projeto de implantação de ferramentas de controle em uma bancada didática de refrigeração visando melhorar sua eficiência energética

SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO PARÁ.
CAMPUS BELÉM
CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
PEDRO BARATA PIQUIÁ JUNIOR
PROJETO DE IMPLANTAÇÃO DE FERRAMENTAS DE CONTROLE EM UMA
BANCADA DIDÁTICA DE REFRIGERAÇÃO VISANDO MELHORAR SUA
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
BELÉM/PA
2017

PEDRO BARATA PIQUIÁ JUNIOR
PROJETO DE IMPLANTAÇÃO DE FERRAMENTAS DE CONTROLE EM UMA
BANCADA DIDÁTICA DE REFRIGERAÇÃO VISANDO MELHORAR SUA
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
Trabalho de conclusão de curso
apresentado ao Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia do Pará-
IFPA - Campus Belém. Como requisito
para obtenção de Grau em Bacharelado
em Engenharia de Controle e Automação.
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Augusto
Seawright de Campos.
BELÉM/PA
2017

A Elaine Duarte, a garota mais especial
que existe nesse mundo, te amo.

AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, por nos dá a sabedoria, fé, coragem e determinação.
A minha mãe Silvia Helena, meu pai Pedro Martins (que está no céu) e
também minha bisavó Izalina Barata que foram personagens determinantes na
minha formação pessoal, me deram todo o amparo e motivação para ingressar na
vida acadêmica, sem eles com toda certeza esse trabalho não existiria.
A empresa EMBRASUL que, em uma etapa primordial do TCC, foi totalmente
solicita e forneceu o software do analisador de energia no momento que foi
contactada.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Ricardo Augusto Seawright de Campos, pela sua
paciência, pelo seu grande profissionalismo e pela grande contribuição intelectual
que obtive através dele.
E aos meus colegas de curso pelo companheirismo durante todo o curso.

Mudam-se os tempos, mudam-se as
vontades, muda-se o ser, muda-se a confiança:
Todo o mundo é composto de mudança,
tomando sempre novas qualidades.
Luiz Vaz de Camões

RESUMO
Atualmente, a eficiência energética passou a ter mais importância diante de um
cenário de tarifas cada vez maiores de energia elétrica. Constata-se que os sistemas
mecânicos fornecem muitas perdas para executar suas funções. Devido a isso, a
implementação de métodos de controle em sistema de refrigeração tiveram
destaque nos últimos anos a fim de ser reduzir essas perdas. Este trabalho tem
como objetivo propor a implementação de um controle on-off e um controle
adaptativo, além de propor a substituição do motor que atua na operação do
compressor, em uma bancada didática pertencente a Coordenação de Mecânica,
instalada no Laboratório de refrigeração – IFPA. A função desta bancada é
reproduzir de maneira didática, a climatização de um ambiente. Com o intuito de
melhorar o tempo que a temperatura do evaporador estabiliza, tornando possível
utilizar o mesmo durante as aulas, e paralelo a isso visando melhorar a sua
eficiência energética, a bancada foi colocada, mecanicamente em uma condição de
operação onde, a vazão de água que possibilita a troca de calor com o condensador
e a vazão do fluido refrigerante que atravessa a válvula de expansão possibilitassem
o melhor rendimento frigorífico (COP). A partir daí, projetou-se a utilização de
controles on-off e adaptativo para manter a bancada trabalhando nesta condição
operacional.No desenvolvimento do controle Adaptativo foi utilizado o software
MATLAB SIMULINK para modelar o sistema e também para desenvolver o sistema
supervisório. Os resultados mostraram ser viável a implementação do controle
adaptativo no equipamento mecânico.
Palavras – chave: Refrigeração, Eficiência Energética, Controle Adaptativo, Controle
On-Off, Motores Elétricos.

ABSTRACT
Currently, energy efficiency has become more important in the face of a scenario of
increasing costs of electric energy. It is noted that mechanical systems provide many
losses to perform their functions. Due this, the implementation of control methods in
refrigeration system have highlighted in recent years in order to be reduce these
losses. This work aims to propose the implementation of an on-off control and an
adaptive control, in addition to proposing the replacement of the motor that operates
in the compressor in a didactic workbench belonging to Mechanics Coordination,
installed in the Refrigeration Laboratory – IFPA. The function of this workbench is to
reproduce in a didactic form, the climate of an environment. In order to improve the
time that the temperature of the evaporator stabilizes, make it possible to use during
the classes, and parallel to this in order to improve its energy efficiency, the bench
was mechanically placed in an operating condition where the water flow which cools
the condenser and the flow of the refrigerant flowing through the expansion valve to
provide the best COP. From there, it was designed the use of on-off and adaptive
controls to keep the workbench working in this operating condition. In the
development of the Adaptive control, MATLAB SIMULINK software was used to
model the system and also to develop the supervisory system. The results shows to
be viable the implementation of adaptive control in the mechanical equipment.
Key – word: Refrigeration, Energy Efficiency, Adaptive Control, On-Off Control,
Electric Motors.

LISTA DE TABELAS
1 Coeficiente global de transferência de calor.................................................. 36
2 Grupos e subgrupos divididos segundo a tensão de fornecimento e as
classes de atendimento ................................................................................. 42
3 Resumo de aplicação de valores por estrutura tarifária ................................ 43
4 Componentes pré-existentes ......................................................................... 66
5 Características da válvula solenóide ............................................................. 71
6 Características do Arduino ............................................................................ 74
7 Características do display LCD ..................................................................... 75
8 Características do sensor de fluxo ................................................................ 78
9 Componentes utilizados no protótipo ............................................................ 92
10 Componentes utilizados no projeto final ........................................................ 93
11 Dados obtidos na placa do motor .................................................................. 94
12 Componentes do circuito equivalente ........................................................... 95
13 Informações sobre o novo motor ................................................................... 99
14 Componentes utilizados no projeto ............................................................... 107

LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Ciclo de refrigeração por compressão de vapor ............................... 24
Figura 2a e 2b – Condensadores refrigerados a ar e água .............................. 27
Figura 3 - Válvula de expansão ........................................................................ 27
Figura 4 - Evaporadores ................................................................................... 29
Figura 5 - Diagrama p-h de Mollier ................................................................... 31
Figura 6 - Calor específico das substâncias ..................................................... 33
Figura 7 - Esquema do ciclo de compressão de vapor ..................................... 33
Figura 8 - Mecanismo de transferência de calor ............................................... 35
Figura 9 - Exemplificação do conceito de eficiência energética ....................... 37
Figura 10 - Processos de conversão de energia e suas classes de eficiência
energética ......................................................................................... 38
Figura 11 - Evolução dos motores elétricos ........................................................ 46
Figura 12 - Classificação dos motores elétricos ................................................. 46
Figura 13 - Principais perdas em um motor elétrico de indução ......................... 48
Figura 14 - Percentual de redução de potência em função da temperatura
ambiente ........................................................................................... 49
Figura 15 - Classes de temperatura .................................................................... 49
Figura 16 - Circuito equivalente do motor de indução ........................................ 53
Figura 17 - Fluxo de potência no motor de indução ............................................ 53
Figura 18 - Biblioteca do Arduino IO ................................................................... 58
Figura 19 - Tela inicial do GUI ............................................................................ 59
Figura 20 - Interface elaborada no GUI para calcular as características e
desempenho do motor ...................................................................... 60
Figura 21 - Controle On-Off ................................................................................ 61
Figura 22 - Histerese ........................................................................................... 61

Figura 23 - Controle ON-OFF Saída do modelo e sinal de controle .................. 62
Figura 24 - Diagramas de blocos de um MRAS baseado na regra MIT ............. 65
Figura 25 - Modelo da planta de refrigeração ..................................................... 67
Figura 26 - Bancada de Refrigeração ................................................................. 68
Figura 27 - Motor de indução trifásica ................................................................. 68
Figura 28 - Construção física do PT100 ............................................................. 69
Figura 29 - Indicador de temperatura ASCONM1 ............................................... 69
Figura 30 - Indicador de RPM ............................................................................. 70
Figura 31 - Analisador de energia RE4000 ......................................................... 71
Figura 32 - Válvula solenóide .............................................................................. 72
Figura 33 - Exemplos de LED’s .......................................................................... 73
Figura 34 - Potenciômetro ................................................................................... 73
Figura 35 - Arduino Uno ...................................................................................... 74
Figura 36 - Display LCD ...................................................................................... 75
Figura 37 - Motor de passo 28BYJ-48 ................................................................ 76
Figura 38 - Sensor de fluxo ................................................................................ 77
Figura 39 - Diagrama esquemático do CI LM2907 e aplicação .......................... 78
Figura 40 - Diagrama de conexões do sensor LM 35 ......................................... 79
Figura 41 - Tela inicial do MATLAB .................................................................... 80
Figura 42 - Relação dos dados obtidos referentes ao fluxo de água .................. 80
Figura 43 - Relação dos dados obtidos referentes a abertura da válvula de
expansão .......................................................................................... 82
Figura 44 - Fluxograma do controle ON-OFF ..................................................... 83
Figura 45 - Válvula solenóide .............................................................................. 84
Figura 46 - Diagrama elétrico do protótipo do controle ON-OFF ........................ 85

Figura 47 - Diagrama esquemático do controle ON-OFF na bancada ............... 86
Figura 48 - Gráficos dos valores de temperatura ................................................ 87
Figura 49 - Modelo aproximado através do método de identificação ................. 87
Figura 50 - Comparativo entre o modelo real e o modelo obtido pelo método
de identificação ................................................................................. 88
Figura 51 - Modelagem do sistema através do toolbox SIMULINK do
MATLAB® ......................................................................................... 88
Figura 52 - Modelagem do sistema desejado através do toolbox SIMULINK do
MATLAB® ........................................................................................ 89
Figura 53 - Modelo otimizado para o projeto ...................................................... 89
Figura 54 - Comparação entre desempenho ...................................................... 89
Figura 55 - Esquema de controle adaptativo proposto montado no simulink...... 90
Figura 56 - Modelo esquemático do controle adaptativo .................................... 91
Figura 57 - Inclusão de uma perturbação no controle adaptativo ....................... 92
Figura 58 - Gráficos com o consumo de energia (W) da bancada de
refrigeração ....................................................................................... 94
Figura 59 - Modelagem do motor através do MATLAB ® ................................... 96
Figura 60 - Curva característica do motor ........................................................... 97
Figura 61 - Obtenção de dados para cálculo do rendimento .............................. 98
Figura 62 - Consumo de energia (kWh) da bancada de refrigeração ................. 99
Figura 63 - Representação esquemático do controle ON-OFF .......................... 102
Figura 64 - Desempenho do controle ON-OFF ................................................... 103
Figura 65 - Interface do controle adaptativo ....................................................... 103
Figura 66 - Atuação do controle adaptativo ........................................................ 104
Figura 67 - Comportamento dos parâmetros ...................................................... 105
Figura 68 - Sinal de controle ............................................................................... 105
Figura 69 - Erro do sistema ................................................................................. 106

Figura 70 - Desempenho do controle adaptativo mediante perturbação ............ 106
Figura 71 - Diagrama com a implantação dos dois controles ............................. 108

LISTA DE SIGLAS
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica;
CC – Corrente Contínua;
CI – Circuito Integrado;
COP – Coeficiente de performance;
ELETROBRÁS – Centrais Elétricas Brasileiras S.A.;
GUI – Graphical User Interface;
ICSP – In-Circuit Serial Programming;
LCD – Liquid Crystal Display;
LED – Light Emitting Diode;
MATLAB – Matrix Laboratory;
MIT – Massachusetts Institute of Technology;
MRAS – Model Reference Adaptive System;
NBR – Norma Brasileira;
PWM – Pulse Width Modulation;
REFRILAB – Laboratório de Refrigeração;
RPM – Rotações por minuto;
RS – Register Select;
RTD – Resistive Temperature Detectors.

