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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA

PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA – PIBIC: CNPq, CNPq/AF, UFPA,

UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PARD, PIAD, PIBIT, PADRC E FAPESPA

RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO Período: SETEMBRO/2016 a JANEIRO/2017 (X) PARCIAL ( ) FINAL IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO

Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinculado o Plano de Trabalho): Sistema de Gestão das Unidades Consumidoras de Energia Elétrica da Cidade Universitária Prof. José da Silveira Neto Nome do Orientador: Carminda Célia Moura de Moura Carvalho Titulação do Orientador: Doutora Faculdade: Faculdade de Engenharia Elétrica e Biomédica (FEEB) Instituto/Núcleo: Instituto de Tecnologia (ITEC) Laboratório: Laboratório de Tecnologias Avançadas em Iluminação e Instalações Elétricas do CEAMAZON Título do Plano de Trabalho: Análise Comparativa Envolvendo a Utilização de Chaves Convencionais e de Chave Soft Starter para a Partida de Motores Assíncronos

Nome do Bolsista: Nilton Felipe Pinheiro Rosendo Tipo de Bolsa: ( ) PIBIC/ CNPq ( ) PIBIC/CNPq – AF ( )PIBIC /CNPq- Cota do pesquisador ( X ) PIBIC/UFPA ( ) PIBIC/UFPA – AF

( ) PIBIC/ INTERIOR ( )PIBIC/PARD

( ) PIBIC/PADRC ( ) PIBIC/FAPESPA

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INTRODUÇÃO

Motores de Indução Trifásicos são largamente usados em setores industriais, nos quais se faz necessária a conversão de energia elétrica em mecânica. O uso em larga escala deste motor está associado com suas características construtivas robustas, facilidade na manutenção, adaptação a situações diversas e custo de operação inferior quando comparados a outros tipos de motores quando bem dimensionado. A partida direta de tais equipamentos gera consequências negativas ao circuito de potência ao qual o mesmo está conectado, como por exemplo, queda de tensão no sistema e elevada solicitação de condutores e equipamentos de comando devido a corrente de pico (Ip) na partida (CHAPMAN, 2013).

Para que as partidas de motores sejam mais eficientes, são utilizadas técnicas e equipamentos que suavizam esses procedimentos na rede e dão maior vida útil ao motor. Amplamente utilizados nas indústrias, ferramentas como chaves de partidas controladas por microprocessadores, inversores ou soft starter suavizam o processo de partida. Empregando soft starter para partida do motor é possível a diminuição da tensão inicial aplicada, a qual pode ser aumentada gradualmente até que atinja o valor nominal, dessa forma fazendo com que haja menos exigência de energia da rede para acelerar a carga.

Assim como o método de partida através de chave Soft Starter, outros métodos mais modernos e eficientes podem ser estudados, como os sistemas de partidas utilizando CLPs e inversores, os quais possuem finalidades comuns, porém robustez e capacidades não tão comuns um ao outro. A fim de comprovar a eficiência dos métodos de partida, pretende-se confrontar os resultados obtidos através de medições considerando a partida suave e métodos de partida convencionais.

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JUSTIFICATIVA

As chaves de partida controladas por microprocessadores, inversores ou soft starter, vêm sendo largamente adotadas pelas indústrias para partida suave de motores de indução trifásicos. Com esses equipamentos, é possível reduzir a tensão inicial aplicada, aumentando gradualmente a sua magnitude até atingir o valor nominal. Dessa forma, o torque e a corrente de partida podem ser regulados de forma a solicitar da rede o valor mínimo de energia necessário para acelerar a carga. As chaves soft starter, por exemplo, evitam as elevadas solicitações impostas aos equipamentos de comando e aos enrolamentos do motor durante a partida, contribuindo para aumentar a vida útil dos mesmos. Além disso, oferecem proteção contra falta de fase, subcorrente e sobrecorrente, além de monitorar a temperatura interna do motor contra ajustes inadequados de parâmetros.

As chaves soft starter possuem ainda a função economia de energia, que reduz a tensão aplicada ao motor após a partida, dependendo do nível de carregamento do mesmo. Esse procedimento, segundo os fabricantes, contribui para melhorar o fator de potência, embora introduza maiores níveis de harmônicos, devido à abertura do ângulo de condução dos tiristores.

Para estabelecer parâmetros de comparação, serão realizadas medições acionando-se o motor considerando-se vários níveis de carregamento, pois a potência reativa absorvida por um motor de indução aumenta muito levemente desde a sua partida até a operação a plena carga. No entanto, a potência ativa absorvida da rede cresce proporcionalmente ao carregamento do motor e aumento da corrente. Esse comportamento resulta em variações no fator de potência e no rendimento do motor desde a operação a vazio até a plena carga.

