Utilização eficiente de
energia em motores
Humberto Jorge
Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de
Computadores
Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria
Introdução
Os motores de indução representam 90%
do consumo de energia em força motriz
Nos países desenvolvidos os motores
consumem metade da energia eléctrica
Os sistemas que integram motores têm
potenciais elevados de poupança de
energia eléctrica
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Indústria
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Aplicações típicas de
motores
Bombas
Compressores
Ventiladores
Moinhos
Misturadores
Elevadores
2003/04
Tapetes rolantes
Electrodomésticos
Equipamento de
escritório
etc.
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Indústria
3
Consumo de EE na Indústria
Energia electrica
consumida pela
indústria
(100 %)
Força Moriz
(64 %)
Energia útil
(32 %)
(20,7 %)
Perdas nos motores
(11,3 %)
Outros
usos
(36 %)
2003/04
Ventil.
Compress.
Bombas
Perdas nas máq. e
etc. transmissão mecânicas
Perdas
totais
(32 %)
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Indústria
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Sistemas de força motriz
Em geral os sistemas de força motriz podem integrar 4 módulos:
(a) Variador Electrónico de Velocidade (VEV)
(b) Motor Eléctrico
(c) Transmissão mecânica
(d) Dispositivo de uso final.
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Utilização eficiente dos
motores
Dimensionamento correcto dos motores
Utilização de motores de alto rendimento
Utilização de transmissões mecânicas de
baixas perdas
Utilização de variadores electrónicos de
velocidade para adaptar o regime de trabalho
às flutuações de carga
Optimização das condições de funcionamento
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Perdas e Rendimento
As perdas num motor de indução correspondem à
energia que não é convertida em trabalho útil, e que
é transformada em calor.
As perdas não só contribuem para a redução do
rendimento do motor, mas também vão provocar um
aumento da sua temperatura.
Um aumento excessivo de temperatura pode
conduzir a uma redução substancial da vida do
motor.
Potência Mecânica
Perdas
Rendimento 
1
Potência Eléctrica
Potência Eléctrica
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Perdas típicas nos motores
Tipo de
perdas
Localização
Dependência
(%)
Perdas no
Cobre
Condutores do estator e Crescem rapidamente
rotor
com a carga
Perdas no
Ferro
Circuito magnético
Perdas
Mecânicas
Rolamentos, ventoinha
e parte rotativa
Perdas
Perdas devidas a:
suplementares  Saturação do ferro
 Acabamento das
superfícies do entreferro
 Harmónicos
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Valor
Constantes e
independentes da
carga
Constantes e
independentes da
carga
Constantes e
independentes da
carga
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18 %
rotor
37 %
estator
20
9
16
8
Curvas Características
Perdas
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Rendimento & F.P.
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Rendimento dos motores
Motores de maior dimensão apresentam maior rendimento
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Variação do Cos j com a carga
I - Corrente total
IP - Corrente activa
IR - Corrente reactiva
Cos j - Factor de potência
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Factor de potência dos Motores
de indução
Característica construtiva
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Característica de utilização
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Desvantagens do sobre-dimensionamento
Menor rendimento

o rendimento dos motores reduz-se
substancialmente, especialmente nos motores mais
pequenos
Menor factor de potência

o factor de potência degrada-se rapidamente a partir
da plena carga
Maior custo da instalação

2003/04
do motor, da aparelhagem de accionamento
associada (contactores, arrancadores, etc.)
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Exemplo de dimensionamento
Bomba de 24 kW/2900 rpm funcionando
4500 h/ano accionada por um de dois
motores de 30 kW ou de 55 kW
Regime de carga (%)
Rendimento (%)
Factor de potência
Potência absorvida em (kW)
Energia / ano (kWh)
Encargo energia (0,06€/kWh)
Diferença de encargos / ano
2003/04
Motor de 30
kW
80
88
0,87
27,27
122 715
7362,90 €
945 €
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Indústria
Motor de 55
kW
43
78
0,73
30,77
138 465
8307,90 €
14
Condições ambientais e de
manutenção
Devem trabalhar a temperaturas baixas


Os condutores de cobre têm menos resistência e
portanto menos perdas
A vida do motor aumenta (por cada 10 ºC de
elevação a duração do isolamento reduz-se a
metade)
As necessidades de manutenção de motores
de indução são essencialmente limpeza da
carcaça, a fim de reduzir a temperatura, e
nalguns casos lubrificação dos rolamentos
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Motores de alto rendimento
Modificações
Chapa magnética mais fina e de
melhor qualidade
Aumento do comprimento do
circuito magnético
Optimização do entreferro
Aumento da secção dos enrolamentos do rotor e do estator
Optimização dos sistemas de
ventilação
Rolamentos e lubrificantes de
melhor qualidade
Variação
(%)
Redução das
perdas
…
Perdas no ferro
15 a 35
Perdas no ferro
…
20
Perdas no ferro e
suplementares
Perdas no cobre
…
Perdas mecânicas
…
Perdas mecânicas
Menores perdas => temperatura de funcionamento mais baixa => vida útil mais longa.
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Motores de alto rendimento
(Algumas desvantagens)
Aspectos menos positivos no funcionamento de
um motor de alto rendimento, causados pela
menor resistência do rotor:



2003/04
Diminuição do binário de arranque => problemas em
cargas com elevada inércia.
Aumento da corrente de arranque, o que pode ter
implicações no dimensionamento da alimentação e
accionamento do motor.
Diminuição do escorregamento, ou seja um pequeno
aumento da velocidade do motor.
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Motores de Alto Rendimento
Exemplo
Motores de 10hp podem apresentar velocidades à plena carga de 1460
RPM ou 1450 RPM, para motores de alto rendimento e standard
respectivamente.
Em bombas e ventiladores => a carga e o consumo sobem, anulando
uma parte substancial da economia obtida com a introdução do motor
de alto rendimento (a carga das bombas e ventiladores centrífugos
cresce aproximadamente com o cubo da velocidade).
Há possibilidade de evitar este aumento de carga através de
ajustamentos na transmissão, na bomba ou sobretudo utilizando o
controlo electrónico de velocidade.
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Decisão de Instalação de
Motores de Alto Rendimento
Instalação de um novo equipamento ou motor
Para um uso superior a 2000h/ano um EEM é
normalmente vantajoso (EEM vs Standard):
O motor existente avariou
Precisa de ser rebobinado. Se tem um número elevado
de horas de funcionamento por ano, deverá ser
considerada a sua substituição por um EEM. A diferença
no investimento é significativamente maior que no caso
anterior.
2003/04
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Decisão de Instalação de
Motores de Alto Rendimento
O motor existente está fortemente sobredimensionado
Se o motor tem um número elevado de horas de
funcionamento por ano, deverá ser considerada a sua
substituição por um EEM com uma potência não
excedendo o máximo da potência mecânica requerida.
2003/04
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Reparação/Rebobinagem
Factores de índole técnica e económica que devem ser
pesados aquando da decisão de reparar/substituir:





Apurar previamente o estado geral do motor danificado a fim de
prever em que condição ficará após a reparação;
Preço do motor e da reparação;
Número de horas de operação;
Factor de carga;
Custo da electricidade;
No caso da substituição, e assumindo que um motor reparado
sofre uma quebra de rendimento de 1%, a compra de um EEM
é normalmente vantajosa do ponto de vista do tempo de retorno
do capital investido ("payback time") e em termos de tempo de
vida do motor.
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Controlo de Velocidade
Uma grande parte das aplicações em que se
utiliza força motriz beneficiaria, em termos de
consumo de electricidade e desempenho
global, se a velocidade do motor se ajustasse
às necessidades do processo.
Conduz em geral a uma poupança
substancial de energia.
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Aplicações com carga variável ou parcial
Representam 60% das aplicações de força motriz
na indústria, e 80% no sector terciário
 Ventiladores
 Desumidificadores
 Bombas
 Condicionadores de ar
 Máquinas de lavar
 Correias transportadoras
Máquinas pneumáticas
 Elevadores
 Serras de bancada
 Compressores
2003/04
 Escadas rolantes
 Etc.
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Bombas e Ventiladores
Os métodos convencionais de controlar caudais em bombas e
ventiladores baseiam-se no uso de dispositivos de estrangulamento
(válvulas, persianas, etc.) que restringem o caudal mas introduzindo
simultaneamente perdas consideráveis.
Bomba
2003/04
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Indústria
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Métodos Convencionais de
Controlo de Velocidade
A velocidade de saída de um motor pode ser
variado interpondo entre o motor e a carga de
diversos tipos de dispositivos:
• caixas de velocidade com engrenagens
• sistemas de correia com polias de diâmetro
variável
• embraiagens excêntricas de disco seco
• transmissões hidráulicas
• embraiagens electromagnéticas.
2003/04
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Indústria
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Métodos Convencionais de
Controlo de Velocidade
caixas de velocidade com engrenagens
sistemas de correia com polias de
diâmetro variável
embraiagens excêntricas de disco seco
transmissões hidráulicas
embraiagens electromagnéticas.
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Variadores Electrónicos de
Velocidade (VEVs)
Os VEVs convertem a tensão da rede de 50 Hz numa tensão contínua e
em seguida numa tensão com frequência variável sob controlo externo
do utilizador que pode ir de 0 a 150 Hz consoante o tipo de aplicações.
Diagrama geral dos variadores electrónicos de velocidade que utilizam
inversores na saída
Ligação
DC linkDC
3
AC
Alimentação
input
trifásica
2003/04
Rectificador
CA AC
para CC
to DC
converter
Filtro
Filter
Inverter:
DC to
Inversor
variable
CC para CA
voltage
com
& e
Frequência
frequency
tensão
variável
AC
Gestão de Energia em Edifícios e na
Indústria
Motor
Motor
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Características binário/velocidade
(motor de indução)
Características binário/velocidade do motor de indução funcionando
a frequência variável e com uma relação linear frequência /tensão
2003/04
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Indústria
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Tipos de VEV’s
2003/04
Gestão de Energia em Edifícios e na
Indústria
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Utilização de VEV´s no
controlo de caudais
P1- Controlo por válvula
P2- Controlo de
velocidade incluindo
perdas no VEV
P3- Controlo de
velocidade sem perdas
no VEV
2003/04
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Indústria
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Bombas e Ventiladores
Ventilador
2003/04
Gestão de Energia em Edifícios e na
Indústria
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Transmissão mecânica
Tipicamente são usados 3 tipos de transmissão mecânica:
• Acoplamentos directos no veio;
• Engrenagens;
• Correias.
Os acoplamentos directos no veio são o tipo de transmissão mais
utilizado (cerca de 50% das aplicações).
(c)
(a)
(d)
(e)
(b)
2003/04
EngrenagensGestão de Energia em Edifícios e na Correias
Indústria
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Transmissão mecânica
Acoplamentos directos: Os acoplamentos directos, se
forem alinhados com precisão, possuem um rendimento
muito elevado (99%).
Engrenagens: As engrenagens simples ou redutoras, são
tipicamente utilizados em cargas que requerem velocidades
baixas (abaixo de 1200 rpm) e binário muito elevado (que
utilizando correias poderia resultar em escorregamento).
Existem vários tipos de engrenagens: helicoidais, de dentes
direitos, cónicas e com sem-fim.
Correias: Estas permitem mais flexibilidade no posicionamento do motor em relação à carga, e usando polias de
diferentes tamanhos permitem reduzir/aumentar a
velocidade. Existem vários tipos de correias: (a) Correias em
V, (b) Correias com dentes, (c) correias síncronas, (d)
correias lisas.
2003/04
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Transmissão por correia
1- Correias trapezoidais, 2- correias síncronas (dentadas)
2003/04
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Indústria
34
Transmissão Mecânica
Correntes: Tal como as correias síncronas, as
correntes não têm deslizamento. Normalmente são
usadas em aplicações onde é requerido uma
velocidade reduzida e binário elevado, suportam
ambientes com temperaturas elevadas e cargas de
choque e têm um tempo de vida elevado se forem
apropriadamente lubrificadas.
O seu rendimento
ascende aos 98% se forem sujeitas a uma manutenção
periódica.
2003/04
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Indústria
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Exemplos
Compra de um motor de 45 kW para uma nova instalação
(Pode ser comprado um motor standard ou um motor de alto
rendimento)
Substituição de um motor de 45 kW avariado por um motor
novo (2 opção acima indicadas) ou reparação do motor
2003/04
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Considerações gerais
• Preço médio da electricidade : 0,045€/kWh
• Número de horas de funcionamento por ano:
a) Trabalho contínuo, sem paragens significativas: 8400
horas/ano;
b) Trabalho não contínuo : 4000 horas/ano
• Motor com a carga nominal
• Motor de Alto Rendimento (EEM) custa tipicamente mais
30 % que um Motor Standard (STD)
• EEMs possuem um rendimento superior (em média 3%)
• Após a reparação o rendimento decresce em média 1%
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Indústria
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Poupanças anuais e payback
 1
1
Poupança 

