34
Jornadas Técnicas Novas perspectivas Drive Technology Drive Technology Mundo em Movimento 2005 Motores elétricos Siemens e a Economia de Energia

Motores Elétricos Siemens e a Economia de Energia - cld.pt · picos de tensão sobre o enrolamento do motor ultrapassam 1200 V, muito superior àclasse de ... melhoraram o rendimento

  • Upload
    vancong

  • View
    223

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Jornadas TécnicasNovas perspectivas

Drive TechnologyDrive Technology

Mundo em Movimento 2005

Motores elétricos Siemense a Economia de Energia

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

• Instalando o motor elétrico com inversor de freqüência• Princípio de funcionamento

• Partida e aceleração do motor com inversor• Curvas torque/rotação e corrente/rotação• O motor não parte... e agora ?

• Efeito do PWM no sistema de isolação do motor• Motores antigos, recondicionados, não preparados para inversor• Elevação de temperatura

• Operando o motor em baixa rotação• Efeito na ventilação• Efeito “motor-de-passo”• Ventilação forçada• Sensores de temperatura - benefícios

Tópicos

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

• Operando acima da velocidade nominal do motor• Redução de torque• Limite de velocidade mecânico

• Economia de energia com motores elétricos• Lei da eficiência energética - ABNT• Comprei motor alto rendimento e não economizei energia.

• Os motores elétricos Siemens• Conformidade com ABNT• Feitos para durar• Economia real de energia elétrica• Mesma potência, mais torque• Acionamento por inversor• Conceito Modular

Tópicos

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Ventilador

Caixa de Ligação Olhal paraPrensa-cabos

Rolamento de Esferas

Chaveta

Ponta de Eixo

Mancal

CarcaçaFixação pelo PéTampa do Ventilador

Construção mecânica

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Enrolamento estatórico (Cobre) Lâminas de aço isoladasMelhor rendimento

Estator

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Chapas de aço isoladasMelhor rendimento

Ranhuras diagonaisEliminam efeito „motor-de-passo“

Rotor

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

pf

sn60 2 ⋅

⋅=

ns [rpm] Rotação Síncrona

f [Hz] Freqüência da corrente no estator

p [-] Número de pólos do motor

Freqüência = 50Hz 60Hz2-pólos: nS = 3000 rpm è 3600 rpm4-pólos: nS = 1500 rpm è 1800 rpm6-pólos: nS = 1000 rpm è 1200 rpm8-pólos: nS = 750 rpm è 900 rpm

Rotação síncrona

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

InI

MM ,

Mmax

Mn

Ponto de operação

Nn

1,5

0

1

Ipè 5 a 9 x IN

Mpè 2 a 2,5 x Mn

Mmaxè 2,5 a 3,5 x Mn

Mnè In

Mp

Ip

Ns

I (Mmax)

LinearidadeM ~ I

Curvas TorqueXRotação e CorrenteXRotação

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

2

3

0

Mmaxè2,5 a 3,5MN

=

fV

kM

2

max

InI

MM ,

Ipè5 a 9xIN

Mpè2 a 2,5MN

MNMèINM

Mmax

MN

PONTO DE

OPERAÇÃO

NN NS

1,5

0

1

konstM =max

Área de campo constanteTensão e freq. variam

MNèKonst

Área de enfraquecimento de campoTensão fica constante

Somente freq. varia

Curvas características – Operação por inversor

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Motor ligado diretamente à rede, partia com carga.

Com conversor de freqüência, o motor não parte.

Troque o motor !Troque o motor !

Trabalho em sobrecarga dentro da faixa de linearidade de torque / corrente.

Nessa faixa, torque é proporcional à corrente do motor.

Para partir com carga, o motor deve estar necessitando mais torque do que o torque nominal.

Com conversor, acima de 50% de sobrecarga é preciso fornecer muito mais corrente para o aumentar o torque no motor. O que fazer ?

O motor não parte. E agora?

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

0V Tempo

dtdVCI s ×=

P

inversor

motor

O PWM e a isolação do motor

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Curto entre espiras

Rotor “pontilhado” A corrente parasita Is fecha pequenos curtos no entreferro do motor, criando marcas pontilhadas sobre o rotor. O motor perde torque ao longo do tempo (fica “mais fraco”).

