Estudo do Impacto do Sistema de Acionamento de um Motor de Indução Trifásico na Eficiência Energética e Qualidade da Energia Elétrica: Um estudo de caso - Elevador de Canecas

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Estudo do impacto do sistema de acionamento
de um motor de indução trifásico na eficiência
energética e qualidade da energia elétrica: Um
estudo de caso – Elevador de canecas
Conference Paper · July 2011
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Estudo do Impacto do Sistema de Acionamento de
um Motor de Indução Trifásico na Eficiência
Energética e Qualidade da Energia Elétrica: Um
Estudo de Caso – Elevador de Canecas
Arnulfo Barroso Vasconcellos, Dr.; Roberto Apolônio, Dr.; Fernando Novelo, Acad.
Universidade Federal de Mato Grosso – UFMT
Thiago Vieira da Silva, Eng.
Universidade Federal de Uberlândia - UFU
Fernando Nunes Belchior, Dr.
Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI
Resumo ― Os comandos modernos utilizam sistemas
microprocessados que podem reduzir o consumo de energia
elétrica e demanda de potência ativa. Entretanto, há uma
preocupação cada vez maior com as distorções harmônicas
devido à resposta a essas cargas no sistema ao qual faz parte.
Em busca de soluções que visem à melhoria da qualidade da
energia elétrica e eficiência elétrica, este artigo apresenta
medições em laboratório de um sistema de elevador de canecas
de acionamento convencional versus um de acionamento
controlado por conversor de frequência, cujas análises se
estendem tanto para a entrada de alimentação do sistema
quanto para a análise das tensões e correntes que estão sendo
injetadas no motor.1
Palavras chaves — Conversores de Frequência, Demanda,
Eficiência Elétrica, Motor Indução, Harmônicas, Qualidade da
Energia.
I. INTRODUÇÃO
A qualidade da energia elétrica entregue pelas empresas
distribuidoras aos consumidores sempre foi objeto de
interesse e investigação. Todavia, até algum tempo atrás, a
qualidade da energia estava relacionada, sobretudo, com a
continuidade dos serviços prestados. A principal preocupação
era a não interrupção de fornecimento de energia elétrica, e
que as tensões e frequência fossem mantidas dentro de
determinados limites considerados aceitáveis. Durante
dezenas de anos, a grande maioria dos receptores ligados às
redes de energia elétrica era constituída de cargas lineares.
Por essa razão, e uma vez que as tensões da alimentação eram
1
A. B. Vasconcellos é Professor do Departamento de Engenharia Elétrica
da Universidade Federal de Mato Grosso, Brasil (e-mail: arnulfo@ufmt.br).
R. Apolônio é Professor do Departamento de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal de Mato Grosso, Brasil ( e-mail: apolonio@ufmt.br ).
F. N. Belchior é Professor do Departamento de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal de Itajubé, Brasil (e-mail: fnbelchior@hotmail.com).
T. V. da Silva é Mestrando em Engenharia Elétrica pela Universidade
Federal de Uberlândia, Brasil (e-mail: tvsilva@gmail.com).
F. Novelo é Graduando em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal
de Mato Grosso (e-mail: fernando_novelo@hotmail.com ).
senoidais, as correntes solicitadas eram também senoidais e
de mesma frequência, podendo apenas encontrar-se defasadas
relativamente à tensão. Com o desenvolvimento da eletrônica,
os equipamentos ligados aos sistemas elétricos evoluíram,
melhorando em rendimento, controlabilidade, economia de
energia e custo, permitindo ainda a execução de tarefas não
possíveis anteriormente. Contudo, esses equipamentos têm a
desvantagem de não funcionarem na maioria das vezes como
cargas lineares, solicitando correntes não senoidais, e dessa
forma “poluindo” a rede elétrica com harmônicos.
A presença de harmônicas nos sistemas de potência resulta
em um aumento das perdas relacionadas com o transporte e
distribuição de energia elétrica, criando problemas de
interferência com sistemas de comunicação e na degradação
do funcionamento da maior parte dos equipamentos ligados à
rede, sobretudo daqueles (cada vez em maior número) que
são mais sensíveis por incluírem sistemas de controle
microeletrônicos que operam com níveis de energia muito
baixos. Normas internacionais relativas ao consumo de
energia elétrica tais como IEEE 519 [1], IEC 61000 [2] e EN
50160 [3], limitam o nível de distorção harmônica de tensão
com os quais os sistemas elétricos podem operar e impõem
que novos equipamentos não introduzam harmônicos de
corrente na rede de amplitude superior a determinados
valores. É assim evidenciada a importância em resolver os
problemas dos harmônicos, tanto para os novos equipamentos
a ser produzidos quanto para os equipamentos já instalados.
