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Conservao de energia em motores trifsicosMarcos Alexandre da S. Frias*Luiz Srgio Lima Tinoco**

A energia no Brasil

A energia gerada no Brasil na maior parte provida do potencial fluvial que possui. Energia limpa e renovvel que o destaca em relao aos outros pases que dependem de energia para movimentar suas economias e que encontram dificuldades em ger-las de modo a no prejudicar o meio ambiente. Depende tambm de outras geraes, pois como a economia em crescimento, h uma demanda de energia para manuteno do seu campo industrial.

Enfrenta problemas internos com instveis ndices pluviomtricos que resultam em nveis baixos nas represas das hidreltricas, afetando a gerao. Temos perdas nas diversas etapas que consiste em gerao, transmisso e distribuio. Nesse rduo caminho 18% do produzido at chegar ao seu destino final, as tomadas dos consumidores, so perdidos (dados do professor Antnio Padilha Feltrin da UNESP). Segundo ele transformadores

* Tcnico em Eletrnica pelo IF Fluminense, campus Campos-Centro** Tcnico em Eletrnica pelo IF Fluminense, campus Campos-Centro

Figura 1 - Modelo energtico brasileiro

Figura 2 - Modelo atual do motor trifsico(SIEMEMS)

ResumoA conservao de energia eltrica em funo da manuteno dos recursos naturais um grande desafio para o sculo que comea. Altos ndices de perdas, baixos fatores de potncia e baixo rendimento so referenciados nas literaturas do sculo passado quando j informava a Revista Eletricidade Moderna de fevereiro de 1993. Naquele ano foram ensaiados 30 modelos de motores fabricados pela indstria brasileira. Devido ao pssimo resultado, a revista, referencial na poca para o segmento, sugeriu mudanas na normalizao e reavaliao nos projetos, aliados a um melhor controle de qualidade dos materiais usados na fabricao. O tempo passou e as tecnologias avanaram, porm as pesquisas literrias ainda nos aponta como grandes desperdiadores de energia. Pelo que apuramos, resolvemos um problema, mas nos esquecemos de outros. As atuais dores de cabea ficam por conta do incorreto dimensionamento dos motores trifsicos, que se tornaram viles desperdiadores. Levam essa alcunha por serem os que carregam literalmente as indstrias nas costas. Para o Brasil despontar no difcil desafio de se colocar entre as potncias desenvolvidas de primeiro mundo preciso vencer barreiras internas, e a conservao de energia em motores de indutncia trifsicos uma delas. Pensando em levar os leitores a uma anlise do problema, procuramos desenvolver esse simples, mas bem elaborado texto.

Palavras-chave: Conservao de energia. Motores trifsicos.

calculados com superdimensionamento seriam a causa principal na primeira etapa. Medidores no calibrados e furtos, conhecidos como gatos incrementam essa perda. Na distribuio o clculo mais complexo, pois exigiria o somatrio de todos os medidores das unidades consumidoras. Associada a outras, essa perda se torna significativa em nmeros finais, ao que sugere fomentar qualquer economia, evitando desperdcio e um bom aproveitamento de energia.

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A indstria e as empresas num s objetivo

Os maiores consumidores de energia so as indstrias por terem em suas instalaes eltricas motores de induo trifsica como maior fonte de consumo. Esses motores so responsveis por 50% das cargas eltricas,podendo em alguns lugares chegar a 70%. ndices que levam a uma grande parcela de empresrios a viabilizar estudos no intuito de combate ao desperdcio de energia com a utilizao dos motores de alto rendimento.

Figura 3 - Consumo de energia no mercado interno brasileiro

rgos como: PROCEL (Programa Nacional ao Combate ao Desperdcio de Energia), CEPEL (Centro de Pesquisa de Energia Eltrica) mais a canadense CIDA (Canadian International Development Agency) se integram nesse estudo tcnico-econmico. Motores de alto rendimento so aqueles projetados para fornecer a mesma potncia til na ponta do eixo consumindo menos energia eltrica. Esses motores apresentam chapas metlicas de melhor qualidade produzidas por ao silcio, maior volume de cobre visando reduo de temperatura de operao, enrolamentos especiais para menor perda esta trica, rotores tratados termicamente diminuindo perda rotrica, aumento de enchimentos de ranhuras para melhor dissipao de calor, anis curto-circuitados para reduzir perdas de potncia.