Com inversores PWM, os picos de tensão sobre o enrolamento do motor ultrapassam 1200 V, muito superior à classe de tensão dos isolantes utilizados em motores comuns (600 V).

O efeito do PWM sobre o motor comum

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Efeito

Reator de saída

Filtro limitadorde tensão (filtro dv/dt)

Filtro Senoidal

Medida

• Compensa as Correntes Parasitas Capacitivas devido a cabos longos entre o conversor e o motor

• Reduz a taxa dv/dt nos terminais do motor e reduz o “stress” na isolação

• Limita o dv/dt nos terminais do motor a 500V/µs

• Limita os picos de tensão nos terminais do motor a ~1,76*UL

• Alimenta o motor com tensão e corrente praticamente senoidais

Como minimizar os efeitos do PWM

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Motores antigos - classe de isolação B.Motores atuais no mercado – classe F/B (conforme ABNT):

Classe de isolação F, utilização conforme classe B

Significa que, em operação nominal, ainda mantém 25oC de folga de temperatura.

130oC155oC

180oC

Classe de isolação, temperatura de operação

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Limitação de torque devido àredução da ventilação.

Campo constante Enfraquecimento de campo

Limitação de torque devido ao enfraquecimento de campo: M ~1/f

Limite de torque com ventilação externa

fN/2

Limite de torque em baixa rotação

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Motores da série 1LA8(BT) e 1LA1(MT)

Limite de torque em baixa rotação

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Motores classe B não devem ser operados por inversor de freqüência.

Nos motores classe F/B, desconsidere a folga de 25oC existente em operação com velocidade fixa.

130oC155oC

180oC

Classe de isolação, operação com inversor

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Motor queimado por sobrecarga

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Motor elétrico com moto-ventilador acoplado

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

QUANDO O PTC CHEGA NA CORRESPONDENTE TEMPERATURA, SUA RESISTÊNCIA AUMENTA. A UNIDADE DE ATUAÇÃO ENTÃO RESPONDE.

EXISTEM PTCs PARA ALARME E PTCs PARA DESARME

A DIFERENÇA DE TEMPERATURAS ENTRE ALARME E DESARME É 10°C

PARA MOTORES CLASSE DE ISOLAÇÃO F UTILIZAÇÃO B, TEM-SE:

PTC PARA ALARME= 145°C PTC PARA DESARME=155°C

SENSOR QUE VARIA SUA RESISTÊNCIA EM FUNÇÃO LINEAR COM A TEMPERATURA

UM SÓ SENSOR PARA ALARME E DESARME

Outros tipos: PT100; PT1000

0 100 200 300 Temp C

R (kohm)

3

2

1

KTY 84

0 100 200 300 Temp C

R (kohm)100

10

1

0.1

PTC

PTC – “Positive Temperature Coefficient”

KTY84

Sensores de temperatura

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

nPn

1~

Faixa de potência constante

PN

A potência mecânica permanece constante devido à relação:P ~ M x n

≈ 70% MnMomento reduzido para motores com refrigeração própria. A ventoinha no eixo do motor não fornece ventilação suficiente.

Faixa de fluxo constante Faixa de enfraquecimento de campo

nMn

1∼MN

2max1n

M ∼

Mmax

Região de sobrecargaMmax ≈ 2,5·MN(dependendo do motor)

nnn

M, P

n1

Acima de nN são reduzidos o fluxo magnético, devido à reatância indutiva do estator e também a corrente máxima possível do rotor curto-circuitado que produz momento, devido à reatância indutiva do rotor. Os dois efeitos produzem um efeito ao quadrado.

30%

RESUMO

PRÁTICO

P Acima de n1 não temos mais nenhuma capacidade de sobrecarga. MNcai a distância de 30% do momento máximo.

Região de operação

Curvas características – Operação por inversor

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Os rendimentos publicados em decreto-lei são medidos à 100% carga.

Lei de Eficiência Energética

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

O RENDIMENTO VARIA COM A POTÊNCIA UTILIZADA PELO MOTOR

η

cos φ

Dados publicados na placa do motor

%

Rendimento em função da carga

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Não necessariamente !

Na ânsia de atender a Lei de Eficiência Energética, fabricantes melhoraram o rendimento de seus motores a 100% de carga, em detrimento da curva de rendimento em carga parcial.