LISTA DE SIMBOLOS
Letras Gregas
𝛾 – Ganho de adaptação (Gamma);
∆𝑃 𝑀𝑒𝑐 − Perdas mecânicas;
∆𝑃𝑡 − Perdas totais no motor;
∆Tmlog – Diferença média logarítmica de temperaturas de entrada e saída (°C);
𝜕
𝜕𝜃
- Derivada parcial em função do parâmetro teta;
ɛ 𝑟𝑒𝑎𝑙 - Coeficiente de Performance (COP);
𝜂 – Rendimento;
𝜃 - Parâmetro teta;
Ω - Ohm;
Alfa-numérica
% - Porcento;
A – Área de troca de calor (m²);
A0 – Área externa;
Ai – Área interna;
Am – Média logarítmica da área;
𝑎 – Polinômio a;
𝑎 𝑚 – Polinômio desejado a;
𝑏 𝑚 – Polinômio desejado b;
b – Polinômio b;
𝑐𝑜𝑠𝜑 − Fator de potência;
ºC – Grau Celsius;
𝑑
𝑑𝑡
- Derivada em função do tempo;
𝑒 – Erro;
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 – Economiafinanceira;
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑐𝑜 – Energia economizada (kWh);
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 – Potência ativa total (kW/h);
FC – Fator de carga;
Hz – unidade de freqüência (Hertz);

h1 : h4 – entalpia específica;
h – unidade de tempo em horas;
hi – Coeficiente de transferência de calor interno;
h0 – Coeficiente de transferência de calor externo;
𝐼𝐿 − Corrente de entrada no motor;
𝐼 𝑚 − Corrente de magnetização;
𝐼 𝑝 − Corrente de pico;
𝐼𝑟 − Corrente do rotor;
𝐽– Funçãocusto;
K – Condutividade térmica;
kg – Quilo grama;
L/h – Litros por hora;
m² - Metro quadrado;
mA – Unidade de corrente elétrica (Mili Ampère);
n – rotação nominal (RPM).
ns - Rotação síncrona (RPM);
p – Pressão;
Pc – Pressão de compressão;
Pv – Pressão de evaporação;
𝑃𝑎 – Potência ativa consumida pelo motor (kW);
𝑃𝐴𝐺 − Potência no entreferro;
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑣 – Potênciaconvertida;
𝑃𝑟𝑐𝑙 − Perda no cobre do rotor;
𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 – Potência ajustada;
𝑃𝑠𝑐𝑙 − Perda no cobre do estator;
𝑃𝑢 - Potência nominal disponível no eixo do motor (kW);
Q – Fluxo de calor (kW);
𝑟𝑟 − Resistência do rotor;
𝑟𝑠 - Resistência no estator;
R – Resistências térmicas;
R$ - Unidade monetária em Reais;
Ri– Fator de incrustação;
S – Escorregamento;
T1 : T9 – temperaturas;
T – Torque

𝑇𝑐𝑚é𝑑𝑖𝑎 − Tarifa média de consumo (R$/kWh);
te – Temperatura de entrada de água (°C);
𝑇𝑓𝑝𝑠 – Tarifa de consumo fora de ponta seca (R$/kWh);
𝑇𝑓𝑝𝑢 – Tarifa de consumo fora de ponta úmida (R$/kWh);
𝑇𝑝𝑠 – Tarifa de consumo ponta seca (R$/kWh);
𝑇𝑝𝑢 – Tarifa de consumo ponta úmida (R$/kWh);
tr – Temperatura do refrigerante (°C);
ts – Temperatura de saída de água (°C);
U – Coeficiente global de transferência de calor (W/m² °C);
𝑢 - Sinal de controle;
𝑢 𝑐 - Sinal de comando;
V – Volt;
VAr – Unidade de potência reativa (Volt-Ampère reativo);
𝑉𝑡 − Tensão terminal do motor;
𝑋 𝑏𝑙 − Reatância de rotor bloqueado;
𝑋 𝑚 − Reatância de magnetização;
𝑦 – Saída real do sistema;
𝑦 𝑚 – Saída desejada do sistema;
W – Unidade de potência ativa (Watt);
𝑍 𝑏𝑙 − Impedância de rotor bloqueado.

SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................... 19
1.1 Justificativa ..................................................................................... 19
2 OBJETIVOS........................................................................................ 21
2.1 Objetivo Geral.................................................................................... 21
2.2 Objetivos Específicos........................................................................ 21
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA............................................................... 22
4 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.......................................................... 24
4.1 Sistema de Refrigeração................................................................... 24
4.1.1 Sistema de refrigeração por compressão de vapor simples estágio .. 24
4.1.2 Compressor......................................................................................... 25
4.1.3 Condensador....................................................................................... 26
4.1.4 Válvula de Expansão........................................................................... 27
4.1.5 Evaporador.......................................................................................... 28
4.1.6 Diagrama pressão-entalpia.................................................................. 29
4.1.7 Fluido refrigerante................................................................................ 30
4.1.8 Ciclo de refrigeração............................................................................ 31
4.1.9 Ciclo de refrigeração real..................................................................... 32
4.1.10 Calor específico................................................................................... 32
4.1.11 Refrigeração por meio de compressão de vapor................................. 33
4.1.12 Transferência de calor......................................................................... 34
4.1.13 Coeficiente global de transferência de calor........................................ 35
4.2 Eficiência energética......................................................................... 36
4.2.1 Benefícios da eficiência energética..................................................... 39
4.2.2 Gestão da utilização da energia.......................................................... 39
4.2.2.1 Tarifação.............................................................................................. 40
4.2.2.2 Definições............................................................................................ 40
4.2.2.3 Grupos de consumidores de energia................................................... 42
4.2.2.4 Estrutura tarifária existente.................................................................. 42
4.2.2.4.1 Tarifa convencional.............................................................................. 42
4.2.2.4.2 Tarifa horo-sazonal verde.................................................................... 42
4.2.2.4.3 Tarifa horo-sazonal azul...................................................................... 43
4.2.3 Contratação......................................................................................... 44
4.2.3.1 Alteração da demanda contratada....................................................... 44
4.2.3.2 Ultrapassagem da demanda contratada.............................................. 45
4.3 Motor elétrico..................................................................................... 45
4.3.1 Classificação....................................................................................... 46
4.3.2 Motores de indução (assincronos)....................................................... 47

4.3.3 Motores de indução de anéis............................................................... 47
4.3.4 Motores de indução de gaiola.............................................................. 47
4.3.5 Principais perdas ................................................................................ 48
4.3.6 Condições de operação ...................................................................... 48
4.3.6.1 Elevação de temperatura..................................................................... 48
4.3.6.2 Classes de isolação ............................................................................ 49
4.3.6.3 Vida útil................................................................................................ 50
4.3.7 Análise de viabilidade econômica........................................................ 50
4.3.7.1 Economia mensal de energia.............................................................. 51
4.4 Análise dos parâmetros elétricos do circuito equivalente do
motor de indução .............................................................................. 52
4.4.1 Desenvolvimento a partir dos dados de placa do motor ..................... 53
4.4.2 Desenvolvimento a partir dos ensaios laboratoriais .......................... 57
4.4.2.1 Ensaio a vazio...................................................................................... 57
4.4.2.2 Medição da resistência do estator....................................................... 57
4.5 Matlab®............................................................................................... 57
4.5.1 Simulink............................................................................................... 58
4.5.2 Graphical User Interface (GUI)............................................................ 59
4.5.2.1 Interface proposta no GUI.................................................................... 60
4.6 Sistemas de controle......................................................................... 61
4.6.1 Controle on-off..................................................................................... 61
4.6.2 Model Reference Adaptive System (MRAS)........................................ 62
4.6.2.1 A Regra MIT ( MIT RULE)...................................................................... 63
4.6.2.2 MRAS para sistemas de primeira ordem............................................. 64
5 METODOLOGIA................................................................................. 66
5.1 Materiais............................................................................................. 66
5.1.1 Bancada experimental......................................................................... 66
5.1.2 Motor de indução trifásica.................................................................... 68
5.1.3 Termoresistências................................................................................ 68
5.1.4 Indicador de temperatura..................................................................... 69
5.1.5 Indicador de RPM................................................................................ 70
5.1.6 Analisador de energia RE4000............................................................ 70
5.1.7 Válvula solenóide ................................................................................ 71
5.1.8 LED ..................................................................................................... 72
5.1.9 Potenciômetro...................................................................................... 73
5.1.10 Arduino................................................................................................. 74
5.1.11 Display LCD......................................................................................... 75
5.1.12 Motor de passo 28BYJ-48................................................................... 76
5.1.13 Sensor de fluxo de água...................................................................... 77
5.1.14 LM2907 ............................................................................................... 78
5.1.15 Sensor LM35........................................................................................ 78
5.1.16 MATLAB®............................................................................................ 79
5.2 Métodos.............................................................................................. 80
5.2.1 Levantamento, análise de dados e escolha de componentes

mecânicos .......................................................................................... 81
5.2.1.1 Controle on-off..................................................................................... 81
5.2.1.1.1 Dimensionamento do fluxo ideal.......................................................... 81
5.2.1.2 Controle adaptativo.............................................................................. 82
5.2.1.2.1 Determinação da abertura da válvula de expansão............................ 82
5.2.2 Simulação dos componentes mecânicos............................................. 82
5.2.2.1 Controle on-off..................................................................................... 82
5.2.2.1.1 Esquema de funcionamento do controle on-off................................... 82
5.2.2.1.2 Construção do protótipo utilizado no projeto.......................................... 83
5.2.2.2 Controle Adaptativo............................................................................. 86
5.2.2.2.1 Projetando o controlador adaptativo.................................................... 86
5.2.2.2.2 Construção do protótipo do controle adaptativo.................................. 90
5.2.3 Análise de estabilidade do sistema adaptativo.................................... 92
5.2.4 Levantamento dos componentes utilizados nos protótipos................. 92
5.2.5 Análise de desempenho do motor ...................................................... 93
5.2.5.1 Análise da conversão da energia elétrica em energia de
compressão ........................................................................................ 93
5.2.5.2 Cálculo dos parâmetros elétricos e do circuito equivalente do motor
............................................................................................................. 94
5.2.5.3 Curvas características do motor.......................................................... 95
5.2.5.4 Simulação da redução do consumo de energia.................................. 98
5.2.6 Cálculo da redução de energia com implantação de um novo motor
............................................................................................................. 100
6 RESULTADOS.................................................................................... 102
6.1 Projeto do controle on-off.................................................................... 102
6.2 Projeto do controle adaptativo............................................................. 103
6.3 Confirmação da estabilidade do sistema ........................................... 106
6.4 Especificação do novo motor elétrico.................................................. 107
6.5 Relação dos componentes utilizados no trabalho............................... 107
6.6 Apresentação do diagrama esquemático............................................ 108
7 CONCLUSÃO...................................................................................... 110
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................... 111
APÊNDICES........................................................................................ 116
Apêndice I: Cálculo dos parâmetros do motor............................... 116
Apêndice II: Diagrama Esquemático do Controle On-Off e
Adaptativo......................................................................................... 119
Apêndice III: Interface do Controle Adaptativo............................... 120
Apêndice IV: Programação do Controle On-Off.............................. 121

