( PDF ) Análise de Eficiência Energética em Sistemas de Ar Comprimido

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA

FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO

ANÁLISE DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM

SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO

Alexandre Borges Zappelini

Uberlândia

2008

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA

FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO

ANÁLISE DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM

SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO

Dissertação a ser apresentada por

Alexandre Borges Zappelini à

Universidade Federal de Uberlândia,

como parte dos requisitos para a

obtenção do título de Mestre em

Ciências. Aprovada em 23 de Janeiro

de 2008.

ANCA EXAMINADORA:

Décio Bispo, Dr. (Orientador) - UFU

Antônio Carlos Delaiba, Dr. - UFU

Paulo César Abreu Leão , Dr. – UFSJ

Sérgio Ferreira de Paula Silva, Dr. - QUALITY

Carlos Aparecido Ferreira, Msc. – ELETROBRÁS

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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)

Z35a

Zappelini, Alexandre Borges, 1979-

Análise de eficiência energética em sistemas de ar comprimido /

Alexandre Borges Zappelini. - 2008.

134 f. : il.

Orientador: Décio Bispo.

Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Uberlândia, Progra-

ma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica.

Inclui bibliografia.

1. Compressores de ar - Teses. 2. Ar comprimido - Teses. 3. Energia

elétrica - Racionamento - Teses. I. Bispo, Décio. II. Universidade Fede-

ral de Uberlândia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica.

III. Título.

CDU: 621.51

Elaborado pelo Sistema de Bibliotecas da UFU / Setor de Catalogação e Classificação

ANÁLISE DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM

SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO

Alexandre Borges Zappelini

Dissertação a ser apresentada por Alexandre Borges

Zappelini à Universidade Federal de Uberlândia, como parte dos

requisitos para a obtenção do título de Mestre em Ciências.

____________________________ __________________________

Prof. Décio Bispo, Dr Prof. Darizon Alves de Andrade, PhD

Orientador Coordenador da Pós-Graduação

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho, em

primeiro lugar, a Deus e em

especial aos meus pais Pedro e

Lílian que me ensinaram a

viver e a sonhar.

iii

AGRADECIMENTOS

Quero aqui expressar minha imensa alegria em estar

concluindo mais um trabalho.

À Deus, agradeço, por ter estado comigo nos momentos

difíceis e de angústia. Agradeço a Ele, pois sem a sabedoria que me

foi dada do alto, não seria capaz de concluir esse projeto.

Agradeço aos meus pais, Pedro e Lílian, pelo apoio moral,

financeiro e principalmente pela presença e preocupação com meus

estudos. Aos meus irmãos pela amizade e companheirismo.

Ao professor Dr. Décio Bispo meus mais profundos

agradecimentos, pela confiança depositada, amizade, compreensão às

minhas limitações e orientação segura. Ao professor João Cícero da

Eng. Mecânica pela amizade e pelo auxílio na elaboração deste

trabalho.

Aos colegas de pós-graduação, em especial, Paulo

Henrique B. Naves e Carlos Eduardo A. R. de Oliveira pelo

companheirismo e apoio. Aos colegas Ronaldo Guimarães e Luiz

Gustavo Martins que participaram deste projeto.

Ao amigo Fabrício Augusto por ter estado comigo e por

me fazer ter certeza que valores como amizade e companheirismo são

mais preciosos que qualquer título.

À ELETROBRÁS/PROCEL pelo subsídio financeiro e

pela credibilidade depositada na Faculdade de Engenharia Elétrica da

UFU.

RESUMO

Os sistemas de ar comprimido representam parcela expressiva do consumo

energético de uma instalação industrial. Todavia, a falta de um projeto adequado e de uma

manutenção regular provoca redução no desempenho global caracterizando uma fonte

constante de desperdícios. Este fato norteou o tema de pesquisa desta dissertação, a qual se

encontra direcionada para o desenvolvimento e aplicação de técnicas para análise da

eficiência energética de sistemas de ar comprimido. A análise será dirigida mais precisamente

ao estudo do compressor instalado no laboratório de sistemas motrizes da Faculdade de

Engenharia Elétrica da UFU. Dentro deste foco principal, as atividades desenvolvidas e

apresentadas neste documento contemplam questões associadas com a conservação de

energia, apresentação do protótipo, sua análise através de simulações digitais no domínio do

tempo, metodologia de diagnóstico energético, e por fim, um estudo de caso obtido do

protótipo.

Palavras-Chave: Eficiência industrial, sistemas motrizes, compressores, eficiência

energética.

ABSTRACT

The compressed air systems represent plot expressive of energy consumption of an

industrial plant. However, the lack of an appropriate project and a regular maintenance causes

reduction in the overall performance featuring a constant source of waste. This fact guided the

subject of this dissertation research, which is directed towards the development and

application of techniques for analysis of the energy efficiency of compressed air systems. The

analysis will be addressed more specifically to the study of the compressor installed in the

laboratory systems driving the Faculty of Electrical Engineering of the Federal University of

Uberlândia. Within this focus, the activities developed and presented in this document include

issues related to energy conservation, presentation of the prototype, its analysis through

digital simulations in the field of time, method of diagnosis energy, and finally, a case study

obtained the prototype.

Keywords: Industrial Efficiency, Motor Systems, Compressors, Energy efficiency.

SUMÁRIO

CAPÍTULO I

Introdução geral.................................................................. 01

1.1 Considerações iniciais............................................................

1.2 Diretrizes desta dissertação...................................................

1.3 Contribuições oferecidas por esta dissertação.....................

1.4 Estrutura da dissertação........................................................

CAPÍTULO II

Descrição da plataforma de ensaios ...................................... 08

2.1 Introdução.................................................................................

2.2 Plataforma de ensaio do compressor.......................................

2.2.1– Diagrama esquemático................................................. 09

2.2.2– Motores........................................................................... 13

2.2.3– Chave de Partida Direta............................................... 18

2.2.4– Módulo de Partida Suave ............................................ 19

2.2.5– Multimedidor de Energia ............................................. 20

2.2.6– Sensores e Atuadores..................................................... 22

2.2.7– Compressor.................................................................... 23

2.3 Supervisório............................................................................... 28

2.3.1 – Descrição da Ferramenta.............................................. 28

2.3.2 – Plataforma do Compressor........................................... 29

2.4 Conclusões parciais................................................................... 36

vii

CAPÍTULO III

Estudo computacional de desempenho do modelo motor-

compressor no programa ATP.............................................. 37

3.1 Introdução................................................................................

3.2 Simulador ATP.........................................................................

3.2.1

- ATPDRAW..................................................................... 38

3.2.2

- ATP Settings................................................................... 40

3.2.3 - Simulações no ATPDRAW...........................................

3.2.4 - Rotina TACS..................................................................

3.3 Modelagem do motor de indução trifásico no ATP...............

3.3.1 - Motores elétricos............................................................ 44

3.3.2 - Modelo de Park ou dq0................................................. 46

3.3.3 - Modelo no programa ATP (Alternative Transients

Programs).................................................................................. 46

3.3.4 - Determinação dos parâmetros do circuito

equivalente do motor de indução trifásico de 1,5 CV

da linha padrão.............................................................. 51

3.3.5 - Determinação dos parâmetros do circuito

equivalente do motor de indução trifásico de 1,5 CV

da linha alto rendimento................................................ 55

3.3.6 - Inserção dos parâmetros no modelo

representativo do motor no ATPDRAW..................... 59

3.4 Modelagem do acionamento do motor

de indução trifásico através de partida direta e soft-starter

no programa ATP....................................................................

3.4.1 - Partida direta................................................................ 63

3.4.2 - Partida Soft-Starter....................................................... 63

viii

3.5 Modelagem da carga acoplada ao motor (compressor)........ 71

3.5.1 – Compressor................................................................... 72

3.6 Análise transitória e em regime permanente

da partida direta e Soft-Starter através

do programa ATP...................................................................

3.6.1 - Análise transitória....................................................... 75

3.6.2 - Análise em regime permanente................................... 78

3.7

Síntese dos resultados.............................................................. 84

3.8

Conclusões parciais................................................................... 85

CAPÍTULO IV

Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso......... 86

4.1 Introdução.............................................................................. 86

4.2 Ar comprimido......................................................................

4.2.1 - Consumo dos Motores Standard e

de Alto Rendimento...............................................................

4.2.2 - Perdas por vazamento................................................

4.2.3 - Perdas por Aumento de Temperatura......................

4.2.4 - Perdas por aumento de pressão.................................

4.2.5 - Avaliação do superdimensionamento

por método gráfico.....................................................

4.3 Estudo de caso e análise financeira.......................................

100

4.4 Conclusões parciais................................................................

125

CAPÍTULO V

Conclusões..................................................................................... 126

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................... 130

ANEXOS.......................................................................................... 134

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Fluxograma do compressor............................................................................................. 09

Figura 2.2 –

Foto da plataforma de ensaio do sistema de ar comprimido........................................ 10

Figura 2.3 –

Vista frontal e superior da plataforma do compressor................................................. 11

Figura 2.4 –

Desenho Esquemático do Controle............................................................................ 12

Figura 2.5 –

Curva Característica do Motor Standard................................................................ 16

Figura 2.6 –

Curva Característica do Motor de Alto Rendimento................................................. 17

Figura 2.6 –

Base de Potência............................................................................................... 17

Figura 2.7 –

Detalhes do Display............................................................................................ 22

Figura 2.8 –

Classificação dos compressores............................................................................. 23

Figura 2.9 –

Corte de um compressor a pistão......................................................................................... 25

Figura 2.10 –

Compressor Recíproco: Admissão....................................................................... 26

Figura 2.11 –

Compressor Recíproco: Compressão.................................................................... 26

Figura 2.12 –

Compressor Recíproco: Descarga............................................................................. 26

Figura 2.13 –

Compressor Recíproco: Expansão................................................................................... 26

Figura 2.14 –

Compressor Recíproco: Ciclo de compressão ideal.................................................. 27

Figura 2.15 –

Tela inicial do sistema supervisório............................................................................... 28

Figura 2.16 –

Tela de opções de plataformas.......................................................................................... 29

Figura 2.17 –

Tela principal do compressor..................................................................................... 30

Figura 2.18 –

Tela Comando do Compressor........................................................................... 32

Figura 2.19 –

Tela Grandezas Elétricas........................................................................................ 33

Figura 2.20 –

Tela Temperatura do Motor.......................................................................................... 33

Figura 2.21 –

PID – Compressor........................................................................................................... 34

Figura 2.22 –

Tela Gráfico do Compressor........................................................................................ 35

Figura 2.23 –

Tela referente ao Banco de Dados.................................................................................. 36

Figura 3.1 –

Modelos de elementos de redes elétricas disponíveis no ATPDRAW........................... 39

Figura 3.2 –

Acesso a janela ATP SETTINGS.......................................................................... 41

Figura 3.3 –

Divisões da janela ATP SETTINGS........................................................................ 41

Figura 3.4 –

Estimativa do consumo de energia consumida pela indústria.......................................... 45

Figura 3.5 –

Circuito equivalente para o eixo d............................................................................. 47

Figura 3.6 –

Circuito equivalente para o eixo q.................................................................................. 47

Figura 3.7 –

Analogia entre Torque e Corrente feita pelo ATP.................................................... 48

Figura 3.8 –

Analogia entre Constante de Mola e Indutância feita pelo ATP.................................. 49

Figura 3.9 –

Analogia entre Amortecimento Viscoso e Condutância feita pelo ATP........................ 49

Figura 3.10 –

Analogia Eletro-Mecânica feita pelo ATP.................................................................... 50

Figura 3.11 –

Ícone representativo do motor de indução no ATPDRAW......................................... 60

Figura 3.12 –

Inserção dos ramos RLC, chave controlável e fonte de alimentação........................... 61

Figura 3.13 –

Ligação do nó do rotor e do nó de neutro............................................................... 61

Figura 3.14 –

Esquema da partida direta no ATP.......................................................................... 63

Figura 3.15 –

Comparação entre arranque direto e com controlador............................................. 65

Figura 3.16 –

Modelo do Soft-Start no ATPDRAW................................................................... 67

Figura 3.17 –

Forma de onda da tensão que alimenta o estator de 0 a 60 [ms]................................. 68

Figura 3.18 –

Valor RMS da tensão fundamental no período considerado...................................... 68

Figura 3.19 –

Forma de onda da tensão que alimenta o estator de 0.99 a 1.080 [s]........................... 69

Figura 3.20 –

Valor RMS da tensão fundamental no período considerado...................................... 69

Figura 3.21 –

Forma de onda da tensão que alimenta o estator de 1.28 a 1.38 [s]............................. 70

Figura 3.22 –

Valor RMS da tensão fundamental no período considerado...................................... 70

Figura 3.23 –

Característica de aceleração das cargas................................................................. 72

Figura 3.24 –

Inserção da fonte de corrente representando o compressor............................................... 73

Figura 3.25 –

Montagem da partida direta, motor trifásico e carga (compressor)................................. 73

Figura 3.26 –

Montagem da partida soft-starter, motor trifásico e carga (compressor)......................... 74

Figura 3.27 –

Família de curvas representativa de conjugado de carga constante............................. 74

Figura 3.28 –

Velocidade do motor com partida direta e partida por Soft-Starter............................. 76

Figura 3.29 –

Corrente de partida direta (verde) e com soft-starter (vermelho)....................................... 76

Figura 3.30 –

Torque do motor com partida direta e soft-starter.................................................... 77

Figura 3.31 –

Forma de onda da corrente de regime permanente.................................................... 78

Figura 3.32 –

Valor RMS da corrente de regime permanente........................................................ 78

Figura 3.33 –

Forma de onda do conjugado de carga........................................................................... 79

Figura 3.34 –

Valor do conjugado de carga.................................................................................. 79

Figura 3.35 –

Forma de onda da velocidade em rad/s....................................................................... 80

Figura 3.36 –

Valor da velocidade em rad/s........................................................................................ 80

Figura 3.37 –

Forma de onda da potência ativa de entrada no motor................................................... 81

Figura 3.38 –

Valor da potência de entrada no motor.................................................................... 81

Figura 3.39 –

Forma de onda da potência de saída do motor......................................................... 82

xii

Figura 3.40 –

Valor da potência de saída do motor.......................................................................... 82

Figura 3.41 –

Forma de onda representativa do torque interno do motor (vermelho) e

do conjugado de carga (verde)..

......................................................................... 83

Figura 4.1 –

Gráfico de carga e alívio referente à XV-02................................................................ 103

Figura 4.2 –

Composição percentual do custo das perdas para XV-02.................................................. 106

Figura 4.3 –

Gráfico de carga e alívio referente à XV-03..................................................................... 107

Figura 4.4 –

Composição percentual das perdas pra XV – 03............................................................... 109

Figura 4.5 –

Gráfico de carga e alívio referente à XV-04................................................................ 110

Figura 4.6 –

Composição percentual das perdas para XV – 04....................................................... 111

Figura 4.7 –

Gráfico de carga e alívio referente à XV-05.................................................................. 113

Figura 4.8 –

Composição percentual das perdas para XV – 05...................................................... 114

Figura 4.9 –

Gráfico de carga e alívio referente à XV-06................................................................ 116

Figura 4.10 –

Composição percentual das perdas para XV – 06............................................................ 117

Figura 4.11 –

Curvas de desempenho do motor Standard..................................................................... 119

Figura 4.12 –

Ponto de carregamento do motor Standard de 1,5 [CV]................................................... 120

Figura 4.13 –

Ponto de carregamento, rendimento e fator de potência

do motor Standard de 1,5 [CV]................

.............................................................. 121

Figura 4.14 –

Curva Característica do Motor de Alto Rendimento.................................................... 122

Figura 4.15 –

Ponto de carregamento do motor de Alto Rendimento de 1,5 [CV]................................. 123

Figura 4.16 –

Ponto de carregamento, rendimento e fator de potência

do motor de Alto Rendimento de 1,5 [CV].................

............................................... 124

xiii

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Grandezas medidas pelo Power Logic Meter........................................................... 20

Tabela 3.1 –

Analogia eletromecânica............................................................................................. 48

Tabela 3.2 – Parâmetros do Ramo Magnético inseridos no modelo do motor no ATP........................ 59

Tabela 3.3 –

Parâmetros do Estator inseridos no modelo do motor no ATP...................................... 59

Tabela 3.4 –

Parâmetros do Rotor inseridos no modelo do motor no ATP........................................ 60

Tabela 3.5 –

Parâmetros Gerais inseridos no modelo do motor no ATP.......................................... 60

Tabela 3.6 –

Correspondência entre sistema mecânico e elétrico no ATP........................................ 62

Tabela 3.7 –

Dados referentes aos pontos de pressão máxima e de pressão mínima...........................75

Tabela 3.8 –

Análise em regime permanente das grandezas estudadas............... ........................... 84

Tabela 4.1 –

Tempos parciais do ciclo de carga e alívio para XV-02............................................. 103

Tabela 4.2 –

Composição do custo das perdas.............................................................................. 105

Tabela 4.3 –

Valores das grandezas referentes ao vazamento XV-03............................................. 107

Tabela 4.4 -

Tempos parciais do ciclo de carga e alívio para XV-03............................................... 107

Tabela 4.5 –

Composição do custo das perdas......................................................................................... 108

Tabela 4.6 –

Valores das grandezas referentes ao vazamento XV-04.................................................... 109

Tabela 4.7 –

Tempos parciais do ciclo de carga e alívio para XV-04.................................................. 110

Tabela 4.8 –

Composição do custo das perdas........................................................................... 111

Tabela 4.9–

Valores das grandezas referentes ao vazamento XV-05....................................................... 112

Tabela 4.10 –

Tempos parciais do ciclo de carga e alívio para XV-05.................................................. 112

Tabela 4.11 –

Composição do custo das perdas................................................................................... 113

Tabela 4.12 –

Valores das grandezas referentes ao vazamento XV-06........................................... 115

Tabela 4.13 -

Tempos parciais do ciclo de carga e alívio para XV-06............................................. 115

Tabela 4.14 –

Composição do custo das perdas........................................................................................ 116

xiv

CAPITULO I – Introdução geral

CAPÍTULO I

Introdução geral

1.1 – Considerações iniciais

Os problemas ocorridos nos anos 90, no setor elétrico brasileiro, demonstraram que

a energia elétrica é um insumo valioso e, como tal, deve ser usado de maneira racional. A

necessidade de metodologias e estudos que visem à eficiência energética foi demonstrada

de forma cabal pela crise de abastecimento que assolou o país no ano de 2001 [1].

As fontes de energia utilizadas em maiores escalas no mundo atual, sejam elas

provenientes do petróleo, do carvão, ou de fontes hídricas se tornam cada vez mais

escassas. E outras, como a nuclear, apresentam restrições quanto a sua segurança; a solar

limitação tecnológica e a eólica problemas de localização que restringem sua implantação.

Assim, o constante aumento da demanda energética, sustentado pelas mudanças

inerentes sofridas no cenário mundial, sejam elas mudanças de caráter tecnológico ou

mesmo ligadas ao nicho ao qual a sociedade encontra-se imersa. Logo, novas soluções

CAPITULO I – Introdução geral

devem ser desenvolvidas de forma a suprir esse aumento e concomitantemente atender as

condições de preservação do planeta.

O cenário traçado pelo Programa de Aceleração do Crescimento (PAC) estima que

o PIB brasileiro deverá crescer 4,5% em 2007 e aproximadamente 5% nos próximos três

anos [2]. O crescimento econômico acarreta necessariamente aumento no consumo de

energia elétrica.

Segundo o Gerente de Utilização de Energia da Companhia Energética de Minas

Gerais (CEMIG) ações que objetivem o uso racional e eficiente de energia correspondem a

construção de uma usina virtual de energia [3]. Embasando tal opinião, Howard Steven

Geller relata: a economia de energia elétrica, em 1998, permitiu que as concessionárias

brasileiras evitassem implementar aproximadamente 1560 MW de nova capacidade

geradora, o que significou cerca de 3,1 bilhões de investimentos evitados [4].

O setor industrial, segundo o Balanço Energético Nacional – BEN de 2005,

consumiu 203,48 TWh o correspondente a 47,9% de toda a eletricidade consumida no país.

No que se refere ao cenário industrial, a CEMIG informa, em seu sítio que: no Brasil, os

motores elétricos de indução são responsáveis por cerca de 50% das cargas elétricas

industriais, chegando a 70% em determinadas regiões.

A tendência é que o déficit de energia seja cada vez maior ao longo do tempo. Neste

particular, a busca por soluções que visem combater o desperdício em todas as áreas de

utilização da energia elétrica se torna imprescindível.

