motor de alto rendimento (ar)
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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS AMBIENTAIS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA DE ENERGIA
APARECIDA BEZERRA DA SILVA
RENAN ABDON RODRIGUES DANTAS
MOTOR DE ALTO RENDIMENTO (AR)
MOSSORÓ-RN
2013
APARECIDA BEZERRA DA SILVA
RENAN ABDON RODRIGUES DANTAS
MOTOR DE ALTO RENDIMENTO (AR)
Relatório técnico-científico apresentado à
disciplina de Técnicas de Conservação e Uso
Eficiente de Energia do curso de Engenharia
de Energia como requisito parcial de avaliação
da primeira unidade.
Docente: Prof.ª Dra. Fabiana Karla de Oliveira
Martins Varella
MOSSORÓ-RN
2013
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Vida útil média de um motor ..................................................................................... 9
Tabela 2 - Especificação dos motores ...................................................................................... 13
Tabela 3 - Resultado da Análise ............................................................................................... 14
Tabela 4 - Classificação dos motores segundo o seu rendimento ............................................ 16
Tabela 5 - Custo da Energia conservada no setor industrial..................................................... 17
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Características técnicas e construtivas de um motor AR ........................................... 8
Figura 2 - Comportamento do rendimento em função da carga ............................................... 10
Figura 3 - Principais perdas em um motor elétrico de indução ................................................ 12
Figura 4 - Resultado das medições (a) Motor Standard; (b)Motor AR .................................... 14
Figura 5 - Evolução do peso dos motores................................................................................. 15
Figura 6 - Vendas de motores de indução por linha de produtos ............................................. 17
Figura 7 - Comparação entre o motor AR e o motor Standard................................................. 19
Figura 8 -Rendimento de motores AR e Standard (padrão) ..................................................... 20
LISTA DE SIGLAS
AR Alto Rendimento
CEC Custo da Energia Conservada
CNI Confederação Nacional das Indústrias
Pa Potência absorvida
PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica
Pu Potência útil
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 6
2. DEFINIÇÃO E CARACTERÍSTICAS ........................................................................... 7
2.1. PERDAS ELÉTRICAS .............................................................................................. 11
3. APLICAÇÕES PRÁTICAS ........................................................................................... 13
3.1. ESTUDO DE CASO .................................................................................................. 13
4. EVOLUÇÃO DOS MOTORES DE ALTO RENDIMENTO ..................................... 15
4.1. UTILIZAÇÃO NO BRASIL ..................................................................................... 17
5. MOTOR STANDARD X MOTOR DE ALTO RENDIMENTO ................................ 19
6. VANTAGENS E DESVANTAGENS ............................................................................ 21
6.1. VIABILIDADE ECONÔMICA ................................................................................ 21
6.1.1. Economia Mensal de Energia ............................................................................. 22
6.1.2. Tempo de Retorno Simples ................................................................................ 23
6.1.3. Tempo de Retorno Capitalizado ......................................................................... 24
6.1.4. Tempo de Retorno Capitalizado Considerando Aumento do Custo da Energia 25
6.1.5. Energia Economizada ao longo da Vida Útil ..................................................... 25
6.1.6. Valor Retornado ao Longo da Vida Útil ............................................................ 26
6.1.7. Valor Líquido Retornado Capitalizado............................................................... 26
6.1.8. Valor Líquido Retornado Capitalizado com Aumento do Custo do kWh .......... 27
6.1.9. Exemplo de Viabilidade Econômica .................................................................. 27
6.2. MANUTENÇÃO ....................................................................................................... 30
7. CONCLUSÃO ................................................................................................................. 31
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 32
ANEXO A - TABELA DOS RENDIMENTOS NOMINAIS MÍNIMOS .......................... 34
6
1. INTRODUÇÃO
O motor elétrico pode utilizar tecnologias mais eficientes mediante a realização de
estudos de eficiência energética, beneficiando as indústrias em função da diminuição dos
custos com energia elétrica (RAMOS; TATIZAWA, 2013). O desenvolvimento de soluções
de alto rendimento é um dos mais importantes focos de estudos tecnológicos do ponto de vista
de redução no consumo de energia elétrica e problemas ambientais.
De acordo com Procobre (2003) os motores elétricos são amplamente utilizados no
setor industrial, sendo responsáveis por 55% da energia consumida. Para se ter uma ideia,
durante toda a sua vida útil, geralmente um motor possui um gasto de 100 vezes maior do que
seu valor de compra. Martins (2012) afirma que um grande problema que ocorre na utilização
dos motores é o uso sobredimensionado, sendo aplicados de forma ineficiente, apesar de
possuírem uma eficiência relativamente elevada.