19
1. INTRODUÇÃO
O IFPA recebeu em 2003, através do Projeto METRIMPEX, três bancadas
didáticas de refrigeração, cujos modelos são: T108/2D, T108/4D e T108/6D, as
quais estão operacionais e executam funções diferentes, sendo utilizadas nas aulas
de turmas de ensino técnico e superior, e encontram-se localizadas no REFRILAB
laboratório de refrigeração REFRILAB, IFPA – Campus Belém.
A bancada de refrigeração tem a função de demonstrar de forma prática as
variações de parâmetros termodinâmicos para os alunos, fazendo com que os
mesmos possam compreender o funcionamento de um sistema de refrigeração.
Com esse equipamento é possível calcular a capacidade frigorífica do evaporador, a
taxa de troca de calor do condensador, a vazão mássica do fluido refrigerante, o
tempo de resfriamento da massa a ser resfriada pelo evaporador em função do
tempo, entre outros.
1.1. Justificativa
O uso de sistemas de controle inteligente em processos mecânicos e o uso
de sistemas de controle inteligente em processos industriais vem aumentando
rapidamente nas últimas décadas. O controle manual, primeira forma de controle
utilizada pelo homem, e ainda presente em muitos processos, apresenta a
necessidade de um operador humano que deve conhecer o sistema e ter razoável
experiência e habilidade. Com o crescente aumento no grau de sofisticação das
atividades humanas surgiu o interesse e a necessidade de automatizar ou semi-
automatizar determinados processos, isso foi possível a partir do desenvolvimento
cientifico e tecnológico, que dentre os diversos conhecimentos nos trouxe as teorias
clássicas de controle. Contudo, com o avanço da tecnologia, os sistemas e
processos ficaram ainda mais complexos, tornando ineficaz ou até mesmo
impossível a utilização dos controladores convencionais obtidos a partir da teoria
clássica. Isso desencadeou uma busca por novos métodos e estratégias de controle
tais como: controle adaptativo, controle preditivo e sistemas de controle inteligente
(ÁVILA; SALOIO, 2009).
Devido a isso, a automação está cada vez mais presente nos ambientes
residenciais e comerciais. As diversas aplicações da automação têm demonstrado
que é possível proporcionar ou ampliar benefícios em vários setores, tais como:

20
gerenciamento técnico, conforto, economia, prevenção de acidentes, falhas de
equipamentos e também segurança aos usuários (MORGADO, 2008).
O desenvolvimento de sistemas cada vez mais interativos com o homem
para facilitar a operação, monitoração e controle de processos industriais
proporciona uma maior confiabilidade e segurança nas atividades industriais, como
controle e monitoramento de processos, onde são utilizados máquinas, sensores,
atuadores etc. que são de alto valor e necessitam de um eficaz trabalho de operação
e controle dos mesmos (GOMES, 2009).
No contexto de sistemas de refrigeração, sistemas automatizados podem ser
encontrados em uma ampla faixa de aplicações, quer sejam industriais, comerciais
ou residenciais. Aplicações para estes sistemas incluem conservação de alimentos,
remoção de calor de processos industriais, tais como indústrias químicas, e
numerosas outras aplicações industriais que requerem um controle fino de
temperatura. Sistemas de refrigeração usando compressão a vapor têm sido usados
para reduzir a temperatura de substâncias e/ou processos por mais de cem anos.
Entretanto, tem-se prestado pouca atenção na energia necessária para atingir os
objetivos nos processos de refrigeração. Nos ciclos de refrigeração, a eficiência dos
sistemas está diretamente ligada à capacidade de manter as temperaturas e
pressões correspondentes as exigidas pelo processo. As temperaturas de
condensação e evaporação possuem uma grande influência no consumo de energia
e desempenho do sistema de refrigeração, podendo ser alteradas pelas
perturbações externas (OLIVEIRA, 2011).
Com o aumento do interesse sobre o uso racional da energia elétrica e o
custo global dos equipamentos, tem impulsionado grande estímulo nas indústrias de
refrigeração para a avaliação da relação custo-eficiência de seus projetos, com
investimentos em modificações em suas estratégias de operação (LEANDRO, 2006).

21
2. OBJETIVOS
2.1 objetivo geral
Apresentar projetos de controles para uma bancada didática de refrigeração,
marca Didacta Italia, Modelo T108/2D, visando melhorar sua eficiência energética.
2.2 objetivos específicos
- Projetar um controle on-off e um controle adaptativo na bancada;
- Comparar a bancada operando com o controle adaptativo e sem o respectivo
controle, utilizando simulação computacional;
- Realizar uma projeção da melhor relação custo x benefício, ao serem
implementados os controles on-off e adaptativo.
- Propor a substituição do motor que atua no compressor da bancada didática, a fim
de se reduzir o consumo de energia.

22
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Para se obter um melhor embasamento, fez-se uma revisão bibliográfica a
fim de se levantar quais trabalhos, referentes ao tema em questão, foram
desenvolvidos ao longo dos últimos anos.
No trabalho de Oliveira (2011), foi instrumentado uma bancada de
refrigeração a fim de se calcular o COP e compará-lo com o valor teórico, mediante
o uso de um Controlador Lógico Programável (CLP) conectado ao motor que atua no
compressor ajustando a velocidade de rotação do mesmo. Seu objetivo foi cumprido,
pois constatando-se uma maior eficiência com a inclusão desse novo sistema.
Leandro (2006), propôs um controle dinâmico de temperatura para um
sistema de refrigeração utilizando um retificador de entrada com correção ativa de
fator de potência do motor de indução trifásica que atua no compressor. Os
resultados mostraram que o fator de potência foi bem pequeno e as distorções
harmônicas estavam de acordo com as restrições impostas pelas normas.
Climatização de ambientes através de uma interface de rede sem fio foi o
objeto de estudo de Ávila e Saloio (2009), foram implementados sensores a
atuadores em um ambiente de reuniões que posteriormente foi integrada a um
software supervisório para gravação, observação e controle das variáveis do
ambiente. O projeto proposto se mostrou eficaz e abrangente, garantindo robustez e
envolveu as áreas pertinentes para um engenheiro de controle e automação,
instrumentação e sistemas computacionais.
Salvador (1999), também propôs uma otimização de um sistema frigorífico
por compressão a vapor através da operação com regime variável para o ciclo
frigorífico, mediante o controle do set point da temperatura de evaporação, a
operação do set-point variável pode proporcionar a redução no consumo de energia
das instalações frigoríficas industriais por meio de compressão a vapor.
Controle e supervisão da temperatura ambiente mediante o uso de CLP (em
linguagem LADDER) e inserção de uma interface homem máquina (IHM) obteve
êxito por funcionar perfeitamente e garantir um bom desempenho, este trabalho foi o
objeto de estudo de Morgado (2008).
Uma pesquisa semelhante foi a de Gomes (2009), que também desenvolveu
uma IHM para controlar o painel de comando de uma bancada didática de

23
refrigeração industrial, juntamente com a inclusão de um CLP. O sistema
supervisório facilitou a operação do sistema, uma vez que, o operador não precisa
mais escolher quais equipamentos devem ser ligados para satisfazer a configuração
escolhida.

24
4. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
4.1. Sistema de refrigeração
Um sistema de refrigeração tem como função retirar calor de um
determinado corpo ou ambiente, mantendo esse corpo com suas características
originais ou do ambiente em condições de conforto térmico. Esse sistema necessita
de certos componentes para funcionar corretamente, alguns desses componentes
são fundamentais e determinantes para atingir esse regime de funcionamento,
enquanto que outros são considerados acessórios ou opcionais. Além disso, estes
componentes interagem entre si, a partir de transformações que ocorrem no fluido
refrigerante, que transita entre eles, realizando a transferência de calor necessária
(EICH; IORIS,2013).
4.1.1 Sistema de refrigeração por compressão de vapor simples estágio
O sistema de refrigeração por compressão de vapor é o mais comum. Nele
ocorre um processo termodinâmico, através de quatro componentes fundamentais,
que estão interligados, que são: o compressor, o condensador, o dispositivo de
expansão e o evaporador, onde o fluido refrigerante é o agente responsável pelo
transporte do calor. O diagrama apresentado na figura 1 representa esse sistema.
Figura 1: Ciclo de refrigeração por compressão de vapor.
No compressor, o fluido é comprimido, ocorrendo aumento de pressão e
temperatura, saindo do mesmo como vapor superaquecido. Segue para o
condensador, onde o calor é liberado para o meio mais frio. Conforme perde calor, o
fluido passa do estado de vapor superaquecido para vapor saturado, e em seguida
transforma-se em líquido sub-resfriado, indo neste estado em direção ao dispositivo

25
de expansão. Na válvula de expansão ocorre a expansão do fluido refrigerante, em
um processo isoentálpico, com queda brusca de pressão e temperatura. O fluido sai
do dispositivo de expansão atomizado, em direção ao evaporador, onde começa a
evaporar. Tendo em vista a baixa pressão e baixa temperatura no interior do
evaporador, o fluido retira calor do meio a ser refrigerado, que se encontra em uma
temperatura maior. Conforme o fluido vai percorrendo o evaporador e retirando calor
do meio, o mesmo vai evaporando de maneira que ao sair do evaporador, se
encontra no estado de vapor superaquecido, sendo succionado pelo compressor,
onde reinicia o ciclo.
4.1.2 Compressor
Os compressores do sistema de refrigeração por compressão de vapor
podem ser tanto alternativos como rotativos. Os compressores alternativos são
preferidos quando é usado um fluido refrigerante de calor de vaporização
volumétrico elevado trabalhando em instalações de pequeno e médio porte (COSTA,
2011).
Os compressores alternativos são montados em concepções únicas,
enfatizando entre eles os tipos aberto, semi-hermético e selado (hermético). O
compressor aberto é o do tipo adequado a instalações de amônia, sendo compatível
também com o fluido refrigerante halogenados. No compressor semi-hermético a
carcaça externa aloja o compressor com o motor, porém com os pistões em uma
câmara e o motor em outra sendo conectados pelo virabrequim. No compressor
hermético o motor e o compressor estão juntos na mesma carcaça, esta combinação
faz com que o motor tenha uma refrigeração fornecida pelo próprio fluido refrigerante
(STOECKER, JABARDO, 2011).
Segundo Stoecker e Jabardo (2011) os compressores herméticos, são
normalmente utilizados sem refrigerador e condicionadores de ar com potência na
ordem de 30 kW, tem desempenho parecido ao semi-hermético, com a diferença de
a carcaça apresentar acesso apenas a entrada e saída do refrigerante e conexões
elétricos do motor. Estes compressores podem perder um pouco sua eficiência
devido ao aquecimento do fluido pelo enrolamento do motor, isso acontece nos
compressores herméticos e semi-herméticos.