O conceito de utilização racional de energia veio alterar a forma de encarar a

energia, demonstrando ser possível crescer sem aumentar o consumo ou afetar a produção.

Nesse sentido, o termo gestão da energia deve ser encarado como qualquer outro fator de

produção, devendo ser gerida de forma contínua e eficaz.

CAPITULO I – Introdução geral

A justificativa mais usual e que mais sensibiliza a generalidade dos industriais é o

argumento da competitividade. Reforçando esta questão veio à pressão ambiental como

mais um ponto determinante da eficiência energética. Seja por imposição legal, seja pela

necessidade de cumprir requisitos ambientais cada vez mais a eficiência energética é um

assunto pertinente e atual.

Assim, a eficiência energética, conceito entendido como o gerenciamento amplo do

uso das fontes existentes e das que estão emergindo, é o melhor caminho para evitar o

desperdício de energia e garantir a oferta necessária ao desenvolvimento sustentável.

Com tais preocupações em mente, a Eletrobrás apóia programas estratégicos do

governo federal como o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica

(PROCEL). Esta iniciativa apresenta fundamental importância na definição de estratégias e

mobilização da sociedade contra o desperdício de energia elétrica. A energia economizada

permite adiar o investimento em novas unidades geradoras e focar recursos em outras áreas.

Dentro deste contexto, a Universidade Federal de Uberlândia – UFU, Minas Gerais,

em parceria com ELETROBRÁS/PROCEL, idealizou um laboratório que, de forma prática

e inteligente, permite o estudo das principais cargas motrizes utilizadas no setor industrial.

Com vasta e reconhecida atuação nos campos da qualidade da energia elétrica e máquinas

elétricas, essa universidade reconheceu a necessidade de, também, avançar no campo da

utilização da energia elétrica de forma racional [1].

CAPITULO I – Introdução geral

1.2 – Diretrizes desta dissertação

Os sistemas de ar comprimido representam parcela expressiva do consumo

energético de uma instalação industrial. Todavia, a falta de um projeto adequado e de uma

manutenção regular provoca redução no desempenho global caracterizando uma fonte

constante de desperdícios.

Infelizmente no nosso país poucos gestores e técnicos encaram o ar comprimido

como uma forma de energia, que deverá ser utilizada racionalmente de modo à rentabilizar

o processo produtivo.

Assim, este trabalho pretende contribuir para o estudo de eficiência energética no

sistema de ar comprimido instalado no laboratório de sistemas motrizes da Faculdade de

Engenharia Elétrica conveniado junto à Eletrobrás. Esta contribuição é no âmbito de

apresentar procedimentos que podem ser realizados em laboratório, como também, dentro

das estruturas das indústrias com o objetivo de se fazer o diagnóstico energético de sistemas

de ar comprimido.

Com base nessas análises, algumas soluções serão apresentadas objetivando reduzir

o consumo e desperdício de energia elétrica.

A redução dos custos de geração de ar comprimido requer processos adequados e

algumas medidas operacionais relacionadas ao controle da temperatura ambiente que se

encontra o compressor, vazamentos na rede de distribuição e pressão de trabalho em níveis

adequados.

CAPITULO I – Introdução geral

1.3 – Contribuições oferecidas por esta dissertação

Tendo contextualizado o tema e estabelecido às diretrizes que nortearão a

concepção e o desenvolvimento da presente pesquisa, vale ressaltar que esta dissertação

apresenta as seguintes contribuições:

• Desenvolvimento do modelo computacional de desempenho do motor-

compressor no programa ATP, utilizando de técnicas de representação

baseadas no domínio do tempo;

• Aplicação de metodologias de diagnóstico energético já consagrados na

literatura técnica especializada direcionada especificamente ao sistema de ar

comprimido;

• Realização de estudo de caso a partir de dados obtidos dos ensaios

operacionais executados no sistema de ar comprimido;

• Sensibilizar os gestores e técnicos ligados à atividade industrial da

importância de se adotar um gerenciamento adequado e racional voltados ao

consumo energético de sistemas de ar comprimido, objetivando com isso

rentabilizar o processo produtivo.

1.4 – Estrutura da dissertação

Com o intuito de atender as metas supracitadas, esta dissertação apresenta-se

estruturada, além deste capítulo introdutório, com as seguintes unidades:

CAPITULO I – Introdução geral

CAPÍTULO II – DESCRIÇÃO DA PLATAFORMA DE ENSAIOS

Este capítulo destina-se a descrição das características e funcionalidades do

laboratório de sistemas motrizes enfocando a plataforma do compressor. A meta é

familiarizar o pesquisador com o sistema a ser analisado. Serão apresentados os principais

componentes, o seu funcionamento, o sistema de controle através do supervisório e alguns

detalhes pertinentes que contribuirão para o desenvolvimento desta pesquisa.

CAPÍTULO III – ESTUDO COMPUTACIONAL DE DESEMPENHO DO MODELO

MOTOR-COMPRESSOR NO PROGRAMA ATP

Esta unidade tem por meta desenvolver uma modelagem para simular e comparar o

acionamento do motor de indução trifásico (standard e alto rendimento) através de partida

direta e soft-starter utilizando técnicas de modelagem no programa ATP. A simulação

considera como carga mecânica o compressor que está acoplado ao eixo do motor.

O intuito é analisar as características e particularidades em termos de grandezas

elétricas e mecânicas do modelo completo representativo da bancada do compressor e

verificar sua validação em relação ao modelo real.

CAPITULO I – Introdução geral

CAPÍTULO IV – METODOLOGIA DE DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO E ESTUDO DE

CASO

Este capítulo está centrado nas descrições e características de metodologias de

diagnóstico energético para determinação da perda de energia devido a vazamentos na rede

de distribuição, e também a perda de eficiência do compressor no que se refere à

temperatura de admissão do ar e aos níveis de pressão na operação do compressor. O

método utilizado para quantificação dos caudais de vazamento será o da medição do tempo

em carga. Com relação ao motor que aciona a carga, as análises se restringiram ao consumo

e possível substituição do motor Standard pelo de Alto Rendimento, e também a

verificação de eventual sobredimensionamento.

Com os ensaios executados e os dados colhidos se tornou pertinente o estudo de

caso e análise financeira com o intuito de evidenciar as fórmulas demonstradas e

comprovar numericamente as grandezas relacionadas ao tema Eficiência Energética.

CAPÍTULO V – CONCLUSÕES

Este capítulo sintetiza as principais contribuições do trabalho e suas conclusões

finais a respeito dos pontos focados ao longo do documento, quanto às características

avaliadas para a bancada do compressor em estudo.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Por fim, condensa-se o material bibliográfico utilizado para o desenvolvimento

desta dissertação.

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

CAPÍTULO II

Descrição da plataforma de ensaios

2.1 – Introdução

Este capítulo traz a descrição, características e funcionalidades do laboratório de

sistemas motrizes. A descrição envolve o detalhamento da plataforma de ensaio do

compressor. Esta carga foi instalada de forma independente, contendo um sistema de

comando composto por: sistemas de automação, controle e medições integrados. Um

acionamento composto por dois motores (standard e auto-rendimento) e dois modos de

partida (direta e soft-start) que acoplados à carga, permitem a visualização das formas de

controle e operação dos equipamentos, sobre o enfoque da eficiência industrial [1].

2.2 - Plataforma de ensaio do compressor

É composta por um sistema completo de acionamento. Está instalado um micro-

computador (CPU, monitor, mouse, teclado e no-break) responsável pelo monitoramento e

controle através do supervisório Indusoft 6.1. Estão instalados dois motores (Standard e

Alto Rendimento), o módulo de carga (com variação de 0 a 120% da carga nominal do

motor) e dispositivos de sensoriamento e atuação. Em um painel estão instalados os

dispositivos de partida (partida direta e soft-starter), o controlador programável (CLP),

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

medidor de grandezas elétricas e elementos de acionamento e proteção como contatores,

disjuntores e fusíveis [1].

Na seqüência são apresentados os detalhes de cada equipamento que compõe a

plataforma do compressor.

2.2.1 – Diagrama esquemático

As conexões existentes entre os equipamentos, enfocando-se o fluxograma e a vista

frontal e superior da plataforma, são mostradas na seqüência.

Figura 2.1 - Fluxograma do compressor

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

A figura 2.1 representa o fluxograma do compressor. Os componentes deste

fluxograma serão apresentados em momento oportuno no item referente ao supervisório.

A figura 2.3 representa a vista frontal e superior da plataforma de ensaio do

compressor, juntamente com e esquema unifilar simplificado de comando considerando

partida direta e soft-starter. Contempla também as comunicações em rede via Ethernet

(entre PC e o CLP) e Moddus (entre CLP e os dispositivos de partida e medição),

juntamente com as entradas analógicas e digitais.

Figura 2.2 – Foto da plataforma de ensaio do sistema de ar comprimido

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

Figura 2.3 – Vista frontal e superior da plataforma do compressor

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

A figura 2.4 representa de forma simplificada as conexões de controle entre os

dispositivos de partida, sensores, atuadores e controladores.

Figura 2.4 – Desenho Esquemático do Controle

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

A comunicação entre o CLP e os dispositivos de partida e medição é realizada via

protocolo Moddbus RTU. Já a comunicação do microcomputador (supervisório) com o

CLP é realizada via Ethernet [1].

A comunicação dos equipamentos de medição e partida é detalhada mais adiante.

2.2.2 – Motores

Na plataforma do compressor são utilizados dois motores de indução trifásicos de

1,5CV. Um Standard (azul) e outro de Alto Rendimento (verde).

Adiante serão apresentadas algumas especificações técnicas de cada um dos

motores [5]:

• Motor Standard:

o Modelo: HE36350;

o Grau de Proteção: IP55;

o Isolação: B;

o Regime: S1;

o Potência Nominal: 1,5 CV;

o Tensões Nominais: 220/380;

o Correntes Nominais: 4,27/2,47;

o Freqüência Nominal: 60 Hz;

o Velocidade de Rotação Nominal: 3370 rpm;

o Razão da Corrente de Partida pela Corrente Nominal (Ip/In): 7,5;

o Categoria de desempenho: N;

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

o Fator de Serviço: 1,15;

o Rendimento Nominal: 78,6;

o Fator de Potência Nominal: 0,86.

• Motor de Alto Rendimento:

o Modelo: G192961;

o Grau de Proteção: IP55;

o Isolação: F;

o Regime: S1;

o Potência Nominal: 1,5 CV;

o Tensões Nominais: 220/380;

o Correntes Nominais: 4,02/2,33;

o Freqüência Nominal: 60 Hz;

o Velocidade de Rotação Nominal: 3390;

o Razão da Corrente de Partida pela Corrente Nominal (Ip/In): 7,5;

o Categoria de desempenho: N;

o Fator de Serviço: 1,15;

o Rendimento Nominal: 82,5;

o Fator de Potência Nominal: 0,87.

O Grau de Proteção define as condições de segurança e de funcionamento em

função da agressividade do ambiente e a segurança das pessoas, na qual tem a função de

impedir que sejam atingidas e corram risco de vida. No caso dos motores empregados, o

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

grau de proteção IP55 indica que o motor está protegido contra poeira prejudicial ao motor

(primeiro numeral), e protegido contra jato de água em qualquer direção (segundo numeral)

[5].

A Isolação do motor indica a classe de isolante utilizado na fabricação do mesmo.

No caso dos motores utilizados, a classe do isolante é B para o motor da linha Standard e F

para o motor de alto rendimento. Isolação B indica que o isolante suporta uma temperatura

de 130ºC e isolação F indica que o isolante suporta uma temperatura de 155ºC [6].

O Regime de Serviço indica como se comporta a carga ao longo do tempo. No caso,

o regime é S1, isso corresponde a uma carga constante no eixo do motor, com duração

suficiente para que o equilíbrio térmico seja atingido [6].

O Fator de Serviço multiplicado pela potência nominal do motor indica a carga que

pode ser acionada pelo motor. É uma reserva de energia que pode ser utilizada,

preferencialmente, em regime não contínuo porque a utilização desse fator em regime

contínuo implica numa redução de 50% da vida útil do sistema de isolação [6]. O fator de

serviço dos motores da bancada é de 1,15. Sendo a potência Nominal de 1,5CV, logo temos

uma potência total disponível de 1,725CV.

As figuras 2.5 e 2.6 a seguir representam a curva de desempenho dos motores

Standard e de Alto Rendimento, respectivamente [5].

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

Figura 2.5 – Curva Característica do Motor Standard

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

Figura 2.6 – Curva Característica do Motor de Alto Rendimento

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

2.2.3 – Chave de Partida Direta

Partida direta consiste em acionar motores conectando-os diretamente à rede

elétrica. Isso se dá, aplicando-se tensão nominal nos enrolamentos do estator do motor de

maneira direta [6].

Esse tipo de partida é caracterizado por elevar a corrente de partida de,

aproximadamente, 6 a 7 vezes da corrente nominal do motor. É a forma mais barata de

acionar uma máquina, porém apresenta várias desvantagens.

Algumas das desvantagens com relação a outros métodos de partida são, como por

exemplo, um transiente de corrente e torque durante a partida. A corrente variando entre 6 e

7 vezes a nominal, obriga o projetista do sistema elétrico a superdimensionar o sistema de

alimentação, disjuntores, fusíveis, que fazem parte do circuito elétrico que alimenta o

motor. Dependendo dos valores de pico de corrente, a tensão do sistema pode sofrer quedas

significativas. O Transiente de torque, faz com que os componentes mecânicos associados

ao eixo do motor, sofram desgaste prematuro. A situação piora à medida que a potência

elétrica do motor aumenta.

A partida direta do compressor é realizada através de um dispositivo fabricado pela

Telemecanique [7]. É utilizada a chave de Partida Integrada de Motor TeSys modelo U [7].

Ela é composta por uma base de potência, por uma unidade de controle e por um módulo de

comunicação.

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

2.2.4 – Módulo de Partida Suave

Os soft-starters são equipamentos eletrônicos tiristorizados que, de acordo com o

controle das três fases do motor assíncrono, regulam a tensão e a corrente durante a parada

e a partida de motores elétricos, realizando o controle efetivo do conjugado [8], [9].

Os sensores de corrente incorporados enviam as informações ao microprocessador

para realizar e controlar o conjugado, diante das diferentes condições de carga além de

poteger o motor de eventuais sobrecargas.

É recomendado o uso de partidas progressivas soft-starter, quando se deseja alguns

benefícios como: reduzir picos de corrente na rede durante a partida; para desacelarações

suaves; paradas controladas sem desgastes e sem aumento de temperatura; reduzir as

quedas de tensão na linha; otimizar o funcionamento da máquina. Sua aplicação é mais

comum quando não é exigida a variação de velocidade.

O Soft-Starter controla a tensão sobre o motor através do circuito de potência,

constituído por seis SCR’s, variando-se o ângulo de disparo dos mesmos e,

conseqüentemente, variando-se a tensão eficaz aplicada ao motor. Assim, pode-se controlar

a corrente de partida do motor, proporcionando uma "partida suave" (soft start em inglês),

de forma a não provocar quedas de tensão bruscas na rede de alimentação, como ocorre em

partidas diretas devido ao grande valor de corrente.

Os Soft-Starters costumam funcionar com a tecnologia chamada by-pass. Essa

tecnologia consiste em ligar um contator substituindo os módulos de tiristores após a

partida do motor. Isso evita o sobreaquecimento dos tiristores.

A partida utilizando-se Soft-Starter do compressor é realizada através de um

equipamento da Telemecanique: Altistart 48 – ATS 48D17Q [10].

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

O conversor Altistart 48 é um equipamento com 6 tiristores que permite a partida e

a parada progressiva totalmente controlada em conjugado dos motores assíncronos

trifásicos de gaiola [10].

Este equipamento possui as funções de partida e paradas suaves, de proteção das

máquinas e dos motores e as funções de comunicação com os automatismos.

2.2.5 – Multimedidor de energia

O Multimedidor de energia é um equipamento multifuncional. É um instrumento

digital e possui dispositivo de controle e aquisição de dados. Ele é equipado com

comunicação RS485 para integrar sistemas de controle e monitoramento.

A tabela 2.1 adiante apresenta uma lista de grandezas mensuráveis pelo Power

Logic [11].

Tabela 2.1 – Grandezas medidas pelo Power Logic Meter

Grandezas em Tempo Real Analisador de Energia

9 Corrente nas três fases e no neutro

9 Tensão de fase e de linha nas três fases

9 Potência Ativa nas três fases

9 Potência Reativa nas três fases

9 Potência Aparente nas três fases

9 Fator de Potência nas três fases

9 Freqüência

9 DHT

9 Tensão Fundamental por fase

9 Corrente Fundamental por fase

9 Potência Ativa Fundamental por fase

9 Potência Reativa Fundamental por fase

9 Desequilíbrio de Tensão e Corrente

9 Rotação de fase

9 Amplitude e ângulo dos harmônicos de

corrente e tensão

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

Energia Demanda

9 Energia Ativa acumulada

9 Energia Reativa acumulada

9 Energia Aparente acumulada

9 Demanda de corrente nas três fases

9 Fator de Potência Médio

9 Demanda de Potência Ativa nas três

fases (atual e de pico)

9 Demanda de Potência Reativa nas três

fases (atual e de pico)

9 Demanda de Potência Aparente nas três

fases (atual e de pico)

9 Previsão de Demanda de Potência

A alimentação do equipamento é feita por tensão alternada utilizando-se a fase L1 ou A, e a

fase L2 ou B disponíveis no painel.

É importante observar no diagrama elétrico do painel que foi apresentado

anteriormente, que os TC’s estão dispostos de tal forma que por eles passam somente a

corrente que vai para os motores. A corrente que alimenta os dispositivos internos do painel

não passa pelos TC’s. Isto porque a análise que se deseja fazer através dos ensaios é da

eficiência dos motores.

A figura 2.7 indica cada componente do display do medidor [11]. Através desse

display, várias informações poderão ser acessadas. A maioria delas será acessada via

supervisório.

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

Figura 2.7 – Detalhes do Display

2.2.6 – Sensores e Atuadores

• Sensores:

o PIT-01: SMC PRESSURE. Esse é um sensor que indica e

transmite para o CLP o valor da pressão do reservatório de ar

comprimido. A transmissão é feita no padrão 4-20mA [12].

o FIT-02: YOKOGAWA. Esse é um sensor que indica e transmite

para o CLP o valor da vazão de ar correspondente às perfurações

que simulam os vazamentos no sistema. A transmissão é feita no

padrão 4-20mA [13].

o FIT-03: YOKOGAWA. Esse é um sensor que indica e transmite

para o CLP o valor da vazão de ar correspondente à carga no

sistema. A transmissão é feita no padrão 4-20mA [13].

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

o Encoder: hohner - TH22R4500. Esse é um sensor de velocidade

de rotação. Ele transmite o valor para o CLP no padrão 4-20mA .

• Atuadores:

o Válvulas Solenóides (XV-1 à XV-6): Fabricante SMC, modelo

VXZ 2240. Essas válvulas são responsáveis por permitirem ou

não o fluxo de ar na saída principal que simula a carga e nas

saídas correspondentes às perfurações. Elas são acionadas quando

alimentadas por 24 VDC.

o FV-01: Fabricante SMC, modelo VEF 314. Ver detalhe em [14].

Essa é uma válvula elétrica proporcional. Ela é responsável por

controlar a vazão de ar na saída principal (de carga) do sistema.

Sua abertura é determinada pelo valor da corrente (4 à 20mA)

advinda da placa de controle. Ver detalhes da placa em [15].

2.2.7 - Compressor

Figura 2.8 – Classificação dos compressores

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

A figura 2.8 apresenta uma classificação dos tipos de compressores existentes,

segundo o princípio de operação.

Os compressores de deslocamento positivo a pistão e os de parafuso são os mais

utilizados. Os dinâmicos, como os centrífugos e axiais, são mais utilizados em sistemas de

pressões menores, mas com vazões elevadas. Os demais compressores são usados para

outros gases ou para aplicações especiais.

As principais vantagens dos compressores recíprocos de pistão são os fatos de

produzirem altas pressões e funcionarem com excelente desempenho mecânico.

Os compressores de parafuso são do tipo rotativo. Foram desenvolvidos durante os

anos 30, quando se necessitou de compressores que produzissem altas vazões e que

mantivessem o comportamento estável quando houvesse variação de carga. As

características mais importantes são: volume reduzido; produção contínua de ar; e

temperatura mais baixa no fim da compressão.

