Visão geral sobre os acionamentos eletromecânicos industriais

robótica

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Fernando J. T. E. Ferreira Departamento de Engenharia Eletrotécnica, Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC) Instituto de Sistemas e Robótica, Universidade de Coimbra (ISR-UC)

Dossier . ACIONAMENTOS ELETROMECÂNICOS

Visão geral sobre os acionamentos eletromecânicos industriais 1. INTRODUÇÃO Os acionamentos elétricos/eletromecânicos industriais (ACEMIs), também denominados de sistemas elétricos de força motriz, convertem potência elétrica em potência mecânica. De uma forma geral, tal como se ilustra nas Figuras 1a e 1b, de uma forma geral, os ACEMIs podem integrar dispositivos elétricos de comando, manobra e proteção (por exemplo, controladores, relés térmicos e disjuntores), sistemas de arranque suave ou gradual (por exemplo, arrancadores estrela-triângulo com contactores, arrancadores suaves e reguladores de tensão), controladores eletrónicos de velocidade e/ou binário (por exemplo, variadores de velocidade e reguladores de tensão), motores elétricos, sistemas de transmissão mecânica (por exemplo, correias, correntes e engrenagens) e a aplicação/carga final (por exemplo, bombas, ventiladores, sopradoras, compressores, correias transportadoras, misturadoras, trituradoras, moinhos, centrifugadoras, prensas, elevadores, serras, máquinas de corte, entre outros), podendo esta última ser considerada ou não como parte integrante do ACEMI. Deve-se ainda ter em conta a qualidade da alimentação, em termos de amplitude, desequilíbrio e distorção harmónica das tensões, dado que poderá ter um impacto muito significativo no rendimento e fiabilidade dos ACEMIs. O rendimento de um ACEMI é dado pela relação entre a potência/energia útil fornecida e a potência/energia elétrica absorvida ou, de outra forma, igual ao produto dos rendimentos individuais dos módulos que o compõem (Figura 2).

Fernando J. T. E. Ferreira é doutorado em Engenharia Eletrotécnica e autor de mais de 100 artigos técnico-científicos publicados em revistas e conferências, nacionais e internacionais, de reconhecido mérito. Já participou em diversos projetos de investigação europeus sobre sistemas elétricos de força motriz. Atualmente, é docente no Instituto Superior de Engenharia de Coimbra e investigador no Instituto de Sistemas e Robótica, Universidade de Coimbra. fernando@isec.pt

Figura 1a. Exemplos de componentes/módulos que integram os acionamentos eletromecânicos industriais.

Atualmente, a nível mundial, os ACEMIs consomem cerca de 2/5 da energia elétrica, sendo responsáveis por cerca de 1/8 das emissões de CO2eq (Figura 3). No conjunto dos países desenvolvidos, em média, os ACEMIs consomem cerca de 1/2 da energia elétrica. Na União Europeia (UE), bem como em Portugal, em média, os ACEMIs são responsáveis pelo consumo de mais de 2/3 da energia elétrica no setor industrial, sendo a carga elétrica mais relevante. No setor industrial da UE, do total da energia elétrica consumida pelos ACEMIs, em média, 22% diz respeito a bombas (Figura 4, esquerda), 18% a compressores de ar, 16% a ventiladores (Figura 4, direita), 7% a compressores de refrigeração, 2% a equipamentos transportadores (por exemplo, tapetes rolantes) e 35% a outras aplicações. Em Portugal, a repartição do consumo dos ACEMIs por aplicação final é muito semelhante à da UE. Dada a relevância dos ACEMIs em termos de consumo energético, existe um elevado potencial de poupança de energia associado à sua otimização, o que, de uma forma geral, justifica o investimento em tecnologias/equipamentos mais eficientes e melhores métodos de controlo do motor, da aplicação/carga e/ou do processo.

Em média, os motores elétricos industriais têm um tempo de vida útil de 12 a 20 anos e consomem anualmente uma quantidade de energia com um valor 5 a 10 vezes superior ao seu custo inicial. Ao longo do seu tempo de vida útil o custo energético acumulado pode ascender a um valor 60 a 200 vezes superior ao seu custo inicial. Isto demonstra que o consumo energético deste tipo de equipamentos (que depende diretamente do seu rendimento) é, de longe, a parcela mais importante do seu custo de ciclo de vida. As aplicações/cargas com maior potencial de poupança de energia decorrente do controlo de velocidade são as que envolvem movimentação de fluidos (por exemplo, bombas e ventiladores centrífugos), não obstante as associadas ao transporte de matérias ou embalagens também poderem beneficiar de poupanças significativas.

Em sistemas de bombagem e ventilação com necessidade de variação de fluxo/ caudal ao longo do ciclo de funcionamento, a substituição do controlo por estrangulamento (utilizando, por exemplo, válvulas ou persianas) por controlo de velocidade pode conduzir, em média, a poupanças na ordem dos 15-25%. Nos compressores, a substituição do controlo ON/OFF por controlo de velocidade

800 kW, propostos para a 2.ª Edição da Norma IEC 60034-30.

