Os Motores do Futuro
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Heinz Lendenmann, Reza R. Moghaddam, Ari Tammi, Lars-Erik Thand ABB, S.A. Tel.: +351 214 256 000 ¡ Fax: +351 214 256 390 marketing.abb@pt.abb.com ¡ www.abb.pt
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Os motores sĂncronos controlados por variadores de velocidade estĂŁo a trazer maior eďŹ ciĂŞncia Ă s aplicaçþes industriais.
Os motores elĂŠtricos para aplicaçþes industriais representam aproximadamente 60% a 65% do consumo de eletricidade na indĂşstria. A utilização eďŹ ciente da eletricidade aumentando a eďŹ ciĂŞncia dos motores ĂŠ o nĂşcleo da sua constante otimização. TambĂŠm se consegue uma importante poupança de energia utilizando sistemas de acionamento de velocidade variĂĄvel; atualmente utiliza-se esta tecnologia em cerca de 30 – 40% de todos os novos motores instalados. O uso sustentĂĄvel e o investimento tambĂŠm exigem aos motores uma maior ďŹ abilidade e uma vida Ăştil mais prolongada. A aďŹ nada estrutura do rotor dos motores de sĂncronos de relutância da ABB elimina as perdas na gaiola do rotor e, deste modo, aumenta a eďŹ ciĂŞncia e compacticidade. A possibilidade de se atingir nĂveis normais de potĂŞncia mantendo-se na Classe A de aumento da temperatura (60 K) melhora a vida Ăştil do isolamento do motor e prolonga a vida das chumaceiras ou os intervalos de lubriďŹ cação. Utilizam-se motores elĂŠtricos numa grande variedade de aplicaçþes industriais. A
maioria das aplicaçþes tem em comum a necessidade do motor ser o mais eďŹ ciente possĂvel e ter uma vida Ăştil o mais longa possĂvel, sem aumentar ao mesmo tempo as exigĂŞncias de manutenção ou as avarias. Os motores sĂncronos de relutância da ABB sĂŁo mais pequenos, o que ajuda os fabricantes de mĂĄquinas a desenhar equipamentos mais pequenos, leves e eďŹ cientes. AlĂŠm disso, a possibilidade de funcionarem a grandes velocidades ajuda a eliminar elementos mecânicos de transmissĂŁo, tais como as caixas de engrenagens. Em Ăşltima instância, isto permite integrar o motor e os equipamentos que constituem a carga, uma exigĂŞncia cada vez mais frequente. Para responder Ă necessidade de um motor mais eďŹ ciente, mais pequeno, com uma vida Ăştil mais longa e poucas exigĂŞncias de manutenção com um novo tipo de motor e tambĂŠm perfeitamente adaptado ao uso de acionamentos de velocidade variĂĄvel (VSD), a ABB analisou todas as opçþes tecnolĂłgicas com uma
postura radical. O arranque de um motor VSD ĂŠ muito diferente de um de ligação direta (DOL). Esta e outras alteraçþes Ă s condiçþes de funcionamento, colocam em relevo as possibilidades de simpliďŹ car o desenho do motor e de melhorar a sua eďŹ ciĂŞncia. Um mĂŠtodo bem conhecido ĂŠ utilizar motores sĂncronos (MS). Um MS com um rotor de 4 pĂłlos que trabalha a 50 Hz roda em sincronismo com a rede elĂŠtrica exatamente a 1500 rpm. Por outro lado, um motor de indução equivalente apresenta perdas por escorregamento e roda a apenas 1475 rpm, num exemplo selecionado de 30 kW. Nos modernos motores de indução com rotor em curto-circuito, as perdas associadas ao rotor ascendem a 20-35% das perdas totais do motor. O funcionamento sĂncrono elimina a maioria e destas perdas associadas. A eliminação destas perdas de escorregamento leva a um aumento da eďŹ ciĂŞncia de aproximadamente 0,6% (motor de 220 kW) a 8% (3 kW) e a um aumento de 20% a 40% na densidade de potĂŞncia e binĂĄrio, para a mesma classe de temperatura de isolamento. Existem diferentes tipos de motores sĂncronos: enrolamento de campo com excitadores sem escova; de Ăman permanente (PM); ou baseados no princĂpio da relutância magnĂŠtica (frequentemente denominados por motores sĂncronos de relutância ou Syn-RM). O rotor de um Syn-RM nĂŁo tem gaiola em curto-circuito como o de indução, Ămanes permanentes, nem enrolamentos de excitação de campo. Em vez disso, utiliza o princĂpio da relutância magnĂŠtica.