Os compressores dinâmicos são também denominados compressores de fluxo.

Dentre eles merece destaque o compressor axial que apresenta como características:

produção uniforme do ar comprimido; produção do ar isenta de óleo; é sensível a variações

de carga e tensões; e atendem a vazões elevadas. E o compressor centrífugo que apresenta

características semelhantes, diferenciando apenas em aspectos construtivos mecânicos.

O compressor que compõe a plataforma é recíproco cuja forma construtiva utiliza

pistão para realizar o deslocamento e a compressão do volume de gás a ser comprimido

[16].

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

O compressor recíproco é classificado como sendo de deslocamento positivo, como

mostra a figura 2.8. Isto significa que a compressão é realizada a partir do confinamento de

sucessivos volumes de gás em um espaço fechado.

O princípio de funcionamento apresenta um sistema biela-manivela que converte o

momento rotativo de um motor em movimento linear, como na figura 2.9 [16].

Figura 2.9 – Corte de um compressor a pistão

Para realizar a compressão durante o movimento linear do pistão, o cabeçote foi

provido de válvulas na admissão e descarga do gás. Durante a admissão do ar o êmbolo

retorna à sua posição inferior no cilindro reduzindo a pressão no interior do mesmo. A

válvula de sucção abre-se permitindo a entrada de gás a ser comprimido, conforme mostra a

figura 2.10. Durante o movimento ascendente do pistão (compressão) a válvula de sucção

fecha-se e a válvula de descarga permanece fechada, conforme figura 2.11. No instante em

que a pressão no interior do cilindro se torna superior à pressão na descarga a válvula de

descarga abre-se para fora do cilindro, permitindo a saída do gás comprimido, conforme

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

figura 2.12. Ao final do percurso ascendente do êmbolo a válvula de descarga fecha-se e o

êmbolo inicia nova descida, como mostra a figura 2.13. Como o êmbolo não pode encostar-

se ao topo do cilindro, uma quantidade residual de gás comprimido permanece no volume

morto do cilindro, retardando a abertura da válvula de sucção até que a queda de pressão no

interior do cilindro permita a abertura da mesma [16].

Figura 2.10 – Compressor Recíproco: Admissão

Figura 2.11 – Compressor Recíproco: Compressão

Figura 2.12 – Compressor Recíproco: Descarga

Figura 2.13 – Compressor Recíproco: Expansão

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

O ciclo de compressão ideal dos compressores recíprocos é mostrado na figura 2.14.

Figura 2.14 – Compressor Recíproco: Ciclo de compressão ideal

As características nominais do compressor em estudo são:

• Vazão de 16,888 [m³/h];

• Pressão máxima de 120 [lb/pol²];

• Cilindradas 348,36 [cm³];

• Potência 2 [CV];

Em se tratando do controle por inversores de freqüência, a justificativa de sua

ausência como dispositivo de partida é pelo fato do compressor não apresentar rendimento

constante na faixa de regulação. A este fato somam-se as perdas do compressor e o

comportamento não-linear da potência dos compressores. Assim, os inversores de

freqüência utilizados de maneira incorreta podem aumentar o consumo de energia elétrica.

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

2.3 – Supervisório

2.3.1 – Descrição da Ferramenta

O sistema supervisório do laboratório é o InduSoft Web Studio 6.1. Ele foi

configurado para realizar o controle de todo o processo apresentando uma capacidade de

monitoramento em tempo real através da rede de dados Modbus Ethernet [17].

Cada plataforma do laboratório possui um computador específico no qual foi

disponibilizado o acesso do sistema supervisório por meio de uma senha.

É possível acessar qualquer uma das bancadas através de qualquer um dos

computadores. Ao acessar o sistema, será apresentada a tela da figura 2.15.

Figura 2.15 – Tela inicial do sistema supervisório.

Com a tela inicial aberta, o usuário poderá optar por FECHAR O APLICATIVO ou

LOGON. Ao efetuar o Logon, será disponibilizada ao usuário a tela da figura 2.16,

permitindo que o usuário escolha o sistema em que deseja efetuar os testes.

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

Figura 2.16 – Tela de opções de plataformas

Nesta tela o usuário poderá optar ainda por voltar à tela da figura 2.15, para isso ele

deverá clicar sobre o botão MENU PRINCIPAL.

Adiante serão apresentadas as principais telas do sistema supervisório

correspondente ao compressor.

2.3.2 – Plataforma do Compressor

Ao optar pelo compressor, o usuário terá disponível a tela da figura 2.17 que

apresenta o esquema físico completo da plataforma.

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

Figura 2.17 – Tela principal do compressor.

Através da tela apresentada anteriormente é possível fazer as seguintes observações:

• PIT-01: Indica a pressão do reservatório de ar comprimido em Kgf/cm²;

• FIT-02: Indica a vazão no ponto indicado em Nm³/h;

• FIT-03: Indica a vazão no ponto indicado em Nm³/h;

• FV-01: Válvula proporcional de vazão. Indica a percentagem de abertura da

válvula;

• VELOCIDADE: Velocidade do motor em rpm;

• XV-1: Solenóide para simulação de carga. Fechado (verde) e aberto

(vermelho);

• XV-2 a XV-6: Solenóides para simulação de vazamentos. Fechado (verde) e

aberto (vermelho);

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

• Motor: O motor só aparece quando o mesmo está acoplado no sistema. Se

estiver na cor verde indica que o motor acoplado é o de Alto Rendimento, se

estiver na cor azul indica que o motor acoplado é o Standard. O detalhe

retangular sobre a figura do motor indica se está operando (vermelho),

parado (verde) e com defeito (amarelo).

• Botões:

o COMANDO: Abre a tela “Comando do Compressor”;

o MEDIÇÕES: Abre a tela “Grandezas Elétricas – Compressor”;

o TEMP: Abre a tela “Temperatura do Motor – Compressor”;

o GRÁFICO: Abre a tela “Gráfico do Compressor”;

o BD: Abre a tela Banco de Dados;

o PID: Abre a tela PID;

o MENU PRINCIPAL: Volta à tela da figura 2.16.

A tela “Comando do Compressor” da figura 2.18, disponibiliza as seguintes

funções:

• Escolha da Partida: DIRETA ou SOFT-START;

• Comando: LIGA, DESLIGA e RESET;

• Abertura e fechamento dos solenóides;

• ACC: Tempo da partida em segundos;

• DCC: Tempo de desaceleração em segundos;

• Controle: Automático ou Manual;

• Pressões de regulagem para controle automático;

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

• Função Automático ou Manual para religamento e desligamento.

É importante observar que os parâmetros de ACC e DCC só aparecerão na tela de

comando quando for feita a opção de partida por soft-start.

Figura 2.18 – Tela Comando do Compressor.

A tela “Grandezas Elétricas - Compressor” da figura 2.19, disponibiliza a leitura das

seguintes grandezas:

• Tensão: Tensão de linha das três fases;

• Corrente: Corrente das três fases, do neutro e a média;

• Demanda;

• Fator de Potência: Fator de Potência nas três fases e a média;

• Harmônicas: DHT de tensão entre fases e fase-neutro, THD de corrente nas

fases e neutro. Distorções harmônicas de tensão e corrente com os

respectivos ângulos até o 50º ordem.

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

• Potência: Potências ativa, reativa e aparente por fase e a total;

• Energia: Energia ativa, reativa e aparente por fase e a total;

• Freqüência: Freqüência da tensão de alimentação.

Figura 2.19 – Tela Grandezas Elétricas

A tela “Temperatura do Motor - Compressor” da figura 2.20 disponibiliza a leitura

das temperaturas das bobinas do motor (cada fase individualmente) e a temperatura da

carcaça. A temperatura indicada é correspondente ao motor acoplado no sistema.

Figura 2.20 – Tela Temperatura do Motor

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

A tela “PID” da figura 2.21, disponibiliza as seguintes funções:

• Automático: este item sendo selecionado, o controlador PID irá buscar a

vazão pré-determinada do sistema, controlando a abertura e fechamento da

válvula proporcional elétrica automaticamente;

• Manual: este item sendo selecionado, a válvula proporcional elétrica poderá

ser aberta ou fechada conforme determinado no espaço MV.

• P: determina o valor proporcional do sistema de controle automático;

• I: determina o valor integral do sistema de controle automático;

• D: determina o valor derivativo do sistema de controle automático;

• SP: Set Point é o valor de vazão pré-determinado pelo usuário. Este espaço

somente interfere no sistema se o controle da válvula proporcional elétrica

for automático;

• PV: Present Value é o valor atual da vazão de ar do sistema indicado no

sensor FIT-03;

• MV: Moviment Value é o valor atual da abertura da válvula proporcional

elétrica caso seja escolhida a opção Automático.

Figura 2.21 – PID – Compressor.

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

A tela “Gráfico do Compressor” da figura 2.22, disponibiliza as curvas de vários

parâmetros do sistema em função do tempo. Estes parâmetros podem ser elétricos ou

mecânicos, como por exemplo: tensão, corrente, potência, pressão, vazão, temperatura,

velocidade, etc.

Figura 2.22 – Tela Gráfico do Compressor

A tela “BD - Compressor” da figura 2.23 disponibiliza dados referentes às várias

grandezas elétricas e físicas coletadas pelo sistema ao longo do tempo.

CAPÍTULO II – Descrição da plataforma de ensaios

Figura 2.23 – Tela referente ao Banco de Dados

2.4 – Conclusões parciais

Este capítulo foi centrado na descrição, características, especificações e

funcionalidades do laboratório de sistemas motrizes no que se refere à plataforma de ensaio

do compressor. Inicialmente foram tecidos comentários sobre os aspectos básicos, desde o

diagrama esquemático até a especificação de cada dispositivo que a compõem. Vale

mencionar a descrição do sistema supervisório que comanda e disponibiliza dados técnicos

instantâneos relevantes aos ensaios. Assim, é possível simular diversas condições

operativas de carga demonstrando os fenômenos eletromecânicos pertinentes a este sistema.

Como diferencial, existe a possibilidade de se fazer um estudo integrado

relacionando sistema elétrico, mecânico, térmico e hidráulico que é fiel às condições de

uma planta industrial real.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

CAPÍTULO III

Estudo computacional de desempenho do modelo

motor-compressor no programa ATP

3.1– Introdução

O objetivo deste capítulo é desenvolver uma modelagem para simular e comparar o

acionamento do motor de indução trifásico (standard e alto rendimento) através de partida

direta e soft-starter utilizando técnicas de modelagem no programa ATP. A simulação

considera como carga mecânica o compressor que está acoplado ao eixo do motor.

O intuito é analisar as características e particularidades em termos de grandezas

elétricas e mecânicas do modelo completo representativo da bancada do compressor e

verificar sua validação em relação ao modelo real.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

O processo de modelagem é iniciado pelo estudo teórico de todos os componentes

que compõem o sistema de acionamento do motor-carga considerado no estudo (motor de

indução trifásico, chaves de partidas e carga mecânica).

3.2– Simulador ATP

O ATP (Alternative Transients Program) é um programa computacional que

trabalha no domínio do tempo desenvolvido para simular sistemas elétricos de potência.

Esse programa foi originado de uma adaptação do programa EMTP (ElectroMagnetic

Transient Program) para a utilização em microcomputadores, sendo o mesmo

completamente livre de “royalties”. Como tal ele é distribuído em diversas partes do

mundo pelo grupo de usuários do EMTP (EMTP User Group) [18], [19].

O programa permite a representação de não-linearidades, elementos com parâmetros

concentrados, elementos com parâmetros distribuídos, chaves, transformadores, reatores,

enfim, a grande maioria dos equipamentos de sistema de energia elétrica.

O ATP não dispõe de modelos para todos os componentes do sistema elétrico,

porém possui ferramentas para elaborar modelos específicos quando os mesmos não

estiverem disponíveis.

3.2.1 – ATPDRAW

O ATPDRAW, figura 3.1, é um software pré-processador do ATP que atua como

uma interface gráfica na plataforma MS – WINDOWS ao ATP (Alternative Transients

Programs) [19].

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Desenvolvido por Hans Kr. Hoidalen (Noruega, 1999), o ATPDRAW permite a

construção de arquivos de entradas por conjunto de blocos. Possui mais de 65 componentes

padrões e possibilita a criação de novos objetos (Models).

Figura 3.1 – Modelos de elementos de redes elétricas disponíveis no ATPDRAW

Permite a simulação de transitórios eletromagnéticos em redes polifásicas, com

configurações arbitrárias, através de um método que utiliza a matriz de admitância de

barras. A formulação matemática é baseada no método das características (método de

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Bergeron) para elementos com parâmetros distribuídos e na regra de integração trapezoidal

para elementos com parâmetros concentrados [19].

O ATPDRAW permite a criação dos arquivos de entrada de dados com base no

circuito a ser simulado, que é construído graficamente com os modelos existentes no

simulador.

Cada componente gráfico permite a inclusão dos parâmetros correspondentes em

janelas próprias que ajuntam os dados aos formatos de entrada requeridos pelo ATP.

Como desvantagem do ATPDRAW pode ser citada a necessidade de se manter

qualquer alteração de circuito sempre dentro do ambiente do programa. Este fato se deve a

correspondência que existe entre o arquivo de referência para dados do circuito, que é

gráfico, e o arquivo de dados gerados para o EMTP – ATP. Assim sendo, a edição direta do

arquivo de dados no formato para EMTP – ATP quebra a correspondência existente aos

dois arquivos (o gráfico e o de dados formatados), a única forma de manter a

correspondência seria sempre realizar as alterações de dados ou de circuito no ATPDRAW.

Esta desvantagem citada constitui uma das razões pelas quais os usuários experientes

costumam não usar o ATPDRAW, uma vez que a edição direta dos arquivos é sempre o

meio mais rápido de efetuar pequenas alterações nos arquivos do EMTP – ATP.

3.2.2 – ATP Settings

É o local do ATPDRAW onde são configurados os parâmetros da simulação [19].

Esta janela é acessada como mostra a figura 3.2 ou através da tecla de atalho F3. As suas

divisões são mostradas na figura 3.3.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Figura 3.2 – Acesso a janela ATP SETTINGS

Figura 3.3 – Divisões da janela ATP SETTINGS

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

3.2.3 – Simulações no ATPDRAW

Após as devidas escolhas dos parâmetros no ATP SETTINGS pode-se realizar a

simulação de um determinado circuito.

Não ocorrendo erro no circuito, a simulação é realizada. Essa simulação fornece

alguns tipos de arquivos de saída como arquivo no formato .PL4 e arquivo no formato .LIS.

3.2.4 – Rotina TACS

TACS é uma rotina de análise transitória de sistemas de controle. Foi desenvolvida

para simular interações dinâmicas entre a rede elétrica e os sistemas de controle de um

determinado equipamento. Os sistemas de controle podem ser descritos por diagramas de

blocos no domínio da freqüência com configurações arbitrárias dos elementos disponíveis.

É permitida a representação de funções de transferência, somadores, multiplicadores,

limitadores estáticos e dinâmicos, funções algébricas e lógicas, fontes de sinal, chaves

controladas, funções definidas pelo usuário, etc. O menu TACS dá acesso à maioria dos

componentes TACS [19], [20].

A partir do componente COUPLING TO CIRCUIT as informações do circuito de

potência são repassadas para os componentes TACS. Pode ser um sinal de tensão, corrente,

variáveis internas ou de chaves.

A TACS possui um processamento independente do processamento do ATP durante

a execução do programa. A cada passo de integração o ATP processa as grandezas do

sistema elétrico e repassa os dados de tensão ou corrente para a TACS. Por sua vez, a

TACS processa esses dados algebricamente e os repassa ao sistema elétrico através de

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

fontes de corrente ou tensão. As saídas da TACS no instante T, foram calculadas no

instante T-∆T. Portanto, a transferência de sinais de controle da TACS para o sistema

elétrico ocorre com uma retardo de tempo de um passo de integração.

3.3 – Modelagem do motor de indução trifásico no ATP

O grau de desenvolvimento tecnológico alcançado na sociedade industrial não seria

possível sem o motor elétrico de corrente alternada. A ausência nesta máquina de elementos

submetidos à fricção possibilita redução de manutenção quando dimensionada e usada

corretamente. Por outro lado, uma porcentagem muito grande de energia elétrica consumida

mundialmente é devida a estes motores, constituindo hoje uma importante linha de

investigação e redução de perdas nestes motores como meio de reduzir o respectivo

consumo energético.

A versatilidade e universalidade do emprego do motor elétrico de corrente alternada

passa também pelos controladores eletrônicos de velocidade. A eletrônica de potência,

graças ao desenvolvimento de excelentes semicondutores como o retificador de silício

controlado nas suas diversas variantes e dos transistores bipolares permitiu a fabricação de

equipamentos eficientes através da produção de ondas de corrente alternada com freqüência

e tensão controlada (conversores de freqüência), que aplicadas ao motor, tanto síncrono

como assíncrono, fazem dele uma máquina versátil para o controle de conjugado e

velocidade, como o motor elétrico de corrente contínua.

Dentre todos os destinos da eletricidade, a sua transformação em energia mecânica é

uma das aplicações mais importantes e graças aos conversores de freqüência consegue-se

que essa energia mecânica se produza com motores elétricos convencionais, de uma forma

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

altamente controlada e flexível. Atinge-se, desse modo, as melhores prestações de

eficiência e melhoria da qualidade.

Do ponto de vista do consumo de eletricidade, os motores apresentam-se como as

cargas mais importantes usadas em vários setores e com uma vasta gama de aplicação de

que são exemplos ventiladores, compressores, bombas, transportadores, etc. Desta vasta

gama de aplicações podem inferir-se significativas economias de energia elétrica, sendo

portanto desejável a utilização de tecnologias mais eficientes, capazes de reduzir o

consumo de eletricidade em força motriz. Estas tecnologias incluem os motores de alto

rendimento, os variadores eletrônicos de velocidade e as melhorias dos sistemas mecânicos

de transmissão, entre outros.

O consumo de eletricidade pelos motores é influenciado por diversos fatores onde se

incluem: a eficiência e o controle da velocidade do motor, a qualidade da rede de

alimentação, a presença de distorções harmônicas, o dimensionamento dos sistemas, a rede

de distribuição, os sistemas mecânicos de transmissão, as práticas de manutenção e a

eficiência do dispositivo utilizador final (ventilador, compressor, bomba, etc).

3.3.1 – Motores elétricos

Os motores elétricos efetuam a conversão da energia elétrica recebida da rede em

energia mecânica no seu eixo, por intermédio das interações eletromagnéticas e mecânicas

entre os enrolamentos e os materiais magnéticos do rotor e estator.

O acionamento de máquinas e equipamentos mecânicos por motores elétricos é um

assunto de extraordinária importância para o contexto da eficiência energética industrial.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

No campo dos acionamentos industriais, avalia-se que cerca de 70% da energia elétrica

consumida pelo conjunto de todas as indústrias seja transformada em energia mecânica

através de motores elétricos, da qual apenas metade é energia útil [3], [4], [21]. Este fato,

resultante de uma escolha pouco criteriosa do equipamento instalado, transforma o campo

de aplicações dos motores elétricos numa área onde os potenciais de economia de energia

são significativos.

Os motores de indução converteram-se no tipo de motor mais utilizado na indústria.

São utilizados em várias aplicações, tais como: compressores, ventiladores, bombas, esteira

rolante, máquinas-ferramentas, etc. A figura 3.4 mostra uma estimativa do consumo de

energia consumida pela indústria [34].

Figura 3.4 – Estimativa do consumo de energia consumida pela indústria

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

3.3.2 – Modelo de Park ou dq0

A transformação dq0 é uma solução matemática utilizada para eliminar o ângulo θ

(função do tempo) do sistema de equações diferenciais representativo da máquina. A

transformação consiste em decompor o sistema trifásico em componentes d e q localizadas

nos eixos direto e de quadratura do rotor e fixos no rotor [22], [23].

Do exposto, pode-se inferir que tal transformação é importante para o estudo do

motor de indução trifásico desacoplando o sistema de equações matriciais e simplificando

sua solução.

3.3.3 – Modelo no programa ATP (Alternative Transients Programs)

O modelo do motor de indução trifásico no programa ATP é baseado nos

equacionamentos da máquina com as variáveis dq0, que após serem calculadas as tensões e

correntes, estas são transformadas em grandezas de fase e apresentadas como resultados de

saída.

O sistema de equações formado a partir das componentes dq0 permite chegar aos

seguintes circuitos equivalentes para os eixos d e q, os quais são acoplados entre si pelas

forças eletromotrizes de velocidade (fem’s). Nesses circuitos essas fem’s são representadas

por fontes de tensão inseridas no ramo do rotor [18].

