Jornadas Técnicas
Novas perspectivas
Drive Technology
Mundo em Movimento 2005
Motores elétricos Siemens
e a Economia de Energia
Mundo em
Movimento
Tópicos
• Instalando o motor elétrico com inversor de freqüência
• Princípio de funcionamento
• Partida e aceleração do motor com inversor
• Curvas torque/rotação e corrente/rotação
• O motor não parte... e agora ?
• Efeito do PWM no sistema de isolação do motor
• Motores antigos, recondicionados, não preparados para inversor
• Elevação de temperatura
• Operando o motor em baixa rotação
• Efeito na ventilação
• Efeito “motor-de-passo”
• Ventilação forçada
• Sensores de temperatura - benefícios
2005
Mundo em
Movimento
Tópicos
• Operando acima da velocidade nominal do motor
• Redução de torque
• Limite de velocidade mecânico
• Economia de energia com motores elétricos
• Lei da eficiência energética - ABNT
• Comprei motor alto rendimento e não economizei energia.
• Os motores elétricos Siemens
• Conformidade com ABNT
• Feitos para durar
• Economia real de energia elétrica
• Mesma potência, mais torque
• Acionamento por inversor
• Conceito Modular
2005
Mundo em
Movimento
Construção mecânica
Caixa de Ligação
Olhal para
Prensa-cabos
Rolamento
de Esferas
Ventilador
Chaveta
Ponta
de Eixo
Mancal
Tampa do
Ventilador
Fixação pelo Pé
Carcaça
2005
Mundo em
Movimento
Estator
Enrolamento estatórico (Cobre)
Lâminas de aço isoladas
Melhor rendimento
2005
Mundo em
Movimento
Rotor
Chapas de aço isoladas
Melhor rendimento
Ranhuras diagonais
Eliminam efeito „motor-de-passo“
2005
Mundo em
Movimento
Rotação síncrona
f ⋅ 60
n = 2⋅
s
p
ns [rpm] Rotação Síncrona
f
[Hz]
p [-]
Freqüência da corrente no estator
Número de pólos do motor
Freqüência = 50Hz
2-pólos: nS = 3000 rpm
4-pólos: nS = 1500 rpm
6-pólos: nS = 1000 rpm
8-pólos: nS = 750 rpm
60Hz
è 3600 rpm
è 1800 rpm
è 1200 rpm
è 900 rpm
2005
Mundo em
Movimento
Curvas TorqueXRotação e CorrenteXRotação
M, I
M In
Ipè 5 a 9 x IN
Ip
I (Mmax)
Mmaxè 2,5 a 3,5 x M n
Mmax
Linearidade
M~I
Mpè 2 a 2,5 x M n Mp
1,5
1
0
Ponto de operação
Mn
M n è In
Nn Ns
2005
Mundo em
Movimento
Curvas características – Operação por inversor
M, I
M In
M
Ipè5 a 9xIN
M
max
= konst
max
V
=k 
f

2




Mmax Mmaxè2,5 a 3,5MN
Mpè2 a 2,5MN
3
PONTO DE
2
OPERAÇÃO
1,5
M
èINM
MNM
NèKonst
1
MN
0
NN NS
Área de campo constante
Tensão e freq. variam
Área de enfraquecimento de campo
Tensão fica constante
Somente freq. varia
2005
Mundo em
Movimento
O motor não parte. E agora?
Motor ligado diretamente à rede, partia com carga.
Com conversor de freqüência, o motor não parte.
Para partir com carga, o motor deve estar necessitando mais
torque do que o torque nominal.
Com conversor, acima de 50% de sobrecarga é preciso
fornecer muito mais corrente para o aumentar o torque no
motor. O que fazer ?
Troque
Troque oo motor
motor !!
Trabalho em sobrecarga dentro da faixa de linearidade de
torque / corrente.
Nessa faixa, torque é proporcional à corrente do motor.
2005
Mundo em
Movimento
O PWM e a isolação do motor
0
V
Tempo
inversor
motor
I
s
=
C
P
×
dV
dt
2005
Mundo em
Movimento
O efeito do PWM sobre o motor comum
Curto entre espiras
Com inversores PWM, os
picos de tensão sobre o
enrolamento do motor
ultrapassam 1200 V, muito
superior à classe de
tensão
dos
isolantes
utilizados em motores
comuns (600 V).
Rotor “pontilhado”
A corrente parasita Is fecha
pequenos
curtos
no
entreferro
do
motor,
criando marcas pontilhadas
sobre o rotor. O motor
perde torque ao longo do
tempo (fica “mais fraco”).
