparative Analysis Analysis of IEEE of IEEE 112-B 112-B andand IECIEC 34-2 34-2 Efficiency Efficiency Testing Testing Standards Standards Using Using Stray Stray Load Load Losses Losses in Low in Low Three-Phase, Three-Phase, Cage Cage Induction Induction Motors", Motors", IEEEIEEE Transactions Transactions on on Industry Industry Applications, Applications, Vol.Vol. 38, 38, No.No. 2, 2, March/April March/April 2002; 2002;

. Potencial Tabela Tabela 4 .4Potencial económico económico de de poupança poupança estimado estimado para para 2015 2015 na na UE,UE, emem M€/ano M€/ano [2, [2, 3, 4].

3, 4].

[11][11] Ferreira, Ferreira, F.; Almeida, F.; Almeida, A.: A.: "Tecnologias "Tecnologias de Manutenção de Manutenção Curativa Curativa de Motores de Motores de Indução de Indução Trifásicos Trifásicos de Baixa de Baixa Tensão Tensão comcom Rotor Rotor em em Gaiola Gaiola de Esquilo", de Esquilo", Associação Associação Portuguesa Portuguesa da da Indústria Indústria de de Cerâmica, Cerâmica, Revista Revista "Kéramica", "Kéramica", AnoAno XXVIII, XXVIII, N.º N.º 259,259, ISSN ISSN 0871-780X, 0871-780X, Maio/Junho, Maio/Junho, 2003; 2003; [12][12] Ferreira, Ferreira, F.; Almeida, F.; Almeida, A.: A.: "Enquadramento "Enquadramento da da Manutenção Manutenção Curativa Curativa no no Custo Custo do do Ciclo Ciclo de Vida de Vida dosdos Motores Motores de Indução de Indução Trifásicos", Trifásicos", Revista Revista "Kéramica", "Kéramica", AnoAno XXIX, XXIX, N.º N.º 261,261, ISSN ISSN 0871-780X, 0871-780X, Setembro/Outubro, Setembro/Outubro, 2003; 2003; [13][13] Ferreira, Ferreira, F.; Almeida, F.; Almeida, J.: "Análise J.: "Análise Técnico-Económica Técnico-Económica dosdos Variadores Variadores Electrónicos Electrónicos de de Velocidade", Velocidade", Revista Revista O Electricista, O Electricista, N.º N.º 9, Agosto 9, Agosto de 2004; de 2004;

A redução A redução dasdas perdas perdas energéticas energéticas nosnos sistemas sistemas eléctricos eléctricos dede força força motriz motriz nana UEUE contribui contribui ainda ainda para para o aumento o aumento dada competitividade competitividade dodo seuseu tecido tecido empresarial empresarial e para e para a redução a redução dada suasua dependência dependência dede fontes fontes dede energia energia externas. externas.

[14][14] Ferreira, Ferreira, F.; Carvalho, F.; Carvalho, J.: "Metodologia J.: "Metodologia parapara Especificação Especificação dosdos Enrolamentos Enrolamentos Estatóricos Estatóricos na na Rebobinagem Rebobinagem dosdos Motores Motores de de Indução Indução Trifásicos Trifásicos de de Baixa Baixa Tensão", Tensão", Associação Associação Portuguesa Portuguesa da Indústria da Indústria de Cerâmica, de Cerâmica, Revista Revista "Kéramica", "Kéramica", AnoAno XXIX, XXIX, N.º N.º 264,264, ISSN ISSN 08710871780X, 780X, Janeiro/Fevereiro, Janeiro/Fevereiro, 2004; 2004; [15][15] Ferreira, Ferreira, F.; Almeida, F.; Almeida, A; Almeida, A; Almeida, J.: "Método J.: "Método de Avaliação de Avaliação em em Campo Campo do Tipo do Tipo de Ligação de Ligação mais mais Vantajosa Vantajosa parapara os Enrolamentos os Enrolamentos Estatóricos Estatóricos dosdos Motores Motores de de Indução Indução Trifásicos", Trifásicos",

25 Considerando 25 Considerando 0.055 0.055 €/kWh €/kWh e 0.1e 0.1 €/kWh €/kWh parapara os sectores os sectores industrial industrial e terciário, e terciário, respectivamente. respectivamente.

Revista Revista Manutenção, Manutenção, N.º N.º 81, 81, Julho Julho de 2004; de 2004; [16][16] Ferreira, Ferreira, F.; Almeida, F.; Almeida, J.: "Análise J.: "Análise Comparativa Comparativa entre entre Sistemas Sistemas Eléctricos Eléctricos de Força de Força Motriz Motriz de de Velocidade Velocidade Variável Variável Integrando Integrando Motores Motores de de Indução Indução e Motores e Motores DC DC semsem Escovas", Escovas", Revista Revista O Electricista, O Electricista, N.º N.º 10, 10, Outubro Outubro de 2004; de 2004;

SOBRE SOBRE OSOS AUTORES AUTORES (1)(2)(1)(2) (1) (1) Fernando Fernando J. T.J. E. T. Ferreira E. Ferreira e Dulce e Dulce H. H. C. C. Coelho Coelho (1)

(1) Departamento Departamento de de Engenharia Engenharia Electrotécnica Electrotécnica – Instituto – Instituto Superior Superior de de

Engenharia Engenharia de de Coimbra Coimbra (2)

(2) Instituto Instituto de de Sistemas Sistemas e Robótica e Robótica de de Coimbra Coimbra

[17][17] Ferreira, Ferreira, F., Moreira, F., Moreira, L; Beirão, L; Beirão, D.: "Considerações D.: "Considerações Técnico-Económicas Técnico-Económicas sobre sobre Motores Motores de de Indução Indução Trifásicos Trifásicos de Alto de Alto Rendimento Rendimento (Classe (Classe EFFEFF 1)",1)", Revista Revista "Kéramica", "Kéramica", AnoAno XXX,XXX, N.º N.º 268,268, ISSN ISSN 0871-780X, 0871-780X, Setembro/Outubro, Setembro/Outubro, 2004; 2004; [18][18] Ferreira, Ferreira, F.; Almeida, F.; Almeida, A.: "Electric A.: "Electric Machinery Machinery Winding Winding Design Design Software Software for for Teaching Teaching andand Rewinding", Rewinding", Proceedings, Proceedings, XVIXVI International International Conference Conference on on Electric Electric Machinery Machinery (ICEM), (ICEM), September September 2004; 2004; [19][19] Almeida, Almeida, A.; Ferreira, A.; Ferreira, F.; Both, F.; Both, D.: D.: "Technical "Technical andand Economical Economical Considerations Considerations to Improve to Improve thethe Penetration Penetration of Variable of Variable Speed Speed Drives Drives for for Electric Electric Motor Motor Systems", Systems", IEEEIEEE Transactions Transactions on on Industry Industry Applications, Applications, January/February January/February 2005.

2005.