26
4.1.3 Condensador
Segundo Martinelli (2003) condensadores são componentes do sistema de
refrigeração que tem como função transformar o gás quente, descarregado em
altíssima pressão pelo compressor, em fluido refrigerante para alguma fonte de
resfriamento.
Diferente do que acontece na refrigeração a nível comercial, e no
condicionamento do ar, onde a maioria dos condensadores é resfriada a ar, na
refrigeração em indústrias prevalece o tipo evaporativo. No condensador refrigerado
a ar o fluido refrigerante se condensa expulsando o calor, por meio de uma
superfície aletada, para o ar ambiente, com circulação forçada comumente por um
ventilador axial (EICH; IORIS, 2013).
É possível analisar a troca de calor em um condensador em três fases
diferentes: superaquecimento, condensação e sub-resfriamento (Costa, 2011).
Conforme Costa (2011) o condensador tem a função de resfriar e condensar
o vapor que é superaquecido, vindo da compressão nas refrigerações mecânicas
por meio de vapores. Tal operação se realiza transferindo o fluido aquecido,
possibilitando usar ar, água ou mesmo ambos em contato.
O calor trocado nessa fase depende essencialmente do fluido e da relação
de compressão. A quantidade de calor trocada para a fonte quente é denominada de
capacidade calorífica (COSTA, 2011).
Para Martinelli (2003), os tipos de condensadores que são freqüentemente
usados na refrigeração são:
1. Condensadores de casco e tubo (Shell and tube);
2. Condensadores de casco e serpentina (Shell and coil);
3. Condensadores atmosféricos;
4. Condensadores de tubos duplos;
5. Condensadores evaporativos;
6. Condensadores resfriados a ar.

27
Figura 2a e 2b: condensadores refrigerados a ar e a água
a) b)
4.1.4. Válvula de Expansão
As válvulas de expansão termostáticas regulam a inserção de líquido
refrigerante nos evaporadores. Segundo manual do fabricante (DANFOSS 2013), a
injeção é controlada em função do superaquecimento do refrigerante, As válvulas
são propriamente adequadas para a inserção de líquidos em evaporadores secos,
nos quais o superaquecimento na saída do evaporador é proporcional à carga do
mesmo.
A figura 3 mostra um exemplo de válvula de expansão produzida pela
empresa Danfoss. A válvula de expansão é usada nos sistemas de refrigeração
mecânica por vapores e tem como finalidade provocar a expansão do fluido
frigorígeno liquefeito, desde a pressão de vaporização até a pressão de vaporização
do ciclo (COSTA, 2011).
Figura 3: Válvula de expansão

28
Ainda de acordo com Costa (2011), a característica principal de uma válvula
de expansão é a capacidade do fluido refrigerante ser laminar, dependendo do
diâmetro do orifício de passagem, da diferença de pressão e do fluido refrigerante
adotado.
4.1.5. Evaporador
A função do evaporador é retirar o calor a uma taxa desejada com a função
de manter a temperatura no nível desejado.
A capacidade da refrigeração em que a serpentina resfria através de água
pode ser obtida pela equação a seguir:
𝑄 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑡 𝑚 (1)
Onde:
Q – fluxo de calor (kW);
U – coeficiente global de transferência de calor (kW/m²°C);
A – área de troca de calor (m²);
∆Tmlog – diferença média logarítmica de temperaturas de entrada e saída de água
(°C).
A diferença média logarítmica da temperatura é dada pela Equação 2:
∆tmlog=
𝑡𝑒−𝑡𝑟)−(𝑡𝑠−𝑡𝑟
ln ⁡
𝑡𝑒−𝑡𝑟
𝑡𝑠−𝑡𝑟
(2)
Onde:
te– temperatura de entrada de água (°C);
ts – temperatura de saída de água (°C);
tr– temperatura do refrigerante (°C).
Apesar da simplicidade do evaporador devemos considerar sua grande
importância. O evaporador tem como única função remover o calor de alguma
substância. Como esse calor deve ser absorvido pelo evaporador, a eficiência do
sistema depende do projeto e da operação adequada do mesmo (EICH; IORIS,
2013).

29
Figura 4 - Evaporadores
Fonte: DANFOSS, 2013
4.1.6. Diagrama pressão-entalpia
Segundo Stoecker e Jabardo (2011) o diagrama pressão-entalpia é o mais
utilizado na correlação das propriedades termodinâmicas dos refrigerantes. No
diagrama, são incluídas as linhas isotérmicas, isoentrópicas e isocóricas.
A escolha da pressão e da entalpia para coordenadas do diagrama tem sua
relevância. Se, por um lado, a pressão é uma das coordenadas que caracteriza a
operação de um circuito frigorífico, além de ser medida facilmente a entalpia é a
propriedade que geralmente aparece nos cálculos térmicos relacionados com o
circuito (STOECKER, JABARDO, 2011).
De acordo com Stoecker, Jabardo (2011) as fases do refrigerante no
diagrama pressão entalpia são caracterizados por estados localizados em regiões
separadas pelas linhas de saturação, como ilustrado na figura 5. O estado de
saturação está relacionado a uma condição de equilíbrio entre as fases liquido e
vapor, demonstrado na figura 5. A linha direta entre o ciclo 1 – 2 representa os
estados de vapor saturado. A região côncava do diagrama representa os estados
em que ocorre a mistura liquido-vapor em equilíbrio, numa proporção de vapor que
varia linearmente, de 0% na linha de líquido saturado até 100% na linha de vapor
saturado. A região a esquerda da linha de liquido saturado é representativa do
estado líquido sub-resfriado (ou comprimido), sendo que a região a direita da linha
de vapor saturado corresponde ao estado superaquecido.

30
4.1.7. Fluido refrigerante
Os refrigerantes são substâncias químicas responsáveis pelo transporte de
energia em um ciclo de refrigeração, onde o calor é absorvido pelo refrigerante em
um local e rejeitado em outro.
Segundo Bezerra (2012), algumas características desejáveis para um
refrigerante estão listadas a seguir.
 Pressão de vaporização não muito baixa, com o objetivo de evitar vácuo
elevado no evaporador e baixa eficiência volumétrica no compressor;
 Pressão de condensação não muito alta, favorecendo uma maior eficiência
volumétrica no compressor, assim como garantindo uma maior segurança do
sistema;
 Elevado calor latente de vaporização, reduzindo a vazão de refrigerante para
uma dada capacidade de refrigeração;
 Baixo volume específico de fase vapor, permitindo uma baixa vazão
volumétrica para uma dada capacidade de refrigeração;
 Alta condutibilidade térmica, favorecendo a transferência de calor;
 Baixa viscosidade, acarretando em menores perdas de carga;
 Ser estável e inerte, não sofrendo alteração química e evitando reação com
outros materiais;
 Não ser tóxico, estimulante inflamável e explosivo, garantindo, assim, a que
as pessoas e animais não sejam contaminados caso haja vazamentos;
 Não ser prejudicial ao meio ambiente, preservando a camada de ozônio e
minimizando o aquecimento global.
É impossível que um único fluido se enquadre em todos os quesitos acima,
então, diferentes fluidos são considerados.
Os refrigerantes podem ser classificados como primários ou secundários. Os
refrigerantes primários são geralmente utilizados em sistemas de compressão a
vapor (o fluido refrigerante usado nesse estudo se enquadra nesse quesito). Já os
secundários são líquidos usados para transportar energia térmica a baixa
temperatura de um local para o outro. Outros nomes para esses refrigerantes são
anticongelantes e salmouras (BEZERRA, 2012). Os refrigerantes secundários não
são alvos deste trabalho.

31
4.1.8. Ciclo de refrigeração
Pode ser considerado ciclo de refrigeração, o processo onde, em circuito
fechado, o fluido refrigerante, consiga sucessivamente transformar-se em líquido e
vapor, absorvendo calor pela evaporação e rejeitando calor pela condensação
(MARTINELLI, 2003).
Segundo Stoecker, Jabardo (2011) o estudo dos ciclos termodinâmicos
envolve um processo para obter o fluido refrigerante em modo contínuo. Esse
processo se baseia em fazer com que o fluido refrigerante passe por uma série de
etapas e retorne ao seu estado inicial sendo o ciclo de Carnot o que se destaca por
se tratar de um ciclo ideal (reversível) atuando entre dois níveis de temperatura e,
então o que apresenta maior eficiência.
Conforme Costa (2011) o ciclo de refrigeração é composto por quatro
transformações conforme a figura 5:
Figura 5: Diagrama p-h de Molier
Fonte: STOECKER, JABARDO, 2011
 1-2 compressão hipoteticamente isentrópica, na qual o vapor saturado ou
superaquecido passa da pressão p1, para a pressão p2, consumindo um
trabalho mecânico.
 2-3 Passagem pelo condensador, onde neste processo o vapor
superaquecido, proveniente da compressão, é resfriado isobaricamente até a
temperatura de saturação, sendo condensado isobárica-isotermicamente,
cedendo calor ao meio ambiente.

32
 3-4 Neste processo o vapor condensado é expandido isentalpicamente,
passando da pressão p2 para a pressão p1.
 4-1 Passagem pelo evaporador, no qual o líquido refrigerante parcialmente
vaporizado após passar pela válvula de expansão sofre sua vaporização final,
retirando calor do meio a refrigerar.
4.1.9. Ciclo de refrigeração real
Uma das diferenças observadas entre o ciclo real e o ciclo teórico é a
diminuição de pressão nas linhas de descarga, líquido e de sucção assim como no
condensador e no evaporador. Outra diferença é o sub-resfriamento na saída do
condensador e o superaquecimento na sucção, que tem como finalidade evitar a
entrada de líquido no compressor. Outra diferença importante é quanto ao processo
de compressão, sendo que no ciclo real é um processo de compressão politrópico
em substituição do processo isoentrópico do ciclo ideal. Devido a esta diferença a
temperatura de descarga do compressor pode ser muito elevada. Muitos outros
problemas de ordem técnica dependendo do sistema e das características de
operação podem introduzir diferenças significativas (COSTA, 2011).
Deve-se admitir que os processos de compressão ou expansão sem atrito
são muito difíceis de acontecer, embora processos isotérmicos possam ser
reproduzidos na prática. Uma maneira de obter estes últimos é a mudança de fase
(evaporação ou condensação) do refrigerante a pressão constante (STOECKER,
JABARDO, 2011).
4.1.10. Calor especìfico
Martinelli (2003) diz que o calor específico indica a quantidade de calor que
cada unidade de massa do corpo precisa receber ou ceder para que sua
temperatura possa variar em 1ºC. A figura 6 apresenta o calor específico de algumas
substâncias.

33
Figura 6: Calor específico das substâncias
Fonte: BSC INTERSERVICE, 2013
4.1.11. Refrigeração por meio de compressão de vapor
O ciclo de compressão de vapor é o mais utilizado tanto em refrigeração
doméstica como em grandes sistemas de refrigeração industrial. A figura 7 mostra o
esquema do ciclo de refrigeração por compressão a vapor.
Na figura 7, o fluido refrigerante em circulação entra em forma de vapor no
compressor, onde o vapor comprimido sai superaquecido do mesmo.
O vapor passa pelo condensador, onde perde calor, sendo transformado em
líquido. No estado de líquido subresfriado, passa pela válvula de expansão,
diminuindo a pressão rapidamente, ocasionando a evaporação parcial do líquido.
Conseqüentemente ocorre a mistura de líquido e vapor em pressões menores. Esta
mistura desloca-se por dentro da serpentina do evaporador refrigerando a água ao
redor do tubo e finalmente o vapor retorna ao compressor para completar o ciclo.
Figura 7: Esquema do ciclo de compressão de vapor
Fonte: STOECKER, 2011.

