6º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E
DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
TÍTULO DO TRABALHO:
Eficiência Energética no Acionamento de Máquinas
AUTORES:
Ayslan Caisson Norões Maia, Alexandre Cunha Oliveira
INSTITUIÇÃO:
Universidade Federal de Campina Grande - UFCG
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO ACIONAMENTO DE MÁQUINAS
Abstract
The aim of this project is to perform a quantitative analysis of income of drive systems based
on voltage source inverters for several machines. Further, we intend to identify the systems used in oil
and gas industry, and depending on the performed analysis of drive systems, evaluate the possibility of
efficiency gains from the replacement of machinery and / or strategies of drive. For this, it is necessary
a initial work for evaluation of drive systems, with different machines and different control strategies,
through analytical studies and simulation, which correspond the work presented in this paper.
Introdução
A crescente busca por eficiência no uso da energia surge como uma necessidade no atual
cenário energético mundial, principalmente pelo fato que ainda fazemos parte de uma sociedade
bastante dependente de energias derivadas de fontes fósseis, as quais tendem a apresentar custos
crescentes, tanto economicamente como do ponto de vista ambiental. Mesmo o Brasil apresentando
uma matriz energética, tendo quase 50% das fontes primárias do tipo renováveis, a questão da
conservação também se coloca como uma necessidade, ora para permitir o crescimento do país,
mitigando os gargalos de infra-estrutura observados no setor de energia, ora pelo aumento de
competitividade dos produtos aqui produzidos.
Segundo estudos realizado pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), mais de 50% do
potencial de eficiência energética no Brasil encontra-se no consumo das famílias (setor residencial) e
das indústrias. Em 2008, representaram juntos quase 60% do consumo final energético do país [1]. Em
termos de energia elétrica, a indústria foi responsável pelo consumo de 44% de toda a energia elétrica
consumida no ano de 2007, em levantamento divulgado pela EPE. No setor industrial há um uso
intensivo de motores elétricos, os quais representam até 60% do total de energia elétrica consumida no
setor industrial. Soma-se a esses dados o fato de que nos motores são verificadas grandes parcelas de
desperdício de energia (devido ao mau dimensionamento, falta de manutenção, excesso de
rebobinamentos, não utilização de acionamento eletrônico, etc.). Tal evidência reforça a importância
de estudos direcionados à eficiência energética em sistemas motrizes.
Motores de indução com gaiola de esquilo constituem a base da indústria devido à sua
versatilidade, confiabilidade e simplicidade. No ramo petrolífero, a aplicação das máquinas indutoras
pode ser vista, entre outras, nos gasodutos e no bombeamento de petróleo a nível marítimo.
O acionamento eletrônico tornou-se uma alternativa atraente quanto ao seu potencial
significativo de conservação de energia. Além de garantir uma maior versatilidade ao motor quanto ao
seu controle, os acionamentos eletrônicos também são utilizados como forma de conservar energia
elétrica. Como exemplo, pode ser usado para o controle de vazão em processos de bombeamento,
substituindo os controles tradicionais de forma muito mais eficiente, tais como válvula de controle, bypass, sistema on-off. Esses processos, largamente utilizados em indústrias, possuem potencial de
redução de energia elétrica da ordem de até 30% [2].
Neste trabalho, objetiva-se realizar uma análise quantitativa do rendimento de sistemas de
acionamento, baseados em inversores fonte de tensão para máquinas de indução, a imã permanente e
de relutância. Na sequência, em função da análise dos sistemas de acionamento então realizada,
avaliar a possibilidade de ganhos em eficiência nos sistemas usados no setor de petróleo e gás a partir
da substituição de máquinas e/ou estratégias de acionamento. Para isso, faz-se necessário um trabalho
inicial de avaliação dos sistemas de acionamento, com diferentes máquinas e estratégias de controle,
através de estudos analíticos e por simulação, que corresponde ao trabalho apresentado neste artigo.
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Metodologia
O sistema de acionamento digital desenvolvido neste trabalho é constituido dos seguintes
módulos: uma máquina, um inversor e um sistema eletrônico de controle. Será apresentada a
metodologia utilizada para a realização de um sistema de acionamento para uma máquina de indução
gaiola de esquilo com controle de velocidade segundo o principio de orientação pelo campo e,
também, para uma máquina a relutância variável (MRV) com controle de corrente.
1. Máquina de Indução
Os sistemas de acionamento estático que empregam máquinas assíncronas são mecanicamente
robustos, mas sua análise é complexa pois requer o estudo de uma sistema multivariável e não linear.
No intuito de desenvolver sistemas de acionamento de alto desempenho, tem sido investigadas
estratégias de controle que assegurem o desacoplamento entre o controle do fluxo e do conjugado.
Nesse artigo apresentaremos a estratégia de controle em quadratura com o fluxo rotórico.
1.1. Modelo da Máquina
Uma máquina de indução gaiola de esquilo trifásica pode ser representada por um modelo
vetorial escrito para um sistema genérico de cordenadas (dq), indicado pelo expoente „g‟.