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Figura 3.5 – Circuito equivalente para o eixo d

Figura 3.6 – Circuito equivalente para o eixo q

Nos circuitos equivalentes, λ

e λ

são os fluxos magnéticos dos eixos d e q

respectivamente e são determinados por:

RqRSqSRq

iLiM ⋅+⋅=

(3.1)

RdRSdSRd

iLiM ⋅−⋅−=

(3.2)

Para fazer o acoplamento com a parte mecânica do eixo do motor, o torque,

determinado a partir das componentes dq0 é representado por uma fonte de corrente, a qual

deverá ser associada ao circuito elétrico representativo da carga do motor [18]. Esse

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

circuito deve ser construído de acordo com a analogia eletromecânica estabelecida a seguir,

na tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Analogia eletromecânica

Grandeza mecânica Grandeza elétrica

T ( torque na massa ) I ( corrente no nó )

( velocidade angular ) V ( voltagem do nó )

( ângulo ) q ( carga do capacitor )

J ( momento de inércia ) C ( capacitância pra terra )

K ( constante de mola ) 1/L ( recíproco de indutância )

D ( amortecimento viscoso ) 1/R ( condutância )

JT ==

Ci =

Figura 3.7 – Analogia entre Torque e Corrente feita pelo ATP

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

)(

−= KT

dtVV

)(

∫

−=

dtWWKT )(

∫

−=

Figura 3.8 – Analogia entre Constante de Mola e Indutância feita pelo ATP

WDT .=

i ⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Figura 3.9 – Analogia entre Amortecimento Viscoso e Condutância feita pelo ATP

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Figura 3.10 – Analogia Eletro-Mecânica feita pelo ATP

Da figura 3.7 pode-se observar que existirá um torque interno da máquina

representado por uma fonte de corrente aplicada numa capacitância, representando o

momento de inércia, ambos aterrados e mostrados na figura 3.10. Também pode ser visto

que aparece um torque dependente de uma constante de mola visto na Figura 3.8 e sua

analogia com o circuito elétrico também mostrado na figura 3.10. E por fim pode ser visto

também o torque devido a um amortecimento viscoso e sua analogia com o circuito elétrico

na figura 3.9, que mostra a resistência aterrada. Na figura 3.10, pode-se ver todos os torques

existentes internamente ao motor.

A tensão em cima do nó do rotor mostrado na figura 3.10 representa a velocidade

angular W total que será inserida nos circuitos equivalentes das figuras 3.5 e 3.6. A partir

disso, num processo iterativo são feitos todos os cálculos nas equações da máquina por

coordenadas dq0 para que se obtenham os dados de saída das simulações do motor.

Para que o motor seja inserido no programa ATP é preciso que sejam inseridos os

parâmetros do motor, tanto do estator como do rotor e indutâncias mútuas nos eixos dq0 :

Rs (Resistência de estator), Ls (Indutância do estator) , Rr (Resistência do rotor) , Lr

(Indutância do rotor) e Lm (Indutância mútua).

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Os dados são inseridos no programa ATP em relação aos eixos dq0 e não em relação

aos eixos ABC de fases, de forma que serão os mesmos calculados a partir dos ensaios a

vazio e de rotor bloqueado do motor, onde os parâmetros de eixo d e q , são iguais aos de

fase da máquina já que o entreferro é pequeno e constante, e a componente de seqüência

zero não existe, pois consideramos o motor simétrico com alimentação trifásica balanceada

não existindo caminho para a circulação de corrente de seqüência zero, já que o estator do

motor vai estar conectado em delta ou estrela sem aterramento, portanto pode-se colocar

qualquer valor para parâmetro de eixo 0.

Para se encontrar as reatâncias e resistências a serem inseridas no ATP, como já foi

dito anteriormente, é realizado os ensaios de rotor bloqueado e a vazio nos motores e

determinam-se através de cálculo os parâmetros de fase que serão os mesmos para as

componentes d e q.

Foram fornecidos pela WEG os dados de ensaio de dois motores, um da linha

standard e o outro de alto rendimento, ambos de 1,5 [CV], os quais serão utilizados no

laboratório do projeto da Eletrobrás para acionar as cargas estudadas. A partir destes dados

de ensaio serão calculados os parâmetros do circuito equivalente dos motores, os quais

serão inseridos posteriormente no ATP através da interface ATPDRAW.

3.3.4 – Determinação dos parâmetros do circuito equivalente do motor de

indução trifásico de 1,5 CV da linha standard

Para o motor da linha standard estes são os dados de placa:

Pm = 1,5 [CV]

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Tensão = 220 / 380 [V]

Freqüência = 60 [Hz]

Corrente = 4,42 / 2,56 [A]

Ip / In = 7,5 [A]

Cos φ = 0,83

η = 0,786

Onde: Pm ( Potência mecânica no eixo do motor)

In (Corrente nominal do motor)

Ip (Corrente de partida do motor)

Cos φ (Fator de potência do motor)

η (Rendimento do motor)

Agora serão mostrados os dados de ensaios de resistência elétrica, a vazio e

de rotor bloqueado e os cálculos dos parâmetros a partir dos mesmos.

3.3.4.1 - Dados de ensaio de resistência elétrica fornecidos pela WEG:

Resistência = 7,72 [Ω] → Rs = 7,72 / 2 = 3,86 [Ω]

3.3.4.2 - Dados de ensaio a vazio fornecido pela WEG:

Tensão = 380 [V]

f = 60 [Hz]

Corrente = 1,37 [A]

Potência = 157,20 [W]

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

V = 380 [V]

I0 = 1,37 [A]

P0 = 157,20 [W]

Z =

(3.3)

Z0 = 160,14 [Ω]

Prot = P0 – 3.Rs.I02 = 157,2 – 3.3,86.1,372 = 135 [W] (3.4)

Onde, Prot = perdas rotacionais

22 2 2

160,14 3,86 160,09Xs Xm Z Rs+= −= − =

[Ω] (3.5)

3.3.4.3 - Dados de ensaio de rotor bloqueado fornecidos pela WEG:

V = 380 [V]

f = 60 [Hz]

Corrente = 18,13 [A]

P = 9,36 [KW]

Tn = 0,316.9,813 = 3,1 [N.m] (Torque nominal)

Tp / Tn = 3,74 (Torque de partida em relação ao nominal)

P = 3.Rrb.

(3.6)

9360 = 3.Rrb.18,132

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Rrb = Rs+Rr = 9,49 [Ω] → Rr = 9,49 - 3,86 = 5,63 [Ω] (3.7)

Vrb

Zrb

(3.8)

Zrb = 12,1 [Ω]

()

12,1 9,49 7,5Xs Xr Zrb Rs Rr+= − + = − =

[Ω] (3.9)

Sabe-se que é válida a seguinte expressão:

Rrb

(3.10)

logo , 3,86/Xs = Rrb/Xrb , 3,86/Xs = 9,49/7,5

Xs = 3,05 [Ω] → Ls = 3,05 / 377 = 8,09 [mH]

3,05 + Xm = 160,09

Xm = 157,04 [Ω] → Lm = 157,04 / 377 = 416 [mH]

3,86/6,1 = 1,77/Xr

Xr = 2,78 [Ω] → Lr = 2,78 / 377 = 7,37 [mH]

3.3.4.4 - Dados do motor

P = 1,5 [CV] = 1,5 x 736 = 1104 [W]

W = 3395 [rpm] = 355 [rad/s]

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

2 pólos – 3600 [rpm] = 377 [rad/s]

escorregamento(s) = (3600 - 3395) / 3600 = 0,0569

Pn = Tn . W → Tn = 1104 / 355 = 3,11 [N.m] (3.11)

83,0786,03803

1104

⋅⋅⋅

=In

→ In = 2,57 [A] (3.12)

Assim, todos os parâmetros que serão inseridos na interface ATPDRAW com

relação às impedâncias são mostrados a seguir :

Rs = 7,72 / 2 = 3,86 [Ω]

Rr = 9,49-3,86 = 5,63 [Ω]

Ls = 3,05 / 377 = 8,09 [mH]

Lr = 2,78 / 377 = 7,37 [mH]

Lm = 157,04 / 377 = 416 [mH]

3.3.5 – Determinação dos parâmetros do circuito equivalente do motor de

indução trifásico de 1,5 CV da linha alto rendimento

Para o motor de alto rendimento estes são os dados de placa:

P = 1,5 [CV]

Tensão = 220 / 380 [V]

Freqüência = 60 [Hz]

Corrente = 4 / 2,32 [A]

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Ip / In = 7,5

Cos φ = 0,87

η = 0,83

Agora serão mostrados os dados de ensaios de resistência elétrica, a vazio e

de rotor bloqueado e os cálculos dos parâmetros a partir dos mesmos.

3.3.5.1 - Dados de ensaio de resistência elétrica fornecidos pela WEG:

Resistência = 7,84 [Ω] → Rs = 7,84 / 2 = 3,92 [Ω]

3.3.5.2 - Dados de ensaio a vazio fornecido pela WEG:

Tensão = 380 [V]

f = 60 [Hz]

Corrente = 0,91 [A]

Potência = 105,70 [W]

V = 380 [V]

I0 = 0,91 [A]

P0 = 105,70 [W]

Z =

(3.13)

Z0 = 241,09 [Ω]

Prot = P0 – 3.Rs.I 2 = 105,7 – 3.3,92 .0,912 = 95,96 [W] (3.14)

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

22 2 2

241,09 3,92 241,06Xs Xm Z Rs+= −= − =

[Ω] (3.15)

3.3.5.3 - Dados de ensaio de rotor bloqueado fornecidos pela WEG:

V = 380 [V]

f = 60 [Hz]

Corrente = 17,09 [A]

P = 8,50 [KW]

Tn = 0,316.9,813 = 3,1 [N.m]

Tp / Tn = 3,6

P = 3.Rrb.I2 (3.16)

8500 = 3.Rrb.17,092

Rrb = Rs+Rr = 9,7 [Ω] → Rr = 9,7 - 3,92 = 5,78 [Ω] (3.17)

Vrb

Zrb

(3.18)

Zrb = 12,84 [Ω]

()

12,84 9,7 8,4Xs Xr Zrb Rs Rr+= − + = − =

[Ω] (3.19)

Sabe-se que é válida a seguinte expressão:

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Rrb

(3.20)

logo , 3,92 / Xs = Rrb / Xrb , 3,92 / Xs = 9,7 / 8,4

Xs = 3,3946 [Ω] → Ls = 3,3946 / 377 = 9 [mH]

3,3946 + Xm = 241,06

Xm = 237,66 [Ω] → Lm = 237,66 / 377 = 630 [mH]

3,92 / 3,3946 = 5,78 / Xr

Xr = 5,005 [Ω] → Lr = 5,005 / 377 = 0,01327 [H]

3.3.5.4 - Dados do motor

P = 1,5 [CV] = 1,5 x 736 = 1104 [W]

W = 3400 [rpm] = 356,05 [rad/s]

2 pólos – 3600 rpm = 377 [rad/s]

s = (3600 - 3400) / 3600 = 0,0555

Pn = Tn . W → Tn = 1104 / 356,05 = 3,1 [N.m] (3.21)

87,083,03803

1104

⋅⋅⋅

=In

→ In = 2,323 [A] (3.22)

Assim, todos os parâmetros ficam mostrados abaixo:

Rs = 7,84 / 2 = 3,92 [Ω]

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Rr = 9,7 - 3,92 = 5,78 [Ω]

Ls = 3,3946 / 377 = 9 [mH]

Lr = 5,005 / 377 = 13,27 [mH]

Lm = 237,66 / 377 = 630 [mH]

3.3.6 – Inserção dos parâmetros no modelo representativo do motor no

ATPDRAW

A inserção dos dados do motor de indução no ATPDRAW é iniciada a partir dos

parâmetros representativos do circuito equivalente do motor em componentes dq0, do tipo

de ligação do estator, número de pares de pólos, freqüência e escorregamento inicial.

Vale ressaltar que os parâmetros calculados do circuito equivalente do motor de

indução podem sofrer pequenos ajustes em função da melhor adequação do modelo à

simulação e as respostas desejadas. As tabelas 3.2, 3.3, 3.4 e 3.5 mostram uma síntese dos

principais parâmetros adotados e inseridos no modelo do motor.

Tabela 3.2 – Parâmetros do Ramo Magnético inseridos no modelo do motor no ATP

Parâmetros do Ramo Magnético

LMUD

0.516

LMUQ

0.516

Tabela 3.3 – Parâmetros do Estator inseridos no modelo do motor no ATP

Parâmetros do Estator

R [ohm] L [H/pu]

0 0

3.86 0.00809

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Tabela 3.4 – Parâmetros do Rotor inseridos no modelo do motor no ATP

Parâmetros do Rotor

R [ohm] L [H/pu]

5.63 0.0118

Tabela 3.5 – Parâmetros Gerais inseridos no modelo do motor no ATP

Parâmetros Gerais

Ligação

∆

Pares de pólos

A figura 3.11 mostra o ícone representativo do motor com o significado dos

respectivos nós do circuito.

Figura 3.11 – Ícone representativo do motor de indução no ATPDRAW

O nó referente ao estator é conectado as características da fonte de alimentação. O

valor da tensão é dado em valor de pico e por fase. Os ramos RLC em série e em paralelo

com o estator apresentam a função de fazer com que o motor reconheça adequadamente o

ramo que está sendo conectado no respectivo nó e não produza erro durante a compilação.

É inserida também uma chave controlável com o objetivo de fornecer o tempo certo de

ligação do motor à fonte de alimentação. Todos estes detalhes são contemplados na figura

3.12.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Figura 3.12 – Inserção dos ramos RLC, chave controlável e fonte de alimentação

A figura 3.13 evidencia o nó de inicialização do rotor e o nó de neutro. A função da

fonte de corrente conectada no rotor é indicar a corrente inicial e sua freqüência no

momento em que a simulação tem início.

Figura 3.13 – Ligação do nó do rotor e do nó de neutro

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

No nó de carga é inserido um circuito elétrico análogo a um sistema mecânico de

carga com torque, momento de inércia, velocidade, etc.

Assim, as características de grandezas mecânicas no ATP devem ser representadas

pelo seu equivalente em termos de grandezas elétricas como mostra a tabela 3.6.

Tabela 3.6 – Correspondência entre sistema mecânico e elétrico no ATP

Grandeza

Mecânica

Grandeza

Elétrica

T (torque) I (corrente)

Wm (velocidade) V (tensão)

Θm (ângulo) q (carga capacitor)

J (momento de

inércia)

C (capacitância)

Assim, obtem-se o dimensionamento da carga que será inserida neste nó, sabendo

que a carga pode ser de várias formas, como torque constante podendo ser representado por

uma fonte de corrente constante de valor negativo (lembrando que no motor o torque possui

valor negativo); uma rampa, que pode ser representada por uma resistência em paralelo

com a capacitância que representa a inércia da carga e seu valor é calculado a partir do

valor do torque e da velocidade angular, R = W

/ Tn , já que “ W

” representa a tensão no

nó e “ Tn ” representa a corrente nominal que passa no nó; carga parabólica que seria

representada em uma rotina TACS e inserida posteriormente no nó do rotor, entre outros

tipos que podem ser inseridos.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

3.4 – Modelagem do acionamento do motor de indução trifásico através

de partida direta e soft-starter no programa ATP

3.4.1 – Partida direta

Na partida direta o motor parte a plena tensão diretamente da rede elétrica. No ATP

isso será realizado através de uma chave controlada trifásica ligada a uma fonte de tensão

trifásica.

Figura 3.14 – Esquema da partida direta no ATP

3.4.2 – Partida Soft-Starter

Nos ambientes industriais os motores são os principais consumidores de energia

elétrica tornando a forma de arranque dos motores de indução uma característica que pode

produzir melhor utilização racional da energia.

A corrente de partida em ligação direta pode ser seis ou sete vezes a corrente

nominal a plena carga. Em certas circunstâncias – e especialmente para motores pequenos –

esta elevada corrente de partida é aceitável, mas para máquinas maiores, a corrente

requisitada pode ser grande provocando quedas de tensão proibitivas para o funcionamento

adequado da rede elétrica.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Os motores assíncronos trifásicos apresentam durante a partida desempenhos

desfavoráveis de conjugado e de intensidade de corrente originados por acionamentos

clássicos de tensão reduzida, de que são exemplos a partida estrela-triângulo e a partida por

auto-transformador, e que se repercutem em elevadas perdas energéticas. De forma a

corrigir estes desempenhos, estabelecendo-se as melhores condições de funcionamento,

utilizam-se cada vez mais os controladores de estado sólido, que substituem as tradicionais

partidas eletromecânicas [9].

Os soft-starters são equipamentos eletrônicos tiristorizados que, de acordo com o

controle das três fases do motor assíncrono, regulam a tensão e a corrente durante uma

parada e partida de motores elétricos, realizando o controle efetivo do conjugado [24].

A partir de uma pequena economia de energia durante a rampa de subida, os

arrancadores suaves não reduzem a energia que o motor consome. No entanto, reduzem o

desgaste mecânico durante a aceleração e a desaceleração.

É recomendado o uso de partidas progressivas soft-starter, quando se deseja alguns

benefícios como: reduzir picos de corrente na rede durante a partida, para desacelarações

suaves, paradas controladas sem desgastes e sem aumento de temperatura, reduzir as

quedas de tensão na linha, otimizar o funcionamento da máquina. Sua aplicação é mais

comum quando não é exigida a variação de velocidade.

Os arrancadores do tipo estado sólido fornecem um arranque gradual por aplicação

de tensões variáveis progressivas sobre o motor através do circuito de potência, obtendo-se

correntes de arranque limitados e binários convenientes. Permitem, por isso, poupar energia

no funcionamento dos motores elétricos, por aplicação, em cada momento, da tensão

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

adequada relativamente ao estado de carga, ou seja, ajustar o consumo do motor à carga,

em cada instante.

A figura 3.15 ilustra a comparação de valores típicos, respectivamente:

• Corrente de arranque (direto e com controlador) em relação à intensidade

nominal;

• Tempos de aceleração (direto e com controlador);

• Binário de arranque (direto e com controlador).

Figura 3.15 – Comparação entre arranque direto e com controlador

As principais vantagens do uso de controladores de estado sólido é a possibilidade

de eliminação do ponto de transição de corrente e o tempo requerido para atingir a tensão

nominal que pode ser ajustado na faixa de 2 a 30 segundos.

3.4.2.1 – Modelo no ATP da partida Soft-Starter

A modelagem do Soft-Starter [8], [25] e seu sistema de controle de chaveamento

trifásico foram implementados utilizando a rotina TACS.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

O código de comando do módulo Soft-Stater Trifásico foi feito no ATP

LAUNCHER e segue a seguinte seqüência de raciocínio:

1) Transferir o sinal elétrico da fonte para a TACS através de uma variável. Deve-se

então implementar uma lógica de controle para detectar o zero do sinal da fonte.

Para isso deve-se determinar o instante em que a função muda de sinal e armazenar

a variável obtida em um instante anterior com um outro nome. Então, envia-se a

variável para o sistema elétrico na forma de fonte de tensão, a qual é aplicada sobre

uma resistência. A seguir, faz-se com que o sinal sobre o nó da resistência, que

possui o mesmo valor da fonte vinda da TACS, seja enviada a TACS, com outro

nome. Isso faz com que o sinal retorne a rotina TACS com um atraso de tempo;

2) A cada meio ciclo da onda de tensão da fonte o ângulo de disparo de cada chave

varia progressivamente de forma a diminuir seu ângulo de condução e aumentar o

tempo de condução das chaves. Assim, o sistema de controle atua de modo a

diminuir o ângulo de disparo cada vez que a onda de tensão da fonte passa pelo

zero. Isso é feito segundo uma equação que tem como variável o número de zeros

da fonte de tensão;

3) A referência para determinar o ângulo de disparo de cada chave é o instante em que

a onda de tensão passa por zero. O sistema de controle conta um intervalo de tempo,

determina e envia o comando de fechamento das chaves;

4) É feito o cálculo e a geração do pulso de disparo das chaves, onde se tem um

equacionamento de forma a determinar quanto tempo depois da passagem da tensão

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

da rede pelo zero deve haver o chaveamento, sendo também calculado a variação do

ângulo de disparo das chaves;

5) É calculado a variação do ângulo de disparo das chaves estáticas de forma que a

tensão varie de acordo com a curva de aceleração do dispositivo;

6) No final do tempo de aceleração o sistema de controle para de enviar pulsos de

chaveamento para as chaves;

7) O usuário entra com as variáveis para definir a curva de aceleração.

