Métodos para otimizar a eficiência do motor elétrico

Estimativas amplamente divulgadas mostram que os sistemas acionados por motores elétricos consomem mais da metade da eletricidade produzida nos Estados Unidos e mais de 70 por cento da eletricidade usada em muitas plantas industriais. ¹ Agora que os custos de energia e operação estão em alta, faz mais sentido do que nunca aumentar a eficiência do motor.

Muitas instalações acham que faz sentido dividir sua estratégia de eficiência motora em três fases:

• Avaliação geral
• Melhorias imediatas
• Longo prazo

Este artigo descreve resumidamente a Etapa 1 e fornece detalhes sobre a Etapa 2. Um próximo artigo fornecerá detalhes para a Etapa 3.

Métodos para otimizar a eficiência do motor elétrico

Fase 1:Avaliação
Aqui está o que uma avaliação motora envolve:

1. Pesquise e documente quantos motores, com que idade, potência e classificações, com que nível de controles estão presentes em suas instalações.
2. Identifique as cargas mais altas e críticas.
3. Para essas unidades principais, use um registrador de energia para avaliar seu consumo de energia (consumo de energia).

Isso lhe dará um mapa geral de consumo de energia para motores em sua instalação.

Fase 2:melhorias imediatas
Existem dois tipos de melhorias imediatas que você pode fazer.

1. Mudanças nas unidades e na operação da unidade
2. Reparos

Mudanças nas unidades podem incluir a substituição de alguns motores por modelos de maior eficiência ou de melhor tamanho, adição de controles a outros para saída de tamanho correto e reprogramação de quais motores funcionam em comparação com as taxas de demanda e de utilidade.

Para determinar se alguma dessas alterações faz sentido em suas instalações, use uma calculadora de eficiência do motor, como a MotorMaster + do Departamento de Energia dos EUA. Ele pode ajudá-lo a calcular a economia por motor e por etapa de eficiência.

Caso contrário, existem três pontos de inspeção que você deve fazer para todos os motores que pretende manter operacionais:

1. Desequilíbrio de tensão
2. Desequilíbrio atual
3. Fator de potência

Se os testes mostrarem problemas com qualquer uma dessas três variáveis, a correção desses problemas pode resultar em melhorias de eficiência imediatas. Logicamente, você também deve incorporar esses testes à manutenção regular de longo prazo para sustentar quaisquer melhorias de curto prazo que você fizer neste estágio.

Desequilíbrio de tensão
O desequilíbrio de tensão é uma medida das diferenças de tensão entre as fases de um sistema trifásico. Para obter o desempenho ideal do motor, as tensões de fase devem ser iguais ou muito próximas da mesma. Além de causar baixo desempenho do motor, o desequilíbrio de tensão encurta a vida útil do motor.

O desequilíbrio de tensão é 100 vezes a variação máxima de tensão da média dividida pela tensão média das três fases. Este cálculo produz o desequilíbrio como uma porcentagem. O Departamento de Energia dos EUA (DOE) apresenta o seguinte exemplo: ² Se as tensões de linha medidas são 462 V, 463 V e 455 V, a média é 460 V. Portanto, o desequilíbrio de tensão é:

[(460 - 455) x 100] ÷ 460 =1,1%

No geral, o desequilíbrio de tensão deve ser inferior a 1 por cento e nunca superior a 5 por cento. O padrão EN50160 requer menos de 2 por cento de desequilíbrio de tensão no ponto de acoplamento comum. As especificações da National Electrical Manufacturers Association (NEMA) exigem menos de 5 por cento para cargas do motor, mas recomendam que os desequilíbrios de tensão nos terminais do motor não excedam 1 por cento e que os motores sejam reduzidos para porcentagens mais altas. ³

A medição do desequilíbrio de tensão deve ser realizada regularmente nos terminais do motor usando um analisador de qualidade de energia para verificar se o desequilíbrio de tensão está abaixo de 5 por cento. Além disso, as inspeções térmicas regulares podem revelar conexões de alta resistência no quadro, desconexões ou caixas de conexão do motor, o que pode causar desequilíbrio de tensão. Outras fontes possíveis de desequilíbrio de tensão incluem dispositivos de correção de fator de potência com falha, tensões de alimentação desequilibradas ou inconsistentes, bancos de transformadores desequilibrados, cargas monofásicas distribuídas desigualmente, falhas monofásicas para aterramento ou um circuito aberto em um sistema de distribuição primário.

As correções devem ser feitas por um eletricista experiente ou especialista em energia. Comece verificando as tensões de alimentação do conversor de velocidade (se houver um no sistema). Além disso, verifique as entradas da rede elétrica para a planta e as saídas do transformador para o sistema. Se fases equilibradas forem encontradas nessas "fontes", então a melhor abordagem é começar no motor e sistematicamente trabalhar de volta à fonte inicial, o fornecimento elétrico da concessionária.