Nas equações acima,
, , ,
são os vetores tensão estatórica, corrente estatórica, fluxo
estatórico e fluxo rotórico da máquina vistos do referencial estatórico, respectivamente. , ,
e
são os conjugados eletromagnético e mecânico e as velocidades da máquina e do referencial
genérico em relação ao estator, respectivamente. ,
e
são os ângulos de posição dos vetores
corrente estatórica, fluxo estatórico e fluxo rotórico em relação ao estator, respectivamente.
1.2. Inversor (CC - CA)
O princípio de funcionamento de um inversor de frequência com controle escalar é aplicar uma
tensão (V) de amplitude e frequência (f) variáveis mantendo a relação V/f sensivelmente constante. A
tensão aplicada ao motor é gerada por dispositivos eletrônicos de potência chaveados a altas
frequências, segundo um padrão de pulsos gerado através de técnicas PWM.
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A técnica de modulação PWM consiste em aplicar uma sucessão de pulsos de tensão no motor
de indução, com amplitude igual a tensão do barramento CC do inversor. Os pulsos são modulados
com larguras diferentes, de forma a criar uma tensão alternada de amplitude variável.
1.3. Controle
A estratégia de controle do sistema de acionamento da máquina de indução é realizada por uma
cascata de três controladores (velocidade, fluxo-conjugado e corrente) e uma fonte de tensão PWM
(Figura 1).
Controlador
de
velocidade
Controlador
de
fluxo/conj.
Fonte
de
tensão
PWM
Controlador
de corrente
Motor
de
indução
Figura 1: Estratégias de controle do sistema de acionamento da máquina de indução.
As estratégias de controle em quadratura (fluxo/conjugado) podem ser implementadas na
forma direta ou indireta. No controle direto, existe uma malha fechada de controle de fluxo. No
controle indireto, o fluxo é controlado sem realimentação. A estratégia de controle por quadratura é
eminentemente do tipo vetorial e utiliza normalmente controladores no referencial de fluxo a ser
controlado.
Utilizando as equações (2) e (4) pode-se escrever a seguinte equação dinâmica, relacionando-se
o fluxo rotórico e a corrente estatórica:
O modelo dinâmico que relaciona as correntes estatóricas e o fluxo rotórico no referencial
fluxo rotórico, é obtido a partir da equação (5), fazendo-se
,
e
. Este
modelo é expresso pelas seguintes equações:
Onde
e
Da equação (6) e introduzindo
.
, escreve a seguinte expressão para o conjugado
eletromagnético:
A equação (10) indica que o conjugado eletromagnético pode ser controlado através de
sua vez, da equação (8), observa-se que o fluxo
independentemente de
controle do conjugado.
. Por
b
pode ser controlado através de i sd
,
, o que caracteriza o desacoplamento perfeito no controle do fluxo face ao
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Então, baseado nas equações (8) e (10), obtem-se o diagrama de blocos da Figura 2 para o
esquema de controle em malha fechada [3]. Esta estratégia de controle é denominada de controle
direto por orientação pelo campo rotórico.
Figura 2: Controle Vetorial Direto em Quadratura com o Fluxo Rotórico.
Neste diagrama,
,
e
são o conjugado, o fluxo rotórico e a corrente em quadratura de
referências, respectivamente. Os blocos marcados como Rb e e jb* representam o controlador de
fluxo e o transformador de coordenadas, respectivamente. A malha de controle de corrente fornece
como saída as tensões de pólo de entrada da fonte de tensão PWM. A malha de controle de velocidade
é a mais externa do sistema de acionamento e fornece na sua saída o conjugado de referência. Para
todos os controles utilizou-se o controlador Proporcional-Integral (PI). O projeto deste controlador é
realizado utilizando os critérios de compensação do pólo dominante e do amortecimento ótimo para
obter um erro de regime permante nulo.
2. Máquina a Relutância Variável
O principio de funcionamento desta máquina exige um sistema de acionamento que realize a
rápida energização de suas fases sincronicamente com a posição de seu rotor. Cada fase deve ter sua
corrente controlada em forma e amplitude mediante aplicação de tensão, durante o crescimento da
indutância de fase (geração de torque positivo) e ter esta mesma corrente extinta antes do período de
decréscimo da indutância de fase. A extrapolação destes intervalos leva a um aumento nas oscilações
do conjugado gerado pela máquina, operando como motor, com consequente perda de rendimento.
2.1. Modelo da Máquina
Em função da dependência da indutância de fase em relação à posição angular e à corrente de
fase e das características elétricas, magnéticas e mecânicas do motor, a modelagem matemática dos
parâmetros elétricos que reflete a dinâmica de operação do motor é representada pela equação de
tensão da fase:
O conjugado eletromagnético desenvolvido por uma fase do motor é dado por:
Para a parte mecânica do motor, temos a seguinte equação:
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2.2. Inversor
Nos sistemas de acionamento de máquinas CA é padrão o uso do inversor ponte trifásica. Em
geral os enrolamentos da máquina são conectados em estrela com ponto central flutuando. A operação
destes sistemas consiste na energização simultânea das fases da máquina com uma tensão senoidal ou
forma de onda próxima a uma senoide, defasadas entre si.