No modelo do Soft-Starter [25] o usuário deve entrar com a amplitude, o tempo de

rampa e a freqüência.

Figura 3.16 – Modelo do Soft-Start no ATPDRAW

Na sequência será mostrado a forma de onda da tensão que alimenta o estator do

motor de indução enfatizando a evolução do ângulo de disparo e seus efeitos na forma de

onda da tensão além do aumento gradual do valor RMS da tensão que caracteriza o

funcionamento do Soft-Starter.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Figura 3.17 - Forma de onda da tensão que alimenta o estator de 0 à 60 [ms]

Figura 3.18 – Valor RMS da tensão fundamental no período considerado

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Figura 3.19 - Forma de onda da tensão que alimenta o estator de 0.99 à 1.080 [s]

Figura 3.20 – Valor RMS da tensão fundamental no período considerado

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Figura 3.21 - Forma de onda da tensão que alimenta o estator de 1.28 à 1.38 [s]

Figura 3.22 – Valor RMS da tensão fundamental no período considerado

O valor RMS vai crescendo gradualmente de acordo com a diminuição do ângulo de

disparo que é influenciado pelo tempo de rampa. Isso vai acontecendo até o valor RMS

atingir o valor de fase que no caso é 127 [V].

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

3.5 – Modelagem da carga acoplada ao motor (compressor)

As características de aceleração das cargas podem ser apresentadas resumidamente

em três tipos básicos: conjugado variável, conjugado constante e potência constante [24]. A

figura 3.23 mostra graficamente cada característica mencionada.

• Conjugado Variável: As leis fundamentais que gerem o funcionamento dos

ventiladores e das bombas (conjugado parabólico), mostram que estas

aplicações têm um grande potencial de economia de energia. As leis

associadas indicam que o conjugado (ou pressão) varia com o quadrado da

velocidade e a potência com o cubo da velocidade, sendo o caudal

proporcional à velocidade. Reduzindo a velocidade da carga, vê-se que, para

mudanças relativamente pequenas de velocidade produz-se uma grande

diminuição na potência absorvida;

• Conjugado Constante: É observado em aplicações que produzem

deslocamentos efetivos (compressores, esteira rolante, etc), que apresentam

como característica a não variação do conjugado com a velocidade e a

potência é diretamente proporcional ao trabalho útil realizado. A potencial

economia de energia que se consegue reduzindo a velocidade não é tão

importante quanto as aplicações regidas pelo conjugado parabólico mas

observa-se que reduzindo a metade a velocidade de uma carga de conjugado

constante pode-se reduzir na mesma proporção o consumo de energia;

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

• Potência Constante: Este tipo de característica da carga é observado em

situações onde a potência não varia com a velocidade e o conjugado é

inversamente proporcional à velocidade.

Figura 3.23 – Característica de aceleração das cargas

3.5.1 – Compressor

A modelagem do compressor no ATP é feita por uma fonte de corrente contínua em

paralelo com o capacitor, uma vez que o equivalente elétrico do conjugado é a corrente. A

figura 3.24 mostra a inserção da fonte de corrente representativa do torque, e uma

resistência em paralelo representativa das perdas rotacionais.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Figura 3.24 – Inserção da fonte de corrente representando o compressor

3.6 – Análise transitória e em regime permanente da partida direta e Soft-

Starter através do programa ATP

O objetivo deste tópico é comparar as características da partida direta e soft-starter

no programa ATP e verificar se o modelo do soft-starter responde de forma satisfatória e

coerente com a situação de acionamento real do dispositivo. As figuras 3.25 e 3.26 trazem a

montagem e modelagem do acionamento completo no ATP considerando partida direta e

soft-starter, respectivamente.

Figura 3.25 – Montagem da partida direta, motor trifásico e carga (compressor)

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Figura 3.26 – Montagem da partida soft-starter, motor trifásico e carga

(compressor)

Através da figura 3.27 podemos verificar uma família de curvas constantes que

representam o conjugado de carga para vários pontos de pressões representativas do

sistema. Assim, cada pressão corresponde a um conjugado de carga constante equivalente e

cujo valor será inserido na fonte de corrente representativo do modelo da carga no ATP. O

nominal de 3,1271 [N.m] representa a pressão de 3,3 Kgf/cm² referente ao PMS (Ponto

Morto Superior).

Figura 3.27 – Família de curvas representativa de conjugado de carga constante

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

3.6.1 – Análise transitória

Para a verificação da simulação e comprovação da modelagem no ATP, será

utilizado como referência de conjugados os pontos de pressão mínima e de pressão máxima

utilizados nos ensaios. Assim, esses pontos de trabalho (carga e alívio do compressor)

correspondem respectivamente à pressão mínima de 2,8 Kgf/cm² e pressão máxima de 3,3

Kgf/cm².

Com os ensaios chegou-se aos resultados apresentados na tabela 3.7.

Tabela 3.7 – Dados referentes aos pontos de pressão máxima e de pressão mínima

Potência

Entrada

(W)

Corrente

(A)

Rotação

(RPM)

rad/s η

Pot.Eixo

(W)

Torque

(N.m)

Pressão

(Kgf/cm²)

1404 4.27 3370 352.8952 0.786 1103.544 3.127116 3.3

1308 4.1 3401 356.1414 0.77 1007.16 2.827978 2.8

O valor utilizado na fonte de corrente que representa o conjugado constante do

compressor será referente à pressão de 2,8 Kgf/cm² (PMI). Este valor como mostra a tabela

3.7 é de aproximadamente 2,827 [N.m]. Este valor de conjugado deverá ser vencido pelo

motor para que este tenha condições de acionar a carga.

Assim, as condições de partida direta e por soft-starter foram avaliadas neste ponto

de funcionamento.

Com relação à simulação com partida direta os valores são coerentes e compatíveis

com o esperado. O valor da simulação é de 358,49 rad/s enquanto o valor de ensaio é de

356,14 rad/s assumindo um erro percentual de 0,65%.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

Figura 3.28 - Velocidade do motor com partida direta (verde) e soft-starter

(vermelho)

Pela figura 3.28 fica evidente a diferença em termos de aceleração e velocidade.

Com soft-starter o valor da velocidade nominal é atingido de forma lenta e gradual até o

valor de regime otimizando o funcionamento da máquina.

Figura 3.29 – Corrente de partida direta (verde) e com soft-starter (vermelho)

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

A simulação representada na figura 3.29 mostra a comparação qualitativa e

quantitativa entre partida direta e partida com soft-starter. Observa-se uma redução

significativa na magnitude da corrente de partida e também no tempo de duração desta

corrente. Com partida direta a corrente de pico alcança valores em torno de 7,5 vezes a

corrente nominal do motor (37,7 [A]), enquanto que com a utilização do soft-starter este

valor de corrente assume o valor de aproximadamente 21,5 [A]. O tempo de duração da

corrente de partida com Soft-Starter é influenciado pelo valor do tempo de rampa.

Figura 3.30 – Torque do motor com partida direta e soft-starter

A figura 3.30 mostra as diferenças e características do conjugado realizado com

partida direta e com partida por soft-starter. Ficam evidentes os benefícios em termos de

adequação e duração do conjugado de partida e do controle do torque proporcionado pelo

dispositivo.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

3.6.2 – Análise em regime permanente

Para o estudo computacional adequado de desempenho em regime permanente do

modelo implementado, será considerada a pressão máxima de trabalho do compressor já

que esta condição expressa as características nominais de carregamento do Motor Standard

Trifásico de 1,5 CV , que corresponde ao conjugado de carga constante de 3,1271 [N.m].

Figura 3.31 – Forma de onda da corrente de regime permanente

Figura 3.32 – Valor RMS da corrente de regime permanente

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

As figuras 3.31 e 3.32 representam á forma de onda e o valor RMS da corrente

fundamental no intervalo de tempo de 1,983 [s] a 2 [s] em regime permanente tendo como

referência um ciclo completo. O valor RMS de acordo com a simulação é de 4,14 [A] que é

bem próximo do valor nominal de 4,27 [A]. O erro percentual é de 3,04 %.

Figura 3.33 – Forma de onda do conjugado de carga

Figura 3.34 – Valor do conjugado de carga

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

As figuras 3.33 e 3.34 representam à forma de onda e o valor do conjugado de carga

constante do compressor. O valor de 3,122 [N.m] é o valor do conjugado na condição

nominal do compressor em estudo e que representa carga nominal no eixo do motor, cujo

valor é de 3,11 [N.m]. O erro percentual é de 0,32 %.

Figura 3.35 – Forma de onda da velocidade em rad/s

Figura 3.36 – Valor da velocidade em rad/s

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

As figuras 3.35 e 3.36 representam à forma de onda e o valor da velocidade em

rad/s na condição de regime permanente e nominal. O valor de 355,7 [rad/s] expressa de

maneira adequada o valor de rotação nominal de 355 [rad/s]. O erro percentual é de 0,19 %.

Figura 3.37 – Forma de onda da potência ativa de entrada no motor

Figura 3.38 – Valor da potência de entrada no motor

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

As figuras 3.37 e 3.38 representam à forma de onda e o valor da potência de entrada

no motor na condição de regime permanente e nominal. O valor de 457,4 [W] deve ser

multiplicado por três para representar a potência de entrada trifásica. Assim, o valor 1372,2

expressa de maneira adequada o valor de potência nominal de 1404.58 [W]. O erro

percentual é de 2,3 %.

Figura 3.39 – Forma de onda da potência de saída do motor

Figura 3.40 – Valor da potência de saída do motor

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

As figuras 3.39 e 3.40 representam à forma de onda e o valor da potência de saída

do motor na condição de regime permanente e nominal. O valor de 1110 [W] representa a

potência de saída para a condição de carga considerada. Este valor expressa de maneira

adequada o valor de potência nominal de 1107,6 [W]. O erro percentual é de 0,21 %.

Nessas circunstâncias o rendimento será de 80 % expressando de forma adequada o

valor de 78,6 % fornecido em placa. O erro percentual é de 1,78 %.

Figura 3.41 – Forma de onda representativa do torque interno do motor (vermelho)

e do conjugado de carga (verde)

Pela figura 3.41 podemos observar uma pequena diferença entre o torque interno do

motor e o conjugado de carga. Isso se justifica devido à ausência das perdas rotacionais e

no cobre do rotor que não foram contempladas. Assim, o conjugado de carga somado com

as perdas rotacionais e no cobre do rotor deve ser igual ao torque desenvolvido no

entreferro.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

3.7 – Síntese dos resultados

Uma vez visualizado e comentado diversos aspectos relacionados com as principais

grandezas que expressam a operação da bancada do compressor, realiza-se, na seqüência,

uma síntese dos principais resultados, focando, de modo especial, os valores das mesmas.

Tabela 3.8 – Análise em regime permanente das grandezas estudadas

Grandezas Valores

Simulados

Valores

Experimentais

Erro Percentual

[%]

Corrente [A]

4,14 4,27 3,04

Conjugado de carga

[N.m]

3,122 3,11 0,32

Velocidade [rad/s]

355,7 355 0,19

Potência ativa de

entrada [W]

1372,2 1404.58 2,3

Potência ativa de saída

[W]

1110 1107,6 0,21

Rendimento [%]

80 78,6 1,78

Os ensaios e resultados foram obtidos para o Motor Standard de 1,5 [CV] em

estudo. Para o Motor de Alto Rendimentos as análises são semelhantes justificando sua

omissão.

CAPITULO III – Estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor

no programa ATP

3.8 – Conclusões parciais

O capítulo em pauta foi iniciado através da caracterização da plataforma

computacional utilizada para as simulações. Como informado, trata-se de um software que

emprega técnicas de modelagem no domínio do tempo, fato este que está em consonância

com as metas desta dissertação.

A partir de princípios bastante difundidos no contexto internacional e nacional sobre

a questão da modelagem de motores de indução trifásicos em componentes dq0,

modelagem dos dispositivos de partida e da carga acoplada ao eixo do motor, como

apontado nas referências comentadas, foram então desenvolvidos os modelos próprios ao

presente trabalho de pesquisa. Os resultados obtidos encontram consonância de forma

qualitativa e quantitativa com a situação real de acionamento da bancada.

Assim, através da utilização das características prática da plataforma de ensaio do

compressor, compreendendo desde a definição das características da fonte de alimentação e

acionamento, passando pela determinação e cálculo dos parâmetros do circuito equivalente

do motor, e culminando pela determinação do valor de conjugado de carga a ser utilizado

em função dos limites de pressão de trabalho do compressor, foi então estabelecida à

topologia geral da bancada em estudo.

Dentre as possibilidades de seleção das grandezas a serem focadas para o trabalho

optou-se pela análise das: correntes de partida e em regime permanente, conjugados,

velocidade, potências e rendimento. Comparando-se as formas de onda e os valores a elas

pertinentes, foi então possível correlacionar o desempenho do estudo computacional do

modelo motor-carga no programa ATP e concluir que o mesmo responde de forma

satisfatória e coerente comprovando sua potencialidade e versatilidade.

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

CAPÍTULO IV

Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

4.1 – Introdução

Atualmente, o ar comprimido é utilizado para diversos fins: ferramentas

pneumáticas, acionamentos, controles de equipamentos, etc.

Depois da energia elétrica, o ar comprimido é a forma de energia mais consumida

na indústria de transformação. É também a forma de energia mais onerosa e,

paradoxalmente, negligenciada [16], [26], [27].

Nesse capítulo, o enfoque principal será dado à distribuição de ar comprimido

desenvolvendo uma metodologia de diagnóstico energético para cálculo da perda de

energia devido a vazamentos na rede de distribuição, e também a perda de eficiência do

compressor.

É mostrado também um estudo de caso para evidenciar as metodologias e

comprovar numericamente as grandezas relacionadas ao tema Eficiência Energética.

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

4.2 – Ar comprimido

Os sistemas de ar comprimido representam parcela expressiva do consumo

energético de uma instalação industrial. Todavia, a falta de um projeto adequado e de uma

manutenção regular provoca redução no desempenho global caracterizando uma fonte

constante de desperdícios [28], [27].

Infelizmente no nosso país poucos gestores e técnicos encaram o ar comprimido

como uma forma de energia, que deve ser utilizada racionalmente de modo à rentabilizar o

processo produtivo.

Assim, serão apresentados modelos de ensaios para a determinação da eficiência de

um sistema de compressão de ar no que tange à escolha do motor que acionará o

compressor (Linha Standard ou Alto Rendimento), aos vazamentos devido à precariedade

da manutenção da instalação, à regulagem do compressor no que tange a temperatura e

pressão de trabalho, e avaliação do superdimensionamento do motor através de curvas

específicas de desempenho [16], [29].

4.2.1 – Consumo dos Motores Standard e de Alto Rendimento

Este item visa estabelecer as diretrizes para avaliação e comparação da eficiência

energética dos motores Standard e Alto Rendimento.

O procedimento de ensaio deve considerar uma mesma condição de carga para os

motores. Para tanto, é necessário fixar uma vazão constante no sistema utilizando-se o

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

regulador de vazão PID do supervisório. A escolha da vazão pode ser feita arbitrariamente,

mas observando-se os seguintes critérios:

• O valor da vazão deve ser regulado de forma que a pressão no reservatório

de ar comprimido não sofra redução se o compressor estiver ligado, pois

dessa forma a pressão máxima do sistema não seria atingida;

• A vazão não deve ser muito alta para que o compressor entrando em alívio o

tempo para o religamento seja o suficiente para que o motor reduza sua

temperatura. Se isso ocorresse, o motor poderia ser danificado devido ao fato

de se submeter à corrente de partida por várias vezes em pouco tempo.

Antes de começar a coletar as informações do estado inicial do sistema, é necessário

acionar o sistema para que o reservatório de ar seja preenchido até a pressão máxima

determinada no projeto. Atingido a pressão máxima, o sistema entrará em alívio. Neste

momento, deverá ser anotado o valor da energia acumulada no sistema até o presente

momento. Esta informação se encontra na janela <Medições>. Escolher as opções

<Energia> e <Ativa>. Esse valor será a variável

inicial

O sistema estará em alívio até que a pressão mínima seja atingida. Quando ela for

atingida, o compressor entrará em carga novamente, ou seja, o motor será acionado e

permanecerá assim até que a pressão máxima seja atingida e o sistema passe a trabalhar em

alívio novamente. No momento em que o sistema entrar em carga, um cronômetro deverá

ser acionado.

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Para a comparação dos consumos dos dois motores (Standard e Alto Rendimento) é

necessário que o sistema oscile entre carga e alívio durante o máximo de vezes possível.

Quanto maior o número de vezes, maior será a precisão dos resultados. É aconselhável que

o sistema opere no mínimo 10 vezes entre carga e alívio.

No final das n vezes que o compressor alternou entre carga e alívio, o cronômetro

deverá ser paralisado e anotado o valor. Além disso, a energia ativa final deverá ser anotada

seguindo o mesmo procedimento descrito anteriormente para se obter a energia ativa

inicial. A energia ativa final será a variável

e o tempo cronometrado será a variável

. Esse tempo deverá ser dado em horas.

final

A potência média para realizar o trabalho de compressão nos n ciclos carga/alívio

será dada pela seguinte fórmula:

inal inicial

−

(4.23)

Onde:

[kW] Æ Potência média;

inicial

[KWh] Æ Energia inicial;

final

[KWh] Æ Energia final;

[h] Æ Tempo de medição total.

O valor de

deverá ser calculado para os dois motores. É importante salientar que

o número de ciclos de carga/alívio deverá ser o mesmo para os dois motores.

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Para determinar a potência média do motor é necessário conhecer o ponto morto

superior (PMS), que representa a pressão máxima de trabalho, e o ponto morto inferior

(PMI), que representa a pressão mínima de trabalho.

As grandezas PMS e PMI não são obtidas de forma aleatória. É necessário conhecer

a pressão de trabalho do sistema (

trab

) e a perda de carga da instalação ( ). Para o

estudo em questão, pode-se considerar como perda máxima admissível uma perda de carga

de 0,08 Kgf/cm² a cada 100 metros de tubulação equivalente [16], [26], [30]. Assim, as

grandezas PMS e PMI são obtidas como se segue:

P∆

trab

MI P P

+∆

(4.24)

PMS PMI

(5% a 10%). (4.25)

PMI

Onde:

PMI

[bar] Æ Ponto Morto Inferior;

PMS

[bar] Æ Ponto Morto Superior;

trab

[bar] Æ Pressão de trabalho;

P∆

[bar] Æ Perda de carga da instalação.

Obtidos o PMS e o PMI determina-se a potência média do motor. O procedimento

experimental, de forma resumida, para análise da potência média na bancada será:

• Acopla-se o motor ao sistema;

• Configura-se na janela <Comando> do sistema supervisório os valores

referentes aos pontos PMS e PMI e adota-se religamento automático do

compressor;

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

• Aciona-se o motor por partida direta;

• Assim que o sistema entrar em alívio, anota-se o valor referente à energia

inicial ( ) através da janela Medições do sistema supervisório;

inicial

• Abre-se o solenóide XV-04;

• O sistema deverá operar em carga/alívio durante 5 ciclos. Deverá ser

cronometrado e somado os tempos em que o compressor operar em carga;

• Ao final dos 5 ciclos anota-se o valor da energia ativa final total do sistema

(

inal

A economia de energia ao se utilizar o motor de alto rendimento ao invés do motor

Standard é dado por:

.( ).

tAR

EE P P t

−

(4.26)

Onde:

.EE

[KWh] Æ Economia de Energia;

[KW] Æ Potência média do motor Standard;

[KW] Æ Potência média do motor de Alto Rendimento;

[h] Æ Tempo de operação em carga do compressor.

Em termos percentuais, temos:

.EE

.100

st c

(4.27)

A economia de energia em

é dada por:

$/Ra

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Ra energia

EE EE V

(4.28)

Onde:

energia

[R$/KWh] Æ Valor específico da energia elétrica;

$/Ra

Æ Reais por ano.

4.2.2 – Perdas por vazamento

Uma parcela expressiva de energia elétrica é eliminada através de vazamentos nas

instalações de ar comprimido. Na prática não é possível eliminar totalmente os vazamentos

do sistema, entretanto ele não deverá exceder a 5% da capacidade instalada para que o

sistema seja considerado eficiente [16].

A metodologia que será utilizada evidencia uma maneira de se calcular o

desperdício de energia devido aos vazamentos. O método empregado é o da medição do

tempo em carga [16].