Essas tecnologias formadas por estudos fsicos voltada justamente para reduzir custos com esse insumo que a cada dia se torna mais caro. Os motores de alto rendimento comparado aos de padres comuns custam mais caro, porm se analisados em parmetros de custo e benefcio se tornam justificveis se levarmos em conta a economia e a utilizao mais racional dos recursos humanos.

O INMETRO apresentou especificaes tcnicas para motores de alto rendimento de acordo com o Decreto Federal de 11 de dezembro de 2002, sob n 4.508.

Para escolha desse motor preciso fazer um correto dimensionamento. Por ser uma mquina trmica cclica, o motor tem seu trabalho realizado pela subtrao da energia reativa, a que chega ao

motor, da energia dissipada ou reativa. Perfazendo assim essa subtrao o conceito da 2 lei da termodinmica. Podemos assim determinar o rendimento ou grau de eficincia do motor. A focalizao principal reduzir a energia reativa, pois ela a causadora do desperdcio. Voltando no texto acima foi citado o superdimensionamento dos motores como causador de desperdcio. O superdimensionamento faz com que o motor trabalhe com potncia inferior nominal, interagindo diretamente com a gerao da energia reativa. Dimensionar adequadamente evita a energia reativa, fazendo efetividade da produo, e essa, com decorrer do tempo e obedecendo a parmetros de manuteno, pagar a aquisio de equipamentos, evitando desperdcios e gastos desnecessrios. de praxe lembrar que a multa da gerao dessa energia torna o prejuzo mais oneroso e como consequncia se agrava com a necessidade da criao de um banco de capacitores, justamente para solucionar esse erro de dimensionamento.

A evoluo tecnolgica nesse campo no se difunde com rapidez e facilidade. H uma tendncia, principalmente empresarial, em no viabilizar investimentos visando economia.

Como resultante, acaba se tornando vtima de no gerar crescimento do seu polo produtivo, criando no meio do percurso da empresa gastos que comprometem diretamente o preo final do seu produto, tornando-o incompatvel com outros similares no disputado mercado comercial.

Criar uma mquina que cumpra a tarefa de um motor trifsico e se comporte com consumo puramente resistivo ainda deve demorar muito. Esse modelo atual foi gerado por volta de 1840 com a inveno do telgrafo, que aplicava o eletromagnetismo. Uma dcada depois surgiu o dnamo, e como consequncia dessas aplicaes, o motor eltrico.

A base da aplicao forma-se de dois ms, um no estator, que a parte fixa do motor, e outro no rotor, que a parte girante do motor, cuja interao provoca o movimento do conjunto motor.

Foi o engenheiro eletricista russo Michael von Dolivo Dobrowolsky, da empresa AEG de Berlim que entrou em 1889 com pedido de patente de um motor trifsico com rotor de gaiola. O motor apresentado tinha potncia de 80 watts, um rendimento aproximado de 80% em relao potncia consumida e um excelente conjugado de partida (WOLFF, 2004). Esses motores no seu surgimento eram grandes, pesados e de alto custo. A tecnologia com seus avanos cuidou de criar materiais com menos cobre e ferro, melhorou as tcnicas de construo, mudou projetos, analisou variadas aplicaes e hoje se encontra na fase do alto rendimento.

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Dimensionamento de motor trifsico

As caras dos motores eltricos possuem caractersticas peculiares: a corrente de partida bastante superior a de funcionamento normal. A potncia absorvida determinada pela potncia mecnica no eixo do motor solicitada pela carga acionada, o que pode ocasionar em sobrecarga no circuito de alimentao, se no houver a devida proteo.

A corrente nominal pela seguinte equao: potncia nominal x 10 / tenso nominal do motor x raiz quadrada de 3 x rendimento x fator de potncia do motor.

Por estar normatizado nos parmetros de cargas industriais e similares que rege motores com capacidade igual ou inferior a 200 CV (147 Kw) deve-se ter um circuito terminal por motor e em casos excepcionais circuito alimentando mais de um motor. Devem ser alimentados a partir de quadros de distribuio (CCMs) e estes alimentados por sua vez por circuitos de distribuio exclusiva. As tomadas de correntes desses dispositivos so de uso especfico. A tenso de alimentao deste motor tem que coincidir com o valor nominal para que suas caractersticas de funcionamento e sua vida til no sejam comprometidas, e assim, fugindo das fornecidas pelo fabricante. No entanto, como a tenso de alimentao no pode permanecer constante, a legislao vigente permite que a tenso possa variar numa gama limitada de valores. A queda de tenso admissvel com origem na instalao, at o ltimo aparelho eltrico mais afastado, no pode ser superior a uma faixa de 3% a 5% da tenso nominal da instalao (RSIUEE). Esses valores so pautados para frequncia de 60 Hz de tenso alternada e fornecida pela concessionria, porm quando esse fornecimento gerado por um produtor independente deve se levar em conta as variaes das frequncias geradas, pois o motor no funcionar com suas melhores caractersticas. O principal problema, nesse caso, o aquecimento demasiado pondo em risco a segurana do motor.

