Sobredimensionamento de Motores Elétricos Trifásicos Na Indústria
Sobredimensionamento de Motores Elétricos Trifásicos Na Indústria
Sobredimensionamento de Motores Elétricos Trifásicos Na Indústria
SOBREDIMENSIONAMENTO DE MOTORES
ELÉTRICOS TRIFÁSICOS NA INDÚSTRIA
SOBREDIMENSIONAMENTO DE MOTORES
ELÉTRICOS DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS NA
INDÚSTRIA
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ............................................................................................................ 3
RESUMO .............................................................................................................................. 5
LISTA DE TABELA................................................................................................................ 7
1. INTRODUÇÃO............................................................................................................ 9
2. OBJETIVOS ..............................................................................................................10
5. METODOLOGIA ........................................................................................................18
7. CONCLUSÃO ............................................................................................................25
REFERÊNCIAS ....................................................................................................................27
5
RESUMO
A forte e crescente política de Eficiência Energética vem estimulando cada vez mais o estudo
sobre os motores elétricos de forma a evitar desperdício de energia no país e nesse contexto
esse trabalho faz um estudo sobre o sobredimensionamento de motores elétricos trifásicos e
suas consequências quando deixado operando sobre essa condição. A proposta é um estudo
de caso em laboratório de um motor de 3 posto a trabalhar sobre diversas condições com
o objetivo de retirar sua curva de desempenho e feito isso supor o mesmo operando com 25%
da sua carga nominal de forma a propor uma substituição desse motor por um que se adeque
a carga de forma a verificar o custo da energia desperdiçada, caso aconteça desperdício,
quando esse motor trabalha sobre condição de sobredimensionamento. Além de estudar o
motor do laboratório é feito um levantamento de alguns motores elétricos postos a trabalhar
sobredimensionado e assim pode supor uma possível troca desse motor para evitar o
sobredimensionamento e o desperdício de energia.
Palavras Chaves
Motor Elétrico de Indução Trifásico, Sobredimensionamento, Maquinas Elétricas.
6
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELA
LISTA DE SIMBOLOS
1. INTRODUÇÃO
2. OBJETIVOS
Este trabalho tem por objetivo principal analisar o desempenho de um motor de indução
trifásico quando submetido a diferentes perfis de carga, abaixo do seu valor nominal, mais
especificamente quando a carga é menor que a metade da nominal, e o custo monetário que
se tem ao trabalhar com esse motor sobredimensionado e de posse do analisador dinâmico
de motor BAKER EXPLORE 3000 da SKF realizou-se a coleta dos dados e a análise dos
resultados a partir de uma unidade de conexão BAKER EP1000.
3. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
4. REVISÃO DA LITERATURA
O setor industrial além de ser o maior consumidor de energia de toda a matriz energética do
país é também o maior consumidor de energia elétrica correspondendo a 37,6. A figura 2
expõe a distribuição do consumo de energia elétrica por setor no Brasil com base no ano
2015, dados coletados do Balanço Energético Nacional ano base de 2015 (BEN 2016)1 [5].
6,1%
SETOR ENERGÉTICO
SETOR COMERCIAL
17,5% SETOR PÚBLICO
37,6%
SETOR RESIDENCIAL
8,2%
SETOR AGROPECUÁRIO
Diante do senário industrial, os motores elétricos são os maiores responsáveis pelo consumo
de energia, correspondendo aproximadamente a 61,8% do consumo de energia elétrica
industrial segundo o levantamento feito pelo Plano Nacional de Energia (PNE 2030) [6]
conforme é visto na figura 3.
1Dados correspondentes ao ano base de 2015, mas o Balanço Energético Nacional é feito no ano de
2016.
12
0,5%
FORÇA MOTRIZ
3,2%
10,4% CALOR DE PROCESSO
6,1%
AQUECIMENTO DIRETO
REFRIGERAÇÃO
16,1%
61,8% ILUMINAÇÃO
ELETROQUIMICA
1,9%
OUTRAS
Supõe-se que no Brasil, ocorre um grande desperdício de energia elétrica devido à forma
inadequada de utilização de máquinas e de equipamentos elétricos industriais, bem como à
baixa qualidade de alguns materiais utilizados na produção destes componentes. O
desperdício pode vim da utilização de motores sobredimensionados no qual operam com o
rendimento baixo, ou seja, quando a carga é menor que a metade da nominal.