34
4.1.12. Transferência de calor
Sempre que um corpo está a uma temperatura maior que a de outro, ocorre
uma troca de energia da região de temperatura mais elevada para a mais baixa. De
acordo com este entendimento, é imprescindível conhecer os mecanismos de
transferência para entendimento dos princípios e aplicação dos fenômenos de
transferência de calor.
De acordo com Holmam (2010) enquanto a termodinâmica se baseia na
quantidade líquida de energia transferida chamada calor para sistemas em
equilíbrio, a ciência da transferência de calor não vai só explicar como este
fenômeno acontece, mas também, quantificá-lo sob mecanismos específicos. A
transferência de calor é uma ciência que estuda a forma com que o calor se
movimenta entre fontes e receptores, dado um gradiente de temperatura (KERN,
1987).
Resnick, Halliday e Krane (1996), conceituam cada meio de transferência de
calor como:
 Condução é o processo em que os átomos das extremidades mais quentes,
estão vibrando com grande amplitude, que são passadas a diante ao longo da
superfície sólida, por interações entre átomos adjacentes.
 Convecção ocorre quando um fluido está em contato com sua vizinhança. A
temperatura do fluido aumenta e ele se expande reduzindo sua densidade e
por empuxo ele sobe dando lugar ao fluido mais frio.
 Radiação é o fenômeno onde todos os objetos emitem radiação
eletromagnética devido a sua temperatura e também absorvem parte desta
radiação vinda de outros objetos, quanto maior a temperatura maior a
radiação.
 A figura 8 apresenta de forma simples os processos de transferência de calor,
onde o fogo gerado pela combustão da madeira gera radiação, a água dentro
da chaleira gera convecção e o cabo da frigideira conduz o calor da chapa
aquecida.

35
Figura 8: Mecanismo de transferência de calor
Fonte: GRIMM, 2013
4.1.13. Coeficiente Global de Transferência de Calor
Michels, Santos e Porte (20--), mostram que a transferência de calor nos
trocadores, apresentam resistências térmicas no percurso do fluxo de calor do fluido
quente para o frio. Estas resistências combinam-se para constituir um coeficiente de
transferência de calor global (U). Considerando as resistências térmicas de um duto
entre a corrente interna e externa, são consideradas as resistências térmicas das
correntes internas, material e corrente externa. Considerando que a soma das
resistências térmicas seja R, o fluxo de calor entre a corrente externa e interna e
através do tubo será o somatório das resistências, dado pela equação abaixo:
R =
1
𝐴𝑖𝑕𝑖
+
𝑡
𝐾𝐴𝑚
+
1
𝐴0𝑕0
(3)
Onde, A0, Ai são as áreas em m² das superfícies externas e interna,
Am =
𝐴0−𝐴𝑖
𝑙𝑛
𝐴0
𝐴𝑖
= média logarítmica da área, m²
Onde, hi, h0 = coeficiente de transferência de calor, da corrente interna e
externa, respectivamente, W/(m².ºC) e K = condutividade térmica do material do
tubo, W/(m.ºC).
Conforme Incropera e Dewitt (1998), o coeficiente global é a análise
essencial e freqüentemente mais imprecisa dos trocadores de calor. Este coeficiente
é a resistência térmica total entre a troca de calor de fluidos, ele é determinado
levando em conta a resistência condutiva e convectiva dos fluidos separados por
paredes planas ou cilíndricas e os resultados aplicam-se a paredes limpas e sem
aletas. A resistência à troca de calor aumenta com o trocador de calor em operação
sendo por relações químicas entre fluido e trocador de calor, ferrugem ou
decomposição de resíduos do fluido. Este efeito levantado determina o fator de

36
incrustação, (Ri), no qual o valor depende da velocidade do fluido, da temperatura e
tempo de trabalho. O coeficiente global de calor é determinado a partir do
conhecimento dos coeficientes de transferência de calor nos fluidos quente e frio dos
fatores de incrustação da superfície e de parâmetros geométricos apropriados. Na
tabela 1 são apresentados alguns coeficientes globais de transferência de calor.
Tabela 1: coeficiente global de transferência de calor
Descrição K(kcal/m².h.ºC)
Evaporador tubular inundado 244.15 – 732.45
Resfriador de salmora tubular afogado 146.49 – 488.30
Evaporador de água seco tubular, com Freon nos tubos
água na carcaça
244.15 – 561.55
Evaporador Baudelot, água, inundado 488.30 – 976.6
Evaporador Baudelot, água, seco 292.98 – 732.45
Evaporador de tubo duplo, água 244.15 – 732.45
Evaporador de tubo duplo, salmora 244.15 – 610.38
Evaporador de serpentina e carcaça 48.83 – 122.08
Evaporador de água, tubular de aspensão 732.45–1220.75
Fonte: MARTINELLI, 2013
4.2. Eficiência energética
É definida como a relação entre a energia mínima teórica necessária para
realizar uma operação e a energia realmente utilizada para a execução da mesma.
Essa definição é melhor compreendida com o uso da figura 9, que analisa um
sistema ineficiente (sistema na parte de cima da figura) com um sistema eficiente,
com duas situações hipotéticas variando-se a energia de entrada e o trabalho útil de
cada sistema (BLASQUES, 20--).

37
Figura 9: Exemplificação do conceito de eficiência energética
Fonte: BLASQUES, 20--.
Baseando no sistema eficiente da figura 9 e considerando que os
equipamentos, materiais e métodos utilizados estejam ideais, a eficiência global do
sistema é a maior possível e, devido a isso, a energia utilizada será a mínima
possível. Determina-se o conceito de eficiência energética apresentado como
apresentado na equação abaixo. Admite-se que, quanto mais próximo de 1 (100%)
estiver a eficiência energética, menos desperdício de energia ocorre e a energia
efetivamente utilizada está mais próxima da energia mínima requerida (BLASQUES,
20--).
𝜂 =
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠 á𝑟𝑖𝑎
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑓𝑒𝑡𝑖𝑣𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑚𝑝𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎
=
10
13,9
=
72
100
= 0,72 = 72% (4)
Analisando de uma maneira mais abrangente, a eficiência energética pode
ser definida como um conjunto de práticas que tenham como meta a redução de
custos com energia e o aumento da disponibilidade energética, sem incremento da
geração convencional. Em literaturas mais recentes são encontradas várias formas
de organização da eficiência energética. Este trabalho apresentará a organização da
seguinte forma:
 Eficiência da geração, transmissão e distribuição: práticas de caráter técnico
que visem a eficientização energética nos processos de geração, transmissão
e distribuição da energia, incluindo etapas de transformação;
 Eficiência dos usos finais de energia: práticas de caráter técnico que visem à
eficientização energética dos equipamentos de uso final de energia. Nesta

38
classe são incluídas readequações em projetos, substituição de
equipamentos, implementação de sistemas de otimização, dentre outros;
 Eficiência não-técnica: são práticas que estão relacionadas à gestão de
energia. O emprego do termo ‘não-técnica’ não significa que não exista
influência de termos técnicos, e sim que os processos inseridos para a
redução de desperdício ou estão diretamente relacionados à maneira de
utilização de energia, ou estão relacionados a técnicas bastante conhecidas
que tem como meta principal a redução de custos, como os reajustes de
contratos tarifários, geração própria no horário de ponta, em substituição à
geração convencional, e correção do fator de potência.
A figura 10 apresenta a sequência dos processos de conversão de energia.
Figura 10: Processos de conversão de energia e suas classes de eficiência energética
Fonte: BLASQUES, 20--

39
4.2.1 Benefícios da eficiência energética
A gama de benefícios da eficiência energética são inúmeros, sejam voltados
para o Brasil, para as empresas do setor energético ou para o consumidor final. Um
benefício global e que atinge todos os setores da sociedade em todo mundo é a
diminuição dos impactos no meio ambiente (BLASQUES, 20--).
De acordo com Cesar, (2005). Os principais benefícios da eficiência
energética para o país são:
 Eliminação ou adiamento da necessidade de expansão da oferta de energia;
 Garantia do suprimento de energia elétrica com maior confiabilidade;
 Redução de custos diretos e indiretos, uma vez que a redução de custos para
os consumidores e empresas resulta em redução de custos para o país.
Segundo Cesar (2005). Para o consumidor final, seja ele do setor
residencial, comercial ou industrial, os benefícios são:
 Eliminação de desperdícios e redução de custos;
 Otimização do desempenho dos equipamentos;
 Demonstração de atitude lógica e consciente na utilização de energia;
 Aumento dos níveis de conforto e segurança;
 Aumento da produtividade;
 Redução do desperdício de outros insumos, como a água.
4.2.2. Gestão da utilização da energia
Este tópico abordou a apresentação de potenciais de eficientização
energética de caráter não técnico, relativos à gestão de energia com intuito
predominantemente econômico e com o objetivo de reduzir custos com energia,
mesmo sem a substituição de um método ineficiente por outro mais eficiente. Alguns
exemplos desse tipo de gestão são reajustes de contratos tarifários, geração própria
no horário de ponta e correção do fator de potência.
Alguns autores diferenciam os termos eficientização e racionalização. O
primeiro termo se refere à implementação de um sistema eficiente que se mantém
independente da operação e é preciso um projeto de especificação e instalação. A
nomenclatura racionalização, por outro lado, está mais relacionado a estratégias de

40
gestão, necessitando de uma rotina para a sua operação, mesmo que algumas
delas sendo em intervalos de tempo mais longos. Normalmente estas ações
necessitam de um planejamento para alteração de rotinas como, por exemplo, o
desligamento programado de cargas em determinados horários (BLASQUES, 20--).
4.2.2.1 Tarifação
Para melhor compreensão das técnicas de economia mediante reajustes
tarifários, é de grande importância mencionar algumas definições relacionadas à
tarifação de energia elétrica. A maioria das definições mostradas podem ser
consultadas na resolução ANEEL nº 414/2010.
4.2.2.2 Definições
 Energia Elétrica ativa: energia elétrica que pode ser convertida em outra
forma de energia, expressa em kilowatts-hora (kWh).
 Energia Elétrica Reativa: energia elétrica que circula continuamente entre os
diversos campos elétricos e magnéticos de um sistema de corrente alternada,
sem produzir trabalho, expressa em quilovolt-ampere-reativo-hora (kVArh).
 Demanda: média das potências elétricas ativas (kW) ou reativas (kVAr),
solicitadas ao sistema elétrico pela parcela da carga instalada em operação
na unidade consumidora, durante um intervalo de tempo especificado.
 Demanda contratada: demanda de potência ativa (kW) a ser obrigatória e
continuamente disponibilizada pela distribuidora, no ponto de entrega,
conforme valor e período de vigência fixados no contrato de fornecimento e
que deve ser integralmente paga, seja ou não utilizada durante o período de
consumo.
 Demanda de ultrapassagem: parcela da demanda de potência ativa medida
(kW) que excede o valor da demanda contratada.
 Demanda medida: maior demanda de potência ativa (kW), verificada por
medição, integralizada no intervalo de 15 minutos durante o período de
faturamento.