2005
Mundo em
Movimento
Como minimizar os efeitos do PWM
Medida
Efeito
Reator de saída
• Compensa as Correntes Parasitas Capacitivas
devido a cabos longos entre o conversor e o motor
• Reduz a taxa dv/dt nos terminais do motor e reduz
o “stress” na isolação
Filtro limitador
de tensão (filtro dv/dt)
• Limita o dv/dt nos terminais do motor a 500V/µs
Filtro Senoidal
• Alimenta o motor com tensão e corrente
praticamente senoidais
• Limita os picos de tensão nos terminais do motor a
~1,76*UL
2005
Mundo em
Movimento
Classe de isolação, temperatura de operação
180oC
155oC
130oC
Motores antigos - classe de isolação B.
Motores atuais no mercado – classe F/B (conforme ABNT):
Classe de isolação F, utilização conforme classe B
Significa que, em operação nominal, ainda mantém 25oC de
folga de temperatura.
2005
Mundo em
Movimento
Limite de torque em baixa rotação
Limite de torque com ventilação externa
Limitação de torque
devido ao enfraquecimento
de campo: M ~1/f
Limitação de torque devido à
redução da ventilação.
Campo constante
fN/2
Enfraquecimento de campo
2005
Mundo em
Movimento
Limite de torque em baixa rotação
Motores da série 1LA8(BT) e 1LA1(MT)
2005
Mundo em
Movimento
Classe de isolação, operação com inversor
180oC
155oC
130oC
Motores classe B não devem ser operados por inversor de
freqüência.
Nos motores classe F/B, desconsidere a folga de 25oC
existente em operação com velocidade fixa.
2005
Mundo em
Movimento
Motor queimado por sobrecarga
2005
Mundo em
Movimento
Motor elétrico com moto-ventilador acoplado
2005
Mundo em
Movimento
Sensores de temperatura
PTC – “Positive Temperature Coefficient”
QUANDO O PTC CHEGA NA CORRESPONDENTE
TEMPERATURA, SUA RESISTÊNCIA AUMENTA. A
UNIDADE DE ATUAÇÃO ENTÃO RESPONDE.
R (kohm)
100
PTC
EXISTEM PTCs PARA ALARME E PTCs PARA
DESARME
10
1
A DIFERENÇA DE TEMPERATURAS ENTRE ALARME E
DESARME É 10°C
0.1
0
100
200
300
Temp C
PARA MOTORES CLASSE DE ISOLAÇÃO F
UTILIZAÇÃO B, TEM-SE:
PTC PARA ALARME= 145°C
PTC PARA DESARME=155°C
KTY84
KTY 84
R (kohm)
3
SENSOR QUE VARIA SUA RESISTÊNCIA
EM FUNÇÃO LINEAR COM A
TEMPERATURA
2
UM SÓ SENSOR PARA ALARME E
DESARME
1
Outros tipos: PT100; PT1000
0
100
200
300
Temp C
2005
Mundo em
Movimento
RESUMO
PRÁTICO
Curvas características – Operação por inversor
Acima de nN são reduzidos o fluxo magnético,
devido à reatância indutiva do estator e
também a corrente máxima possível do rotor
curto-circuitado que produz momento, devido
à reatância indutiva do rotor. Os dois efeitos
produzem um efeito ao quadrado.
M, P
Mmax
M max ∼
Mmax ≈ 2,5·MN
(dependendo
do motor)
1
n2
Região de sobrecarga
A potência mecânica
permanece constante
devido à relação:
P~Mxn
PN
MN
Momento reduzido
para motores com
refrigeração própria. A
ventoinha no eixo do
motor não fornece
ventilação suficiente.
≈ 70% Mn
Mn ∼
P
Pn ~
1
n
30%
Região de operação
n1
nn
1
n
Acima de n1 não
temos mais
nenhuma
capacidade de
sobrecarga. MN
cai a distância
de 30% do
momento
máximo. n
Faixa de potência constante
Faixa de fluxo constante
Faixa de enfraquecimento de campo
2005
Mundo em
Movimento
Lei de Eficiência Energética
Os rendimentos publicados em
decreto-lei são medidos à 100%
carga.
2005
Mundo em
Movimento
Rendimento em função da carga
%
η
Dados
publicados na
placa do motor
cos φ
O RENDIMENTO VARIA COM A POTÊNCIA UTILIZADA PELO MOTOR
2005
Maior rendimento = Maior economia de energia?
Não necessariamente !
Na ânsia de atender a Lei de Eficiência Energética, fabricantes
melhoraram o rendimento de seus motores a 100% de carga,
em detrimento da curva de rendimento em carga parcial.
100%
As curvas de rendimento
dos motores no Brasil
possuem a seguinte forma:
Os rendimentos em carga
parcial são muito piores do
que a 100% carga.