Esses fatores importantes do funcionamento do motor em regime permanente so: o arranque,o funcionamento em carga e a frenagem.

O arranque

O arranque, quando aplicada uma tenso nominal direta nos terminais, ou seja, ligado a rede eltrica, tem em seus momentos iniciais a corrente limitada apenas pela impedncia complexa do circuito e quando chega ao funcionamento normal, essa impedncia se soma a fora eletromotriz que o campo eletromagntico girante induz no campo estatrico e a corrente se eleva ao mximo, e

como resultado, registra dois inconvenientes, que so: queda da tenso no circuito de alimentao e aquecimento do motor, e de seus condutores percorridos pela alta corrente, devido perda de energia pelo efeito Joule. Surge a a necessidade do arranque do motor ser elevado para promover o crescimento da velocidade, e da carga mecnica acoplada,at a velocidade de regime. A utilizao do soft start resulta numa partida tranquila e qualidade para o motor.

Regime permanente

Durante o regime permanente o motor tende a se igualar resistncia imposta pela carga mecnica e a velocidade constante e difere pouco da velocidade de sincronismo. preciso um acionamento com estabilidade esttica, isto , quando o motor perde um pouco de velocidade, seu rotor aumenta velocidade e recupera a anterior por conta de variao quase imperceptvel de frequncia. Existem casos em que a velocidade precisa variar e existem recursos para que isso acontea. A de forma discreta opta pela alterao de nmeros de par de polos do enrolamento indutor. Altera-se a velocidade de sincronismo escalonadamente. De forma contnua se altera a tenso trifsica de alimentao, feita por conversores eletrnicos de potncia.

A frenagem

A frenagem a desconexo da rede eltrica quando ocorre uma diminuio por conta de uma resistncia. Antecipa-se a parada total acoplando um freio mecnico. Para se obter uma frenagem precisa, existem mtodos prprios. Frenagem por corrente contnua

aquela na qual o circuito estatrico desligado da alimentao alternada e passa a ser alimentado por uma bateria ou retificador de corrente contnua criando foras eletromagnticas induzidas e por estarem curto-circuitadas criam um campo magntico constante e fixo no espao, opondo-se ao acionamento anterior.

Frenagem por contra corrente

Trocam-se duas fases do sistema de alimentao e o campo magntico girante roda em sentido contrrio e proporciona uma acelerao na direo oposta. Essa troca de fase s durante o tempo da frenagem.

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Figura 4 Banco de capacitores em funcionamento

Frenagem com gerador assncrono

Utiliza-se do momento em que o motor e a resistncia atuam no mesmo sentido. Nesse instante a velocidade do motor maior que a de sincronismo e assim continua-se fornecendo energia reativa visando a criar e manter um campo magntico e o motor passa a funcionar como um gerador de corrente alternada fazendo uma frenagem reosttica. Procurando resolver problemas de frenagem alguns fabricantes produzem motores com rotor em curto-circuito e com freio mecnico atuando por eletrom.

Fator de potencia

A partir de um determinado valor de energia reativa, definida pelo fator de potncia da instalao para utilizao da rede eltrica, a concessionria exige o pagamento de parte dessa energia que tem tarifa prpria e instalao de um sistema de contagem especfico. A tarifa que incide sobre a energia reativa no pretende compensar servios efetuados pela concessionria, e sim para penalizar o consumidor com baixa potncia pelos inconvenientes que esta situao causa a rede eltrica. A causa desse problema justamente a existncia de transformadores e de motores eltricos de induo muito pouco carregados, ou seja, dimensionados erradamente, nessa rede. Como correo e soluo, a construo de um banco de capacitores deve ser viabilizada.

Proteo contra curto-circuito

Dispositivos do tipo g, do tipo a e disjuntores somente magntico so utilizados para esse servio, independente de ser um disparador ou de um dispositivo multifuno (disjuntor motor ou contator disjuntor). No caso do disjuntor motor o dispositivo deve ser instalado a montante do contator e do rel trmico. Em ambos os casos os dispositivos que forem utilizados para o desarme devem ser dimensionados para atuarem em

parmetro de igualdade ou superioridade ao nvel de corrente de curto-circuito. Deve existir cuidados para coordenar protees contra corrente de curto circuito e para corrente de sobrecarga. A corrente que provoca a atuao dos fusveis ou do disjuntor deve ser suficientemente elevada de modo a no ocasionar uma interveno na condio de sobrecarga(vigiada pelo rel trmico) e suficientemente baixa a fim de evitar danos ao contator e ao rel no caso de um curto-circuito.