 STD EEM

  PN  N  €
kWh

Diferença de Preço
Payback
Poupançaanual
STD - Rendimento do Motor Standard
EEM - Rendimento do Motor de Alto Rendimento
PN - Potência Nominal do Motor
N - Nº de horas de funcionamento por ano
€/kWh - Preço da electricidade
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Avaliação das opções na compra ou
substituição de motor de 45kW
Situações
Possíveis:
Compra de um EEM
em vez de um
Standard
Compra de Standard
em vez da
Reparação
Compra de um EEM
em vez da
Reparação
Diferença de custo
%
Contos
3
90
56
1
101
4
191
Motor Standard
Motor de Alto
Rendimento
Reparação
2003/04
Poupanças anuais
4000
8400
horas/ano horas/ano
Contos
Contos
Diferença de
Rendimento
Payback simples
4000
horas/ano
anos/meses
8400
horas/ano
anos/meses
117
1 ano e 7 meses
9 meses
19
41
5 anos e 4 meses 2 anos e 6 meses
75
157
2 anos e 6 meses
1 ano e 3 meses
Rendimento (%) Preço (Contos)
92
295
95
385
91
194
Gestão de Energia em Edifícios e na
Indústria
39
Avaliação económica do
investimento num VEV
FUNCIONAMENTO DIÁRIO
DO VENTILADOR
Nº DE HORAS
6
ASSUMIR QUE:
POTÊNCIA VENTILADOR
=75KW
4,5
3
1,5
FUNCIONAMENTO
50 60 70
= 300 DIAS/ANO
CUSTO VEV+INSTALAÇÃO
=7000 EUROS
PREÇO DO kWh
90 100
% CAUDAL
CURVAS CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA
CURVA DO VENTILADOR
POTÊNCIA(kW)
10
CURVA DO SISTEMA
ESTRANGULADO
30
=0,06€ (tarifa fixa)
40
60
2003/04
80
60
50
50na 60 70 80
Gestão de Energia em Edifícios e
Indústria
90 100
% CAUDAL
40