90%
80%
R e n d im e n to %
Mundo em
Movimento
70%
60%
50%
40%
30%
0%
25%
50%
75%
100%
125%
Carga (%)
2005
Mundo em
Movimento
Maior rendimento = Maior economia de energia?
Praticamente nenhuma aplicação opera a 100% de carga todo
o tempo.
Considerando as folgas de projeto de máquinas, a grande
maioria dos motores hoje operam entre 50 e 80% da carga
nominal !
Para se avaliar uma real economia de energia, é necessário
considerar o ciclo de operação completo da carga acionada.
Portanto, pode acontecer de se trocar motores antigos comuns
por novos, classificados como “Alto-Rendimento”, e
Passar a consumir mais energia elétrica !
2005
Mundo em
Movimento
Motores elétricos Siemens: feitos para durar
2005
Mundo em
Movimento
Motores elétricos Siemens: feitos para durar
Principais características:
Fabricados e projetados conforme as normas
ABNT (NBR) em correspondência com as
normas IEC
Aptos para serviço contínuo (S1), temperatura
ambiente máxima 40ºC e altura máxima de
instalação de 1000m
Projetados para instalação em rede com
variação de tensão permanente de ± 5% (zona
A, ABNT) ou ± 10% (zona B, ABNT)
Grau de proteção: IP 55 para uso universal
(que corresponde ao IPW55 ABNT )
Tensão e freqüência:
• 380 VD / 660 VY – 60 Hz
• 220 VDD / 380 VYY / 440 VD – 60 Hz
Polaridade: 2, 4, 6 e 8 pólos
2005
Mundo em
Movimento
Motores elétricos Siemens: feitos para durar
Principais características:
Isolação Durignit IR-2000:
• Classe de isolação “F”
• Alta resistência mecânica e elétrica
• Vida útil prolongada
• Excelente proteção contra gases
corrosivos, vapores, poeira e umidade
• Resistente às solicitações
ocasionadas pelas vibrações
• Apto a ser acionado por conversores
de freqüência (AC) PWM
Carcaça:
• Liga de alumínio injetado:
carcaça 63 até 160L (Rendimento
Standard)
• Ferro fundido:
carcaça 180M até 315L (Alto
Rendimento)
Pés:
• Solidários: carcaças 63 até 100L
• Parafusados: carcaças 112M até 315L2005
Mundo em
Movimento
Motores elétricos Siemens: feitos para durar
Motores tipo 1LG4:
• Alto Rendimento (ABNT)
• Carcaça de Ferro 180-315L
• Forma construtiva IMB3T (caixa de
ligação no topo, gira 360 graus)
• 2 furos para prensa cabos métricos
• 2 olhais de içamento removíveis
• Baixo nível de ruído
• Classe F de isolação
• Pés escamoteáveis
Motores tipo 1LA7:
• Rendimento superior ao Standard
(ABNT)
• Carcaça de Alumínio 60-160L
• Redução no peso de até 40% com
relação à carcaça de ferro
• Classe F de isolação
• Forma construtiva IMB3T (caixa de
ligação no topo)
• Pés escamoteáveis
2005
Mundo em
Movimento
Dimensionais dos motores elétricos Siemens
2005
Mundo em
Movimento
Dimensionais dos motores elétricos Siemens
Motores são 100% compatíveis com ABNT:
•
•
•
•
Ponta-de-eixo
Distância entre furos de fixação
Carcaças e potências nominais
Dados elétricos a 60 Hz
2005
Mais torque de partida e torque máximo
350
300
30%
30%mais
mais
torque
torque
na
napartida
partida
Conjugado
Mundo em
Movimento
Siemens
20%
20%mais
mais
torque
torque
máximo
máximo
250
200
Fabricante K
150
Fabricante E
100
Fabricante W
50
Motor 75 cv
4 polos,
Alto rendimento
0%
20%
40%
60%
80%
Rotação
100%
2005
Mundo em
Movimento
Melhor rendimento em qualquer carga
100%
90%
Rendimento %
80%
70%
W
SIEMENS
60%
50%
40%
30%
0%
25%
50%
75%
100%
125%
Carga (%)
Exemplo motores de Alto Rendimento
2005
Mundo em
Movimento
Conceito Modular
• Com sensor de velocidade
Gerador
de
impulso
• Com refrigeração externa
• Com refrigeração externa e
sensor de velocidade
Ventilação
Forçada
separada
• Com freio
• Com freio e sensor de vel.
• Com freio e refrigeração
externa
Freio
Eletromagnético
E
m
xe
pl o
Ex
em
plo
• Com freio, refrigeração
externa e sensor de vel.
2005