As curvas de rendimento dos motores no Brasil possuem a seguinte forma:

Os rendimentos em cargaparcial são muito piores doque a 100% carga.

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 25% 50% 75% 100% 125%

Carga (%)

Ren

dim

ento

%

Maior rendimento = Maior economia de energia?

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Praticamente nenhuma aplicação opera a 100% de carga todo o tempo.

Considerando as folgas de projeto de máquinas, a grande maioria dos motores hoje operam entre 50 e 80% da carga nominal !

Para se avaliar uma real economia de energia, é necessário considerar o ciclo de operação completo da carga acionada.

Portanto, pode acontecer de se trocar motores antigos comuns por novos, classificados como “Alto-Rendimento”, e

Passar a consumir mais energia elétrica !

Maior rendimento = Maior economia de energia?

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Motores elétricos Siemens: feitos para durar

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Fabricados e projetados conforme as normas ABNT (NBR) em correspondência com as normas IEC

Aptos para serviço contínuo (S1), temperatura ambiente máxima 40ºC e altura máxima de instalação de 1000m

Projetados para instalação em rede com variação de tensão permanente de ± 5% (zona A, ABNT) ou ± 10% (zona B, ABNT)

Grau de proteção: IP 55 para uso universal (que corresponde ao IPW55 ABNT )

Tensão e freqüência:• 380 VD / 660 VY – 60 Hz• 220 VDD / 380 VYY / 440 VD – 60 Hz

Polaridade: 2, 4, 6 e 8 pólos

Principais características:

Motores elétricos Siemens: feitos para durar

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Isolação Durignit IR-2000:• Classe de isolação “F”• Alta resistência mecânica e elétrica• Vida útil prolongada• Excelente proteção contra gases

corrosivos, vapores, poeira e umidade• Resistente às solicitações

ocasionadas pelas vibrações• Apto a ser acionado por conversores

de freqüência (AC) PWM

Carcaça:• Liga de alumínio injetado:

carcaça 63 até 160L (Rendimento Standard)

• Ferro fundido:carcaça 180M até 315L (Alto Rendimento)

Pés:• Solidários: carcaças 63 até 100L• Parafusados: carcaças 112M até 315L

Principais características:

Motores elétricos Siemens: feitos para durar

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Motores tipo 1LA7:• Rendimento superior ao Standard

(ABNT)• Carcaça de Alumínio 60-160L• Redução no peso de até 40% com

relação à carcaça de ferro• Classe F de isolação• Forma construtiva IMB3T (caixa de

ligação no topo)• Pés escamoteáveis

Motores tipo 1LG4:• Alto Rendimento (ABNT)• Carcaça de Ferro 180-315L• Forma construtiva IMB3T (caixa de

ligação no topo, gira 360 graus)• 2 furos para prensa cabos métricos• 2 olhais de içamento removíveis• Baixo nível de ruído• Classe F de isolação• Pés escamoteáveis

Motores elétricos Siemens: feitos para durar

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Dimensionais dos motores elétricos Siemens

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Motores são 100% compatíveis com ABNT:

• Ponta-de-eixo• Distância entre furos de fixação• Carcaças e potências nominais• Dados elétricos a 60 Hz

Dimensionais dos motores elétricos Siemens

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

Mais torque de partida e torque máximo

50

100

150

200

250

300

350

0% 20% 40% 60% 80% 100%

50

100

150

200

250

300

350

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Con

juga

do

Rotação

Fabricante K

Fabricante E

Fabricante W

Siemens

Motor 75 cv4 polos, Alto rendimento

20% mais torque

máximo

20% mais torque

máximo

30% mais torque

na partida

30% mais torque

na partida

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 25% 50% 75% 100% 125%Carga (%)

Ren

dim

ento

%

WSIEMENS

Exemplo motores de Alto Rendimento

Melhor rendimento em qualquer carga

Mundo emMundo emMovimentoMovimento

2005

• Com freio• Com freio e sensor de vel.• Com freio e refrigeração

externa

• Com refrigeração externa• Com refrigeração externa e

sensor de velocidade

• Com freio, refrigeração externa e sensor de vel.

Exemplo

• Com sensor de velocidade

Exem

plo

Gerador de

impulso

Freio Eletromag-

nético

Ventilação Forçadaseparada

Conceito Modular