Normalmente, os MRV‟s não operam com todas as suas fases energizadas. No entanto, este
tipo de operação dos MRV‟s não impede o uso da ponte trifásica, estando os enrolamentos do mesmo
conectados em estrela com o ponto central ligado ao ponto central do banco de capacitores do
barramento CC, que alimenta o conversor, como apresentado na Figura 3 [4].
Figura 3: Inversor ponte trifásica.
Nesta configuração há uma tendência de desequilibrar as tensões dos capacitores do barramento.
Para manter estas tensões equilibradas foi implementado um algoritmo de equalização que define qual
chave (superior/inferior) dos braços do conversor será utilizada para energizar a respectiva fase da
máquina.
2.3. Controle
O sistema de acionamento do motor especificado foi esquematizado através de um diagrama de
blocos ilustrado na Figura 4.
Figura 4: Esquema do sistema de acionamento de um MRV.
O controle da máquina é feito por um controlador PI que, baseado no erro de corrente (e),
fornece à fonte PWM a tensão de referência necessária para o acionamento da máquina. O PWM gera
uma sequência de pulsos que alimenta a máquina através do inversor trifásico ilustrado na Figura 3. O
projeto deste controlador é realizado utilizando os critérios de compensação do pólo dominante e do
amortecimento ótimo para obter um erro de regime permante nulo.
Resultados e Discussão
Nesta parte do trabalho serão apresentadas as curvas obtidas por simulação do acionamento das
máquinas apresentadas utilizando o software computacional MatLab.
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
Máquina de Indução
A máquina estudada é acionada em vazio aplicando uma rampa de fluxo rotórico de referência
até 0.5 Wb. Utilizou-se um tempo total de simulação de 2s, na metade desse tempo (1s) introduziu-se
um conjugado de carga de 4 N.m. Tomou-se como referência para a velocidade de rotação da máquina
o valor da frequência estatórica que vale 377 rad/s. Nas Figuras 5 e 6 são apresentadas as correntes
estabelecidas no estator da máquina, o conjugado eletromagnético desenvolvido e a velocidade de giro
do motor.
Zoom
Figura 5: Correntes no estator da máquina.
a)
b)
Figura 6: a) Conjugado eletromagnético desenvolvido e b)Velocidade de rotação da máquina.
A partir da Figura 5, podemos verificar que quando a carga é adicionada no eixo do motor (1s)
a corrente cresce, desenvolvendo mais conjugado eletromagnético (Figura 6a) para compensar a
entrada da carga. Através da Figura 6b, constata-se que o sistema de controle de velocidade age de
maneira a manter a velocidade de rotação da máquina constante (377 rad/s) mesmo quando é
adicionada uma pertubação (carga) ao sistema.

Máquina a Relutância Variável
A máquina a relutância trifásica é acionada aplicando degrais de corrente de referência de
amplitute 2.5 A nas suas fases. A Figura 7 ilustra as correntes estabelecidas nas fases do motor em
função do ângulo do rotor para duas voltas completa (720°).
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Figura 7: Correntes nas fases da máquina.
A partir da Figura 7 vemos que as correntes nas fases do motor (Ia, Ib e Ic) seguem de forma
satisfatória as suas respectivas referências (Iar, Ibr e Icr).
Conclusões
Neste trabalho realizou-se simulações do sistema de acionamento completo para os motores
estudados utilizando o software MatLab. Os resultados apresentados ao longo do artigo demonstraram
que é possível acionar de forma eficiente a máquina a relutância variável utilizando o conversor ponte
trifásica, com os enrolamentos conectados em estrela. Esta constatação é importante, pois a utilização
de um conversor padrão, que é utilizado no acionamento de outras máquinas, como as de indução e as
a ímãs permanentes, permite estabelecer uma base comum de acionamento e dessa forma viabiliza
uma análise comparativa de sistemas de acionamento usando a máquina a relutância variável e as duas
outras a pouco citadas.
Como sequência desse trabalho, serão realizados os estudos e simulações do sistema de
acionamento para a máquina a imã permanente, e em seguida, será realizada a análise comparativa,
indicada acima, objetivando quantificar os níveis de rendimento e eficiência de cada sistema de
acionamento estudado.
Agradecimentos
A ANP pelo financiamento deste projeto através da bolsa de pesquisa concedida pelo Programa de
Recursos Humanos (PRH).
Referências Bibliográficas
[1] EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA - EPE, “Série: ESTUDOS DA DEMANDA - NOTA
TÉCNICA DEA 14/10 - Avaliação da Eficiência energética na indústria e nas residências no horizonte
decenal (2010-2019)”, Rio de Janeiro 2010;
[2] PROCEL INDÚSTRIA / ELETROBRÁS. “Acionamento Eletrônico – Guia Avançado.”, Rio de
Janeiro, 2004;
[3] C. B. Jacobina. Apostila de Máquinas Elétricas. DEE/CCT/UFPB, 19889.
[4] A. Cunha Oliveira, “Acionamento de Máquinas a Relutância Variável”, Tese (Doutorado), UFCG,
Campina Grande, 2002.