Neste trabalho será abordado primeiramente a definição e as características
construtivas de um motor elétrico de alto rendimento, bem como suas perdas. Em seguida,
será apresentado um estudo de caso, com dados reais para verificar a eficiência de um motor
AR em comparação a um modelo Standard. Após isto, é destacada a evolução dos motores
elétricos, desde os mais antigos aos mais atuais, mostrando as normas aplicadas e a sua
utilização. Um aspecto importante a ser estudado é a viabilidade econômica para utilização,
uma vez que vários fatores são levados em conta para tal.
7
2. DEFINIÇÃO E CARACTERÍSTICAS
O motor elétrico absorve energia elétrica da linha e a transforma em energia mecânica
disponível no eixo. O rendimento define a eficiência com que é feita esta transformação.
Chamando potência útil (Pu) a potência mecânica disponível no eixo e potência absorvida
(Pa) a potência elétrica que o motor retira da rede, o rendimento será a relação entre as duas,
como mostra a Equação 1 (WEG, 2009).
(1)
Outra forma de escrever a Equação 1 pode ser ao considerar que a potência útil é igual
a potência de saída, e a potência absorvida é igual a potência de saída mais as perdas.
Reescrevendo a Equação 1, o rendimento pode ser expresso pela Equação 2.
. (2)
De acordo com WEG (2005) apud Castro (2008), os motores elétricos de alto
rendimento são motores especialmente projetados para fornecerem a mesma potência útil (na
ponta do eixo) que outros tipos de motores, consumindo menos energia elétrica da rede. Isso é
possível reduzindo-se suas principais perdas, que serão descritas no item 2.1. Observando a
Equação 2, percebe-se que, quando mais as perdas tenderem a zero, o rendimento será mais
próximo de 100 %.
Segundo Pereira (s. d.), no que diz respeito às partes construtivas, os motores elétricos
de alto rendimento apresentam as seguintes características (também ilustradas na Figura 1):
a) Chapas magnéticas: as chapas que compõe o rotor e o estator são de melhor
qualidade, resultando em perdas por histerese e por correntes induzidas menores que
as chapas utilizadas no s motores normais. Alterações nas chapas também podem
incluir redução da espessura e tratamento térmico para redução de perdas;
b) Enrolamentos do rotor e do estator: os enrolamentos de cobre do estator e de
alumínio do rotor possuem um volume maior de material, fazendo com que a
resistência elétrica dos mesmos seja menor, reduzindo assim as perdas por efeito
Joule. Alguns fabricantes também utilizam materiais com menor resistividade;
8
c) Ventilador: são otimizados de forma a ter uma maior eficiência, reduzindo as perdas
por ventilação. Uma vez que o motor possui menos perdas, a necessidade de
ventilação também diminui, contribuindo para a redução da potência necessária para o
ventilador;
d) Rolamentos: são empregados rolamentos especiais com menor coeficiente de atrito
que os normalmente empregados. Desta forma, a vida útil dos rolamentos é em geral
maior que os rolamentos comuns;
e) Dimensões principais: o diâmetro do rotor, as ranhuras, o entreferro e o comprimento
axial do motor são especialmente dimensionados para proporcionar um rendimento
elevado para o motor;
f) Tolerâncias mecânicas melhores: utilizando-se ferramentas de maior precisão, as
tolerâncias de fabricação podem ser sensivelmente reduzidas, diminuindo desbalanços
e imperfeições, as quais contribuem para as perdas adicionais. Desta forma, máquinas
com entreferro menores podem ser fabricadas, as quais necessitam menores correntes
de magnetização e melhor fator de potência e rendimento. Menores tolerâncias
também resultam em menor nível de ruído e menor vibração.
Figura 1 - Características técnicas e construtivas de um motor AR
Fonte: Ramos (2005)
Atualmente, no mercado nacional, os motores de alto rendimento estão disponíveis nas
potências de 1 a 250 cv, sendo que algumas empresas fabricam motores de potências maiores
sob encomenda (RAMOS, 2005).
9
Também é importante conhecer a vida útil dos motores, uma vez que esses dados são
necessários para realizar uma análise econômica sobre a viabilidade de aquisição dos mesmos,
que será abordado no item 6.1. Esse aspecto é apresentado na Tabela 1.
Tabela 1 - Vida útil média de um motor
Potência (HP) Tempo de vida (anos) Vida média (anos)
Menor 1 10 a 15 12,9
1 a 5 13 a 19 17,1
5 a 20 16 a 20 19,4
21 a 50 18 a 26 21,8
50 a 125 24 a 33 28,5
Maior 125 25 a 38 29,3
Fonte: Pereira (s. d.)
Os valores da Tabela 1 são baseados em dados estatísticos, conforme Pereira (s. d.),
pois não existe uma forma precisa para a sua determinação. O principal fator que afeta a vida
útil é a temperatura de trabalho do motor, além da temperatura do enrolamento, temperatura
ambiente, sobrecargas eventuais e variação da tensão da rede.
