Fernando J. T. E. Ferreira1,3 e Sérgio M. A. Cruz2,4
Dossier
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Dep. Eng. Electrotécnica, Instituto Superior de Engenharia de Coimbra, Coimbra, Portugal 2
Dep. Eng. Electrotécnica e de Computadores, Universidade de Coimbra, Portugal 3
Instituto de Sistemas e Robótica, Universidade de Coimbra, Portugal 4
Instituto de Telecomunicações, Portugal
Visão geral sobre selecção, controlo e manutenção de motores de indução trifásicos Resumo Os motores eléctricos são parte integrante da grande maioria dos equipamentos industriais. Nos países desenvolvidos, consomem mais de 50% da energia eléctrica, sendo por isso uma das cargas eléctricas mais importantes. Devido ao seu relativo baixo preço, bom rendimento e elevada fiabilidade, os motores de indução trifásicos com rotor em gaiola de esquilo (MIs) dominam o actual mercado de motores eléctricos industriais, situação que se manterá, seguramente, na próxima década. Na indústria, ao longo do seu tempo de vida de 12 a 20 anos, os MIs são reparados tipicamente 2 a 4 vezes e consomem uma energia que, em valor, pode representar 60 a 200 vezes o seu custo inicial, dependendo esta relação, em grande parte, do seu rendimento médio ao longo do ciclo de funcionamento. Na maioria dos casos, em contexto industrial, o custo do ciclo de vida dos MIs imputa-se em mais de 90% ao seu custo de exploração ou de utilização, no qual influi directamente o seu rendimento e fiabilidade, podendo ambos ser maximizados através de práticas correctas de selecção, controlo e manutenção, bem como, simultaneamente, através da garantia de apropriadas condições de funcionamento, incluindo a qualidade da alimentação. De uma perspectiva técnico-económica, o investimento na melhoria do rendimento, da fiabilidade e do controlo dos MIs e, de forma mais geral, dos sistemas eléctricos de força motriz é, para grande parte das indústrias, rentável e muito atractivo. Neste artigo, de forma integrada e actualizada, apresenta-se uma breve síntese sobre os referidos aspectos, inerentemente subjacentes à moderna gestão dos sistemas eléctricos de força motriz industriais, com especial destaque para os MIs. Pretende-se, acima de tudo, dar ao leitor uma visão geral sobre o assunto, apresentando-se, em cada secção, um conjunto de referências bibliográficas, de consulta recomendada a quem desejar aprofundar os conhecimentos técnicos nos diversos assuntos discutidos.
I. Introdução Os motores eléctricos são parte constituinte dos accionamentos electromecânicos ou sistemas eléctricos de força motriz (SEFMs, Fig. 1) que, por sua vez, integram a grande maioria dos equipamentos industriais. Mundialmente, os motores eléctricos consomem 30-40% da energia eléctrica (sendo este valor de 50-60% nos países desenvolvidos), constituindo assim uma das cargas eléctricas mais importantes, responsável por cerca de 13% do total de emissões de CO2eq, conforme se ilustra na Fig. 2 [1-6]. Desta forma, pequenos aumentos no rendimento dos SEFMs terão um impacto muito significativo na redução do consumo de energia eléctrica e, consequentemente, nas emissões de CO2eq inerentes à sua produção. Na indústria da União Europeia (UE), tal como em Portugal, os motores eléctricos consomem 70-75% da energia eléctrica, que se reparte por bombas (21%), ventiladores (16%) e compressores (25%). No sector terciário, o consumo dos motores eléctricos reparte-se maioritariamente pelas bombas (16%), ventiladores (24%), refrigeração (25%), ar condicionado (17%) e elevadores/tapetes rolantes (11%) [1]. Devido ao seu relativo baixo preço, bom rendimento e elevada fiabilidade, os motores de indução trifásicos com rotor em gaiola de esquilo (MIs), fechados (blindados) e auto-ventilados (Fig. 3), dominam o actual mercado de motores eléctricos industriais (i.e., com potência nominal igual ou superior a 0,75 kW), representando, em
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número, mais de 90% dos motores vendidos e 85-90% dos motores instalados na indústria (Fig. 4), situação que se manterá, seguramente na próxima década [3, 4]. Nos EUA, 96% da energia eléctrica consumida pelos motores imputa-se aos MIs. Na indústria, ao longo do seu tempo de vida de 12 a 20 anos, os MIs são reparados tipicamente 2 a 4 vezes e consomem uma energia que, em valor, pode representar 60 a 200 vezes o seu custo inicial, dependendo esta relação, em grande parte, do seu rendimento médio ao longo do ciclo de funcionamento.
Figura 1 - Sistemas eléctricos de força motriz.
Dossier
E. Avaliação Técnico-Económica do Investimento
Referências
Nos SEFMs faz todo sentido realizar avaliações técnico-económicas de investimento, nas quais se avaliam as vantagens económicas e técnicas em função de um determinado investimento ou gasto adicional. Tipicamente, as vantagens técnicas traduzem-se posteriormente em vantagens económicas. Por exemplo, se a aplicação de uma determinada tecnologia permitir um controlo mais preciso de velocidade e uma protecção mais eficaz do motor (vantagens técnicas), poderá haver, por exemplo, uma melhoria na qualidade dos processos dependentes do sistema por ele accionado e um aumento do seu tempo de vida (vantagens económicas). Numa primeira abordagem, podem-se utilizar indicadores simplificados na análise técnico-económica do investimento em duas tecnologias diferentes em rendimento e custo, CIA e CIB, como é o caso das poupanças anuais (em €/ano) e do tempo de retorno do investimento simples, TRI (em anos), de acordo com as equações 6 e 7, aplicáveis a um ciclo de funcionamento com n períodos com duração Hi (em horas/ano), custo de electricidade Ci (em €/kWh) e carga aproximadamente constante. CIA e CIB (em €) representam o custo das tecnologias A e B, respectivamente. A potência mecânica desenvolvida, P veio, é dada em kW.