Conforme é visto no Plano Nacional de Eficiência Energético [8], o peso da energia elétrica
no custo final do produto é significativo e pode atingir, em alguns segmentos, até 60% do
custo total de produção. Com a crescente competitividade de mercado, a indústria brasileira
deve-se tomar medidas necessárias para que sua competitividade tanto no mercado interno
quanto no externo seja garantida. Para o país manter um elevado grau de competitividade de
sua economia, a eficiência energética deve ser estimulada e incentivada de forma mais
incisiva. Neste contexto a tecnologia tem um papel fundamental uma vez que ela compõe um
dos fatores de competição sem estar livremente disponível. No Brasil, desde 2001 está em
vigor a Lei de Eficiência Energética que estabelece “níveis máximos de consumo específico
de energia, ou mínimos de eficiência energética, de máquinas e aparelhos consumidores
de energia fabricados ou comercializados no país” [9]. No ano de 2002 o Comitê Gestor
de Indicadores e Níveis de Eficiência Energética (CGINEE) aprovou o Decreto 4.508/2002,
que regulamentou a eficiência energética dos motores elétricos trifásicos de indução rotor
13
4.2 SOBREDIMENSIONAMENTO
Segundo Garcia para uma amostra de 2.119 motores da indústria brasileira, 36% operavam
a menos de 50% da carga nominal [7], em comparativo com os Estados Unidos, demostrado
2 91 motores, 80 inversores de frequência e soluções para injetoras e extrusoras de plásticos. Investimento de 4,52 milhões de
reais.
3 Investimento de 3,96 milhões de reais.
4 297 motores, inversores de frequência e soluções para filtros de manga e para torres de resfriamento. Investimento de 9,73
milhões de reais.
14
no trabalho de Nadel [11] através de uma amostra da indústria desse país, 44% dos motores
operavam com baixo rendimento a menos de 40% da carga nominal.
Motores sobredimensionados, com mais potência do que o necessário, são muito comuns na
indústria brasileira. Um motor sobredimensionado consome muito mais energia do que um
motor com a potência correta, do ponto de vista técnico o motor está trabalhando em condição
fora do que foi projetado, ou seja, o motor está trabalhando de forma ineficiente. Um motor
deve trabalhar utilizando entre 75 e 100% de sua potência para ter a melhor eficiência [13].
Quando se faz a adequação de potência é comum encontrar na literatura reduções no
consumo de energia de até 14%. No que se diz respeito a fator de potência, os motores
sobredimensionados operam com um fator de potência muito baixo e se enquadra nos
grandes causadores de multa nas faturas de energia, exigindo investimento/ adequação das
instalações para correção do fator de potência.
Onde:
4. Conjugado de partida;
5. Conjugado nominal;
6. Conjugado
15
7. Conjugado máximo;
8. Conjugado máximo;
A partir da equação 1 e das curvas de desempenho dos motores elétricos, pode-se calcular a
potência útil ( %) destes motores.
100
& = ( 0,736 (1)
Onde:
Com o objetivo de deixar o motor de 100 trabalhando com somente 25 , conforme feito
pela análise gráfica da figura 5 o rendimento é η = 79,96%, substituindo os valores na
equação 1, ( = 25 e η = 79,96% tem-se de potência consumida da rede ( &) de 23,01
.
Se ao invés de deixar o motor de 100 trabalhando com 25 fosse feita a troca do motor
de 100 para um de 25 de forma a adaptar o motor a carga, ou seja, o motor de 25
17
agora estará trabalhando com um rendimento a plena carga (100% da potência nominal).
Conforme a tabela 1 o rendimento será igual a 90,2%. Substituído ( = 25 e = 90,2%
tem-se o valor de potência consumida da rede ( &) de 20,4 .
Onde:
4. Energia desperdiçada;
5. ( 0((&1 Potência útil do motor de 100 ;
6. ( 34&1 Potência útil do motor de 25 .
= . 89 9 ℎ (3)
Considerando o valor de 1 ℎ igual a :;$ 0,06 o custo da energia ( ) desperdiçada por ano,
é de = :;$ 1353.025.
=>??> @A@
= 100 <1 − D (4)
B C$@A@
Onde:
7. Eficiência ou rendimento;
8. =>??> @A@ Potência dissipada;
9. B C$@A@ Potência de entrada.
A potência dissipada pode ser vista como a potência perdida principalmente por conta do calor
e que degrada a vida útil do motor.
5. METODOLOGIA
Para coleta dos sinais de corrente e tensão foram utilizados alicates amperímetro e
conectores tipo jacaré, sendo que ambos os sensores estão disponíveis no equipamento
BAKER EXPLORE 3000, tecnologia disponível no Laboratório de Máquinas e
Transformadores (LAMET) da Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ) que pode
ser visualizado na figura 6.