Protees e atuadores

Curto-circuito: rel trmico, fusveis. Sobrecarga: rel trmico Sobreintensidade: rel atuador de mximo de corrente (temporizado)Falta de fase: rel Assimetria do sistema trifsico: rel Inverso de fase: rel Blocagem do rotor: rel Defeito terra: rel

Lembrando que os fusveis no asseguram proteo ao motor, s protegem o circuito contra curto-circuito.

Alm da proteo das instalaes eltricas devemos cuidar que o motor no interfira maleficamente no meio ambiente, carcaas evitando que materiais estranhos entrem em contato com o interior do motor e se propaguem para o exterior devem ser utilizadas.

Rudos sonoros e vibraes eletromecnicas devem ser evitados.

Cuidados especiais e importantes

Para evitar futuros problemas devemos verificar antecipadamente o tipo de mquina ou equipamento a ser acionado pelo motor. Depois nos atentar pelo local em que vai ser instalado esse motor e o seu nmero de acionamentos dirios.

Os motores trifsicos podem ser ligados a pelo menos duas tenses diferentes. No Brasil predominam os alimentados com tenso de 220 V com ligao em tringulo e os alimentados por 380 V em estrela. Trocando-se duas fases de alimentao podemos inverter sua rotao de sentido. Os motores possuem diferentes potncias para uma mesma mquina dependendo do fabricante. Devemos optar pelo motor de menor potncia, pois os custos de aquisio e instalao so proporcionais, possibilitando uma menor demanda que, por consequncia, permite um funcionamento simultneo de maior nmero de mquinas. As condies ambientais de temperatura e umidade influenciam e muito no desempenho e vida til dos motores. A umidade age deteriorando

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os componentes e a temperatura elevada leva queima do motor. A manuteno preventiva a soluo mais vivel, portanto a inspeo peridica necessria. Do mesmo modo a lubrificao dos mancais e dos rolamentos, a verificao do acoplamento, da transmisso e dos pontos de fixao. Medidas de resistncias dos enrolamentos para identificar desequilbrio entre fases e, se possvel, da resistncia de isolamento, entre outros cuidados so necessrios. Aterramento de suas carcaas de suma importncia, ele deve ser com condutor de bitola semelhante usada na fase de alimentao.

O acoplamento mecnico recomendado pelo fabricante. O mais comum do tipo correia com polias e flanges (ou luvas de juno). Se as correias estiverem frouxas vai acarretar desperdcio de energia. Para ter um perfeito servio deve providenciar um bom nivelamento, uma boa fixao e alinhamento correto.

Rudo anormal no funcionamento pode indicar rolamentos gastos, sobrecarga, desalinhamento ou desgaste acentuado do eixo. Devemos providenciar troca dos rolamentos e dos eixos se for o primeiro e o ltimo caso. No caso de sobrecarga devemos aliviar a carga de modo a no solicitar do motor a sua mxima potncia. Se for desalinhamento providenciar sua correo.

Para uma boa lubrificao deve-se lavar as peas com solvente lquido para diluir sujeiras, manter os materiais, recipientes, escovas, panos e equipamentos devidamente limpos. Em seguida, antes de colocar o novo lubrificante, verificar o secamento e a limpeza das peas, e coloc-lo de forma a atingir todas as partes mveis dos contatos.

Tomados os devidos cuidados e seguindo as recomendaes, o usurio no ter surpresas em sua conta mensal, estar contribuindo por um uso mais equilibrado dos recursos naturais proporcionados e, consequentemente, uma qualidade de vida til tanto para si prprio como para o motor.

Clculos:rendimento(n) = potncia de sada/potncia eltrica mdia de entrada x 100fator de potncia = potncia eltrica mdia de entrada/raiz de 3 x tenso de entrada x corrente de entradaPotncia nominal = tenso armadura x corrente nominal x rendimentoescorregamento (%) = (velocidade sncrona rotao nominal) / (velocidade sncrona) x 100corrente nominal = (potncia nominal x 10) / (tenso nominal do motor x raiz quadrada de 3 x rendimento x fator de potncia do motor)

Referncias

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