Por outro lado, a Resolução Normativa nº414 da Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, em seu artigo 95, estabelece que o limite mínimo permitido para o fator de potência das unidades consumidoras deve ser de 0,92. Em virtude do exposto, tendo em vista as melhorias que o setor elétrico exige a fim de que sejam atendidos os requisitos de conservação e de qualidade de energia nas instalações, e considerando ainda as campanhas governamentais de incentivo à utilização de equipamentos de alta eficiência, é imperativo que sejam desenvolvidos estudos levando em consideração os aspectos de qualidade e eficiência energética dos sistemas de uso final, entre eles os motores de indução largamente empregados nas indústrias.

Nesse sentido, a presente proposta pretende fornecer uma contribuição aos estudos e análises que vêm sendo desenvolvidos a fim de avaliar o impacto provocado pela utilização dos diversos sistemas de partida de motores nas redes de distribuição. O estudo prevê a realização de testes de laboratório envolvendo diferentes carregamentos do motor e a coleta de dados (tensão, corrente, fator de potência e de deslocamento, distorções harmônicas) para análise comparativa de desempenho.

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OBJETIVOS

O objetivo desta proposta nos primeiros seis meses foi estudar as características de partida dos motores de indução, bem como estudar as características da carga acionada (freio magnético), a fim de determinar os parâmetros para determinação da curva de conjugado versus velocidade do motor e da carga. As análises experimentais futuras envolverão a realização de medições utilizando um Analisador de Qualidade de Energia e uma bancada didática de instalações elétricas, onde serão testados diferentes formas de partida e vários níveis de carregamento do motor, a fim de comprovar a sua contribuição para a conservação e qualidade da energia elétrica.

Em função do exposto, pretendeu-se nos primeiros seis meses:

1. Realizar uma consolidação teórica inicial, a fim de que se pudesse obter um maior domínio acerca dos assuntos que envolvem as partidas de motores e o seu acionamento por chaves convencionais e soft starter;

2. Estudar as características de partida dos motores em função do tipo e categoria do motor;

3. Determinar experimentalmente as curvas de conjugado do motor e da carga.

MATERIAIS E MÉTODOS

A fim de alcançar os objetivos propostos nessa primeira etapa, inicialmente foram realizados testes em um motor de indução trifásico com o intuito de extrair cinco parâmetros: resistência e reatância do rotor, resistência e reatância do estator e reatância de magnetização. Esses parâmetros foram obtidos a partir dos testes de rotor bloqueado e de ensaio a vazio realizados no motor.

No teste de rotor bloqueado foi utilizada uma fonte de tensão e frequência variáveis com finalidade de fazer com que a magnitude da tensão fosse elevada aos poucos, enquanto a frequência foi mantida a 60Hz. O rotor estava mecanicamente bloqueado e as fases sendo analisadas pelo equipamento de coleta de dados. Esse teste forneceu parâmetros que serviram para calcular a resistência do rotor, a reatância do rotor e a reatância do estator. No teste de ensaio a vazio a tensão da fonte foi gradualmente sendo elevada, e quando o motor entrou em regime permanente, a tensão nominal foi aplicada. Assim como no ensaio de rotor bloqueado, as fases ficaram sendo monitoradas pelo analisador de energia. O objetivo desse ensaio é obter a corrente de magnetização, a qual é utilizada para levantamento da curva conjugado x velocidade do motor. Para a obtenção da resistência do estator é necessário que seja realizado o teste de corrente contínua, no qual é injetada corrente contínua nos enrolamentos do motor. No entanto, pelo motivo de não haver fonte de corrente contínua disponível para a realização desse teste, utilizou-se um inversor para obter esse parâmetro. Além disso, o valor da reatância de magnetização foi mostrado pelo inversor e pôde ser comparado com o valor obtido através dos cálculos. O equipamento utilizado para a realização da coleta de dados foi o analisador de energia HIOKI PW3198, conforme a figura 1, a seguir.

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Figura 1. Analisador HIOKI PW3198.

O motor utilizado para a realização dos ensaios foi o motor de indução trifásico W21 WEG plus alto rendimento, conforme a figura 2, e possui as especificações de fábrica descritas na tabela 1. O motor pertence a categoria N, o qual apresenta conjugado de partida normal e corrente de partida elevada (MAMEDE,2013).

Figura 2. Motor de indução trifásico

Tabela 1. Dados de placa do motor de indução trifásico.