MOTOR SĂ?NCRONO DE RELUTĂ‚NCIA A relutância magnĂŠtica ĂŠ o equivalente magnĂŠtico da resistĂŞncia dos circuitos elĂŠtricos. O rotor apresenta um sentido de resistĂŞncia magnĂŠtica mĂnima (d) e um sentido perpendicular (q) com uma relutância magnĂŠtica elevada ou “bom isolamento magnĂŠticoâ€? (Figura 1). O binĂĄ-
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Pode atingir-se uma velocidade máxima de até 1,5 vezes a nominal para grande parte da gama de motores. Este controlo do acionamento é um resultado particular e especialmente importante da ABB, que permite a este Syn-RM alcançar uma densidade de binário con-
sideravelmente superior à dos motores de indução. A instalação e o manuseamento do acionamento eletrónico deste motor são indistinguíveis das correspondentes aos VSD para motores de indução ou de íman permanente. Entre as caraterísticas de série incluem-se a identificação automática de parâmetros baseada nos valores da placa de caraterísticas e o funcionamento sem sensores. O motor não necessita de sensores de velocidade, mas mantém a velocidade com uma exatidão absoluta e uma elevada dinâmica de binário. Inclusivamente pode dimensionar-se o acionamento para uma sobrecarga e uma carga por ciclo predeterminado.
RESUMO DAS PRESTAÇÕES Uma vez que este motor, tal como o de ímanes permanentes, necessita sempre de um acionamento VSD, foram criados pares normalizados recomendados de motores e acionamentos ACS para uma gama de potências e velocidades (Figura 6).
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CONVERSOR E CONTROLO DO ACIONAMENTO Adotou-se a tecnologia standard de acionamentos convencionais da ABB com controlo direto de binário (DTC), utilizada nos motores de indução e de íman permanente, para incluir o SynRM como novo tipo de motor. Apesar de partilhar muitas semelhanças com o motor de ímanes permanentes, exceto para um valor nulo do fluxo do rotor, foi dada muita atenção ao desenvolvimento, à otimização da produção de binário através do controlo do binário máximo por Ampere (MTPA). Desta forma mantém-se ao mínimo a corrente no acionamento em cada ponto de funcionamento. O controlo inclui ainda a possibilidade de funcionamento na zona de enfraquecimento de campo, ou seja, numa gama de velocidades acima da velocidade nominal.
Outra melhoria acrescentada é a menor carga térmica nos componentes próximos, em particular em armários fechados.
Como resposta às principais tendências de mercado – potências maiores, rendimento mais alto, intervalos de serviço maiores e redução do espaço ocupado – dispõe-se agora de um motor completamente novo, adequado especialmente para sistemas VSD. Conseguiuse aumentar a densidade de potência entre 20% e 40% em comparação com um motor de indução, com uma configuração do motor sem gaiola em curto-circuito nem ímanes permanentes, com motores mais pequenos, com menos produção de calor e com uma maior eficiência para sistemas VSD. Um motor de indução normal equipado com um novo rotor, combinado com um acionamento normal com novo software, dá lugar a um sistema VSD que fornece uma potência e uma eficiência elevada. A potência e a eficiência são comparáveis às de um acionamento com motor de ímanes permanentes, embora com o uso das tecnologias associadas ao sólido motor de indução proporcione aos utilizadores o melhor de ambos os mundos, com o bónus de outras vantagens adicionais.
REFERÊNCIAS [1]
Haikola, M. No gears required: ABB’s Direct Drive solution meets the challenges of the world’s most demanding processes. ABB Review 4/2009, 12–15;
Figura 5. Valores de temperatura detetados por uma câmara térmica.
[2]
Boglietti, A., Cavagnino, A. Pastorelli, M., Vagati, A., Experimental comparison of induction and synchronous reluctance motors performance, in Conf. Rec. 40th IEEE IAS Annu. Meeting, Oct. 2005, vol. 1, pp. 474–479;
[3]
Germishuizen, J. J., Van der Merwe, F. S., Van der Westhuizen, K., Kamper, M. J., Performance comparison of reluctance synchronous and induction traction drives for electrical multiple units, in Conf. Rec. IEEE IAS Annu. Meeting, Oct. 8–12, 2000, vol. 1, pp. 316–323.
Imagem do título O sistema de motor e acionamento submetido a Figura 6. Rendimento do sistema motor variador para controlo.
testes de esforço muito exigentes (HAST).