Primeiramente é necessário conhecer alguns parâmetros do sistema para que os

cálculos possam ser realizados. Os parâmetros iniciais necessários são:

• Vazão do compressor ou Descarga Livre Efetiva (

) em m³/h;

• Potência do motor do compressor ou potência média do motor no ponto de

operação do sistema ( ) em kW;

• Ponto Morto Superior (

) em bar;

PMS

• Ponto Morto Inferior (

) em bar.

PMI

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Normalmente, a potência do motor e a vazão do compressor já estão explicitadas

nas placas de especificações dos equipamentos. A vazão encontrada na placa do

compressor corresponde à vazão quando o compressor está trabalhando na sua pressão

nominal. O mesmo acontece com o motor. Entretanto, nem sempre o compressor estará

regulado para trabalhar na sua condição nominal. Muitas vezes, a pressão que o sistema foi

regulado é menor que a pressão máxima suportada pelo compressor. Nesse caso, a vazão do

compressor será maior num ponto de menor pressão.

Com base no problema apresentado anteriormente, é necessário encontrar a vazão

do compressor na pressão regulada do sistema, e, além disso, é necessário obter a potência

média consumida pelos motores entre o ponto de religamento do compressor e o ponto de

alívio do mesmo. A potência média será diferente para cada um dos motores (Standard e

Alto Rendimento), esses valores podem ser encontrados pela equação (23) apresentada no

item 4.2.1. É importante salientar que essa equação deverá ser utilizada supondo-se que o

aumento de pressão no sistema em carga em relação ao tempo resulta em uma função do

tipo linear.

Para se determinar o percentual de vazamento da instalação de ar comprimido,

proceda da seguinte forma:

• Esvaziar o reservatório de ar comprimido através dos solenóides;

• Após o esvaziamento completo, manter todos os solenóides fechados;

• Ligar o compressor através da chave de partida direta na janela <Comandos>

e esperar que o mesmo encha o reservatório até atingir a pressão máxima do

sistema 3,3 [bar] onde ocorre o desligamento automático;

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

• Quando ocorrer o desligamento, ou seja, o sistema entrar em alívio, acionar

o primeiro cronômetro;

• Quando o sistema entrar em carga novamente acionar o outro cronômetro e

pausá-lo quando o sistema entrar em alívio novamente;

• Anotar o primeiro tempo de carga;

• Anotar o tempo de carga do compressor durante 5 ciclos (

, , , e );

• Ao final do quinto ciclo de carga, ou seja, no final da quinta medição de

tempo de carga, pausar o primeiro cronômetro e anotar o tempo total dos

cinco ciclos totais (

total

O caudal de vazamento é dado por:

total

∑

⋅=

(4.29)

Onde:

[m³/s] Æ Caudal do Vazamento;

[m³/s] Æ Vazão do compressor na pressão de trabalho;

∑

[s] Æ Tempo de funcionamento em carga, durante a medição;

total

[s] Æ Tempo de medição total.

O percentual de perdas por vazamento é dado pela seguinte fórmula:

100% ⋅=

(4.30)

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

O custo anual da perda por vazamento é calculado utilizando-se a expressão

apresentada adiante:

100

acV

CC ⋅=

(4.31)

Onde:

[R$/a] Æ Custo da perda por vazamento;

[R$/a] Æ Custo anual de geração de ar comprimido;

[%] Æ Percentual de perdas por vazamento.

é dado por:

kWhcmac

CtPC

⋅

(4.32)

Onde:

[R$/a] Æ Custo anual de geração de ar comprimido;

[kW] Æ Potência média;

[h/a] Æ Tempo de operação do compressor em carga;

kWh

[R$/kWh] Æ Custo da perda por vazamento;

4.2.3 – Perdas por Aumento de Temperatura

Devido aos ciclos de compressão, o rendimento de uma instalação de ar comprimido

é função da temperatura de sucção do ar. Quanto mais quente o ar, pior o rendimento da

instalação. Assim, é uma variável fundamental em termos de eficiência energética.

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Segundo estimativas, o compressor consumirá 1% a mais de potência para

disponibilizar o ar nas mesmas condições, tendo como referência um acréscimo de 3°C na

temperatura de admissão do ar. Isso se justifica pelo fato do aumento da temperatura

diminuir a massa específica do ar (massa de ar contida numa unidade de volume) em cerca

de 1%, resultando também 1% a mais no volume [16].

O percentual de perdas por temperaturas elevadas na captação do ar é dado pela

seguinte equação:

100

15,273

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=

(4.33)

Onde:

[%] Æ Percentual de perdas por temperaturas elevadas na sucção;

[°C] Æ Temperatura inicial do ar;

[°C] Æ Temperatura inicial do ar pós-otimização.

O custo anual devido a temperaturas elevadas na captação de ar é obtido da seguinte

forma:

100

acT

⋅=

(4.34)

Onde:

[R$/a] Æ Custo devido a temperaturas elevadas na captação de ar;

[R$/a] Æ Custo anual de geração de ar comprimido;

[%] Æ Percentual de perdas por temperaturas elevadas na sucção.

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

4.2.4 – Perdas por aumento de pressão

Uma outra variável importante para uma boa eficiência do sistema de ar

comprimido é a pressão máxima regulada para o reservatório. Uma pressão inadequada

resulta em maior perda de rendimento. Quanto maior a pressão no sistema, maior será a

perda por vazamento.

A pressão máxima (

) e mínima ( ), como comentado no item 4.2.1, deve

ser estabelecida de forma a se obter o ponto ideal de eficiência, sendo necessário, para isso,

conhecer os dados técnicos dos equipamentos que compõem a instalação e ajustar tais

limites de forma prática durante a implementação do sistema de ar comprimido.

PMS PMI

O percentual de perdas por pressão elevadas na captação do ar é dado pela equação

seguinte:

(

)

()

100

⋅

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

−=

−

(4.35)

Onde:

[%] Æ Percentual de perdas devido à pressão elevada;

Æ Relação de compressão original;

r Æ Relação de compressão pós-otimização;

n Æ Número de estágios de compressão;

Æ Coeficiente adiabático (isentrópico).

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Para o ar, o coeficiente k varia pouco em condições normais de temperatura de

trabalho e pode ser assumido como sendo igual a 1,41[1].

A relação de compressão é dada por:

atm

(4.36)

Onde:

Æ Relação de compressão;

[bar] Æ pressão máxima;

atm

[bar] Æ Pressão atmosférica em bar.

1 atm

atm

= (4.37)

Onde:

Æ Relação de compressão para pressão otimizada;

[bar] Æ pressão otimizada;

O custo anual devido a pressão elevada no sistema de ar comprimido é obtido da

seguinte forma:

100

acp

⋅=

(4.38)

Onde:

[R$/a] Æ Custo devido a pressão elevada;

[R$/a] Æ Custo anual de geração de ar comprimido;

[%] Æ Percentual de perdas por pressão elevada.

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

4.2.5 – Avaliação do superdimensionamento por método gráfico

O método gráfico de avaliação do superdimensionamento é uma simulação manual

obtida por meio de curvas específicas de desempenho do motor. Tais curvas são fornecidas

pelos fabricantes e através delas pode-se estimar o carregamento dos motores determinando

se sua operação está adequada e favorável [31].

O procedimento de análise segue a seguinte rotina:

•

O motor deve estar operando numa situação de maior carga;

•

Devem ser medidas as correntes nas três fases. Esta informação se encontra

na janela <Medições>. Escolher as opções <Corrente> e <Ativa>. Deve ser

realizada uma média aritmética simples dos três valores para efeito de

análise;

•

O valor médio encontrado deve então ser marcado no gráfico com as curvas

características do motor em análise para se determinar o carregamento;

•

Na curva de desempenho do motor, marcar a corrente média no eixo vertical

referente ao valor de corrente e traçar uma horizontal até interceptar a curva

da corrente. A partir desse ponto, descer uma vertical até o eixo do

carregamento;

•

Determina-se graficamente o nível de carregamento do motor. Se o valor

estiver abaixo de 75%, provavelmente o motor apresenta sinais de

superdimensionamento. Nos casos em que o carregamento estiver abaixo de

50%, deverá então ser avaliada a possibilidade da sua imediata substituição

por outro de capacidade compatível com a carga acionada;

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

•

Prolongar a vertical referente ao carregamento até interceptar as curvas de

fator de potência e de rendimento. Com esses valores determinados, pode-se

calcular a energia consumida pelo motor.

Assim, será apresentado na seqüência, um estudo de caso a partir dos modelos de

ensaios comentados.

4.3 – Estudo de caso e análise financeira

Este item destina-se a apresentar os resultados de um estudo de caso associado com

a operação do sistema de ar comprimido do laboratório que é objeto deste estudo. Para

tanto, foram realizados os ensaios e procedimentos detalhados minuciosamente nos itens

anteriores, levando-se em consideração os aspectos relacionados às variáveis que

influenciam de forma relevante na eficiência energética da instalação do sistema de ar

comprimido.

As análises serão realizadas adotando-se os seguintes valores:

•

O tempo de funcionamento do compressor será adotado como sendo de 6000

horas por ano. Assim,

6000

func

•

O tempo de funcionamento em carga será de 4500 horas por ano. Assim,

arg

4500

t =

•

Custo específico da energia elétrica:

0,65 $/

energia

VRKWh

;

•

Ponto Morto Inferior ( ):

PMI

2,8PMI

bar;

100

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

•

Ponto Morto Superior ( ):

PMS

3,3PMS

bar;

•

Potência média do motor convencional:

1, 28

conv

;

•

Potência média do motor de alto rendimento:

1, 20

;

•

Descarga Livre Efetiva do compressor (

): ou

;

281,47 /minl

16,888 /mh

• Temperatura de admissão do ar:

30TC

;

•

Temperatura do ar pós-otimização:

25TC

;

•

Vazamento intrínseco da tubulação de distribuição de ar:

int

4,25 10 /

−

=× s

•

Pressão atmosférica do local:

0,9745

atm

ATM

ou bar.

0,9875

atm

P =

A primeira análise será com relação ao consumo dos motores Standard e Alto

Rendimento, conforme o item 4.2.1, enfocando a economia de energia proveniente da

possível substituição dos motores.

$/ $/

. (1,28 1,20).4500 . 360

360

. % .100 6,25%

1,28.4500

. 360.0,65 . 234 $/

Ra Ra

EEE

KWh

EEE

=− →=

=→=Ra

A segunda análise será com relação às perdas por vazamentos, conforme o item

4.2.2. Ao realizar os ensaios com as perfurações XV-02 à XV-06, o vazamento intrínseco

do sistema foi contabilizado junto, sendo necessário subtrair o valor do vazamento

101

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

intrínseco (

) dos outros, para que os resultados representem valores

confiáveis.

int

4,25 10 /

−

=×

Será mostrado detalhadamente o cálculo para o vazamento provocado por XV-02.

int

87777

4,69 10 . 3,1677 10 /

533

2,7424 10 /

2,7427 10

% .100 % 5,8479%

4,69 10

1,28.4500.0,65 3744,00 $/

5,8479

3744,00. 218,94 $/

100

ac ac

Vms

CCRa

−−

−

++++

=× →= × −

→= ×

=→=

msV

A figura 4.1 evidencia os ciclos de carga e alívio referente ao vazamento produzido

pelo furo XV-02. É possível visualizar os limites PMS e PMI, o tempo inicial e final do

evento, e os cinco ciclos contabilizados durante o ensaio. Pode-se observar “pequenos

degraus” durante os ciclos. Isso se justifica devido à precisão do sistema supervisório que

coleta os dados quatro vezes por segundo e traça o gráfico. Assim, quanto maior o

vazamento (XV-02 até XV-06) mais pronunciado e evidente são os “degraus” já que o

compressor vai demorando cada vez mais para alcançar o PMS e cada vez mais rápido o

PMI é atingido. A curva de carga vai ficando menos inclinada ficando perfeitamente visível

os “degraus”.

102

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Figura 4.1 – Gráfico de carga e alívio referente à XV-02

Tabela 4.1 – Tempos parciais do ciclo de carga e alívio para XV-02

Furo

[]ts

XV-02

8 7 7 7 7

[]

total

533

A terceira análise será com relação às perdas por aumento de temperatura,

conforme o item 4.2.3. Nesse item, é analisado o consumo de energia devido às altas

temperaturas na captação de ar. A temperatura de captação de ar durante os ensaios foi

obtida por meio de um sensor de temperatura instalado na bancada apresentando o valor de

e deseja-se otimizar o sistema para que o ar seja captado à .

30T=°C

25TC=°

103

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

25 273,15

1 .100 1,6493%

30 273,15

1,6493

3744,00. 61,7516 $/

100

⎛⎞

=− → =

⎜⎟

⎝⎠

=→=

A quarta análise será com relação às perdas por aumento de pressão, conforme o

item 4.2.4. Nesse item, é analisada a perda de energia devido às altas pressões de

regulagem do sistema. A análise é em relação ao ponto morto inferior (PMI) do sistema, ou

seja,

assumindo o valor de

3,3PMS

bar e

assumindo o valor de 3,1 bar. A pressão

de 3,1 bar é considerada como ponto ideal para que o sistema funcione na condição

nominal. A pressão atmosférica do laboratório é de

0,9875

atm

bar.

1,41 1

1,41

1,41 1

1,41

3,3 0,9875

4,34

0,9875

3,1 0,9875

4,14

0,9875

(4,14) 1

1 .100 3,9217%

(4,34) 1

−

=→=

⎡⎤

−

⎢⎥

=− → =

⎢⎥

−

⎣⎦

3,9217

3744,00. 146,82 $/

100

CC=→=Ra

Na seqüência segue a tabela 4.2 ilustrativa da composição do custo das perdas em

relação às grandezas analisadas.

Através dos resultados apresentados fica evidente a importância dos custos

relacionados às perdas devido à falta de projeto adequado e manutenção regular. Isso

mostra que a redução do consumo energético não se limita apenas à troca de motores mas

também as condições de trabalho da carga acionada.

104

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Tabela 4.2 – Composição do custo das perdas

Composição do custo das perdas

Uso MIT standard 234 $/Ra

35,37%

Vazamento

218,94 $/

33,09%

Temperatura

61,75 $/

9,33%

Pressão

146,82 $/

22,21%

TOTAL

661,51 $/

100%

A figura 4.2 apresenta de forma visual o impacto da composição percentual do custo

das perdas para o vazamento XV-02. O maior impacto de perdas é atribuído aos custos

financeiros da utilização do MIT standard em detrimento do MIT de alto rendimento

contabiliza 35,37% representando um impacto expressivo e que talvez justifique sua troca.

Em segundo lugar aparece às perdas provocadas pelo caudal de vazamento contabilizando

um percentual de 33,09%. Depois aparece às perdas provocadas por pressão elevada no

regime operacional de funcionamento do compressor. Esta perda contabiliza um percentual

de 22,21% para o ensaio realizado. Os O percentual relativo às perdas por temperaturas

elevadas na captação do ar é de apenas 9,33% considerado irrisório comparativamente às

outras perdas.

105

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Composição percentual dos custos das perdas para xv-02

9,33%

22,21%

33,09%

35,37%

Cv%

Ct%

Cp%

Uso do MIT standard%

Figura 4.2 – Composição percentual do custo das perdas para XV-02

Será dada continuidade as análises referentes às perdas provocadas pelos furos de

XV-03 à XV-06. Porém, para evitar um desenvolvimento dispendioso e cansativo, serão

omitidos os cálculos realizados, já que os mesmos foram executados por softwares. Como

os resultados referentes ao consumo dos motores, perdas por temperaturas e pressões

elevadas são os mesmos, não importando o vazamento provocado por furo específico, as

tabelas e valores apresentados na seqüência se restringirão às perdas por vazamentos.

A seguinte análise é para o vazamento provocado por XV-03.

106

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Tabela 4.3 – Valores das grandezas referentes ao vazamento XV-03

Valores referentes ao vazamento XV-03

-4 3

4,77 10 /ms×

Vv%

10,17%

380,79 $/

Tabela 4.4 – Tempos parciais do ciclo de carga e alívio para XV-03

Furo

[]ts

XV-03

7 7 7 8 7

[]

total

325

A figura 4.3 evidencia os ciclos de carga e alívio referente ao vazamento produzido

pelo furo XV-03. É possível visualizar os limites PMS e PMI, o tempo inicial e final do

evento, e os cinco ciclos contabilizados durante o ensaio.

Figura 4.3 – Gráfico de carga e alívio referente à XV-03

107

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Pela tabela 4.5 observa-se que o custo total das perdas aumentou de

661,51 $/

para

823,36 $/

a, tal aumento é justificado pelo aumento das perdas por vazam

Tabela 4.5 – Composição do custo das perdas

ento.

Composição do custo das perdas

Uso M

,42%

IT standard 234 $/Ra

Vazamento

380,79 $/

46,24%

T emperatura

61,75 $/

7,49%

Pressão

146,82 $/

17,85%

TOTAL

823,36 $/

100%

figura 4.4 apresenta de forma visual o impacto da composição percentual do custo

das per

das para o vazamento XV-03. O maior impacto de perdas é atribuído ao caudal de

vazamento contabilizando um percentual de 46,24%. Na seqüência aparecem os custos

financeiros ao se utilizar um MIT standard em detrimento do MIT de alto rendimento

contabiliza 28,42%. Na seqüência segue às perdas provocadas por pressão elevada no

regime operacional de funcionamento do compressor. Esta perda contabiliza um percentual

de 17,85% para o ensaio realizado. O percentual relativo às perdas por temperaturas

elevadas na captação do ar é de apenas 7,49% considerado irrisório comparativamente às

outras perdas. Como o caudal de vazamento é maior para XV-03 do que para XV-02 o

percentual de contribuição nas perdas de energia será consequentemente maior.

108

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Composição dos custos das perdas para xv-03

17,85%

7,49%

46,24%

28,42%

Cv%

Ct%

Cp%

Uso do MIT standard%

Figura 4.4 – Composição percentual das perdas para XV – 03

A seguinte análise é para o vazamento provocado por XV-04.

Tabela 4.6 – Valores das grandezas referentes ao vazamento XV-04

Valores referentes ao vazamento XV-04

-4 3

8,99988 10 /ms×

Vv%

19,189%

718,45 $/

109

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Tabela 4.7 – Tempos parciais do ciclo de carga e alívio para XV-04

Furo

[]ts

XV-04

8 9 8 9 8

[]

total

209

A figura 4.5 evidencia os ciclos de carga e alívio referente ao vazamento produzido

pelo furo XV-04. É possível visualizar os limites PMS e PMI, o tempo inicial e final do

evento, e os cinco ciclos contabilizados durante o ensaio.

Figura 4.5 – Gráfico de carga e alívio referente à XV-04

Pela tabela 4.8 observa-se que o custo total das perdas aumentou de 823,36 $/

para

1161,02 $/

a, tal aumento é justificado pelo aumento das perdas por vazamento.

110

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Tabela 4.8 – Composição do custo das perdas

Composição do custo das perdas

Uso MIT standard 234 $/Ra

20,15%

Vazamento

718,45 $/

61,88%

Temperatura

61,75 $/

5,31%

Pressão

146,82 $/

12,66%

TOTAL

1161,02 $/

100%

Composição dos custos das perdas para xv-04

12,66%

5,31%

61,88%

20,15%

Cv%

Ct%

Cp%

Uso do MIT standard%

Figura 4.6 – Composição percentual das perdas para XV – 04

A figura 4.6 reproduz de forma visual o impacto da composição percentual do custo

das perdas para o vazamento XV-04. O maior impacto de perdas é atribuído ao caudal de

111

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

vazamento contabilizando um percentual de 61,88%. Na seqüência aparecem os custos

financeiros ao se utilizar um MIT standard em detrimento do MIT de alto rendimento

contabiliza 20,15%. Em seguida segue às perdas provocadas por pressão elevada no regime

operacional de funcionamento do compressor. Esta perda contabiliza um percentual de

12,66% para o ensaio realizado. O percentual relativo às perdas por temperaturas elevadas

na captação do ar é de apenas 5,31% considerado irrisório comparativamente às outras

perdas. Como o caudal de vazamento é maior para XV-04 do que para XV-03 o percentual

de contribuição nas perdas de energia será consequentemente maior.

A seguinte análise é para o vazamento provocado por XV-05.

Tabela 4.9 – Valores das grandezas referentes ao vazamento XV-05

Valores referentes ao vazamento XV-05

-4 3

14,80227 10 /ms×

Vv%

31,5613%

1181,65 $/

Tabela 4.10 – Tempos parciais do ciclo de carga e alívio para XV-05

Furo

[]ts

XV-05

10 10 10 10 10

[]

total

154

112

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

A figura 4.7 evidencia os ciclos de carga e alívio referente ao vazamento produzido

pelo furo XV-05. É possível visualizar os limites PMS e PMI, o tempo inicial e final do

evento, e os cinco ciclos contabilizados durante o ensaio.