Cleto (2012) descreve diversos fatores que influenciam diretamente no desempenho de
um motor elétrico:
Rendimento;
Fator de potência;
Velocidade de operação;
Capacidade de aceleração;
Classe de isolamento;
Corrente de arranque;
Ruído;
Temperatura de operação;
Tipo de carcaça.
Em condições normais de funcionamento, o motor deve-se adequar à carga, ou seja,
deve operar entre 75% e 100% da potência nominal. O motor de alto rendimento, bem
dimensionado e bem explorado, proporcionará uma máxima economia de energia, permitindo
obter elevados rendimentos e fator de potência (CLETO, 2012). Segundo PROCEL (2002), ao
10
utilizar uma carga constante, como um ventilador, por exemplo, o motor deve ser
dimensionado para operar o mais próximo possível de 100% da potência nominal.
Para cargas pequenas em relação a sua potência nominal, o rendimento é baixo, já que
as perdas fixas tornam-se grandes comparadas com a potência fornecida. Quando o
carregamento do motor cresce, o rendimento se eleva e, quando o motor opera com mais de
50% de sua potência nominal, o rendimento é muito próximo dos valores de rendimento
nominal e máximo, que para alguns motores ocorre a 75% da potência nominal (PROCEL,
2002). Isto pode ser observado na tendência do gráfico da Figura 2.
Figura 2 - Comportamento do rendimento em função da carga
Fonte: PROCEL (2002)
De acordo com Procobre (2003), após a instalação, alguns fatores externos podem
influenciar no rendimento do motor, fazendo com que este venha a sofrer perdas. São eles:
O sobreaquecimento das chapas do estator para extração das bobinas poderá causar
contaminação das chapas com carbono, ocasionando aumento permanente das perdas,
e em consequência diminuir o rendimento do motor;
Danos mecânicos causados nas chapas do estator durante a desmontagem e a nova
montagem;
Especificações incorretas dos dados de bobinagem (número de espiras a menos, bitola
do fio menor, etc.);
Instalação incorreta de um ventilador novo;
Instalação incorreta de rolamentos;
Alinhamento deficiente entre rotor e estator.
11
Para obtermos uma elevada eficiência energética nos motores temos de ter em conta
muitos fatores. É necessário usar métodos de projeto e construção específicos para elevar o
rendimento. O principal objetivo passa por reduzir o mais possível as perdas. Para tal é
preciso ter em conta os aspetos construtivos dos motores e usar materiais previamente
preparados quimicamente e nas quantidades ideais (CLETO, 2012). Tais perdas serão melhor
detalhadas no item 2.1.
2.1. PERDAS ELÉTRICAS
Segundo Martins (2012) e PROCEL (2005), durante o processo de conversão
eletromecânica ocorrem perdas que podem ser agrupadas da seguinte forma:
Perdas Joule no estator;
Perdas Joule no rotor;
Perdas no ferro;
Perdas por atrito e ventilação (Mecânicas);
Perdas Suplementares.
As perdas por Joule no estator, segundo PROCEL (2002), são ocasionadas devido à
circulação de corrente nos condutores do enrolamento do estator e compreendem de 25 a 50%
das perdas totais. Já as perdas por Joule no rotor compreendem entre 15 e 25% das totais e são
geradas na gaiola do rotor e dependem da carga, do material do condutor da gaiola, da área da
ranhura e do comprimento das barras.
De acordo com Ramos (2005), as perdas no ferro se dividem em perdas por Histerese
e Foucault. As perdas por Histerese, segundo Augusto (2001) apud Ramos (2005), resultam
da orientação alternada do campo magnético sobre o pacote de lâminas de aço-silício e as
perdas por Foucault ocorrem devido às correntes induzidas no interior do material magnético,
produzindo perdas na forma de calor.
As perdas mecânicas, geradas em função do atrito nos mancais ou nos enrolamentos e
na ventilação, quando o motor está operando em carga nominal são as menores parcelas das
perdas totais, compreendem entre 2 e 15 %. As perdas suplementares são assim chamadas por
não se encaixarem nas demais perdas, sendo definidas como a diferença entre a perda total do
12
motor e os outros tipos de perdas (PROCEL, 2002). Na Figura 3 observa-se uma
representação geral das perdas.
Figura 3 - Principais perdas em um motor elétrico de indução
Fonte: Eletrobrás (2003) apud Ramos (2005).
13
3. APLICAÇÕES PRÁTICAS
Os motores AR são utilizados nos mais divergentes processos industriais, com
finalidade de aumentar a eficiência energética dos mesmos. Neste capítulo será apresentado
um estudo de caso realizado pela WEG sobre Eficiência Energética em Motores Elétricos na
empresa SADIA (ramo alimentício) no ano de 2010.