41
 Limite de tolerância de demanda: limite acima do qual será aplicada a tarifa
de demanda de ultrapassagem, estabelecendo em 5% dos valores
contratados.
 Tensão primária de distribuição: tensão disponibilizada no sistema elétrico
da distribuidora com valores padronizados iguais ou superiores a 2,3 kV.
 Tensão secundaria de distribuição: tensão disponibilizada no sistema
elétrico da distribuidora com valores padronizados inferiores a 2,3 kV.
 Fator de carga: razão entre a demanda média e a demanda máxima da
unidade consumidora, ocorridas no mesmo intervalo de tempo especificado.
 Fator de potência: razão entre a energia elétrica ativa e a raiz quadrada da
soma dos quadrados das energias elétricas ativa e reativa, consumidas num
mesmo período especificado.
 Tarifa monômia de fornecimento: aquela que é constituída por preços
aplicáveis unicamente ao consumo de energia elétrica ativa.
 Posto tarifário ponta: período composto por 3 horas diárias consecutivas,
exceção feita aos sábados, domingos e feriados nacionais, definidas pela
distribuidora considerando as características do seu sistema elétrico. É
considerado o período em que o sistema elétrico encontra-se mais carregado,
com conseqüente aplicação de tarifas mais elevadas.
 Posto tarifário intermediário: período de horas conjugado ao posto tarifário
ponta, sendo uma hora imediatamente anterior e outra imediatamente
posterior.
 Posto tarifário fora de ponta: período composto pelo conjunto das horas
diárias consecutivas e complementares àquelas definidas nos postos ponta e
intermediário. Período em que o sistema elétrico encontra-se menos
carregado, com conseqüente aplicação de tarifas reduzidas.
 Período úmido: período de 5 ciclos de faturamento consecutivo referentes
aos meses de dezembro de um ano a abril do ano seguinte. É o período
considerado de maiores índices de chuvas, contribuindo para o aumento da
capacidade dos reservatórios de hidrelétricas. Conseqüência disto é a
aplicação de tarifas reduzidas.
 Período seco: período de 7 ciclos de faturamento consecutivos, referentes
aos meses de maio a novembro. É o período considerado de menores índices

42
de chuvas, contribuindo para a redução dos níveis dos reservatórios.
Conseqüência disto é a aplicação de tarifas mais elevadas.
4.2.2.3 Grupos de consumidores de energia
São divididos em grupo A e grupo B, segundo a tensão de fornecimento,
conforme apresenta a Tabela 2 (CESAR, 2005).
tabela 2: grupos e subgrupos divididos segundo a tensão de fornecimento e as classes de
atendimento
Grupo A Grupo B
Subgrupo Tensão de
fornecimento
Subgrupo Classe
A1 ≥230kV
B1 ResidencialA2 88 a 138 kV
A3 69 kV
B2 RuralA3a 30 a 44 kV
A4 2,3 a 25 kV B3 Demais Classes
AS <2,3 kV
(sistema subterrâneo) B4 Iluminação pública
4.2.2.4 Estrutura tarifária existentes
4.2.2.4.1 Tarifa convencional
Aplicadas em unidades consumidoras atendidas em tensão inferior a 69kV,
sempre que a demanda contratada for inferior a 300kW e inexistência de opção pela
estrutura horo-sazonal convencional segue os seguintes critérios:
 Demanda (kW): Preço único.
 Energia (kWh): Preço único.
4.2.2.4.2 Tarifa horo-sazonal verde
Aplicada em unidades consumidoras atendidas em tensão inferior a 69kV,
com demanda igual ou maior que 300kW. A tarifa horo-sazonal verde segue os
seguintes critérios:
 Demanda (kW): Preço único.

43
 Energia (kWh): Preço para ponta em período úmido; Preço para ponta em
período seco; Preço para fora de ponta em período úmido; Preço para fora de
ponta em período seco.
4.2.2.4.3 Tarifa horo-sazonal azul
Aplicada às unidades consumidoras atendidas em tensão igual ou superior a
69kV, atendidas pelo sistema elétrico interligado. Aplicada também à unidades
atendidas em tensão inferior a 69kV, com demanda igual ou superior a 300kW. A
tarifa horo-sazonal azul segue os seguintes critérios (BLASQUES, 20--):
 Demanda (kW): Preço para ponta; preço para fora de ponta.
 Energia (kWh): Preço para ponta em período úmido; preço para ponta em
período seco; preço para fora de ponta em período úmido; preço para fora de
ponta em período seco.
As modalidades tarifárias convencional binômia, horária azul e verde são
aplicadas de acordo com a estrutura resumida pela tabela 3.
Tabela 3: resumo de aplicação de valores por estrutura tarifária.
Modalidade Tarifária
Convencional
Binômia
Azul
Verde
Consumo
ativo
(kWh)
Um único valor, o
efetivamente
medido no período
de faturamento
Dois valores: um valor
para o horário de
ponta, e um valor
para o horário fora de
ponta
para o horário de
ponta, e um valor para
o horário fora de ponta
Demanda
de
Potência
(kW)
Um único valor, o
maior entre o
contratado e o
efetivamente
medido no período
de faturamento,
respeitando-se a
tarifa de
ultrapassagem
para o horário de
ponta, e um valor
para o horário fora de
ponta, os maiores
entre o contratado e o
efetivamente medido,
respeitando a tarifa de
ultrapassagem
Um único valor, o maior
entre o contratado e o
efetivamente medido
no período de
faturamento,
respeitando-se a tarifa
de ultrapassagem

44
4.2.3 Contratação
De acordo com Cesar (2005), o contrato de fornecimento de energia elétrica
entre a concessionária e o consumidor, deverá conter além das cláusulas
essenciais, outras que digam respeito a:
 Identificação do ponto de entrega.
 Tensão de fornecimento.
 Demanda contratada especificada por segmento horo-sazonal.
 Condições de revisão da demanda contratada.
 Data do inicio do fornecimento e prazo de vigência.
 Horário de ponta e fora de ponta.
 Condições de aplicação da tarifa de ultrapassagem.
 Critérios de rescisão.
O prazo de vigência do contrato deve ser estabelecido observando-se
seguintes aspectos:
 Na ausência de acordo diferente entre as partes, o contrato deve ser de 12
meses.
 Caso o consumidor não se manifeste com antecedência mínima de 180 dias,
o contrato pode ser prorrogado automaticamente por igual período.
4.2.3.1. Alteração da demanda contratada
Todas as solicitações de redução de demanda contratada devem ser
atendidas pela concessionária, desde que feitas com antecedência mínima de 180
dias.
Porém, se a solicitação da redução de demanda for por motivo de
implantação de medidas de conservação de energia, esta deve ser atendida
imediatamente, desde que satisfeitos os compromissos de investimento com a
concessionária.

45
4.2.3.2. Ultrapassagem da demanda contratada
Um dos objetivos da tarifa horo-sazonal é disciplinar o mercado, de forma
que o consumidor deve se precaver para que os valores de demanda medidos nos
segmentos horo-sazonais, na ultrapassem os valores contratados anteriormente.
A tarifa de ultrapassagem será aplicada somente se os valores medidos
ultrapassarem os valores de tolerância estabelecidos. Esses valores são:
 5% para unidades consumidoras atendidas em tensão igual ou superior a 69
kV.
 10% para unidades consumidoras atendidas em tensão inferior a 69kV.
Superado esses limites, cabe a aplicação da tarifa de ultrapassagem em toda
parcela que exceder a respectiva demanda contratada.
4.3. Motor elétrico
O motor elétrico é um conversor eletromecânico baseado em princípios
eletromagnéticos capaz de transformar energia elétrica em energia mecânica de
utilização. Desde então, os motores elétricos vêm sofrendo inúmeras melhorias,
evoluindo tecnologicamente através dos anos, devido a modificações em seu
projeto, construção e fabricação.
A figura 11 apresenta a evolução dos motores elétricos. Nesta, pode-se
notar a redução de massa que o motor elétrico vem sofrendo ao longo dos anos. Isto
se dá, devido ao desenvolvimento de novos isolantes elétricos, materiais com
melhores propriedades magnéticas e sistemas de ventilação mais eficientes
(ELETROBRÁS, 2003).

46
Figura 11: evolução dos motores elétricos (ELETROBRÁS, 2003)
4.3.1. Classificação
Os motores elétricos são divididos em dois grandes grupos
 Corrente continua.
 Corrente alternada.
A figura abaixo apresenta a classificação dos motores elétricos (MAMEDE,
1997):
Figura 12: classificação dos motores elétricos
Fonte: keppemotor, 2017

47
4.3.2. Motores de indução (assíncronos)
Os motores assíncronos de indução podem ser de anéis (rotor bobinado) ou
rotor em gaiola.
4.3.3. Motor de indução de anéis
O motor de anéis é constituído de um rotor envolvido por bobinas interligadas
com os terminais conectados a anéis presos ao eixo, isolados eletricamente deste e
entre si e ligados a uma resistência trifásica que possui um cursor rotativo. As
resistências são utilizadas somente durante a partida do motor e quanto maior o seu
valor, maior será o torque de partida desenvolvido pelo motor.
4.3.4. Motor de indução em gaiola
O motor de indução com rotor em gaiola é o mais empregado atualmente
nas indústrias.
Seu rotor é formado por um conjunto de barras interligadas através de anéis
condutores, tendo como característica, operação em velocidade praticamente
constante, variando ligeiramente, de acordo com a carga aplicada ao eixo.
O funcionamento do motor de indução baseia-se no principio de formação do
campo magnético girante, produzido no estator devido à passagem de corrente
elétrica em suas bobinas, cujo fluxo, por efeito de sua variação, se desloca em torno
do rotor gerando nestas correntes induzidas que tendem a se opor ao campo
girante, sendo, no entanto, arrastado por ele (MAMEDE, 1997).
Se o motor estiver em vazio, o rotor desenvolve uma velocidade angular
próxima à do campo girante, velocidade esta que diminui à medida que se aciona
carga mecânica ao eixo.
A diferença entre as velocidades síncrona e a do rotor é denominada de
escorregamento, e pode ser determinada de acordo com a expressão 5 (MAMEDE,
1997).
S =
𝑛𝑠−𝑛
𝑛𝑠
x100 (5)
Onde:

48
s = escorregamento [%];
ns = rotação síncrona [rpm];
n = rotação nominal [rpm].
4.3.5. Principais perdas
Sendo o motor elétrico um conversor de energia baseado em princípios
eletromagnéticos, é impossível que esta conversão seja perfeita, devido a uma série
de perdas que ocorrem no interior da máquina. Essas perdas são apresentadas na
figura 13 (ELETROBRÁS, 2003).
Figura 13: Principais perdas em um motor elétrico de indução
Fonte: ELETROBRÁS, 2003.
4.3.6. Condições de operação
4.3.6.1 Elevação de temperatura
As perdas no motor elétrico podem ser representadas pela diferença entre a
potência de entrada e a potência realmente utilizada para realizar trabalho.
A dissipação de calor no motor ocorre através da carcaça para o ar do
ambiente. Se o motor for fechado, essa dissipação acontece através do ventilador
conectado no eixo do motor. Entretanto, para que seja dissipado o máximo de calor
possível, se faz necessário que o motor tenha uma estrutura adequada para dissipar
calor, possibilitando uma melhor ventilação trocando o calor de sua superfície com o
ar do ambiente.
Um sistema que tem um resfriamento eficiente é aquele que dissipa uma
quantidade maior de calor em uma menor área de dissipação (MAMEDE, 1997).