Potência 1,1 kW ou 1,5 cv

Velocidade Nominal 1715 rpm

Frequência 60 Hz

Tensão Nominal em Δ 220 V

Corrente Nominal em Δ 4,42 A

Fator de Potência 0,8

Fator de Serviço 1,15

Categoria N

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A curva característica do conjugado x velocidade do motor de categoria N é discriminada no gráfico da figura 3.

Figura 3. Curva característica de cada categoria (MANUAL DE MOTORES WEG)

Os valores de tensão, corrente e potência obtidos do teste de rotor bloqueado são

mostrados na figura 4. Como relatado anteriormente, no teste de rotor bloqueado a tensão foi gradualmente elevada, até que a corrente atingisse o valor nominal, ou próximo dele, sendo necessário 40,19 V em média (das três fases) para atingir a corrente nominal. Os valores de tensão, corrente e potência por fase podem ser conferidos na figura 4.

Figura 4.Valores obtidos no teste de rotor bloqueado.

No teste de ensaio a vazio os valores mostrados pelo analisador de energia são apresentados na figura 5.

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Figura 5.Valores obtidos no ensaio a vazio

Para obtenção do valor da resistência do estator o inversor modelo CFW 11 – WEG retornou o valor através do teste de auto ajuste, como mostrado na figura 6.

Figura 6. Resistência do rotor e reatância de magnetização no inversor de frequência CFW 11

Para o levantamento da curva de conjugado x velocidade do motor foi utilizado um código no software Matlab, o qual exigia os parâmetros internos do circuito equivalente do motor de indução trifásico (figura 7): resistência e reatância do estator, reatância de magnetização e resistência e reatância do rotor. Esses parâmetros foram obtidos através dos testes em vazio e de rotor bloqueado.

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Figura 7. Circuito equivalente do motor de indução trifásico.

Onde: 1R Resistência do estator. 2R Resistência do rotor. 1X Reatância do estator. 2X Reatância do rotor.

Xm Reatância do ramo de magnetização.

Os valores obtidos pelo equipamento da figura 1 foram manipulados em equações para, enfim, obter as variáveis destacadas na figura 7. Calculados os parâmetros necessários para iniciar as variáveis do código no software Matlab foi gerada a curva de conjugado x velocidade do motor. É importante salientar que em todos os ensaios realizados o motor foi ligado em delta ou triângulo.

Na realização dos ensaios foi utilizada uma fonte de tensão e frequência variável conforme a figura 8.

Figura 8. Fonte de tensão e frequência variável.

Freio eletromagnético

A carga utilizada neste trabalho é constituída por um freio eletromagnético ou Freio de Foucault (figura 9). As descobertas a respeito do freio eletromagnético foram obtidas por volta de 1820. O físico dinamarquês Hans Christian Oersted demonstrou a relação entre corrente elétrica e campo eletromagnético. A partir dos estudos de Oersted, André Marie Ampére, concluiu que uma espira formada por um condutor apresenta diferença de potencial em suas extremidades quando mergulhada em um campo eletromagnético invariante. Essa tensão é denominada força eletromotriz induzida (SADIKU,2012).

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Figura 9. Carga utilizada nos ensaios.

RESULTADOS

Determinação da curva de conjugado x velocidade do motor de indução trifásico.

Ensaio em vazio

No ensaio em vazio os contatos do estator foram ligados em delta e o rotor foi deixado livre para que a única carga do motor fossem as perdas por atrito e ventilação, sendo aplicada a tensão da rede de 220 V. Esse teste é realizado para obter-se as características do ramo de magnetização conforme a figura 10.

Figura 7. Circuito equivalente do motor em vazio.

Com o rotor livre, os resultados obtidos foram os mostrados na tabela 2 a seguir.

Tabela 2. Valores obtidos no ensaio em vazio.

Frequência 60 Hz

Tensão de fase 222,28 V

Corrente de fase 1,54 A

Potência de entrada 142,1 W

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Ensaio de rotor bloqueado

No ensaio de rotor bloqueado os contatos do estator foram ligados em delta e o rotor travado mecanicamente para que o escorregamento fosse igual a unidade. A tensão foi sendo aumentada gradativamente até que o fluxo de corrente fosse aproximadamente o valor a plena carga. Esse ensaio fornece informações sobre as impedâncias de dispersão conforme a figura 11.

Figura 8. Circuito equivalente do motor com o rotor bloqueado.

Com o rotor bloqueado os resultados obtidos foram os mostrados na tabela 3 a seguir.

Tabela 3. Valores obtidos com o rotor bloqueado.