No Brasil, a preocupação com a qualidade da energia
elétrica vem crescendo cada vez mais, haja vista o empenho
dos órgãos reguladores (ANEEL, ONS), as concessionárias e
os consumidores. A ANEEL através dos procedimentos de
distribuição (Prodist), publicado em Dezembro/2008 em seu
módulo 8 [7], trata da qualidade de energia elétrica no que
tange ao serviço e produto em âmbito nacional.
Nesse contexto, o presente artigo apresenta os resultados
obtidos através de medições, em um sistema de acionamento
de elevador tipo canecas em laboratório pelo método
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convencional e por dispositivos eletrônicos. Foram
monitoradas tensões, correntes, potência ativa, consumo de
energia ativa do sistema acionado pelo método convencional
através de partida direta, assim como, através do acionamento
por comandos microprocessados com conversor de frequência
e analisados a eficiência energética e a qualidade da energia
obtidos com os dois processos de acionamento [1]-[4]-[5]-[6].
II. CARACTERÍSTICA DO SISTEMA USADO NOS TESTES
O sistema de acionamento do elevador de canecas, em
conjunto com o motor utilizado nos ensaios referidos no
presente trabalho, representa um sistema amplamente
difundido no manejo e transporte de grãos no ambiente
industrial do estado de Mato Grosso. A bancada utilizada para
simulação experimental em laboratório mostrada na Fig. 1 é
plenamente automatizada através da utilização de Controlador
Lógico Programável (CLP), possuindo Interface Homem
Máquina (IHM) e Sistema Supervisório, possibilitando
múltiplas maneiras de acionamento da carga em questão,
objetivando a excelência na coleta de dados e nas alternativas
de pesquisa. Esta bancada viabiliza a utilização de motor de
indução standard ou de alto rendimento, assim como
acionamento através de partida direta ou soft-starter ou ainda
acionamento com controle analógico ou digital via conversor
de frequência. Além da mobilidade no controle do fator de
potência do barramento de entrada através da inserção
opcional de bancos de capacitores fixos. A coleta de dados foi
obtida através do analisador de energia MARH-21, fabricante
RMS. As tabelas I e II contêm a especificação dos
equipamentos utilizados para realização deste trabalho.
Fig. 1. Bancada integrante do Laboratório Eletrobrás/Procel de Eficiência
Energética UFMT.
TABELA I.
DADOS DO MOTOR DE INDUÇÃO UTILIZADO
MOTOR WEG STANDARD
Potência 1,5CV
Frequência 60Hz
Tensão 220/380V 4,28 A / 2,48A
Rendimento 78,5%
Fator de Potência 0,86
Rotação 3.370 RPM
Temp. Máxima 40°C
Ip/In 7,5
CAT N
TABELA II.
DADOS DO ANALISADOR DE ENERGIA UTILIZADO
ANALISADOR DE ENERGIA MARH-21
Marca Danfoss
Modelo VLT 2800
In 1x220-240 V – 50/60Hz 15,2 A
In 3x200-240 V – 50/60Hz 7,6 A
OUT: 3x0-Uln 0-1000Hz 6,8 A 2,7kVA
Chassis IP 20
Temp. Maxima 45°C / 113°F
III. MEDIÇÃO REALIZADA EM LABORATÓRIO
Para as medições no sistema de elevadores de canecas foi
utilizado o equipamento analisador de energia MARH-21,
fabricado pela RMS, mostrado na Fig.2. A exemplo de outros
aparelhos deste tipo, o equipamento utilizado nos estudos
possibilita a gravação de grandezas em tempo real para
sistemas elétricos monofásico, bifásico e trifásico. O MARH-
21 recebe as informações de tensão e corrente e determina os
valores para as tensões e correntes de fase e linha, o fator de
potência por fase e total, potências, energias, DHT de tensão
e corrente, potência reativa total necessária para correção do
fator de potência, sequência de fases, as demandas na ponta e
fora da ponta por fase e totais, fator de deslocamento, etc.
Fig. 2. Analisador de Energia digital portátil MARH-21.