3.1. ESTUDO DE CASO
De acordo com WEG (2010), este estudo de caso teve como objetivo a substituição de
motores elétricos antigos por motores novos, com a recuperação do investimento através dos
ganhos de eficiência energética.
A metodologia utilizada pela WEG segue as seguintes etapas:
Etapa 1 – Análise dos dados e definição dos motores potencialmente ineficientes;
Etapa 2 – Visão geral dos processos;
Etapa 3 – Diagnóstico das condições operacionais;
Etapa 4 – Substituição de motores;
Etapa 5 – Medição para avaliação de resultados.
O motor standard foi substituído por um motor AR com as mesmas características,
como mostra a Tabela 2.
Tabela 2 - Especificação dos motores
Especificação Técnica Motor Standard
(Antigo)
Motor Alto Rendimento
(Novo)
Potência do Motor (cv) 40 40
Rotação (RPM) 1770 1770
Acionamento Estrela/Triângulo Estrela/Triângulo
Tensão (V) 380 380
Acoplamento Polia/Correia Polia/Correia Fonte: WEG (2010)
14
Os resultados obtidos na análise feita na Etapa 5 foram comparados com os anteriores
e plotados nos gráficos da Figura 4 e na Tabela 3.
Figura 4 - Resultado das medições (a) Motor Standard; (b)Motor AR
Fonte: WEG, 2010.
Tabela 3 - Resultado da Análise
Indicadores Motor Standard
(Antigo)
Motor Alto
Rendimento (Novo)
Custo unitário (R$/kWh) (Valor médio
Fora de Ponta e na Ponta)
0,197
Horas de operação / ano 7.920
kWh médio consumido 33 29,9
Consumo anual (kWh) 261.360 236.808
Redução no consumo de energia
elétrica (kWh/ano)
24.552
Economia de energia elétrica (%) 9,4
Retorno sobre o Investimento (ROI) 10 Meses Fonte: WEG, 2010.
Com a troca, se observa uma redução de 9,4 % no consumo de energia elétrica e uma
economia de R$ 4.836,54/ano, obtendo assim um retorno em 10 meses do investimento
aplicado. São conseguidos também ganhos como redução de demanda, garantia de eficiência
no uso adequado de energia, disseminação do conceito da importância da aplicação de
motores de maior eficiência (AR) e comprovando a real viabilidade na aplicação do projeto de
eficiência energética.
(a) (b)
15
4. EVOLUÇÃO DOS MOTORES DE ALTO RENDIMENTO
Segundo Herszterg (1996) apud Castro (2008), no estudo da evolução de projetos de
motores observa-se que desde o seu surgimento até o início da década de 70 ocorre uma
gradativa redução no peso dos motores elétricos, ilustrado na Figura 5. Essa diminuição
ocorre em função também da redução do rendimento, uma vez que são utilizados novos
materiais isolantes capazes de suportar temperaturas maiores e com melhores características
dielétricas. Assim, operando com um maior nível de temperatura, as perdas internas também
aumentam significativamente, com a diminuição dos volumes de ferro e cobre empregados na
fabricação.
Figura 5 - Evolução do peso dos motores
Fonte: Eletrobrás (2001) apud Castro (2008)
O fato da despreocupação com o rendimento dos motores pode ser explicado pela
maior importância dada ao custo inicial do motor em relação ao seu custo de operação, tendo
em vista o alto nível da oferta e o relativo baixo custo da eletricidade que caracterizaram este
período (Castro, 2008). Andreas (1992) apud Castro (2008) afirma que somente a partir de
1972 os custos com energia elétrica começou a aumentar constantemente, sendo então
necessário melhorar o rendimento dos motores elétricos.
Em 1992 os Estados Unidos lançaram uma lei federal sobre a política de energia –
EPACT, impondo valores de rendimento à plena carga para a maioria dos motores de indução
16
trifásicos para uso geral de 1 CV a 200 CV a ser implementada em outubro de 1997 (DIAS;
OLIVEIRA, s. d.).
Em 1996 a Norma NBR 7094 divulgou valores mínimos de rendimento nominal para
motores trifásicos da linha padrão, e em outubro de 2000 divulgou os menores valores de
rendimento nominal à plena carga para motores trifásicos da linha de alto rendimento (DIAS;
OLIVEIRA, s. d.).
A Lei da Eficiência Energética de 2001 possui em seu conteúdo o Decreto nº 4.508, de
11 de dezembro de 2002.
Dispõe sobre a regulamentação específica que define os níveis mínimos de
eficiência energética de motores elétricos trifásicos de indução, rotor de
gaiola de esquilo, de fabricação nacional ou importados, para
comercialização ou uso no Brasil, e dá outras providências (ANEEL, 2002).