Para aquisição dos dados são utilizados: alicates amperímetros (7) e conectores tipo jacaré
(9), para coleta de correntes e tensões respectivamente. O Baker Explore 3000 (8) é uma
tecnologia de análise dinâmica, para monitoramento de equipamentos em operação (on-line)
e monitoramento remoto do Centro de Controle do Motor (CCM), sendo uma unidade portátil
e robusta para ser usada em “chão de fábrica”.
20
6. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Utilizou-se para a simulação, via Analisador Dinâmico BAKER 3000, um MIT cujo dados de
placa estão apresentados na tabela abaixo e a sua curva de desempenho é mostrada na
figura 9. Vale destacar que esse motor é um W22 Plus cuja categoria é N de marca WEG.
Através da figura 10, curva de rendimento em função da potência fornecida dada através do
experimento, o rendimento a plena carga (100% da potência nominal) é igual a 82,36 %, em
comparação com a curva retirada do site WEG e pela tabela 3 esse valor de rendimento é
85,1% o que corresponde um erro relativo pequeno, em torno de 3,22 %.
88
84
80
76
Rendimento (%)
72
68
64
60
56
52
48
44
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Potência fornecida em relação a nominal (%)
A potência consumida da rede, pelo motor proposto de 0,75 , é maior que a potência
consumida do motor já existente, motor de 3 , o que demostra que a troca não traz nenhum
ganho energético e financeiro no custo da energia elétrica, pelo contrário, caso a troca seja
feita o consumo de energia será maior além de ter que investir na compra de um novo motor
o que produz um custo inicial no investimento desnecessário.
Em vários artigos e trabalhos publicados demonstram que motores do tipo padrão (Standard)
possuem um rendimento inferior quando comparado aos motores de alto rendimento e
motores de modelos mais novos que buscam atender os níveis de rendimento especificados
na norma ABNT NBR 17094 que atende a Portaria Nº 553 da Lei de Eficiência Energética Nº
10.295 que entrou em vigor em dezembro de 2009. Encontra -se no mercado motores que
além de atender as normas brasileiras buscam acata normas internacionais como, por
exemplo, a WEG em sua linha de motores Premium Plus que atende os níveis de rendimentos
IE4, estabelecidos na Europa, através da norma IEC 60034-30-1.
Com essa nova política de Eficiência Energética, do ponto de vista da metodologia aplicada
no trabalho, os motores elétricos disponíveis no mercado brasileiro apresentam além de um
melhor rendimento, quando comparados aos seus antecessores, uma curva de desempenho
mais suave e linear na região entre 25% e 50% (região considerada de
24
sobredimensionamento) da carga nominal o que demostra que, mesmo que o motor não opere
em carga nominal seu rendimento não sofre alterações que tenham impactos relativamente
grande no custo da energia o que garante níveis de eficiência energética superiores e
menores custos de operação. Esse resultado pode ser observado nas tabelas 5 e 6.
As escolhas dos motores nas tabelas 5 e 6 foram feitas visando sempre encontrar no mercado
um motor que possa ser substituído quando esse motor estiver trabalhando com 25% da carga
nominal e por esse motivo nessas tabelas não encontram -se todos os motores disponíveis,
pois alguns deles não podem ser substituídos quando estiver trabalhando com 25% da carga
por não encontrar no mercado um motor que tenha igual valor de potência.
A tabela 5 demonstra que motores dessa linha não apresentam ganhos significativos no custo
anual de energia quando se faz a troca do motor sobredimensionado por um motor que
trabalhe no regime nominal de operação, além disso alguns motores apresentam valores de
energia desperdiçada negativas o que implica em custos negativos, ou seja, esses motores
trabalhando sobredimensionados consomem menos energia da rede que o motor trabalhando
no regime nominal. Vale salientar que o estudo foi feito considerando uma única unidade, ou
seja, um único motor, se for considerado uma planta industrial no qual apresenta uma grande
quantidade de motores elétricos e se os mesmos estiverem operando de forma
25
sobredimensionado a soma dos pequenos custos de cada motor no montante final terá um
aumento significante no custo anual da energia.
7. CONCLUSÃO
Diante dos dados apresentados e dos estudos feitos de alguns motores, os motores que
atendem a norma ABNT NBR 17094 da Portaria Nº 553 da Lei de Eficiência Energética Nº
10.295 por possuírem uma curva de desempenho suave e aproximadamente linear na faixa
de 25% a 50% da potência fornecida em relação a nominal a troca de motores
26
sobredimensionados por um motor que trabalhe na condição nominal trazem ganhos muito
pequeno do ponto de vista da economia de energia, isso acontece porque esse motores
trazerem em sua construção melhorias quando comparados com os motores padrão, essas
melhorias são: maior quantidade de cobre, o que reduz as perdas Joule (perdas no estator);
Chapa magnética com baixas perdas, reduzindo a corrente magnetizante e,
consequentemente, as perdas no ferro; Enrolamento dupla camada, provendo melhor
dissipação de calor; Rotores tratados termicamente, reduzindo as perdas suplementares;
Menor região de entreferro, reduzindo as perdas suplementares. Vale destaca que o estudo
considera um número de poucos motores, pois caso o universo de motores seja maior, ou
seja, se for levado em consideração uma planta industrial, por exemplo, a soma dos pequenos
custos de energia elétrica de cada motor no montante final terá um aumento significante no
custo anual da energia.
