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Eficiência Energética & Motores Elétricos
Redução de custos operacionais e de emissões CO2
A energia utilizada tem um custo associado. Um custo que não é apenas o custo direto que é pago ao fornecedor de energia, mas igualmente o custo ambiental.
Os gases com efeito de estufa contribuem fortemente para as alterações climáticas, e a produção de energia é responsável por 2 terços do total de emissões de gases com efeito de estufa (Fonte: IEA Ministerial Statement on Energy and Climate Change 18 November 2015). É expectável que as necessidades de energia elétrica cresçam em mais de 40% até 2030 (Fonte: IEA Ministerial Statement on Energy and Climate Change 18 November 2015). Apesar de ser expectável que as emissões se mantenham no mesmo valor nos próximos anos (Fonte: IEA Ministerial Statement on Energy and Climate Change 18 November 2015), estes valores são demasiado altos para cumprir as promessas climáticas feitas por mais de 150 países na COP21, conferência de Paris em 2015.
De forma a conseguir melhores resultados, a Agência Internacional de Energia (AIE) formulou uma estratégia com 5 ações, designada como "Bridge Strategy" (Fonte: IEA Ministerial Statement on Energy and Climate Change 18 November 2015), em que uma dessas ações é a melhoria da eficiência energética em diversos setores, entre os quais a indústria.
Como as novas tecnologias estão a emergir, embora de modo lento, especialistas acreditam que o pico das emissões de gases com efeito de estufa será atingido em 2030.
De modo a melhorar a eficiência energética na indústria, a Organização Internacional de Normalização (em inglês International Organization for Standardization – ISO) desenvolveu uma nova norma voluntária para gestão de energia ISO50001. Esta norma é similar à norma de gestão de qualidade ISO9001. É baseada no ciclo "Plan-Do-Check-Act" com o objetivo de melhorar a eficiência energética na indústria de uma forma estrutural.
A eletricidade é uma das principais fontes de energia na indústria e os motores elétricos consomem 2 terços da energia elétrica global (fonte: IEA, 2009)
Os motores elétricos são assim uma das prioridades na lista de oportunidades para poupança energética.
Motores antigos e ineficientes podem estar em utilização durante anos sem serem identificados. Novos motores, com teórica elevada eficiência energética, podem não estar a ser utilizados nas condições adequadas e desta forma conduzir a perdas de energia.
Uma verificação sistemática e regular da eficiência dos motores elétricos pode dar os indicadores de desempenho energético exigidos pela ISO 50001. Pode ainda levar a poupanças energéticas e a uma redução de ações de manutenção e reparação normalmente dispendiosas. E ainda uma minimização das paragens de produção.
Os 3 principais fatores de influência na eficiência de um motor são:
- Classe de eficiência do motor
- Fator de redução do motor
(Fonte: IEA, 2009)
Classe de Eficiência do Motor
Normalmente os motores elétricos têm um número de eficiência na placa de identificação. Este número mostra o quão bem o motor deverá converter a energia elétrica em energia mecânica. Os motores são fornecidos com uma identificação de classe de eficiência que está dependente da sua construção. Quanto maior for essa classe, melhor será a sua eficiência e menor será a energia necessária para realizar esse trabalho. Dependendo da zona geográfica, existem diferentes nomes para essas classes de eficiência. Os 2 sistemas de classificação mais utilizados são o IEC e a NEMA:
IEC: IE1 / IE2 / IE3 / IE4
NEMA: Standard / High / Premium / Super Premium
Substituir um motor com classe mais baixa por um motor com classe de eficiência mais alta traduz-se naturalmente num investimento. Mas se tivermos em consideração que o custo da aquisição de um motor corresponde a apenas cerca de 1% do custo total que o motor terá durante um ciclo de vida de 20 anos (o custo de energia representará cerca de 90%) (Fonte: Toshiba), compensa investir em motores mais eficientes.
(Fonte: Toshiba)
A carga do motor corresponde à forma como é combinada a capacidade especificada do motor e a carga mecânica.
Existem 3 situações básicas de carga:
O motor é demasiado pequeno para o trabalho que se pretende desenvolver. O motor sobreaquece, sofre uma redução significativa do seu tempo de vida e pode falhar com regularidade. Irão assim existir perdas de energia em forma de calor resultando numa reduzida eficiência energética.
O motor está sobredimensionado para o trabalho que se pretende desenvolver. O motor irá funcionar a uma pequena percentagem da sua potência nominal, onde o rendimento do motor, resultando numa reduzida eficiência energética.