Tal decreto também inclui os valores nominais mínimos para o rendimento dos
motores, tanto para o modelo convencional quanto para o de alto rendimento (ver Anexo A).
De acordo com a evolução do paradigma de eficiência, existe uma classificação dos
motores segundo as normas eletrotécnicas. Mediante o rendimento dos motores atribui-se a
estes uma classificação, de acordo com a Tabela 4.
Tabela 4 - Classificação dos motores segundo o seu rendimento
Nomenclatura CEMEP IEC 60034-30/31
Super Premium Efficiency - IE4
Premium Efficiency - IE3
High Efficiency EFF1 IE2
Standard Efficiency EFF2 IE1
Below Standard Efficiency EFF3 - Fonte: Cleto (2012)
As normas que prevalecem atualmente são as da norma IEC 60034-30, ou seja, as
IEX, em que X tem um valor de 1 a 4. Esta norma permite a evolução do rendimento tomando
o valor X um valor superior. Visualizando a Tabela 4, à norma IE1 dá-se o nome de
Eficiência Padrão, à norma IE2 de Alta Eficiência, à IE3 de Eficiência Premium e à IE4 de
Eficiência Super Premium, e a partir dessa classificação há um prazo para que todos os novos
motores sejam atendidos com situação superior a uma determinada classe (CLETO, 2012).
17
4.1. UTILIZAÇÃO NO BRASIL
A Figura 6 mostra dados de 2004 com relação à aquisição de motores elétricos de
indução trifásicos, percebendo-se uma participação ainda pequena dos motores de alto
rendimento.
Figura 6 - Vendas de motores de indução por linha de produtos
Fonte: WEG (2004) apud Ramos (2005)
Segundo estudo realizado pela CNI (2010) em conjunto com o PROCEL e a
Eletrobrás, as ações de eficiência energética envolvendo motores elétricos no setor industrial
(como substituição por modelos de alto rendimento) apresentaram CEC entre os menores,
comparados aos demais usos finais. Esses dados são apresentados na Tabela 5.
Tabela 5 - Custo da Energia conservada no setor industrial
Ação e Uso Final CEC (R$/MWh)
Cogeração/Recuperação de calor 113
Ar comprimido 108
Inversor 96
Fornos/Caldeiras/Estufas 95
Iluminação 89
Correção de Fator de Potência 72
Motor 63
Refrigeração Frigorífica 53
Bombas 47
Gerenciamento/Automação 39
Fonte: CNI (2010)
De acordo com a Tabela 5, os motores apresentaram CEC de 63 R$/MWh, ou seja, são
necessários R$ 63 para que seja conservado 1 MWh. Nesse estudo, verificou-se um total de
18
78 projetos envolvendo a substituição de motores padrão por motores de alto rendimento,
sendo o segundo uso final com maior quantidade de projetos envolvendo eficiência
energética.
19
5. MOTOR STANDARD X MOTOR DE ALTO RENDIMENTO
Os três principais fabricantes de motores elétricos nacionais (Kohlbach, Eberle e
WEG) oferecem ao mercado duas linhas de motores, principalmente para aplicação industrial:
uma denominada standard e a outra de alto rendimento. Esta última possui preço de aquisição
de 20 a 50% mais elevado que a outra linha, porém apresenta menor consumo de energia em
operação ou menor custo operacional (JUNIOR; CHABU, 2002).
A Figura 7 mostra um comparativo entre dois motores, um standard (esquerda) com
rendimento de 84%, e um motor de alto rendimento (direita), com rendimento de 90,2%.
Algumas diferenças são perceptíveis na Figura 7, como as dimensões maiores do rotor e das
bobinas no motor AR, que de acordo com Castro (2008) proporciona um acréscimo de
aproximadamente 66% do seu peso. Outra diferença está presente no design diferenciado para
a ventoinha entre os dois tipos de motores.
Figura 7 - Comparação entre o motor AR e o motor Standard
Fonte: Advanced Energy (2008) apud Castro (2008)
A Figura 8 apresenta claramente a diferença no rendimento entre os dois tipos de
motores (AR e Standard) de 4 pólos, observando sempre o comportamento da curva dos
motores AR superior e mais estável.
20
Figura 8 -Rendimento de motores AR e Standard (padrão)
Fonte: PROCEL (2002)
No que diz respeito às especificações, um motor de alto rendimento é selecionado da
mesma forma que o outro modelo. Ambos, geralmente possuem a mesma carcaça
padronizada, então nenhuma modificação especial é necessária para trocar um motor padrão
por um motor de alto rendimento (PROCEL, 2002).