No presente trabalho foram realizadas medições e registros
das grandezas elétricas no processo de acionamento de um
sistema de transporte de grãos, simulado pelo elevador de
canecas, de acionamento microprocessado por conversor de
frequência, e sistema convencional por partida direta. As
medições foram realizadas no barramento secundário de
alimentação do sistema e na entrada da alimentação do motor
de indução. A carga utilizada foi uma carga constante de
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57,3kg para os dois distintos acionamentos, sendo que as
frequências de acionamento do conversor foram de 20 a 60
Hertz, sempre variando de 10 em 10Hz. A Fig. 3 apresenta o
esquema de ligação do analisador de energia no sistema
mencionado e a Fig. 4 ilustra a demanda de potência ativa
requerida pelo sistema para os diferentes acionamentos.
Fig. 3. Esquema de ligação do sistema mencionado. Medição no barramento
(esq.) e medição na entrada do motor (dir.).
Fig.4. Medição da Potência Ativa para várias frequências durante os ensaios
em laboratório.
Ao se analisar as grandezas elétricas provenientes de
medição do sistema acima mencionado, optou-se por
exemplificar a demanda média de potência ativa para cada
acionamento, cujos valores estão expressos na tabela III.
TABELA III
POTÊNCIA ATIVA MÉDIA (KW) PARA CARGA DE 57,3 KG ACIONADA PELO
CONVERSOR DE FREQUÊNCIA E PARTIDA DIRETA.
P20Hz 0,393 W
P30Hz 0,593 W
P40Hz 0,765 W
P50Hz 0,955 W
P60Hz 1,132 W
Ppd 1,200 W
Para procedimento do cálculo do consumo de energia
elétrica ativa foi realizada a cronometragem do tempo médio
que o sistema elevador de canecas levava para realizar um
ciclo ou uma volta completa no acionamento através de
partida direta e no acionamento nas várias frequências através
do conversor de frequência. Com as potências médias da
partida direta em 60 Hz e nas várias frequências mostradas na
tabela III calculou-se a energia elétrica ativa consumida por
ciclo para o acionamento convencional e acionamento através
de conversor de frequência cujos valores estão ilustrados na
tabela IV.
TABELA IV
CONSUMO POR CICLO (KWH/CICLO)
Wd20Hz 0,001301KWH/CICLO
Wd30Hz 0,001303 KWH/CICLO
W50Hz 0,001212 KWH/CICLO
Wdpd 0,001384 KWH/CICLO
Considerando que o sistema opera em média 10 horas por
dia, calculou-se o número de ciclos que este sistema
desenvolve neste período, mostrado na tabela V.
TABELA V
NÚMERO DE CICLOS EM 10 HORAS PARA CADA FREQUENCIA (F) DE 20 A 60HZ
E PARTIDA DIRETA.
F20Hz 3.019,32 ciclos
Fpd 8.673,02 ciclos
Em seguida, utilizando os dados de consumo de energia
elétrica para um ciclo ilustrados na tabela IV e o número de
ciclos para 10 horas de funcionamento do elevador de
canecas ilustrados na tabela V, calcula-se o consumo médio
diário de energia elétrica ativa para o sistema em 10 horas de
operação que estão ilustrados na tabela VI.
TABELA VI
CONSUMO DIÁRIO DE ENERGIA PARA 20HZ, 30HZ, 40HZ, 50HZ E 60HZ E
PARTIDA DIRETA.
Wd20Hz 3,9341 kWh/dia
Wdpd 12,0034 kWh/dia
Para analisar o impacto do acionamento convencional e
através do conversor de frequência no consumo de energia
elétrica ativa, procedeu-se de duas formas diferentes.
Primeiramente, da análise do número de ciclos para os
diferentes acionamentos, compara-se o consumo de energia
elétrica ativa absorvida na frequência escolhida com seus
respectivos ciclos pelo número de ciclos da frequência que se
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deseja comparar. A equação (1) ilustra a comparação da
energia absorvida com o sistema operando em 20Hz em
relação à energia absorvida quando o sistema opera em 30Hz,
mostrando que a energia absorvida em 20Hz foi corrigida ao
período de 30Hz, conforme mostra a tabela VII. Qualquer
outra comparação em diferentes frequências pode ser
realizada obtendo resultados idênticos.
TABELA VII
ESTIMATIVA DO CONSUMO DIÁRIO DE ENERGIA PARA 20HZ, 30HZ, 40HZ,
50HZ E 60HZ E PARTIDA DIRETA POR COMPARAÇÃO.