Frequência 60 Hz

Tensão de fase 40,19 V

Corrente de fase 2,51 A

Potência de entrada 212 W

Após a realização dos testes foram feitos os cálculos para a determinação dos parâmetros internos do motor de indução trifásico. Segundo o catálogo do fabricante, o motor utilizado se enquadra na classe A pois possui conjugado e corrente de partida consideradas normais, portanto os valores de X1 e X2 serão divididos meio a meio. Os resultados são apresentados na tabela 4.

Tabela 4. Parâmetros internos do motor obtidos através dos ensaios.

𝑅1 2,19 Ω

𝑅2 9,02 Ω

𝑋1 5,71 Ω

𝑋2 5,71 Ω

𝑋𝑚 138,62 Ω

Utilizando um código no software Matlab foi possível plotar a curva de conjugado x velocidade do motor de indução apresentada na figura 12.

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Figura 9. Curva de conjugado x velocidade do motor de indução.

Como se pode perceber, a curva encontrada após os ensaios não condiz com a curva característica dos motores da categoria N. Todos os testes e cálculos foram realizados mais de uma vez com o intuído de encontrar os motivos que estão fazendo com que o levantamento da curva de conjugado x velocidade do motor esteja diferente do esperado. Chegou-se à conclusão que será necessário refazer o ensaio a vazio no motor acoplando-se ao seu eixo um motor síncrono, a fim de que os resultados reflitam os valores reais de perdas do motor.

Determinação da curva de conjugado x velocidade da carga.

Sabe-se que o conjugado da carga pode ser expresso pela equação (MAMEDE,2013)

:

x

cc nKCC 0

cC = Conjugado resistente da carga em Nm;

0C = Conjugado da carga para rotação zero em Nm;

cK = Constante que depende das características da carga;

n = Rotação nominal do motor em rps;

x = Parâmetro dependente da carga (bombas, ventiladores, britadeiras, etc.) e pode assumir os

valores -1, 0, 1, 2

Os conjugados de carga são divididos e classificados em quatro grupos:

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Conjugado constante

Nesse tipo de carga o parâmetro x é zero, sendo Kc uma constante que depende da carga modificando a expressão para:

cc KCC 0

Resultando em uma constante. Neste caso, a potência demandada pela carga é proporcional a velocidade angular, ou melhor:

nKCP cc ).( 0

K = Constante que depende da carga

cP = Potência demandada pela carga.

Conjugado linear

Neste tipo de conjugado, o parâmetro x é igual a 1, sendo assim, a expressão resultante é dada a seguir:

nKCC cc 0

Como mostrado, a relação é linear, dessa forma, a potência varia com o quadrado da velocidade, o que matematicamente implica na expressão a seguir:

2

0 nKnCP cc

Conjugado quadrático

Como se poderia imaginar, o parâmetro x será igual a 2, resultando em:

2

0 nKnCC cc

Ocasionando no comportamento parabólico. A potência tem relação cubica com a velocidade, resultando em:

3

0 nKnCP cc

Conjugado hiperbólico

Para este caso, tem-se x= -1 e 0C podendo ser considerada nulo implicando na expressão:

n

KC c

c

Caso n fosse igual a zero, o conjugado seria infinito, porém, fisicamente isso não acontece, pois n varia dentro de uma dada faixa. Nesse caso, a potência permanece constante, ou seja:

cc KP

Conjugados não definidos

Nesse caso a equação do conjugado não pode ser definida precisamente, podendo-se chegar ao mesmo através de análises gráficas. Na prática o mesmo é tido como conjugado constante, sendo o valor da constante o valor do máximo conjugado obtido.

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A carga utilizada nesse trabalho é um freio eletromagnético o qual terá a intensidade de frenagem controlada principalmente pela tensão aplicada ao circuito magnético. A rotação do disco metálico, o qual está mergulhado em um campo gerado pelas duas bobinas gera um torque induzido no sentido contrário, o qual atuará contra o sentido de rotação do motor, realizando a frenagem. Não foi possível até o momento a realização da simulação dos tipos de carga citadas acima no motor.

Conjugado do motor e a influência na potência

Na física, potência é a velocidade com que uma dada quantidade energia é transformada, ou a rapidez com que o trabalho é realizado. A unidade de potência no Sistema Internacional (SI) é o Watt (W), no entanto, para a potência mecânica, a unidade usual é cv (cavalo vapor), a qual tem equivalência a 736W (MAMEDE,2013).