A capacidade do motor está de acordo com a carga mecânica. O motor funciona à sua potência nominal, usando a energia elétrica para realizar o trabalho do modo mais eficiente possível. Esta é naturalmente a situação desejável para utilização de um motor.
Significa que o motor terá de ser utilizado abaixo da sua potência especificada, devido a uma má qualidade da energia elétrica. Estes fatores reduzem a eficiência energética do motor. Ignorar estes fatores pode levar a avarias precoces e redução do tempo de vida.
Existem 4 razões principais para estes fatores de redução:
As 3 fases da tensão não têm valores iguais. Isto causa stress mecânico e perda de eficiência no motor.
Harmónicas de tensão
Outras frequências que não a fundamental de 50Hz estão presentes na tensão fornecida. Isto poderá originar binários invertidos e perdas de calor no motor, reduzindo a eficiência do motor.
Sobretensão e Subtensão
O valor de tensão é demasiado alto ou demasiado baixo, comparado com a tensão nominal do motor. Ambas as situações reduzem a eficiência do motor.
Uma temperatura elevada no motor tem um impacto negativo no rendimento do motor.
Verificação da Eficiência do Motor
A verificação da eficiência do motor necessita de uma abordagem em 2 fases: Primeiro confirmação dos dados do motor constantes na placa de identificação e depois a utilização de uma ferramenta prática para medição/aferição da eficiência do motor.
Na placa constam as características do motor, incluindo a sua classe de eficiência e a eficiência especificada.
Estes dados são determinados pelo fabricante em condições de bancada, mas a eficiência do motor pode revelar-se bem diferente em condições reais de funcionamento.
Ferramenta de medição da eficiência do motor
Os métodos tradicionais de medição do desempenho e da eficiência do motor elétrico estão bem definidos, mas não estão necessariamente muito implementados. Em parte, isso deve-se ao custo dos tempos de paragem associados a retirar de serviço motores, e por vezes sistemas completos, para realizar testes.
Um equipamento como o analisador de qualidade de energia e de motores Fluke 438-II permite uma nova abordagem com a medição da eficiência real a que o motor está a funcionar, nas condições normais de operação, sem a necessidade de interromper o processo e sem a necessidade de sensores mecânicos.
O 438-II faz uma análise dinâmica calculando o fator de redução do motor conforme a carga, de acordo com as normas NEMA/IEC. Esta análise é a que permite confirmar se as condições de funcionamento do motor estão de acordo com as suas especificações e se poderá existir a necessidade de manutenção ao motor ou de alteração das condições de funcionamento.
Os valores mecânicos, como o binário e a velocidade, são calculados com base nas medições das grandezas elétricas e em fórmulas físicas que permitem correlacionar essas grandezas elétricas com os valores mecânicos. A precisão conseguida é elevada, tendo sido comprovada com exaustivos ensaios de laboratórios. Em baixo a tabela apresentada no manual do analisador 438-II.
(Fonte: Manual Fluke 438-II)
O analisador Fluke 438-II permite a realização destas medições, disponibilizando diversas funcionalidades adicionais/avançadas quer na análise da eficiência do motor, quer na análise da qualidade de energia. Adicionalmente poderá visualizar a apresentação disponibilizada no seguinte vídeo:
De seguida alguns dos ecrãs disponíveis:
Fator de redução do motor – Indicação do fator de acordo com a NEMA MG1-2014, mostrando de forma gráfica se o motor está a ser utilizado de forma eficiente e dentro dos limites operacionais que maximizam o tempo de vida do motor.
- A eficiência energética industrial tem de ser melhorada de forma a não atingir o limite máximo de emissões de gases de efeito de estufa antes do prazo estimado.
- A norma ISO50001 disponibiliza um sistema de gestão para poupanças estruturais de energia na indústria.
- A energia elétrica é uma das principais fontes de energia utilizadas na indústria, sendo que motores elétricos consomem 2 terços dessa fonte.
- Os motores elétricos são muitas vezes menos eficientes do que as suas especificações o indicam.
- Ao verificar a eficiência do motor e otimizar as condições de funcionamento, poupanças significativas de energia podem ser atingidas com um investimento reduzido. Um equipamento como o analisador 438-II é uma ferramenta essencial nessa verificação.
- Uma eficiência energética permite poupar dinheiro nas faturas de energia e ainda ajudar no controlo das alterações climáticas.