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Poupanças=i=1nPveio_B_iKB_i-Pveio_ A_iKA_i·Hi·Ci com KA>KB
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TRI=CIA-CIBPoupanças
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Todavia, para além disso, em sistemas com vários módulos, onde há diversas opções possíveis de investimento, é necessário gerir correctamente a repartição do investimento em valor e no tempo. Em todos os casos, do ponto de vista da relação investimento-benefício, existe sempre uma opção mais vantajosa que poderá ser facilmente identificada. Saliente-se que o investimento concentrado num único módulo não é, em muitos casos, a melhor opção, como aliás já foi referido. Isto tem a ver com os diferentes custos por aumento do rendimento para os diferentes equipamentos a considerar e com a relação entre o valor de todos os rendimentos dos diferentes equipamentos/módulos que integram o sistema. Em geral, se o objectivo é maximizar o rendimento de um sistema, deve-se procurar investir de forma a aproximar o valor do rendimento de todos os seus módulos [4, 7].
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F. Projectos Europeus no Domínio dos Motores Eléctricos No contexto dos sistemas eléctricos de força motriz, foram já levados a cabo diversos projectos europeus, realizados por consórcios de vários países envolvendo universidades, institutos de investigação, associações e empresas. Exemplos de projectos relacionados com o assunto deste artigo são “Barriers Against Energy-Efficient Electric Motor Repair” [22], “Improving the Penetration of Energy-Efficient Motors and Drives” [1], “VSDs for Electric Motor Systems” [2], “Motor Challenge Programme” e “Ecodesign of Electric Motors” [3]. Os relatórios e outros documentos técnicos produzidos no âmbito dos referidos projectos estão, na sua grande maioria, disponíveis na Internet.
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de Almeida, A.; Fonseca, P.; Ferreira, F.; Guisse, F.; Diop, A.; Previ, A.; Russo, S.; Falkner, H.; Reichert, J.; Malmose, K.: “Improving the Penetration of Energy Efficient Motors and Drives”, ISR-University of Coimbra, Report prepared for the Directorate General of Transport and Energy, SAVE II Programme 2000, European Commission, Brussels, 2000. de Almeida, A.; Ferreira, F.; Fonseca, P.; Chretien, B.; Falkner, H.; Reichert, J.; West, M.; Nielsen, S.; Both, D.: “VSDs for Electric Motor Systems”, ISR-University of Coimbra, Report prepared for the Directorate General of Energy, SAVE II Programme 2001, European Commission, 2001. de Almeida, A.; Ferreira, F.; Fong, J.; Fonseca, P.: “Ecodesign Assessment of Energy-Using Products - EuP Lot 11 Motors”, Final Report for the European Commission, Institute of Systems and Robotics, Univ. of Coimbra, 28th April 2008. Ferreira, F.: “Strategies to Improve the Performance of ThreePhase Induction Motor Driven Systems”, Ph. D. Thesis (Tese de Doutoramento), Universidade de Coimbra, 2008. Ferreira, F.; Coelho, D.: “Optimização de Sistemas Eléctricos de Força Motriz”, Revista Manutenção, N.º 85, 2005; Revista Kéramica, N.º 272, Maio/Junho de 2005. de Almeida, A.; Fonseca, P.; Ferreira, F.; Oliveira, F.: “Tecnologias Eficientes de Força Motriz na Indústria”, Revista Indústria e Ambiente, N.º 38, 2.º Trimestre, 2005. Ferreira, F.: “Estratégias de Optimização do Investimento em Sistemas Eléctricos de Força Motriz”, 5.º Congresso Luso-Moçambicano de Engenharia (CLME’08), Setembro de 2008. de Almeida, A.; Ferreira, F.; Busch, J.; Angers, P.: “Comparative Analysis of IEEE 112-B and IEC 34-2 Efficiency Testing Standards Using Stray Load Losses in Low-Voltage Three-Phase, Cage Induction Motors”, IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 38, No. 2, pp. 608-614, March/April 2002. Ferreira, F.; de Almeida, A.: “Estratégias de Transformação do Mercado de Motores Eléctricos – Normas e Políticas”, 5.º Congresso Luso-Moçambicano de Engenharia (CLME’08), Setembro de 2008. de Almeida, A.; Ferreira, F.; Parasiliti, F.; Walters, D.: “Barriers Against Energy-Efficient Electric Motor Repair”, ISR-University of Coimbra, Motors Study Group, Report prepared for the Directorate General XVII, European Commission, Brussels, 1999. de Almeida, A.; Ferreira, F.: “Actions to promote energy-efficient electric motor repair”, Inter. Journal of Energy Technology and Policy, Vol. 1, No. 3, pp. 302-314, 2003. Ferreira, F.: “Métodos Avançados de Manutenção Curativa e Reabilitação de Motores de Indução Trifásicos de Baixa Tensão”,Tese de Mestrado, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2002. Ferreira, F.; de Almeida, A.; Carvalho, J.: “Experiments to Observe the Impact of Power Quality and Voltage-Source Inverters on the Temperature of Three-Phase Cage Induction Motors using an Infra-Red Camera”, 2009 IEEE Inter. Electric Machines and Drives Conf. (IEMDC’09), Miami, Florida, USA, 3-6 May, 2009. (Continuação do artigo na próxima edição)
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