Wd20Hz 3.019,32 ciclos 3,9341 kWh/dia
Wdpd 8.673,02 ciclos 11,3007 kWh/dia
Num segundo momento, exemplifica-se que o consumo de
energia elétrica ativa corresponde a um mesmo valor fazendo
a análise da demanda de potência ativa requerida pelo sistema
para as diferentes frequências de acionamento, com o período
da forma de onda de corrente que é injetada no motor pelo
conversor. O cálculo procede-se da seguinte forma:
Multiplica-se o valor médio encontrado da demanda de
potência ativa requerida pelo sistema na frequência escolhida,
pelo tempo em horas do período da forma de onda de corrente
injetada no motor da frequência correspondente. Os valores
encontrados estão na tabela VIII.
TABELA VIII
CONSUMO DIÁRIO DE ENERGIA PARA 20HZ, 30HZ, 40HZ, 50HZ E 60HZ E
PARTIDA DIRETA.
Frequência
(Hz)
Período
(milisegundos/horas)
Potência
Ativa
(kW)
Consumo
(kWh)
20 50 1,388x10-5
0,393 5,454x10-6
30 33,34 9,166x10-6
0,593 5,435x10-6
40 25 6,944x10-6
0,765 5,311x10-6
50 20 5,555x10-6
0,955 5,305x10-6
60 16,67 4,444x10-6
1,132 5,030x10-6
Partida
Direta
16,67 4,444x10-6
1,200 5,333x10-6
Portanto, apesar da diminuição de demanda de potência
ativa requerida do sistema, conforme mostra a Tabela VIII,
quando se aciona uma mesma carga para diferentes
frequências, ao se fazer a correção do número de ciclos
realizados por cada frequência de acionamento, conclui-se
que o trabalho realizado pelo sistema é o mesmo, sendo que,
se existe uma diminuição da solicitação de potência ativa,
existe um aumento no período da forma de onda da corrente,
ou seja, o consumo de energia elétrica ativa é praticamente o
mesmo, como comprovado nos dois exemplos.
IV. MEDIÇÃO DE TENSÃO E CORRENTE
Inicialmente, foram monitorados os perfis das tensões e
correntes na entrada do conversor de frequência que aciona o
elevador de canecas, alimentando uma carga de 57,3 quilos,
nas frequências de 50 e 60Hz, cujas formas de onda trifásicas
encontram-se ilustradas nas Fig. 6, 7, 8 e 9, respectivamente.
Fig. 6. Tensões nas fases A, B e C no barramento que alimenta o conversor
na frequência de 50Hz.
Fig. 7. Correntes nas fases A, B e C do barramento que alimenta o conversor
Fig. 8. Tensões nas fases A, B e C no barramento que alimenta o conversor
30

5
Fig. 9. Correntes nas fases A, B e C do barramento que alimenta o conversor
As Fig. 10, 11, 12 e 13 ilustram os espectros harmônicos da
tensão e corrente da fase A na entrada do conversor de
frequência que aciona o elevador de canecas nas frequências de
50Hz e 60Hz, cujas análises de comportamento podem ser
estendidas para as fases B e C. Observa-se que, devido ao
sistema de acionamento microprocessado, a corrente que circula
apresenta um amplo espectro de componentes harmônicas como
mostram as Fig. 13 e 15. Esta situação e a queda de tensão na
impedância da fase A, devido ao conteúdo harmônico verificado,
fazem com que a tensão do barramento fique também levemente
distorcida, como mostrado nos espectrogramas de tensão
ilustrados nas Fig. 12 e 14.
Fig. 10. Espectro harmônico da tensão na fase A do barramento que alimenta
o conversor de frequência na frequência de 50Hz.
Fig. 11. Espectro harmônico da corrente na fase A do barramento que
alimenta o conversor de frequência na frequência de 50Hz.
Fig. 12. Espectro harmônico da tensão na fase A do barramento que alimenta
o conversor de frequência na frequência de 60Hz.
Fig. 13. Espectro harmônico da corrente na fase A do barramento que
alimenta o conversor de frequência na frequência de 60Hz.
Num segundo momento foram monitorados os perfis das
tensões e correntes na entrada do motor de indução que
aciona o elevador de canecas, alimentando uma carga de 57,3
kg nas frequências de 50 e 60Hz. Sabe-se que, devido ao tipo
de modulação, a tensão que será injetada no motor possui a
frequência de 10kHz, como mostrado na Fig. 14.