Figura 4.7 – Gráfico de carga e alívio referente à XV-05

Pela tabela 4.11 observa-se que o custo total das perdas aumentou de

1181,65 $/

para

1624,22 $/

a, tal aumento é justificado pelo aumento das perdas por vazamento.

Tabela 4.11 – Composição do custo das perdas

Composição do custo das perdas

Uso MIT standard 234 $/Ra

14,40%

Vazamento

1181,65 $/

72,75%

Temperatura

61,75 $/

3,80%

Pressão

146,82 $/

9,05%

TOTAL

1624,22 $/

100%

113

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Composição dos custos das perdas para xv-05

14,4%

3,8%

72,75%

9,05%

Cv%

Ct%

Cp%

Uso do MIT standard%

Figura 4.8 – Composição percentual das perdas para XV – 05

A figura 4.8 contempla de forma visual o impacto da composição percentual do

custo das perdas para o vazamento XV-05. O maior impacto de perdas é atribuído ao caudal

de vazamento contabilizando um percentual de 72,75%. Na seqüência aparecem os custos

financeiros ao se utilizar um MIT standard em detrimento do MIT de alto rendimento

contabiliza 14,4%. Na seqüência segue às perdas provocadas por pressão elevada no regime

operacional de funcionamento do compressor. Esta perda contabiliza um percentual de

9,05% para o ensaio realizado. O percentual relativo às perdas por temperaturas elevadas na

captação do ar é de apenas 3,8% considerado irrisório comparativamente às outras perdas.

114

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Como o caudal de vazamento é maior para XV-05 do que para XV-04 o percentual de

contribuição nas perdas de energia será consequentemente maior.

A seguinte análise é para o vazamento provocado por XV-06.

Tabela 4.12 – Valores das grandezas referentes ao vazamento XV-06

Valores referentes ao vazamento XV-06

-4 3

24,29748 10 /ms×

Vv%

51,806%

1939,65 $/

Tabela 4.13 – Tempos parciais do ciclo de carga e alívio para XV-06

Furo

[]ts

XV-06

14 14 13 14 13

[]

total

129

A figura 4.9 evidencia os ciclos de carga e alívio referente ao vazamento produzido

pelo furo XV-06. É possível visualizar os limites PMS e PMI, o tempo inicial e final do

evento, e os cinco ciclos contabilizados durante o ensaio.

115

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Figura 4.9 – Gráfico de carga e alívio referente à XV-06

Pela tabela 4.14 observa-se que o custo total das perdas aumentou de 1939,65 $/

para

2382,22 $/

a , tal aumento é justificado pelo aumento das perdas por vazamento.

Tabela 4.14 – Composição do custo das perdas

Composição do custo das perdas

Uso MIT standard 234 $/Ra

9,82%

Vazamento

1939,65 $/

81,42%

Temperatura

61,75 $/

2,59%

Pressão

146,82 $/

6,17%

TOTAL

2382,22 $/

100%

116

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Composição dos custos das perdas para xv-06

81,42%

9,82%

2,59%

6,17%

Cv%

Ct%

Cp%

Uso do MIT standard%

Figura 4.10 – Composição percentual das perdas para XV – 06

A figura 4.10 ilustra de forma visual o impacto da composição percentual do custo

das perdas para o vazamento XV-06. O maior impacto de perdas é atribuído ao caudal de

vazamento contabilizando um percentual de 81,42%. Na seqüência aparecem os custos

financeiros ao se utilizar um MIT standard em detrimento do MIT de alto rendimento

contabiliza 9,82%. Em seguida segue às perdas provocadas por pressão elevada no regime

operacional de funcionamento do compressor. Esta perda contabiliza um percentual de

6,17% para o ensaio realizado. O percentual direcionado às perdas por temperaturas

elevadas na captação do ar é de apenas 2,59% considerado irrisório comparativamente às

117

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

outras perdas. Como o caudal de vazamento é maior para XV-06 do que para XV-06 o

percentual de contribuição nas perdas de energia será consequentemente maior.

A quinta e última análise considerada neste trabalho se baseia na avaliação do

superdimensionamento por método gráfico, conforme o item 4.2.5. As condições de

carregamento dos motores são situações determinantes do seu funcionamento adequado e

favorável. Assim, esta avaliação é totalmente pertinente ao tema eficiência energética.

O sobredimensionamento de motores de indução é uma situação freqüente na

indústria, devido à utilização sistemática de fatores de segurança muito elevadas no

dimensionamento destes motores. As desvantagens desta prática são:

•

Maior investimento inicial na aquisição do motor e nos dispositivos de

comando e proteção;

•

Redução do rendimento do motor, conduzindo a maiores custos de

funcionamento do motor;

•

Degradação do fator de potência da instalação, com conseqüente aumento

dos custos na conta de energia elétrica ou investimentos em equipamentos

para compensar o fator de potência;

118

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Figura 4.11 – Curvas de desempenho do motor Standard

119

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

A figura 4.11 representa a curva de desempenho que será utilizada no estudo da

verificação do superdimensionamento do motor Standard de 1,5 [CV].

Através dos ensaios, verifica-se que o valor de corrente média assume o valor de 4,4

[A]. Esse valor de corrente deve ser marcado no eixo vertical referente à corrente e traça-se

uma horizontal até interceptar a curva da corrente. A partir desse ponto, deve-se descer uma

vertical até o eixo do carregamento. Todos esses passos são verificados na figura 4.12,

podendo-se verificar que o carregamento é de aproximadamente 97%. Como este valor está

acima de 75% pode-se concluir que não apresenta indícios de superdimensionamento.

Figura 4.12 – Ponto de carregamento do motor Standard de 1,5 [CV]

120

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

A partir do ponto 1, eleva-se uma vertical interceptando as curvas de rendimento e

fator de potência respectivamente. Todos esses passos são verificados na figura 4.13,

podendo-se verificar que o rendimento é de aproximadamente 78% (ponto 2) e o fator de

potência de 0,83 (ponto 3). Assim, pode-se concluir que o motor está operando em situação

adequada de funcionamento não comprometendo a eficiência energética em relação a este

aspecto.

Figura 4.13 – Ponto de carregamento, rendimento e fator de potência do motor

Standard de 1,5 [CV]

121

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Para complementar o estudo, será realizada análise similar para o motor de Alto

Rendimento. A figura 4.14 representa a curva de desempenho que será utilizada no estudo

da verificação do superdimensionamento do motor de Alto Rendimento de 1,5 [CV].

Figura 4.14

– Curva Característica do Motor de Alto Rendimento

122

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Figura 4.15 – Ponto de carregamento do motor de Alto Rendimento de 1,5 [CV]

Através dos ensaios, verifica-se que o valor de corrente média assume o valor de 4,1

[A]. Da mesma forma, esse valor de corrente deve ser marcado no eixo vertical referente à

corrente e traça-se uma horizontal até interceptar a curva da corrente. A partir desse ponto,

deve-se descer uma vertical até o eixo do carregamento. Todos esses passos são verificados

na figura 4.15, podendo-se verificar que o carregamento é de aproximadamente 100,1%.

123

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Como este valor está acima de 75% pode-se concluir que não apresenta indícios de

superdimensionamento.

A partir do ponto 1, eleva-se uma vertical interceptando as curvas de rendimento e

fator de potência respectivamente. Todos esses passos são verificados na figura 4.16,

podendo-se verificar que o rendimento é de aproximadamente 82% (ponto 2) e o fator de

potência de 0,87 (ponto 3). Assim, pode-se concluir que o motor está operando em situação

adequada de funcionamento não comprometendo a eficiência energética em relação a este

aspecto.

Figura 4.16 – Ponto de carregamento, rendimento e fator de potência do motor de

Alto Rendimento de 1,5 [CV]

124

CAPITULO IV – Metodologia de diagnóstico energético e estudo de caso

Observam-se, através dos valores das grandezas de corrente, rendimento e fator de

potência do motor de Alto Rendimento suas vantagens em relação ao motor Standard.

4.4 – Conclusões parciais

Este capítulo foi centrado nas descrições e características de metodologias de

diagnóstico energético para determinação da perda de energia devido a vazamentos na rede

de distribuição, e também a perda de eficiência do compressor no que se refere à

temperatura de admissão do ar e aos níveis de pressão na operação do compressor. O

método utilizado para quantificação dos caudais de vazamento foi o da medição do tempo

em carga já consagrado na literatura e normas especializadas. Com relação ao motor que

aciona a carga, as análises se restringiram ao consumo e possível substituição do motor

Standard pelo de Alto Rendimento, e também a verificação de eventual

sobredimensionamento.

Através dos ensaios executados e dos dados colhidos se tornou pertinente o estudo

de caso e análise financeira com o intuito de evidenciar as fórmulas demonstradas e

comprovar numericamente as grandezas relacionadas ao tema Eficiência Energética.

Os resultados obtidos encontram consonância qualitativa e quantitativa com o

esperado e através dos comentários tecidos, ficou evidente a importância dos custos

relacionados às perdas devido à falta de projeto adequado e manutenção regular. A partir

disso, pode-se concluir que a redução do consumo energético não se limita apenas à troca

de motores, mas, sobretudo as condições operativas da carga acionada.

125

CAPITULO V – Conclusões

CAPÍTULO V

Conclusões

Muito embora a estrutura do trabalho tenha primado por análises e discussões dos

principais pontos relacionados com as atividades desenvolvidas em cada capítulo,

considera-se relevante, nesta fase final da dissertação, sintetizar os principais aspectos,

contribuições e avanços obtidos ao longo da pesquisa.

Neste sentido, focando o conteúdo do Capítulo I, este foi centrado na caracterização

do tema escolhido para o presente projeto, ressaltando que, no que tange à literatura

disponível sobre a correlação: análise de eficiência energética em sistemas de ar

comprimido; o número de publicações nacionais e internacionais é satisfatório apesar de

todo o desenvolvimento deste trabalho ter sido executado a partir de normas técnicas de

ensaio e do material disponibilizado pela Eletrobrás. De fato, a única referência diretamente

aplicada corresponde àquela identificada como [16] sem expressivas mudanças no processo

avaliativo.

Desta forma, fica reconhecido que, no âmbito mais completo da metodologia de

diagnóstico energético em sistemas de ar comprimido, e ainda, o estabelecimento de um

estudo computacional de desempenho do modelo motor-compressor no programa ATP, o

126

CAPITULO V – Conclusões

presente trabalho se apresenta como uma contribuição significativa para a melhoria da

eficiência energética industrial.

Uma vez compreendida a importância de uma pesquisa na direção apontada, as

atividades seguintes focaram a descrição, características e funcionalidades do laboratório de

sistemas motrizes dando ênfase a bancada do compressor. A meta foi familiarizar o

pesquisador com o sistema a ser analisado.

Utilizando os resultados obtidos tanto na simulação da bancada, através do software

pré-processador ATPDRAW, como das medições realizadas sobre o protótipo do

compressor de ar, verificou-se que é possível melhorar a eficiência do sistema, adotando

técnicas desenvolvidas e aplicadas ao longo dos estudos realizados.

É importante ressaltar que o sistema simulado e ensaiado é de pequeno porte,

apresentando como conseqüência resultados pouco expressivos, porém as técnicas

apresentadas podem ser utilizados para sistemas maiores, com motores de maior potência e

compressores também maiores e com vários estágios obtendo com isto resultados mais

significativos quanto a eficiência energética.

Utilizando o ATPDRAW simula-se todo o sistema de acionamento do compressor

com carga, considerando a condição do ponto morto superior (PMS), como a condição de

carga máxima aplicada ao motor, condição esta que faz com que o compressor entre em

alívio automaticamente.

Modelou-se a partida direta e com soft-start, que estão presentes na bancada do

compressor, verificando correntes de partida e em regime permanente, conjugados,

velocidade, potências e rendimento. Comparando-se as formas de onda e os valores a elas

pertinentes, foi então possível correlacionar o desempenho do estudo computacional do

modelo motor-carga no programa ATP e concluir que o mesmo responde de forma

127

CAPITULO V – Conclusões

satisfatória e coerente comprovando sua potencialidade e versatilidade. Os resultados

obtidos estão bem próximos dos valores adquiridos dos ensaios através do sistema

supervisório.

No sistema de ar comprimido ensaiado no laboratório de sistemas motrizes da UFU,

verificou-se através da utilização do motor da linha standard e de alto rendimento, uma

economia de energia, deste último, ao longo do tempo considerado no estudo.

Um outro fator a ser considerado é a manutenção de todo o sistema de distribuição

de ar comprimido, a redução de vazamentos é muito importante na verificação global da

eficiência, minimizando as perdas.

Verificou-se ser de suma importância a temperatura de captação do ar na entrada do

compressor. Temperaturas menores reduzem as perdas que muitas vezes são função da

localização imprópria definida para instalação do sistema.

Outra preocupação se refere aos níveis de pressão na operação do compressor. Uma

pressão inadequada resulta em maior perda de rendimento. Quanto maior a pressão no

sistema, maior será a perda por vazamento.

Hoje já existem sistemas de ar comprimido do tipo centrífugo, que utilizam

inversores de freqüência para controle da vazão de entrada, apresentado uma alternativa

significativa para aumentar a eficiência do sistema economizando energia elétrica.

Analisou-se também se o motor de indução da linha standard e alto rendimento

estão bem especificados para o acionamento do compressor considerando-se a corrente do

ponto morto superior (PMS), como o carregamento máximo aplicado aos motores e

verificou-se que estes estão bem dimensionados.

A partir disso, pode-se concluir que a redução do consumo energético não se limita

apenas à troca de motores, mas, sobretudo as condições operativas da carga acionada.

128

CAPITULO V – Conclusões

Observa-se, analisando os estudos realizados que outros fatores poderão ser

incorporados para explorar melhor o assunto sobre o enfoque da eficiência energética

como:

• Influência da rede elétrica na operação dos motores da linha standard e alto

rendimento. Alterações ou flutuações da amplitude da tensão da rede, a

existência de conteúdo harmônico alterando o comportamento senoidal da

tensão aplicada aos motores;

• Influência da carga mecânica na operação dos motores. Regime de serviço,

acoplamento entre motor e carga e programação da operação.

Como última observação, fica reconhecido que o trabalho aqui apresentado

constitui-se em mais uma contribuição ao tema e, certamente, desenvolvimentos futuros

deverão complementar e aprimorar o assunto até sua consolidação como ferramenta de

análise e gerenciamento da energia elétrica.

129

Referências Bibliográficas

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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133

Anexos

ANEXOS

Apresentação do artigo publicado no II CONGRESSO BRASILEIRO DE EFICIÊNCIA

ENERGÉTICA CBEE 2007, Vitória, ES.

Título: ESPECIFICAÇÃO PARA UM LABORATÓRIO DE EFICIÊNCIA INDUSTRIAL

134

ESPECIFICAÇÃO PARA UM LABORATÓRIO DE EFICIÊNCIA

INDUSTRIAL

*Sergio Ferreira de Paula Silva, Antonio Carlos Delaiba, Décio Bispo, Renato Alves

Pereira, Ronaldo Guimarães, Alexandre Borges Zappelini

**Carlos Aparecido Ferreira

*Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia – UFU

Avenida João Naves de Ávila, 2121 – Campus Santa Mônica – Uberlândia – MG

CEP- 38400-902

**Eletrobrás

Abstract

: This paper has for objective the specification of an industrial efficiency’s

laboratory. This specification details components involving four groups of benches,

which are: centrifugal pumps, compressors, fans and conveyor's belt. Each one of loads

was specified in independent group of benches, with a system of composed drive for

automation systems, controlled and integrated measurements. A composed drive for two

motors (standard or high-efficiency) and three ways of departure (direct, variable

frequency drives and soft start) that connected to the load allow to the visualization of the

control forms and equipment operation, on the approach of the industrial

efficiency.

Keywords: Specification, Laboratory, Industrial Efficiency, Motor Systems, Tree-phase

Induction Motors.

Resumo: Este artigo tem por objetivo a especificação de um laboratório de eficiência

industrial . Esta especificação detalha os componentes envolvendo quatro bancadas, quais

sejam: bombas centrífugas, compressores, ventiladores e correias transportadoras. Cada

uma das cargas foi especificada em bancada independente, contendo um sistema de

acionamento composto por sistemas de automação, controle e medições integrados. Um

acionamento composto por dois motores (standard ou alto-rendimento) e três modos de

partida (direta, inversor de frequencia e soft start) que acoplados à carga, permitem a

visualização das formas de controle e operação de equipamentos, sobre o enfoque da

eficiência industrial.

Palavras Chaves: Especificação, Laboratório, Eficiência Industrial, Sistemas Motrizes,

Motores de Indução Trifásico.

1 INTRODUÇÃO

Os problemas ocorridos nos anos 90, no setor elétrico

brasileiro, demonstraram que a energia elétrica é um

insumo valioso e, como tal, deve ser usado de maneira

racional. A necessidade de metodologias e estudos que

visem à eficiência energética foi demonstrada de forma

cabal pela crise de abastecimento que assolou o país no

ano de 2001.

O uso eficiente de energia, que pode ser entendida

como a utilização da menor quantidade possível de

energia para realizar um trabalho sem que se perca

qualidade e segurança na realização, tem como campo

de atuação os mais diversos ramos de atividade da

sociedade. Utilizar a energia com responsabilidade, sem

desperdício, constitui um novo parâmetro a ser

considerado no exercício da cidadania.

(ELETROBRÁS/PROCEL/EFEI, 2001).

Segundo Gerente de Utilização de Energia da

Companhia Energética de Minas Gerais - CEMIG ações

que objetivem o uso racional e eficiente de energia

correspondem a construção de uma usina virtual de

energia (Máxima Eficiência, 2005). Embasando tal

opinião, Howard Steven Geller relata: a economia de

energia elétrica, em 1998, permitiu que as

concessionárias brasileiras evitassem implementar

aproximadamente 1560 MW de nova capacidade

geradora, o que significou cerca de 3,1 bilhões de

investimentos evitados. (Geller 2003). Ainda segundo o

mesmo autor, ao se comparar os custos com a energia

economizada e os custos para a geração da mesma

quantidade houve um coeficiente de custo - beneficio

global de aproximadamente 12:1 (Geller 1998).

O setor industrial, segundo o Balanço Energético

Nacional – BEN de 2005, consumiu 203,48 TWh o

correspondente a 47,9% de toda a eletricidade

consumida no país. No que se refere ao cenário

industrial, a CEMIG nos informa, em seu site que: no

Brasil, os Motores elétricos de indução são

responsáveis por cerca de 50% das cargas elétricas

industriais, chegando a 70% em determinadas regiões.

Dentro deste contexto, a Universidade Federal de

Uberlândia – UFU, Minas Gerais, em parceria com

ELETROBRÁS/PROCEL, idealizou um laboratório

que, de forma prática e inteligente, permite o estudo das

principais cargas motrizes utilizadas no setor industrial.

Com vasta e reconhecida atuação nos campos

qualidade da energia elétrica e máquinas elétricas, essa

universidade reconheceu a necessidade de, também, se

avançar no campo da utilização da energia elétrica de

forma racional. Os detalhes desse laboratório são

apresentados na sequencia deste trabalho.

2 DESCRIÇÃO GERAL DAS

BANCADAS

O Laboratório de Sistemas Motrizes é composto por

quatro bancadas, sendo que cada uma corresponde a um

diferente tipo de carga comumente utilizado em

processos industriais. Assim procedendo, as cargas

correspondentes à bombas centrífugas, compressores,

ventiladores e correias transportadoras, formam as

bancadas mencionadas.

Cada uma das cargas foi instalada em bancada de

ensaios independente das demais, formando um sistema

de acionamento completo, composto por proteção e

medição; sistemas de automação e medição integrados,

capazes de controlar automaticamente a execução, a

coleta de dados e emissão de relatórios. O acionamento

é composto por dois motores e três modos de partida

distintos, permitindo a visualização de diversas formas

de controle e operação de equipamentos industriais

similares e de maior porte.

Cada bancada é composta por duas mesas e um painel,

sendo que a primeira mesa contém o micro-

computador, a segunda os motores e o módulo de carga

e o painel acondiciona os sistemas de comando,

medição e acionamento. Na sequência são apresentadas

as características/funcionalidades mínimas para estas

bancadas:

• A primeira bancada possui dimensões apropriadas

para a instalação de um micro-computador (CPU,

monitor, teclado, no-break e mouse) e um

multifuncional.