Figura 8. Evolução dos MEPS na UE-27, nos EUA e na China.

nativa aos motores de indução monofásicos com condensador permanente (Permanent Split Capacitor Motor) ou de pólos sombreados (Shaded Pole Motor), oferecendo um rendimento significativamente mais elevado. Os PMs com enrolamentos distribuídos e alimentação PWM, comummente denominados apenas por PMs, requerem um controlador eletrónico, exceto se possuírem uma gaiola de esquilo auxiliar para o arranque direto da rede, denominando-se neste último caso de line-start PM ou LSPMs (motor PM com capacidade de arranque direto).

A tecnologia PM é muito utilizada em servomotores ou motores para controlo de movimento e/ou binário (Figura 1b, Secção 16). Os PMs têm um rendimento muito elevado (superior ao dos MIRGs) e, quando controlados eletronicamente, o seu desempenho dinâmico é excelente. Os motores PM estão disponíveis até 150 kW, 1.500-3.000 rpm, 200-400 V, e quase todos os fabricantes vendem este tipo de motor com o respetivo controlador eletrónico. Presentemente, existe apenas um fabricante a comercializar um modelo LSPM industrial (WEG WQuattro; Figura 1b, Secção 14), com potência na gama de 0,37 kW a 7,5 kW, 4 e 6 pólos, 220-690 V.

As normas internacionais IEC/CEI (adoptadas na UE) que dizem respeito aos métodos de medida e classificação do rendimento nominal dos motores elétricos industriais, têm também sido sistematicamente atualizadas e/ou revistas no sentido de haver uma convergência a nível mundial, particularmente em relação às normas equivalentes nos EUA. Neste momento, no mercado europeu, estão em vigor a Norma IEC60034-2-1 (1.ª Edição, 2007) para medição do rendimento nominal e a Norma IEC60034-30 (1.ª Edição, 2008) para classificação dos MIRGs trifásicos de velocidade fixa com potências entre 0,75 e 375 kW, 2, 4 e 6 pólos, 50 e 60 Hz, contemplando 3 classes de rendimento, nomeadamente, IE1 – Rendimento Standard, IE2 – Alto Rendimento e IE3 – Rendimento Premium. As Classes IE1 e IE2 são equivalentes às antigas Classes EFF2 (rendimento melhorado) e EFF1 (alto rendimento) definidas em 1998, no âmbito do acordo voluntário entre a Comissão Europeia (CE) e o Comité Europeu de Fabricantes de Máquinas Elétricas e de Eletrónica de Potência (CEMEP). A Norma IEC60034-30 está atualmente em revisão, sendo que a 2.ª edição se estenderá aos motores PM e de relutância, aos motores

Na UE, dada a importância dos ACEMIs em termos de consumo energético, apesar dos efeitos satisfatórios na transformação do mercado europeu de motores elétricos industriais obtidos com a classificação e rotulagem (labeling) decorrentes do acordo CE-CEMEP4, que conduziu à redução da quota de mercado dos motores de classe EFF3 (antigo rendimento standard ou baixo rendimento), decidiu-se avançar com regulamentos que impõem níveis mínimos de rendimento (Minimum Energy Performance Standard - MEPS) aos motores elétricos comercializados. Assim, conforme se pode observar na Figura 8, desde junho de 2012, não se podem comercializar motores de Classe inferior à IE2, na gama de 0,75 kW a 375 kW. Em janeiro de 2015 será obrigatória a comercialização de motores de Classe IE3 ou, no caso de se instalar também um VEV, de Classe IE2, na gama de 7,5 kW a 375 kW, sendo que o limite inferior se estenderá para 0,75 kW em janeiro de 2017. Assim, mesmo tendo em conta o atual stock de motores (em funcionamento e em armazém) de Classe IE1 e da antiga Classe EFF3, haverá uma transformação muito significativa e rápida do mercado de motores elétricos industriais, no sentido do aumento do seu rendimento nominal e, simultaneamente, uma cada vez maior utilização de VEVs.

4 Com a introdução do sistema de classificação e rotulagem no âmbito do acordo CE-CEMEP de 1998, que se aplicou aos MIRGs tetrapolares de 1,1 kW a 90 kW, a quota de mercado dos motores de Classes EFF1 (standard ou baixo rendimento), EFF2 (rendimento melhorado) e EFF3 (alto rendimento), evoluiu de 2%, 20% e 68% para 17%, 82% e 1%, respectivamente, de 1998 a 2009.

Continua na próxima edição.

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Figura 7. Limites das classes de rendimento nominal para motores trifásicos tetrapolares, na gama de 0,12 a

de velocidade variável, aos motores de 8 pólos e à gama de potência de 0,12 a 800 kW. Nesta edição, será ainda definida a classe IE4 – Rendimento Super-Premium e fará referência à futura Classe IE5 – Rendimento Ultra-Premium, prevendo-se a sua inclusão definitiva na 3ª Edição da Norma. Na Figura 7, apresentam-se os limites das Classes de rendimento nominal propostos para a 2.ª Edição da Norma IEC60034-30. Devido ao cada vez maior número de ACEMIs de velocidade variável, há também Normas em preparação para a medida do seu rendimento para diferentes velocidades e cargas (mapas de rendimento).