O experimento com o motor de 3 demostrou que não compensa fazer a substituição desse
motor caso ele venha trabalhar com uma potência abaixo dos 50% da potência fornecida em
relação a nominal, vale destacar que a proposta de substituição foi feita propondo substituir o
mesmo por um motor da mesma linha.
As análises feita nas tabelas 5 e 6 mostram que, dentro da gama de motores escolhidos, todos
os motores que possuem o seu correspondente quando trabalhando em 25% da nominal, o
custo de energia elétrica anual, caso seja feita a substituição, é muito pequeno ou até mesmo
negativo mostrando que não é compensativo a troca desses motores. Vale destacar ainda
que se o universo de motores for aumentado e se for analisado no longo prazo então, esses
pequenos custos anuais, de cada motor, são acumulados no final do período avaliado e no
montante final terá um valor bastante considerável. Tomando como base um dos motores, o
de 100 , quando o mesmo está trabalhando com 25% do seu valor nominal (25 ) e então
é proposto a sua substituição por um outro motor, no caso um de 25 , o valor da energia
desperdiçada, para a linha WEG – W22 PLUS, é 3630,401 ℎ e o custo anual da energia
desperdiçada é $ 1011,40, o que confirma um custo muito pequeno5.
5 Custo esse que aumenta se for levado em consideração um número maior de motores.
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REFERÊNCIAS
[1] S. J. Chapman, Fundamentos de Máquinas Elétricas, 5ª ed., New York: Bookman, 2013.
[2] R. A. Castro, “Análise de viabilidade de troca de motores elétricos superdimensionados
e a influência da energia reativa,” Disertação de Mestrado, UNICAMP - SP, p. 120, Junho
2008.
[3] A. C. Delaiba, A. H. P. d. Medeiros, M. V. S. Décio Bispo, M. S. F. d. Santos e P. H. O.
Rezende, “Estudo da Eficiência Energética e Dimensionamento de Motores de Indução
Trifásicos a Partir da Plotagem de suas Curvas Características,” Conferência de Estudos
em Engenharia Elétrica , p. 06, 2008.
[4] EPE - Empresa de Pesquisa Energética, “Aspectos Fundamentais de Planejamento
Energético,” EPE – Empresa de Pesquisa Energética, Rio de Janeiro, 2005.
[5] EPE - Empresa de Pesquisa Energética, “Balanço Energético Nacional Ano Base 2015,”
EPE - Empresa de Pesquisa Energética, Rio de Janeiro, 2016.
[6] EPE - Empresa de Pesquisa Energética, “Plano Nacional de Energia,” EPE - Empresa
de Pesquisa Energética, Rio de Janeiro, 2007.
[7] A. G. P. Garcia, “Impacto da Lei de Eficiência Energética para Motores Elétricos no
Potencial de Conservação de Energia na Indústria,” Tese de Doutorado, UFRJ - RJ,
Dezembro 2003.
[8] EPE - Empresa de Pesquisa Energética.
[9] Brasil, “Decreto 4.059 de 19.dez.01. Regulamenta a Lei no 10.295, de 17 de outubro de
2001, que dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia,
e dá outras providências,” D.O.U, p. 1, 20 Dezembro 2001.
[10] Brasil, “Decreto 4.508 de 11.dez.02. Dispõe sobre a regulamentação específica que
define os níveis mínimos de eficiência energética de motores elétricos trifásicos de
indução rotor gaiola de esquilo, de fabricação nacional ou importados, para
comercialização.,” D.O.U, p. 8, 12 Dezembro 2002.
[11] S. M. Nadel, M. N. Reid e D. R. Wolcott, “Regulatory Incentives for Demand-Side
Management,” American Council for an Energy-Efficient Economy, 2001.
[12] R. d. P. Tabosa e G. A. Soares, “Ações tecnológicas de conservação de energia em
motores e acionamentos,” Revista Eletricidade Moderna, p. 36, 1996.
[13] A. T. R. Barbosa e G. A. Matos, “Para uma melhor eficiência energética na indústria de
embalagem: uma proposta de substituição de motor elétrico de indução,” VI Simpósio
Brasileiro de Sistemas Elétricos, 2016.
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