• Na segunda bancada foram instalados os motores (de

alto rendimento e convencional), e o módulo de carga.

Vale ressaltar, que o módulo de carga permiti uma

variação controlada via sistema supervisório, entre 0 e

120% da carga nominal do motor elétrico.

• No painel de acionamento e comando estão instalados

o inversor de frequência, o soft-start, o controlador

lógico programável (CLP) e os elementos de

acionamento e proteçâo como contatores e disjuntores.

Adicionalmente, esta bancada também é responsável

pela medição dos parâmetros elétricos de entrada dos

motores.

• A fixação dos motores na mesa possibilita que os

mesmos sejam trocados de posição, ou seja, a carga

poderá ser acoplada tanto ao motor de alto rendimento

quanto ao convencional.

• O sistema de medição dos parâmetros elétricos, de

entrada dos motores, é constituído por um

multimedidor de grandezas elétricas, contemplando

valores de tensão fase-fase e fase-neutro; corrente;

potências ativa, reativa, aparente e fator de potência

trifásico e monofásico; frequências e energia ativa e

reativa. A comunicação deste instrumento com o

elemento de controle (CLP) é realizada via ModBus,

sendo que todos os parâmetros mencionados são

mostrados e monitorados (histórico, curva no tempo,

etc.) no supervisório em tela própria. O multimedidor

possui, ainda, funções de oscilografia e medição de

harmônicos até a 50

ordem de tensão e corrente, sendo

que todos estes valores podem ser visualisados em

tempo real ou armazenados.

• O tipo de acionamento dos motores (alto rendimento

ou convencional) é executado através do supervisório.

Assim sendo, o usuário ao escolher o acionamento

desejável (partida direta, partida suave ou inversor), o

controlador programável aciona os respectivos

contatores, sendo que os demais sistemas ficam

desconectados.

• Os transmissores de torque e rotação foram instalados

de forma a evitar a locomoção dos mesmos quando da

troca dos motores.

• Cada motor (convencional e de alto rendimento)

possui sensores de temperatura do tipo PT100,

instalados na carcaça e em cada enrolamento do estator,

permitindo a monitoração deste parâmetro via

supervisório.

• Sinais de tensão e corrente (valor de tensão

correspondente) estão disponíveis tanto na entrada

quando na saída dos acionamentos, permitindo sua

verificação em osciloscópios.

2.1 Descrição Geral do Sistema de

Controle e Acionamento

A figura 1 representa o esquema unifilar simplificado

de comando considerando partida direta, soft-starter e

inversor de freqüência. Contempla também as

comunicações em rede via Ethernet (entre PC e o CLP)

e Modbus (entre CLP e os dispositivos de partida e

medição), juntamente com as entradas analógicas e

digitais.

Figura 1 – Esquema unifilar do sistema de comando

• O acionamento via inversor de frequência e partida

suave utiliza dois contatores cada (jusante e montante),

inter-travados, sendo acionados pelo controlador pro-

gramável de acordo com a escolha do tipo de aci-

onamento na tela do supervisório.

• Os controladores programáveis são conectados a um

switch configurando uma rede de comunicação em

padrão Ethernet.

A seguir estão especificados os elementos (equi-

pamentos e serviços) mínimos constituintes para todas

as bancadas do Laboratório de Sistemas Motrizes

Medidor de energia multifunção: trifásico; tensão

(fase-fase ou fase-neutro); corrente; frequência;

potência ativa, reativa e aparente (por fase e total); fator

de potência (por fase e total ); THD% de tensão e

corrente; demanda; energia ativa; energia reativa

indutiva e capacitiva; medição True RMS; exatidão

básica 0,5 %; comunicação RS-485 e RS232; protocolo

modbus RTU; oscilografia, harmônicos até a 50

ordem.

Inversor de Frequência: trifásico; para motor de 1,5

cv; 220 V; 60 Hz; controle escalar e vetorial;

comunicação via rede Modbus, cabos de comunicação,

entrada para encoder; controle PID; entrada 0-10 V

analógica para controle de velocidade.

Dispositivo de partida suave (Soft Start): trifásico;

220 V; para motor de 1,5 cv; comunicação via rede

Modbus; cabos de comunicação; entradas e saídas

digitais; módulo de economia de energia.

Transmissor de Velocidade: medição de velocidade e

ângulo de rotação (360 pulsos por giro) pulso

compatível com o controlador programável utilizado.

Também pode ser utilizado transmissor analógico com

saída 0-10 VDC ou 4 a 20 mA.

Controlador Programável: 16 entradas digitais + 16

saídas digitais + 8 entradas analógicas + 8 saídas

analógicas; Placa Ethernet; Placa Modbus; fonte de

alimentação; cabos de conexão e programação;

software de programação e comunicação (programação

em até 3 diferentes linguagens, sendo obrigatório a

presença do Ladder). Placa contendo entrada para 4

sensores de temperatura do tipo PT 100. Entrada de

pulsos para o sinal de rotação e ângulo. Licença do

software de configuração e comunicação. Para a

bancada da bomba centrífuga, o CP deverá possuir

entradas compatíveis com os sinais disponibilizados

pelo transdutor de torque.

Motor elétrico: 1,5 cv; indução, trifásico; 220/380 V; 2

pólos; 60 Hz; IP 21; convencional (standard), com

sensores do tipo PT 100 instalados nas bobinas do

estator e na carcaça.

Motor elétrico: 1,5 cv; indução, trifásico. 220/380 V; 2

pólos; 60 Hz; IP 21; alto rendimento, com sensores do

tipo PT 100 instalados nas bobinas do estator e na

carcaça.

2.2 Descrição Geral do Sistema

Supervisório

O sistema supervisório do laboratório é o InduSoft Web

Studio 6.1. Ele foi configurado para realizar o controle

de todo o processo apresentando uma capacidade de

monitoramento em tempo real através da rede de dados

Modbus Ethernet.

Ao acessar o sistema, será apresentada a tela indicada

pela figura 2, na qual o operador define qual o tipo de

bancada a ser acionada. Deve-se salientar que, cada

bancada é acionada individualmente, no entanto o

sistema supervisório permite um acompanhamento da

operação das demais estações de trabalho.

Figura 2 – Tela inicial do sistema supervisório

O supervisório contém uma tela principal para cada

bancada, conforme o desenho esquemático

representado pela Figura 3. Desta forma, cada

elemento constituinte da bancada (multimedidor,

acionamento, carga, etc) contém um atalho para

abertura das telas de monitoração, ou seja: comando,

temperatura, gráficos, medições e banco de dados.

Adicionalmente a Figura 3 também fornece

informações específicas de cada bancada como, por

exemplo, torque, velocidade, pressão, vazão, etc.

Figura 3 – Bancada da Bomba Centrífuga

Na figura 4 está representada a tela de comandos, nela

tem-se acesso aos sistemas de partida direta, suave e

por inversor de frequência. Esta têm seus parâmetros

determinados pelo supervisório. Desta forma, o tempo

de rampa de subida e descida, a velocidade e demais

parâmetros referentes às características operacionais

das máquinas deverão ser configurados através de tela

específica no supervisório de cada bancada.

Figura 4 – Tela de Comando

Além das informações apresentadas diretamente na tela

(medições), o sistema também oferece dados numéricos

via banco de dados. Complementando ainda, é possível

a construção de gráficos de parâmetros do sistema em

função do tempo.

Licença de Supervisório: para controle de todo o

processo, com capacidade de monitoramento em tempo

real; através de rede de dados Modbus Ethernet;

interface gráfica em tempo real; publicação em tempo

real de telas gráficas dinâmicas; publicação em Internet;

ambiente orientado a objeto; ferramenta de elaboração

de relatórios; suporte a OPC; armazenamento de dados

para histórico; editor de telas; 100 pontos

2.3 Especificação das Bancadas

Adicionalmente ao detalhamento presente no tópico

anterior, cada bancada possui diferentes cargas, com

sensoriamento e peculiaridades distintas. Assim sendo,

faz-se necessário uma complementaçâo tanto ao nível

de equipamentos/instrumentos quanto às funcionali-

dades inerentes a cada processo analisado. Desta for-

ma, na sequência são apresentadas estas características

típicas de cada bancada.

2.3.1 Bomba Centrífuga

Conforme mencionado, o presente item retrata as

características/funcionalidades mínimas específicas pa-

ra esta bancada:

• Além da bomba centrífuga, esta bancada é composta

por um dinamômetro e este foi instalado no eixo do

motor convencional.

• O acoplamento entre o motor de alto rendimento e a

bomba é direto, assim como o acoplamento entre o

motor convencional e o dinamômetro.

• O dinamômetro também é controlado pelo super-

visório. Desta forma, novamente em tela própria, o

usuário pode determinar a carga desejável em valores

percentuais da potência nominal do motor (1,5 cv),

sendo que esta variação deve ser de O a 120%.

• O módulo de carga é composto de dois reservatórios

com capacidade de 100 litros cada, de material

transparente, sendo que o primeiro foi instado na parte

inferior da bancada e o segundo a uma altura de 2

metros. Entre os reservatórios foi instalado um duto de

escoamento com uma válvula elétrica de retenção. Na

saída da bomba centrífuga estão presentes uma válvula

de retenção, uma válvula elétrica proporcional de

estrangulamento e os transmissores analógicos de

pressão e vazão. No reservatório superior instalou-se

um transmissor de nível. Todos os sensores men-

cionados têm seus indicativos monitorados (histórico,

curvas e valores instantâneos) e mostrados no super-

visório da bancada.

O diagrama orientativo mostrado pela Figura 5 permite

uma melhor visualização das características desejadas.

Vale ressaltar que o diagrama abaixo não apresenta

todos os instrumentos utilizados.

Figura 5 – Diagrama orientativo da bancada da bomba

centrífuga

A lista a seguir apresenta os elementos adicionais

presentes na bancada da bomba centrífuga.

Dinamômetro: CA 2 cv, 220 V, acionado por inversor

regenerativo, com controle da carga via supervisório

através de sinais de 0-10 V ou 4-20 mA.

Bomba centrífuga: compatível com motor de 1,5 cv,

vazão mínima de 1 m

/h.

Transmissor de torque: 0-10 N.m: saída -10 a 10 V;

classe de precisão 0.2; transmissão do sinal sem

contato; para medição de torque em máquinas rotativas;

medição de velocidade e ângulo de rotação incorporado

(360 pulsos por giro) pulso compatível com o contro-

lador programável utilizado; sobrecarga 200%; torque

de quebra 280%.

2.3.2 Ventilador

Da mesma forma que para a bomba centrífuga, o

presente item retrata a característica/funcionalidade

mínima para a bancada do ventilador:

• O módulo de carga é composto por um damper

elétrico, permitindo o controle da vazão de ar via

supervisório. Um transmissor de vazão de ar instalado

no ventilador permite a verificação deste parâmetro e a

atuação do damper visando diminuir, aumentar ou

mesmo bloquear este fluxo, sendo todas estas ações

visualizadas e acionadas via supervisório.

O diagrama orientativo, figura 6, permite uma melhor

visualização das características desejadas.

Figura 6 – Diagrama orientativo da bancada do ventilador

A seguir, são apresentados os elementos adicionais

presentes na bancada do ventilador:

Ventilador: centrífugo; compatível com motor de 1,5

cv da linha padrão ou da linha alto-rendimento.

Damper elétrico: compatível com o ventilador,

variação de O a 100%, com indicação da posição atual

na tela do supervisório.

Transmissor de Vazão e Velocidade do ar: saída 4 a

20 mA ou O a 10 VDC; linear; precisão < 0,5%; 24 V

DC; compatível com o ventilador.

2.3.3 Compressor de ar

Da mesma forma, o presente item retrata as carac-

terísticas/funcionalidades mínimas específicas para o

compressor de ar:

• O módulo de carga é composto por um compressor

com um reservatório de ar comprimido, regulado por

uma válvula elétrica de saída de ar (alívio de pressão),

permitindo o controle da pressão do reservatório via

supervisório.Adicionalmente, o tanque também contém

uma válvula de segurança especificada de acordo com

as condições de suportabilidade do reservatório.

• A tubulação permite a simulação de perda de carga

através de furos de diferentes diâmetros (5 furos). A

localização destes furos possibilita a medição das

perdas.

A figura 7 ilustra o diagrama orientativo da bancada do

compressor.

Figura 7 – Diagrama orientativo da bancada do compressor

A configuração mínima da bancada do compressor vem

a seguir:

Compressor de ar: a pistão; compatível com motor de

1,5 cv.

Reservatório de ar comprimido: compatível com a

pressão máxima do compressor, com pressostato de

segurança.

Transmissor de Vazão: saída 4 a 20 mA ou O a 10

VDC; linear; precisão < 0,5%; 24 VDC; compatível

com as tubulações do compressor.

Transmissor de Pressão: saída 4 a 20 mA ou O a 10

VDC; linear; precisão < 0,5%; 24 VDC; compatível

com o a suportabilidade do reservatório

Válvula elétrica proporcional de saída de ar: 24 V

DC; compatível com a suportabilidade do

reservatório, com regulagem pelo supervisório, O a 10

V ou 4 a 20 mA.

Válvula de segurança de saída de ar: compatível com

a suportabilidade do reservatório

Vale ressaltar que para a bancada do compressor

somente foi utilizado o acionamento direto e o soft

start, não sendo utilizado o inversor de frequência.

2.3.4 Correia Transportadora

Finalmente, na sequência são apresentadas as

características/funcionalidades mínimas específicas

para a bancada da correia transportadora:

O diagrama orientativo ilustrado pela figura 8 permite

uma melhor visualização das características desejadas.

Figura 8 – Diagrama orientativo da bancada da esteira

• O módulo de carga é composto por uma correia

transportadora com possibilidade de ajuste de

angulação para até 30 graus.

• Sistema de deslocamento linear acionado por um

servomotor ou por inversor de frequência e motor, é

responsável pela simulação de carga sobre a correia

transportadora. Como opção ao sistema de desloca-

mento linear, pode ser utilizado outro sistema de simu-

lação de carga sobre a correia, desde que este sistema

permita a simulação e a repetição de diferentes condi-

ções de carga.

A seguir estão os complementos para configuração

mínima da bancada da correia transportadora.

Esteira transportadora: comprimento e largura

adequados à utilização do sistema de deslocamento

linear, inclinação de até 30 graus.

Transmissor de Velocidade da esteira: saída 4 a 20

mA ou O a 10 VDC; linear; precisão < 0,5%; 24 V DC;

compatível com a velocidade máxima da esteira.

Servomotor: responsável pelo sistema de

deslocamento linear. Pode ser substituído por um

conjunto inversor/motor. Deve permitir a simulação de

carga para até 120% da potência do motor de

acionamento da correia, sendo esta simulação

controlada pelo supervisório através de entradas

analógicas.

Módulo de Carga: responsável pela simulação da

carga, exercendo pressão sobre a correia, de acordo

com condições de carga da correia estabelecidas via

supervisório

Célula de Carga: para medição da pressão exercida

sobre a esteira, com saída 4 a 20 mA ou 0-10 VDC com

indicação dos valores medidos no sistema supervisório.

3 ENSAIOS E ESTUDOS

As bancadas permitem os seguintes ensaios/estudos:

• Levantamento das curvas características das cargas,

ou seja, pressão em função da vazão;

• Levantamento das curvas características dos motores

(convencional e alto rendimento), ou seja, conjugado no

eixo em função de sua rotação;

• Estudo da eficiência energética dos motores para

variações de carga entre 0 a 120%;

• Estudo da eficiência energética dos motores em

função da variação da vazão da bomba (estran-

gulamento da válvula), variação da vazão de ar (aber-

tura do damper) no ventilador e variação da pressão do

reservatório, no compressor, assim como da variação de

carga na correia transportadora;

• Estudo de eficiência energética dos motores em

função da utilização de inversores de frequência, atra-

vés da variação de velocidade do conjunto motor-carga;

• Comparação entre as grandezas elétricas e mecânicas

considerando as partidas direta, suave (soft start) e in-

versor de frequência;

• Levantamento das caracteristicas elétricas e

mecânicas monitoradas em função do tempo de

funcionamento do conjunto motor-carga;

• No caso de utilização de acoplamento por polia,

deverá permitir a análise da eficiência energética

considerando diferentes ajustes no acoplamento entre o

motor e a carga (ajustes, rendimento e tipo da polia);

3.1 Exemplo de aplicação

Como exemplo de aplicação, foram feitos ensaios na

bancada da bomba centrífuga para cinco valores

diferentes de vazão. Para obtenção destas vazões usou-

se apenas o método de estrangulamento de válvula e

posteriormente foram coletados os valores indicados

nas tabelas 1 e 2. O objetivo foi avaliar o consumo de

energia apenas pela comparação entre o uso do motor

da linha padrão e da linha alto-rendimento.

Tabela 1 - motor linha padrão (bomba)

/h)

(kgf/cm

)

N (rpm)

(A)

V (V)

(W)

1 2.9 3500 4.3 220.7 1011

1.5 2.8 3480 4.4 219.7 1059

2 2.6 3410 4.6 219.9 1136

2.5 2.5 3470 4.9 219.3 1154

3 2.3 3500 5.3 220.3 1248

Tabela 2 - motor alto-rendimento (bomba)

(m³/h)

(kgf/cm²)

(rpm)

(A)

V (V)

(W)

1 2.9 3416 3.7 221.23 856

1.5 2.9 3460 3.9 221.2 900

2 2.8 3417 4 221.23 946

2.5 2.8 3460 4.2 221.1 983

3 2.7 3450 4.4 221.2 1028

Na tabela 3 foi feita a comparação entre um sistema de

bombeamento utilizando ambos os motores. Para um

ano de utilização o estudo aponta para uma economia

média de 15%.

Tabela 3 - economia de energia

Vazão

/h)

horas/

ano

Potência

(W)

Energia

(kWh)

Econ.

(%)

AR 1 8640 856 7395,84 15,33

LP 1 8640 1011 8735.04

AR 1.5 8640 900 7776 15,01

LP 1.5 8640 1059 9149,76

AR 2 8640 946 8173,44 16,73

LP 2 8640 1136 9815,04

AR 2.5 8640 983 8493,12 14,82

LP 2.5 8640 1154 9970,56

AR 3 8640 1028 8881,92 17,63

LP 3 8640 1248 10782,72

4 CONCLUSÃO

Este artigo apresentou a especificação e as metas a

serem alcançadas com a implantação do laboratório de

eficiência industrial. A aquisição deste laboratório foi

possível pela efetivação de um convênio entre a

ELETROBRÁS/PROCEL/UFU, visando à cooperação

técnica-financeira.

O Laboratório está apto a simular diversas condições

operativas de cargas como bombas centrífugas,

compressores, ventiladores e correias transportadoras

demonstrando os fenômenos eletromecânicos

pertinentes a estes sistemas.

Como diferencial, este laboratório traz a possibilidade

de se fazer um estudo integrado de sistemas elétrico,

mecânico, térmico e hidráulico. Uma vez que, a

construção da bancada, se baseia na associação dos

vários sistemas, torna-se impossível estudar a eficiência

industrial por um sistema isolado.

Assim, tem sua relevância e inovação principalmente

para o setor industrial, tornando-o competitivo a partir

da redução do consumo e uso eficiente da energia

elétrica.

5 AGRADECIMENTOS

A realização deste projeto foi possível pelo suporte

financeiro proporcionado pela ELETROBRÁS

/PROCEL.

6 REFERÊNCIAS

ELETROBRÁS. Acesso em 02/02/2007,

disponível em:

http://www.eletrobras.gov.br

GELLER, Howard S. Revolução energética:

políticas para um futuro sustentável. Trad.

Maria Vidal Barbosa. Rio de Janeiro:

Relume Dumará, 2003.

GOLDEMBERG, José. VILLANUEVA, Luz

Dondero. Energia, meio ambiente e

desenvolvimento. Trad. André Koch. 2ª. ed.

São Paulo: EDUSP, 2003.

PROCEL. Orientações Gerais Para Conservação

de Energia em Prédios Públicos. Brasília,

2001.

CEMIG. Acesso em 03/02/2007, disponível em:

http://www.cemig.com.br

SANTOS, A. H..M. e outros (2001). Conservação de

Energia: Eficiencia Energética de Instalações e

Equipamentos Editora da EFEI. 2ª. Ed. Itajubá.

MÁXIMA EFICIÊNCIA: Informativo do Programa

Energia Inteligente da CEMIG. No. 3 – 2005

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