21
6. VANTAGENS E DESVANTAGENS
Segundo Eletrobrás (2001) apud Castro (2008), o motor de alto rendimento é
considerado uma boa alternativa para gastos excessivos com energia, porém não é uma
solução definitiva para todos os problemas energéticos relacionados ao motor de indução, pois
este é submetido a outros fatores que influenciam em sua eficiência (condição do alimentador,
método de partida, ambiente de trabalho) quanto os motores de projeto padronizado.
De acordo com PROCEL (2002), as principais vantagens, quando comparados com os
motores da linha padrão, são:
Reduzem o consumo de energia elétrica;
A maioria deles apresenta um fator de potência mais alto;
Menores temperaturas de operação;
O rendimento decai menos para baixas cargas;
Minimizam o superdimensionamento, nas situações em que não se possam corrigir a
potência do motor.
É importante salientar que não existe nenhuma vantagem em adquirir um motor de
alto rendimento e acoplá-lo a um equipamento ineficiente ou trabalhar sobredimensionado,
provocando maiores gastos com energia. Esta tendência é muito comum, seja propositalmente
ou por desconhecimento, sob a alegação de se manter uma potência reserva que poderia
aumentar a confiabilidade do acionamento (KREUTZFELD, 1988 apud RAMOS, 2005).
6.1. VIABILIDADE ECONÔMICA
WEG (2009) define os critérios para calcular o retorno (em anos) do investimento, de
acordo com a Equação 3.
(
). (3)
Onde:
ΔC = diferença de custo entre motor normal e alto rendimento;
cv = potência do motor em cv (cavalo vapor);
22
Nh = número de horas de trabalho do motor em um ano;
η%n = rendimento do motor normal;
η%ARP = rendimento do motor de alto rendimento;
CkWh = custo médio do kWh.
Ainda neste capítulo se fará uma análise mais detalhada sobre a viabilidade econômica
com a utilização de motores AR, através do passo a posso sugerido por Pereira (s. d.):
1) Economia Mensal de Energia;
2) Tempo de Retorno Simples;
3) Tempo de Retorno Capitalizado;
4) Tempo de Retorno Capitalizado Considerando Aumento do Custo de Energia;
5) Energia Economizada ao Longo da Vida Útil;
6) Valor Retornado ao Longo da Vida Útil;
7) Valor Líquido Retornado Capitalizado;
8) Valor Líquido Retornado com Aumento do Custo do Kwh.
Os próximos itens irão abordar cada passo descrito anteriormente, mostrando as
equações utilizadas para esta análise.
6.1.1. Economia Mensal de Energia
Considera-se que se está comparando os dois motores, standard e AR, sendo
necessário fazer a determinação das perdas de cada um (Equações 4 e 5):
(4)
(5)
Ps – potência nominal do motor standard e de alto rendimento (Kw);
Pp1 – perdas totais do motor standard (Kw);
Pp2 – perdas totais do motor AR (Kw);
23
1 – rendimento em % do motor standard;
2 – rendimento em % do motor AR
Com base nas equações 4 e 5, a diferença nas perdas△Pp será dada pela Equação 6:
(
) (6)
Adotando-se uma base de análise mensal, a redução no consumo △C dada em
Kwh/mês com a aquisição de um motor de alto rendimento será então determinado pela
Equação 7:
(7)
H – número de horas em operação durante um mês;
△C – redução no consumo mensal em Kwh/mês.
A determinação da redução do consumo mensal é determinada pela Equação 7, sendo
dada em reais por mês e denominada de △E (Equação 8):
(8)
△E – economia mensal em R$/mês;
Ck – custo do Kwh em R$.
6.1.2. Tempo de Retorno Simples
É o tempo necessário para que o diferencial de capital investido na aquisição do motor
AR seja retornado na forma de parcelas mensais que deixarão de ser pagos na conta de
energia (economia mensal). O tempo de retorno aceitável é estabelecido pelo usuário,
expressando um critério particular de cada empresa.
24
Com base na economia mensal proporcionada pelo motor de alto de rendimento, pode
determinar qual o temo de retorno do investimento adicional feito na aquisição do motor AR.
O tempo de retorno simples não considera a capitalização do valor da economia mensal (taxa
de juros zero) e é dado pelas Equações 9 e 10:
(9)
(10)
Trs – tempo de retorno simples em meses;
△Ca – custo adicional na aquisição do motor de alto rendimento;
Ca1 – custo de aquisição do motor standard;
Ca2 – custo de aquisição do motor de alto rendimento.
6.1.3. Tempo de Retorno Capitalizado
O tempo de retorno também pode considerar uma determinada taxa de juros e
considerar o fato de que a economia será auferida em parcela mensal, cujo valor presente será
menos. Considerando uma taxa de juros i em valores percentuais e considerando k períodos
(meses) obtém-se a Equação 11 para as parcelas mensais:
[(
) ]
(
) (11)
△ET – valor presente das parcelas mensais de k meses considerando capitalização.