A relação entre potência e conjugado do motor é dada pela expressão a seguir:

nn CnP ..2

Onde:

nP = Potência nominal do motor em Watts

nC = Conjugado nominal do motor em mN

n = Rotação nominal do motor em rps

Quando a energia mecânica é aplicada sob a forma de movimento rotativo, a potência

desenvolvida depende do conjugado nC e da velocidade de rotação n. A relação kW é:

974

)()./()(

rpmnmKgCkWP

Sendo que o rendimento do acoplamento é dado por:

n

cac

P

P

Onde:

cP = Potencia transmitida a carga em Watts

PUBLICAÇÕES

O trabalho ainda não foi finalizado, portanto ainda não foi possível gerar publicações.

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ATIVIDADES A SEREM DESENVOLVIDAS NOS PRÓXIMOS MESES

Para os próximos meses está previsto o estudo de parametrização da partida soft starter, estudar o funcionamento dessa partida em função do carregamento do motor (partida a vazio, com carregamento parcial e a plena carga), confrontar experimentalmente essa partida com as convencionais, a fim de mostrar sua contribuição para a conservação e qualidade da energia elétrica, e apresentar relatórios e trabalhos científicos em eventos da área.

CONCLUSÃO

Nesses primeiros seis meses de estudo foi possível verificar a importância do conhecimento das características do motor e da carga acionada pelo mesmo para que se possa controlar da melhor forma possível a sua forma de acionamento, e assim, utilizar a energia da forma mais eficiente possível.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Weg: Manual soft starter.

2. Kosow, Irving L., Máquinas Elétricas e Transformadores. Editora Globo. São Paulo.

12ª Edição. 1996.

DUGAN, Roger C., McGRANAGHAN, Mark F. and BEATY, H. Wayne. Electrical Power Systems Quality. McGraw-Hill, 265 p, 1996. 3. Mamede Filho, João. Instalações Elétricas Industriais. Editora LTC. 8ª Edição. Rio de

Janeiro. 2013.

4. SILVA, JOSÉ E. Análise de Cargas Especiais Harmônicas. Seminários Técnicos. São

Paulo, Brasil, 1997.

5. Rashid, M. H., Eletrônica de Potência – Circuitos, Dispositivos e Aplicações. Makron

Books. São Paulo. 1999.

6. Chapman, Stephen J., Fundamentos de Máquinas Elétricas. McGraw Hill. 5ª Edição.

2013.

7. Sadiku, Matthew N.O. Elementos de eletromagnetismo. Bookman. 4ª Edição.

DIFICULDADES

Nessa etapa do projeto os objetivos iniciais foram alcançados, com exceção da determinação da curva de conjugado da carga, que não foi possível finalizar antes do prazo de entrega desse relatório devido a indisponibilidade dos equipamentos necessários para a determinação da mesma.

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PARECER DO ORIENTADOR

O aluno tem se mostrado bastante aplicado em todas as tarefas que desenvolve, possuindo excelente capacidade de aprendizado. Nessa primeira etapa ocorreram dificuldades associadas à determinação da curva de conjugado do motor, mas o trabalho desenvolvido é bastante promissor. Os resultados encontrados, em breve, serão submetidos a congressos na área.

DATA: 24 / Fevereiro / 2017

__________________________

ASSINATURA DO ORIENTADOR

____________________________________________ ASSINATURA DO ALUNO

INFORMAÇÕES ADICIONAIS: Em caso de aluno concluinte, informar o destino do mesmo após a graduação. Informar também em caso de alunos que seguem para pós-graduação, o nome do curso e da instituição.

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FICHA DE AVALIAÇÃO DE RELATÓRIO DE BOLSA DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA

O AVALIADOR DEVE COMENTAR, DE FORMA RESUMIDA, OS SEGUINTES ASPECTOS DO RELATÓRIO:

1. O projeto vem se desenvolvendo segundo a proposta aprovada? Se ocorreram mudanças significativas, elas foram justificadas?

2. A metodologia está de acordo com o Plano de Trabalho ? 3. Os resultados obtidos até o presente são relevantes e estão de acordo com os objetivos

propostos? 4. O plano de atividades originou publicações com a participação do bolsista? Comentar sobre

a qualidade e a quantidade da publicação. Caso não tenha sido gerada nenhuma, os resultados obtidos são recomendados para publicação? Em que tipo de veículo?

5. Comente outros aspectos que considera relevantes no relatório 6. Parecer Final:

Aprovado ( ) Aprovado com restrições ( ) (especificar se são mandatórias ou recomendações) Reprovado ( )

7. Qualidade do relatório apresentado: (nota 0 a 5) _____________ Atribuir conceito ao relatório do bolsista considerando a proposta de plano, o desenvolvimento das atividades, os resultados obtidos e a apresentação do relatório.

Data : _____/____/_____.

________________________________________________ Assinatura do(a) Avaliador(a)