Diferentemente desta situação, a forma de onda de corrente se
mantém periódica e com um formato muito próximo da
senóide, devido a característica indutiva do motor, o que leva
seu espectro a apresentar baixo índice de componentes
harmônicas, ilustrados nas Fig. 15 e 16 de frequências de 50 e
60Hz, respectivamente.
Fig. 14. Forma de onda da tensão na fase A do barramento que alimenta a
entrada do motor na frequência de 50Hz.
31

6
Fig. 15. Forma de onda da corrente na fase A do motor quando da utilização
do conversor de frequência na frequência de 50Hz.
Fig. 16. Forma de onda da corrente na fase A do motor quando da utilização
do conversor de frequência na frequência de 60Hz.
Conforme citado acima, as Fig. 17 e 18 ilustram os espectros
harmônicos da corrente da fase A do motor de indução que
aciona o elevador de canecas, cujas análises de comportamento
também podem ser estendidas para as fases B e C.
Fig. 17. Espectro harmônico da corrente na fase A do motor quando da
utilização do conversor de frequência na frequência de 50Hz.
Fig. 18. Espectro harmônico da corrente na fase A do motor quando da
utilização do conversor de frequência na frequência de 60Hz.
V. CONCLUSÕES
O presente trabalho apresenta os resultados de uma análise
experimental de acionamento de um sistema de elevador de
canecas através de partida direta e através de conversor de
frequência, a fim de analisar os impactos do consumo de
energia elétrica ativa e demanda de potência ativa.
Os resultados alcançados mostram que em relação ao
consumo de energia elétrica ativa o resultado foi praticamente
o mesmo para o acionamento de uma carga constante tanto
em partida direta quanto em acionamento automatizado. Já
em relação à demanda de potência ativa houve uma redução
com a diminuição da frequência de acionamento do sistema
estudado, que pode se tornar significativa em uma indústria
que possui motores de grande porte, com possibilidade de
acionamento de uma mesma carga em um tempo maior.
A performance das tensões de suprimento, como esperado,
sofrem influência desprezível, uma vez que o sistema de
potência contribui para sua manutenção de tensão e
frequência. No entanto, um assunto atual de grande relevância
é a presença de harmônicas nas correntes que circulam no
sistema elétrico, quando as cargas são acionadas por
dispositivos eletrônicos. Estas correntes provocam alteração
nos valores das grandezas elétricas com a consequente
sobrecarga nos condutores e equipamentos, afetando também
a adequada operação dos dispositivos de proteção, que podem
atuar devido aos incrementos dos valores eficazes ou de pico
destas grandezas. Desta forma, o conhecimento de
perturbações presentes nos sistemas elétricos merece maior
atenção, devendo ser tomadas medidas corretivas para mitigar
o problema através, por exemplo, da utilização de filtros
harmônicos, a fim de garantir projetos seguros, evitando-se
situações de risco para usuários e equipamentos.
VI. REFERÊNCIAS
[1] IEEE Standard 519-1992, “Recommended Practices and Requirements for
Harmonic Control in Electric Power Systems”, 1992.
[2] IEC 61000-3-2:1995, Compatibilidade Eletromagnética (EMC) – Parte
3: Limites – Seção 2: Limites para emissão de corrente harmônica.
[3] EN 50160 EN 50160, Voltage characteristics of electricity supplied
by public distribution systems, 1999.
[4] IEEE Task Force, “The Effects of Power System Harmonics on Power
System Equipment and Loads”, IEEE Transactions on Power Apparatus and
Systems, vol. 104, no. 9, Set. 1985, pp. 2555-2563
[5] VASCONCELLOS, Arnulfo Barroso ; GOMES, Teresa Ribeiro de
Carvalho Malheiro ; APOLÔNIO, Roberto ; ANNUNCIAÇÃO, Luis ;
Barros, Regiane Silva de ; SILVA, T. V. . Efficiency and Power Quality in a
Drive System Driving Machine. In: 14th International Conference on
Harmonics and Quality of Power - 14th ICHQP, 2010, Bergamo, Italia.
[6] VASCONCELLOS, Arnulfo Barroso ; Kawaphara, Mario Kiyoshi ;
GOMES, Teresa Ribeiro de Carvalho Malheiro ; ANNUNCIAÇÃO, Luis ;
Fonseca, Andre Luis Amorim da ; SILVA, T. V. . Eficiência Energética e
Qualidade de Energia em um Sistema de Acionamento de Máquinas
Motrizes. In: IX IEEE/IAS International Conference on Industry
Applications - IX INDUSCON, 2010, São Paulo.
[7] Resolução 345/2008 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL).
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