Para determinar o tempo de retorno capitalizado deve-se igualar o valor presente com
o custo adicional e considerar o número de períodos como incógnita, conforme a Equação 12:
[(
)
]
(
)
(12)
25
Logo, o tempo de retorno capitalizado (Trc) será de acordo com a Equação 13:
(
)
(
)
(13)
6.1.4. Tempo de Retorno Capitalizado Considerando Aumento do Custo da Energia
A determinação do tempo de retorno também pode incluir o efeito do aumento mensal
(previsto ou provável) do custo do kWh, mas primeiro deve determinar taxa de juros líquida,
obtida através da Equação 14:
(
)
(
) (14)
iL – taxa de juros líquida considerando o aumento do custo de energia;
ie – taxa de aumento mensal da energia em %.
A Equação 15 apresenta o cálculo do tempo de retorno capitalizado:
(
)
(
) (15)
6.1.5. Energia Economizada ao longo da Vida Útil
Como os motores de alto rendimento possuem menores perdas que motores normais,
eles proporcionam uma economia a partir do momento que foram instalados até o final da sua
vida útil. Esta economia torna-se extremamente importante tendo em vista que em média o
consumo de motores representa 60 a 70 % da energia total consumida em instalações
26
industriais. A energia total economizada ao longo da vida útil será determinada pelas
seguintes Equações 16 e 17:
(16)
(17)
Cvu – energia total economizada em Kwh durante a vida útil do motor;
Vu – vida útil do motor em meses (ver Tabela 1).
6.1.6. Valor Retornado ao Longo da Vida Útil
Este critério define o valor total em R$ retornado ao longo da vida útil, mesmo
transcorrido o tempo de retorno, o motor continuará proporcionando um retorno financeiro
mensal até o final da sua vida útil (Equação 18):
(18)
Crs – valor retornado líquido simples.
6.1.7. Valor Líquido Retornado Capitalizado
Considerando uma taxa de juros i para cada uma das parcelas mensais que retornarão,
obtém-se um valor de retorno capitalizado pela Equação 19:
(
)
(
)
(19)
Crc – valor retornado líquido capitalizado.
O valor retornado capitalizado é menor que o valor sem capitalização.
27
6.1.8. Valor Líquido Retornado Capitalizado com Aumento do Custo do kWh
Pode-se considerar ainda o aumento do custo de energia ao ser feito a determinação do
retorno líquido capitalizado. O procedimento é semelhante ao que foi utilizado para o tempo
de retorno: primeiro determina-se uma taxa de juros líquida e então utiliza-se a equação de
retorno capitalizado, como mostra a Equação 20:
[(
)
]
(
)
(20)
Crc – valor retornado líquido capitalizado
6.1.9. Exemplo de Viabilidade Econômica
Considere que para uma determinada aplicação foi determinado que a potência do
motor deverá ser de Ps = 30 kW. O motor deverá ser de 220/380 V e girar próximo de 1800
rpm, tendo 4 pólos na frequência de 60 Hz. O motor deverá funcionar com a potência nominal
durante 14 horas por dia, num total de H = 430 horas mensais. Deseja-se fazer uma análise
econômica para verificar a viabilidade da aquisição de um motor de alto rendimento. O preço
do kWh pago pelo usuário é de R$ 0.07/kWh. A taxa de juros considerada é de 1.5 % ao mês
(PEREIRA, s. d.).
Solução:
Consultando o catálogo de fabricantes obtém-se os seguintes valores para os
rendimentos a plena carga e preço dos motores:
Motor Standard: rendimento 1 = 91 % preço R$ 1.900,00
Motor AR: rendimento 2 = 93 % preço R$ 2.420,00
a) Economia mensal com o motor de alto rendimento:
28
Utilizando-se a Equação 4 deve-se inicialmente determinar a redução das perdas
A redução no consumo mensal será calculada a partir da Equação 5
Considerando o valor de R$ 0,07 para o Kwh, obtém-se a encomia mensal por meio
da Equação 8
b) Tempo de retorno simples:
Utilizando o valor da economia mensal determinado, pode-se calcular o tempo de
retorno simples por meio da Equação 10. Para tanto, deve-se antes determinar o custo
adicional dos motores:
Trata-se de parcelas mensais, portanto o tempo de retorno simples foi arredondado
para 25 meses. Desta forma, sem considerar a capitalização, o adicional de R$ 520,00
investido no motor AR retornará em 25 meses por meio de parcelas mensais de R$ 21,37.
c) Tempo de retorno capitalizado:
Considerando uma taxa de juros de 1.5 % ao mês, pode-se determinar o tempo de
retorno capitalizado por meio da Equação 15
29
Desta forma, considerando-se a capitalização das parcelas mensais, o tempo de
retorno será de 31 meses.
d) Energia economizada ao longo da vida útil:
A determinação da economia de energia auferida ao longo da vida útil do motor é
determinada pela Equação 16
A vida útil é obtida da Tabela 1, considerando que 30 Kw equivalem a
aproximadamente 40 HP. Pela Tabela 1, a vida útil é de 21.8 anos. Como o cálculo todo é
feiro numa base mensal, deve converter a vida útil para meses, resultando em 262 meses.