49
Figura 14: Percentual de redução de potência em função da temperatura ambiente
Fonte: NBR 7094, 1996
4.3.6.2 Classes de isolação
O limite de cada classe de isolação aplicado em enrolamentos de motores
elétricos, dependente do material que está sendo utilizado.
De acordo com a NBR 7094 (1996), os materiais isolantes são agrupados
em classes de temperatura, cada uma definida pelo valor da temperatura limite.
As respectivas classes de temperatura são apresentadas na figura abaixo.
Figura 15: Classes de temperatura
Fonte: NBR 7094, 1996

50
4.3.6.3 Vida útil
A vida útil do motor elétrico depende das condições da isolação, fator este
extremamente afetado pela temperatura, umidade e corrosão.
Alguns estudos demonstram que um aumento de 8 a 10 graus acima da
temperatura máxima permissível é suficiente para reduzir a vida útil do motor pela
metade (WEG, 2003) (ELETROBRÁS,2003).
No quesito de temperatura de regime permanente, a vida útil da isolação do
motor elétrico vai se exaurindo, quando existe um envelhecimento gradual e um
conseqüente ressecamento do material, fazendo com que este perca suas
propriedades isolantes e não suporte mais a tensão aplicada, produzindo um curto
circuito e queima do motor.
A análise da temperatura do enrolamento de um motor elétrico pode ser feita
através de termopares. Entretanto, existe uma incerteza se o ponto escolhido para a
medição se encontra próximo ou não do ponto de maior aquecimento do motor.
Existem métodos de medição de temperatura de motores elétricos mais
detalhados, que são realizados somente em ensaios de motores, onde se consegue
determinar a temperatura do enrolamento através da medição de sua resistência
elétrica, antes e após o seu funcionamento.
4.3.7 Análise de viabilidade econômica
Existem muitos tipos de análise econômica que podem ser feitas, as quais
se baseiam em diferentes pontos de vista e com diferentes objetivos. As conclusões
e decisões que serão tomadas serão também baseadas em um determinado tipo de
análise. Cada tipo de análise objetiva determina um certo parâmetro que será usado
para a tomada de decisão. O tipo de análise a ser utilizado para a decisão também
depende do ponto de vista adotado (consumidor, concessionária, terceiro, etc.). As
análises visam determinar os seguintes fatores; tempo de retorno (simples e
capitalizado), economia mensal gerada pela aquisição de um controle que diminua o
consumo de energia, custo de energia consumida ao logo da vida útil, custo da
energia economizada, etc. A seguir é descrita a forma de determinação das
principais variáveis da análise econômica. A análise nesse trabalho considerou a
comparação de um motor operando em malha aberta e o mesmo motor sob a

51
influência de um controle. Os dados utilizados para a análise econômica foram
baseados nas leituras obtidas com o analisador de energia RE 4000 da
EMBRASUL®.
4.3.7.1 Economia mensal de energia
Para se calcular a economia mensal de energia, primeiramente precisa-se
obter o fator de carga do motor elétrico. Para determinar o fator de carga do motor é
necessário obter as informações da potência nominal e da potência ativa consumida
do motor, neste trabalho utilizou-se o analisador de energia RE4000 da Embrasul
para se obter a potência consumida:
𝐹𝐶 =
𝑃𝑎
𝑃𝑢
(6)
Onde:
FC = fator de carga;
𝑃𝑎 = potência ativa consumida pelo motor (kW);
𝑃𝑢 = potência nominal disponível no eixo do motor (kW).
Obtido o fator de carga do motor, é possível obter a potência ativa total
consumida pelo motor, e para isso utiliza-se a seguinte fórmula:
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎1 =
𝑃∗𝐹𝐶∗𝑕∗0,746
𝜂
(kW/h) (7)
Onde:
𝑃 = é a potência do motor em HP;
FC = Carregamento do motor;
h = tempo medido em horas;
𝜂 = rendimento do motor
Se o motor apresentar um fator de carga menor que 75% se faz necessária
a troca do mesmo. Para se obter uma potência nominal adequada para motor utiliza-
se a seguinte fórmula:
𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑃 ∗ 𝐹𝐶 (8)
Onde:
𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = potência do motor em CV;
A partir disso, escolhe-se um motor adequado com potência nominal
imediatamente superior ao mesmo. Em seguida calcula-se o carregamento do novo

52
motor, dada pela relação entre a potência real consumida e a potência nominal do
novo motor.
𝐹𝐶𝑛𝑜𝑣𝑜𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 =
𝑃𝑎
𝑃𝑢 _𝑛𝑜𝑣𝑜𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
(9)
𝐹𝐶 𝑛𝑜𝑣𝑜𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = fator de carga do novo motor;
𝑃𝑎 = potência ativa consumida pelo motor (kW);
𝑃𝑢_𝑛𝑜𝑣𝑜𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = potência nominal disponível no eixo do novo motor (kW).
Portanto, a potência ativa total consumida pelo novo motor pode ser
calculada usando a mesma equação:
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎2 =
𝑃∗𝐹𝐶 𝑛𝑜𝑣𝑜𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 ∗𝑕∗0,746
𝜂 𝑛𝑜𝑣𝑜𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
(kW/h) (10)
Onde:
𝑃 = é a potência do motor em HP;
𝐹𝐶𝑛𝑜𝑣𝑜𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = Carregamento do novo motor;
h = tempo medido em horas;
𝜂 𝑛𝑜𝑣𝑜𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = rendimento do motor
Assim, pode-se calcular a economia de energia através da diferença entre o
consumo dos dois motores.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑐𝑜 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎1 − 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎2 (11)
Onde:
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑐𝑜 = Energia economizada (kWh);
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎1 = Energia consumida pelo motor analisado (kWh);
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎2 = Energia consumida pelo novo motor (kWh);
E também, a economia financeira
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑐𝑜
𝑥 𝑡𝑎𝑟𝑖𝑓𝑎 (12)
Onde:
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 = Valor monetário da economia (R$);
𝑇𝑎𝑟𝑖𝑓𝑎 = taxa cobrada pela concessionária de energia elétrica pelo kWh (R$);
4.4. Análise dos parâmetros elétricos do circuito equivalente do motor de
indução
Nessa seção serão abordados dois métodos para se encontrar os
parâmetros elétricos do circuito equivalente do motor de indução, sendo dada ênfase

53
apenas para um deles, pois apenas um método será utilizado no trabalho, uma vez
que todas as análises posteriores se basearão nesses parâmetros.
Os métodos desenvolvidos nesta seção são aproximados, mas com
bastante aceitação no assunto uma vez que os resultados são rápidos e confiáveis.
4.4.1. Desenvolvimento a partir dos dados de placa do motor
Esse método descreve como encontrar os parâmetros procurados utilizando
apenas dados de placa do motor de indução e algumas considerações a serem
explanadas a seguir (REZENDE; BISPO, 2009).
Figura 16: circuito equivalente do motor de indução
Fonte: REZENDE; BISPO, 2009.
Para iniciar o estudo, a elaboração e um fluxo de potência facilitará bastante
o entendimento e visualização das equações descritas nesse processo.
A figura 17 mostra como é esquematizado a distribuição de potência no
motor de indução, desde a potência de entrada até a potência disponibilizada no
eixo.
Figura 17: Fluxo de potência no motor de indução
Fonte: CHAPMAN, 2013.

54
Observando o fluxo de potência acima, conclui-se que as perdas totais no
motor pode ser dada pela potência de entrada da rede menos a potência mecânica
no eixo do motor. Isso pode ser representado pela equação 13:
∆𝑃𝑡 = 3𝑉𝑡 𝐼𝐿 𝑐𝑜𝑠𝜑 − 𝑃𝑢 ∗ 746 (13)
Onde:
∆𝑃𝑡 − Perdas totais no motor;
𝑉𝑡 − Tensão terminal do motor;
𝐼𝐿 − Corrente de entrada no motor;
𝑐𝑜𝑠𝜑 − Fator de potência;
𝑃𝑢 − Potência nominal do motor.
A partir de agora temos a primeira estimativa do método, baseado em
REZENDE, 2009. Supõe-se que as perdas mecânicas são iguais a metade das
perdas elétricas. Com isso é possível escrever a seguinte equação:
∆𝑃 𝑀𝑒𝑐 =
∆𝑃𝑡
2
(14)
Onde:
∆𝑃 𝑀𝑒𝑐 − Perdas mecânicas.
Se baseando pelo diagrama do fluxo de potência, determina-se que a
potência convertida que é a soma das potências nominal entregue pela máquina
mais a parcela de potência que é perdida nas perdas mecânicas, equacionando o
que foi exposto, temos:
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑣 = ∆𝑃 𝑀𝑒𝑐 + 𝑃𝑢 (15)
Seguindo adiante na análise, é preciso conhecer qual parcela de corrente
fornecerá potência ativa e o quanto irá para magnetização da máquina. Essas
parcelas são mostradas no circuito equivalente do motor ajudando a melhor
compreender a explicação.
Essas correntes são obtidas pelas expressões abaixo:
𝐼𝑟 = 𝐼𝐿 𝑐𝑜𝑠𝜑 (16)
𝐼 𝑚 = 𝐼𝐿 𝑠𝑒𝑛𝜑 (17)
Onde:
𝐼𝑟 − Corrente do rotor;
𝐼 𝑚 − Corrente de magnetização.

55
Dando continuidade ao equacionamento percebe-se que a potência
convertida é a potência transferida através do entreferro menos as perdas no rotor,
em forma de equação temos:
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑣 = 𝑃𝐴𝐺 − ∆𝑃𝑡 (18)
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑣 =
3𝑟 𝑟 1−𝑠
𝑠
𝐼𝑟
2 (19)
Onde:
𝑃𝐴𝐺 − Potência no entreferro;
𝑟𝑟 − Resistência do rotor;
𝑠 −escorregamento.
Com essas equações apresentadas pode-se começar a manipular e
desenvolver expressões para encontrar os parâmetros elétricos do motor.
Para encontrar a resistência no rotor temos:
𝑟𝑟 =
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑣 ∗𝑠
3𝐼𝑟
2 1−𝑠
(20)
Obtido o valor da resistência do rotor é possível calcular as perdas
provocadas pelo aquecimento, ou seja, o efeito Joule no rotor da máquina, para isso
utiliza-se a expressão abaixo:
𝑃𝑟𝑐𝑙 = 3𝑟𝑟 𝐼𝑟
2 (21)
Onde:
𝑃𝑟𝑐𝑙 − Perda no cobre do rotor.
Neste ponto é preciso fazer a segunda consideração para dar continuidade
ao equacionamento, onde a perda mecânica é igual a soma das perdas variáveis
com a carga na condição de rendimento máximo (REZENDE 2009). Transformando
isso em equação, temos:
∆𝑃 𝑀𝑒𝑐 = 𝑃𝑠𝑐𝑙 + 𝑃𝑟𝑐𝑙 (22)
Onde:
𝑃𝑠𝑐𝑙 − Perda no cobre do estator.
Reorganizando essa equação, as perdas no estator podem ser calculadas
desta maneira:
𝑃𝑠𝑐𝑙 = ∆𝑃 𝑀𝑒𝑐 − 𝑃𝑟𝑐𝑙 (23)
Com o valor das perdas Joule no estator, podemos encontrar o valor da
segunda variável de interesse, a expressão a seguir mostra como encontrar o valor
da resistência do estator:

56
𝑟𝑠 =
𝑃 𝑠𝑐𝑙
3𝐼 𝐿
2 (24)
Obtidos os valores das resistências, resta então encontrar os valores das
reatâncias do circuito equivalente que se almeja encontrar.
Nesse contexto e com conhecimentos básicos em circuitos elétricos, a
reatância de magnetização pode ser encontrada da seguinte forma:
𝑋 𝑚 =
𝑉 𝐿
3𝐼 𝑚
(25)
Onde:
𝑋 𝑚 − Reatância de magnetização.
Voltando a teoria de motores de indução e de ensaios de rotor bloqueado,
conclui-se que a impedância de rotor bloqueado pode ser escrita como:
𝑍 𝑏𝑙 =
𝑉 𝐿
3𝐼 𝑝
(26)
Onde:
𝑍 𝑏𝑙 − Impedância de rotor bloqueado.
𝐼 𝑝 − Corrente de pico.
Aplicando a teoria dos circuitos elétricos novamente, calcula-se a indutância
de rotor bloqueado, cuja formula é apresentada a seguir:
𝑋 𝑏𝑙 = 𝑍 𝑏𝑙
2
− (𝑟𝑠 + 𝑟𝑟)² (27)
Onde:
𝑋 𝑏𝑙 − Reatância de rotor bloqueado.
Para muitos casos que necessitam desses parâmetros, esses resultados já
são suficientes, mas quando se precisa separar a indutância de rotor bloqueado,
utiliza-se de uma relação válida para quando as constantes de tempo do rotor e
estator são iguais.
𝑟𝑠
𝑋𝑠
=
𝑟𝑟
𝑋𝑟
=
𝑟 𝑏𝑙
𝑋 𝑏𝑙
(28)
E para finalizar, a reatância no rotor é encontrada da seguinte forma:
𝑋𝑟 = 𝑋𝑏𝑙 − 𝑋𝑠 (29)
Com isso, é possível encontrar todos os parâmetros elétricos do circuito
equivalente do motor de indução somente utilizando os dados de placa do motor,
sem a utilização de ensaios.
Essa técnica é muito utilizada em situações em que é necessário realizar os
testes no motor, mas o mesmo não pode parar de funcionar, ou não possuem os

57
recursos necessários para a instrumentação (REZENDE, 2009), sendo os dados de
placa a única informação necessária para prosseguir no estudo.
4.4.2. Desenvolvimento a partir dos ensaios laboratoriais
Outra maneira de se obter os parâmetros do circuito equivalente do motor de
indução é através de alguns ensaios clássicos da engenharia elétrica. Lembrando
que esse método também é aproximado, pois utiliza equações desenvolvidas no
método anterior para substituir variáveis encontradas nos ensaios mencionados.
Este tipo de ensaio terá uma explicação superficial, pois não é o alvo desse trabalho.
4.4.2.1. Ensaio a vazio
Neste ensaio, aplica-se tensão nominal no motor, e medem-se as correntes
em cada fase e depois obtêm-se a média geométrica entre elas. Além da corrente a
vazio, é medido o valor da potência a vazio, utilizando o método dos dois
Wattímetros (CHAPMAN, 2013).
4.4.2.2. Medição da resistência do estator
Esse ensaio pode não ser muito comum igual aos já mencionados, mas seu
entendimento é fácil. Consiste em obter alguns valores para então poder se calcular
o valor da resistência do estator, ou seja, aplica-se uma tensão continua para cada
combinação de duas fases, medindo então os valores de tensão e corrente a cada
par de combinação. Assim pela Lei de Ohm é possível saber o valor da resistência
em cada par de fases.
4.5. Matlab
Neste tópico será apresentado os recursos utilizados no MATLAB para
facilitar a análise dos processos comentados nos tópicos anteriores, viabilizando
uma melhor compreensão do assunto abordado.

58
4.5.1. Simulink
O simulink é um pacote do MATLAB, utilizado para modelar, simular e
analisar sistemas dinâmicos. Suporta sistemas lineares e não lineares modelados
em tempo contínuo ou discreto.
Para modelar, o simulink possui uma interface gráfica com o usuário para
construir modelos utilizando um diagrama de blocos através de operações de clicar
e arrastar diretamente do mouse (SILVA; SALES, 2016).
Possui uma biblioteca pré-definida de blocos e possibilita que outras
bibliotecas possam ser adicionadas para uma sincronização entre outros
dispositivos. Neste trabalho, a biblioteca ARDUINO I/O foi adicionada a biblioteca do
simulink para comunicação com a placa ARDUINO.
ARDUINO IO é uma biblioteca do MATLAB voltada para aquisição e síntese
de sinais analógicos compatíveis com diversos hardwares de aquisição de sinais.
Através desse biblioteca é possível fazer leitura de sinais analógicos diretamente
dentro do MATLAB, permitindo diversas configurações como freqüência de
amostragem, número de pontos a serem lidos e configurações em hardware para
início da aquisição.
Figura 18: Biblioteca do Arduino IO

59
4.5.2. Graphical User Interface (GUI)
É usado para elaboração de uma interface gráfica, na qual o usuário entrará
com os dados do projeto e dos materiais que deseja utilizar e, posteriormente, a
realização dos cálculos para elaboração dos índices de mérito de cada material.
A GUI do MATLAB dispõe de todos os recursos gráficos essenciais para
criação de interfaces gráficas, desde as mais simples até as mais complexas, porém
mantendo um display simples. Com o domínio da programação computacional, o
programador tem a possibilidade de trabalhar na versão utilizada para este trabalho,
que contém 14 funções gráficas como botões push-pull, slider, check Box, radio
Button, Edit text, static text, list Box, pop up menu, table, entre outros.
Cada botão específico exprime uma função que possui um script próprio
exibido quando clicado em M-file editor no menu superior da janela GUI. Por meio
desse script, o programador consegue inserir ou alterar funções para seu programa
(SOUZA et al, 2017).
Figura 19: tela inicial do GUI

60
4.5.2.1. Interface proposta programada no GUI
Depois de calculados os parâmetros elétricos do motor baseado nos
parâmetros elétricos fornecidos pelos dados de placa, no tópico anterior, utilizou-se
o GUI para calcular as características e desempenho do motor de indução trifásica
elaborou-se no GUI uma interface onde é possível verificar as curvas características
do motor assim como as variáveis elétricas (corrente, fator de potência) e variáveis
mecânicas (escorregamento, rendimento e torque).
Esta interface foi elaborada por Hadi Saadat, professor de Engenharia na
escola de Engenharia de Milwaukee, em 2012.
Figura 20: Interface elaborada no GUI para calcular as características e desempenho do motor
Legenda:
1 – Espaço destinado para informar o valor de tensão fornecido pela rede elétrica;
2 – Espaço destinado para informar a frequência elétrica da rede;
3 – espaço destinado para informar o número de pólos do motor;
4 – espaço destinado para informar a resistência no estator;
5 – espaço destinado para informar a reatância no estator;
6 – espaço destinado para informar a resistência no rotor;
7 – espaço destinado para informar a reatância no rotor;
8 – espaço destinado para informar as perdas no núcleo;
9 – espaço destinado para informar a reatância de magnetização;
10 – espaço destinado para informar o escorregamento do motor;
11 – espaço destinado para informar as perdas rotacionais do motor;
12 – botão de interação para calcular as características e performance do motor;
13 – botão para auxiliar na informação dos parâmetros do motor;
14 – sair da interface.

61
4.6. Sistema de Controle
4.6.1. Controle on-off
A Ação de controle on-off (ou liga e desliga) é utilizada quando o processo
permite uma oscilação contínua da variável controlada em torno do ponto de ajuste.
A saída do controlador muda de ligada para desligada, ou vice e versa, a medida
que o sinal do erro passa pelo ponto de ajuste (ou setpoint). O elemento final de
controle é uma válvula do tipo solenóide, que assume somente uma das duas
posições possíveis: aberta ou fechada.
Figura 21: controle on-off
O sinal de controle 𝑢(𝑡) pode assumir apenas dois valores, conforme o erro
seja positivo ou negativo. Em outras palavras tem-se:
𝑢 𝑡 =
𝑈1 𝑠𝑒 𝑒 𝑡 > 0
𝑈2 𝑠𝑒 𝑒 𝑡 < 0
(30)
Este tipo de função pode ser implementada como um simples comparador
ou mesmo um relé físico. Na presença de ruídos, teríamos chaveamentos
indesejados quando o sinal for próximo de zero, para evitar esse tipo de problema,
utiliza-se o controlador liga e desliga com histerese mostrado na figura 22.
Figura 22: histerese

62
com este tipo de controlador temos o seguinte comportamento:
 Se 𝑢 𝑡 = 𝑈1, é necessário que o valor de 𝑒(𝑡) fique abaixo de −𝐸2(𝑡) para
que haja um chaveamento para 𝑈2.
 Se 𝑢 𝑡 = 𝑈2, é necessário que o valor de 𝑒(𝑡) fique acima de −𝐸1(𝑡) para
que haja um chaveamento para 𝑈1.
O gráfico da figura 23 mostra a curva de resposta em malha fechada e o
respectivo sinal de controle para um sistema com controlador on-off com histerese.
Perceba que, em regime permanente, a saída do sistema apresenta uma oscilação
em torno do valor de referência. Este fato denota a baixa precisão obtida com este
tipo de controlador. A amplitude e a frequência da oscilação são funções do intervalo
(𝐸1,𝐸2). A determinação deste intervalo deve ser feita levando-se em consideração a
precisão desejada, os níveis de ruído e a vida útil dos componentes.
Figura 23: controle on-off – saída do modelo e sinal de controle
4.6.2. Model Reference Adaptive System (MRAS)
O sistema adaptativo de modelo de referência (MRAS) é um importante controlador.
Ele pode ser considerado como um sistema servo adaptativo no qual a desempenho
desejado é expresso em termos de um modelo de referência, que dá a resposta
desejada para o sinal de comando. Essa é uma maneira conveniente de dar

63
especificações para um servo-problema. Um diagrama de blocos do sistema é
mostrado na figura a seguir, o sistema tem uma única realimentação composta do
processo e do controlador e outro tipo de realimentação que muda os parâmetros do
controlador. Os parâmetros são mudados na base da realimentação a partir do erro,
que é diferença entre a saída do sistema e a saída do modelo de referencia. A única
realimentação é chamada de realimentação interna e a realimentação de ajuste do
parâmetro é chamado de realimentação externa. O mecanismo para ajustar os
parâmetros em um MRAS pode ser obtido de duas maneiras: usando o método do
gradiente ou usando a teoria da estabilidade (ÅSTRÖM; WITTENMARK, 1995).
4.6.2.1 A regra MIT (MIT RULE)
É originalmente derivada do controle adaptativo por modelo de referência. O
nome MIT é derivado do fato que isso foi desenvolvido no laboratório de
instrumentação no MIT (Massachussets Institute of Technology).
Para apresentar a regra MIT, considerou-se um sistema em malha fechada,
cujo o controlador tem um parâmetro ajustável θ. A resposta desejada em malha
fechada é especificada por um modelo cuja a saída é 𝑦 𝑚 . Sendo 𝑒 o erro entre a
saída 𝑦 do modelo. Uma possibilidade é ajustar os parâmetros de tal maneira que a
função custo seja minimizada (ÅSTRÖM; WITTENMARK, 1995).
𝐽 𝜃 =
1
2
𝑒² (31)
Para fazer 𝐽 menor, é razoável mudar os parâmetros na direção do gradiente
negativo de 𝐽, que é:
𝑑𝜃
𝑑𝑡
= −𝛾
𝜕𝐽
𝜕𝜃
= −𝛾𝑒
𝜕𝑒
𝜕𝜃
(32)
Essa é regra MIT, derivada parcial do erro em função dos parâmetros
𝜕𝑒
𝜕 𝜃
,
que é chamada derivação de sensibilidade do sistema, e mostra como o erro é
influenciado pelo ajuste dos parâmetros. Caso os parâmetros do sistema variem
mais devagar que outras variáveis do sistema, logo a derivativa
𝜕𝑒
𝜕 𝜃
pode ser avaliada
considerando que 𝜃 é constante (ÅSTRÖM; WITTENMARK, 1995).
Existem muitas alternativas para a função custo apresentada anteriormente,
caso seja admitido que:

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