Assim, o total de energia economizada ao longo da vida útil será:
e) Valor retornado simples:
Considerando o retorno mensal de △E = R$ 21.37/mês, determinado anteriormente e
considerando a vida útil de 262 meses, pode-se determinar o valor líquido retornado sem
considerar a capitalização. Este cálculo é feito utilizando-se a Equação 18:
Assim, um investimento adicional de R$ 520,00 proporcionam um retorno de R$
5.079,2, o qual será retornado ao longo de 262 meses. O valor retornado é de cerca de 10
vezes o valor investido.
30
f) Valor retornado capitalizado:
O valor retornado líquido considerando uma taxa de juros de 1.5 % ao mês será
determinado com base na Equação 20
Portanto, considerando uma capitalização com juros de 1.5 % ao mês, o valor líquido
retornado será de R$ 875,92. Isto representa 1.7 vezes o valor inicial adicional investido.
Este valor também retornará ao longo de 262 meses.
6.2. MANUTENÇÃO
Além das condições de instalação e alimentação elétrica, as condições de manutenção
também influem no rendimento do motor, embora seja difícil saber-se quanto. Limpeza,
lubrificação adequada (nem a menos, nem a mais, quando a graxa passa para o estator),
ambiente limpo, boas conexões, são fatores nem sempre encontrados nas instruções
(GARCIA, 2003).
Um motor é uma máquina robusta que quando utilizada apropriadamente, irá operar
por vários anos com o mínimo de manutenção. Uma manutenção preventiva e uma inspeção
do motor e do sistema elétrico de alimentação dele poderão aumentar-lhe o tempo de vida útil.
A vida de um motor termina praticamente quando o isolamento dos seus terminais se
deteriora, tornando-se ressequido e quebradiço (CLETO, 2012).
31
7. CONCLUSÃO
O rendimento pode ser considerado um fator fundamental na escolha de qualquer
produto que se consuma energia, de acordo com a aplicação. Os motores elétricos são
exemplos dessa prática, onde são amplamente utilizados nos diversos setores existentes,
principalmente no setor industrial. Nesse contexto, vários segmentos (como por exemplo
alimentício, têxtil, petroquímico, metalúrgico, etc.) possuem boa parte do consumo de energia
proveniente de motores. Torna-se então indispensável o estudo e aplicação de projetos que
visem à substituição de motores padrão por motores AR, após ser avaliada sua viabilidade.
A minimização de custos utilizando práticas de eficiência energética, como no caso a
utilização de motores de alto rendimento em substituição a motores de indução convencionais,
pode ser considerado um bom investimento. Porém, além da troca dos motores por mais
eficientes, é importante também uma mudança comportamental das pessoas envolvidas na
utilização, de modo que saibam utilizar os motores adequadamente, uma vez que existem
vários fatores que podem influenciar na vida útil dos mesmos.
No Brasil existem atualmente algumas normas e programas de incentivo para
utilização de motores de alto rendimento que trouxeram vários avanços, mas resta ainda uma
maior difusão dos benefícios de sua utilização. Como os motores ocupam uma boa parcela do
consumo de energia no País, projetos visando reduzir esse consumo acarretaria em um maior
fortalecimento do mercado de eficiência energia.
32
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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(Mestrado em Planejamento de Sistemas Energéticos) – Faculdade de Engenharia Mecânica,
Universidade Estadual de Campinas, Campinas – SP, 2008. Disponível em:
<http://www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?code=000434034>. Acesso em: 09 dez.
2013.
CLETO, A. C. C. Motores elétricos de alto rendimento. 2012. 79 f. Dissertação (Mestrado
em Engenharia Electrotécnica e de Computadores) – Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto. Disponível em: <http://repositorio-
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GARCIA, A. G. P. Impacto da Lei de Eficiência Energética para motores elétricos no
potencial de conservação de energia na indústria. 2003. Dissertação (Mestrado em
Planejamento Energético) – Programa de Pós-Graduação de Engenharia, Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro – RJ. 2003. Disponível em:
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33
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tecnico-portugues-br.pdf>. Acesso em 16 dez. 2013.
34
ANEXO A - TABELA DOS RENDIMENTOS NOMINAIS MÍNIMOS