Potencial economia e ROI: A melhor maneira de calcular a economia geral é usar uma ferramenta de software como o MotorMaster +. Veja como funciona o cálculo básico, se você souber o seguinte (os valores de amostra aparecem entre parênteses):

• Carregando no motor (100%)
• potência (100 hp)
• Tempo de execução (8.000 horas por ano)
• Eficiência no desequilíbrio nominal para o carregamento (94,4%) ⁴
• Eficiência no desequilíbrio real e carregamento (93%)
• Um cavalo-vapor é convertido em 0,746 quilowatts

Usando os valores de amostra fornecidos, a economia anual de energia (AEs) após a ação corretiva seria:

AEs =100 hp x 0,746 kW / hp x 8.000 h / ano x (100 ÷ 93 - 100 ÷ 94,4) =9.517 kWh

Se a eletricidade custar $ 0,05 por kWh, a economia anual em dólares (AS $) será:

AS $ =9.517 kWh x $ 0,50 / kWh =$ 476 / ano

Em configurações industriais, muitos motores podem ser alimentados pela mesma fonte de alimentação desequilibrada. Portanto, a economia potencial será muito mais do que para um único motor, com a economia real dependendo do carregamento, tempos de execução, potência, etc.

Finalmente, lembre-se de que os motores esquentam mais quando suas fontes de alimentação estão desequilibradas; aproximadamente o dobro do quadrado do desequilíbrio de tensão (2 x% de desequilíbrio de tensão). Por exemplo, com desequilíbrio de tensão de 2 por cento, um motor experimentará um aumento de temperatura de 8 graus Celsius. Cada aumento de temperatura operacional de 10 graus C reduz pela metade a vida útil do isolamento do enrolamento do motor.

Desequilíbrio atual
O desequilíbrio de corrente é uma medida da diferença na corrente consumida por um motor em cada perna de um sistema trifásico. A correção do desequilíbrio da corrente ajuda a evitar o superaquecimento e a deterioração do isolamento do enrolamento do motor. O empate em cada perna deve ser igual ou quase igual. Uma das causas do desequilíbrio de corrente é o desequilíbrio de tensão, que pode causar um desequilíbrio de corrente desproporcional ao próprio desequilíbrio de tensão. Quando o desequilíbrio de corrente ocorre na ausência de desequilíbrio de tensão, procure outra causa para o desequilíbrio de corrente (por exemplo, isolamento defeituoso ou uma fase em curto com o terra).

O desequilíbrio de corrente é calculado da mesma maneira que o desequilíbrio de tensão. É 100 vezes a variação máxima da corrente da média dividida pela corrente média das três fases. Então, se a corrente medida é 30 amperes, 35 amperes e 30 amperes, a média é 31,7 amperes, e o desequilíbrio de corrente é

[(35 - 31,7) x 100] ÷ 31,7 =10,4%

O desequilíbrio de corrente para motores trifásicos não deve exceder 10 por cento.

A medição do desequilíbrio da corrente deve envolver um eletricista experiente ou especialista em energia. Tal como acontece com o desequilíbrio de tensão, deve ser executado regularmente nos terminais do motor usando um analisador de qualidade de energia. As duas medições de desequilíbrio - tensão e corrente - podem ser feitas e salvas simultaneamente com o mesmo analisador de qualidade de energia.

A correção do desequilíbrio atual pode incluir qualquer uma ou todas as seguintes estratégias:

• Se o desequilíbrio for resultado da alimentação fornecida, um dispositivo de correção do fator de potência pode resolver o problema.
• Se o problema for o próprio motor, devido, por exemplo, a um isolamento defeituoso ou uma fase em curto com o terra, pondere cuidadosamente as suas opções. A decisão de reparar (rebobinar) um motor ou substituí-lo por um novo é difícil. De acordo com o DOE ⁴ …
  • Rebobinar quase sempre reduz a eficiência e confiabilidade de um motor. Considere variáveis ​​como custo de rebobinamento, perdas de rebobinamento esperadas, preço de compra do novo motor (para modelos padrão e eficientes em energia), tamanho do motor e eficiência original, fator de carga, horas anuais de operação, preço da eletricidade, disponibilidade de um desconto de serviço público e reembolso simples critérios.
• Na maioria dos casos, compre um novo motor se:
  1. o motor defeituoso tem menos de 40 cavalos de potência e mais de 15 anos, especialmente se foi previamente rebobinado,
  2. o motor é um motor não especializado de menos de 15 cavalos de potência, ou
  3. o custo de rebobinar é mais de 50 por cento do custo de um motor novo.

Neste último caso, o aumento da eficiência e confiabilidade deve fornecer um rápido retorno sobre o investimento.

Potencial economia e ROI: O ROI assume duas formas - economia de energia e economia de produção a longo prazo (evitando falha do motor e tempo de inatividade). Os possíveis descontos de utilidade também entram em jogo.

A economia de energia pode ser difícil de determinar, especialmente quando o rebobinamento é a solução escolhida. As perdas finais do retrocesso são desconhecidas até depois do retrocesso.

Se você decidir comprar um novo motor, use o software MotorMaster + para calcular a economia anual de energia (AS $) que você pode esperar da substituição. Você precisa das seguintes informações: ⁶

• Potência nominal do motor (hp)
• Fator de carga (L =porcentagem de carga total ÷ 100)
• Horário de funcionamento anual (h)
• Custos médios de energia (C =$ / kWh)
• Eficiência do motor existente (Estd, como uma porcentagem)
• Taxa de eficiência do novo motor (Eee, em porcentagem)
• O fator de conversão de hp para kW (0,746)

Dada esta informação,

AS $ =hp x L x 0,746 x hr x C x [(100 ÷ Estd) - (100 ÷ Eee)]

Em geral, os motores de eficiência premium são cerca de 1 por cento mais eficientes do que os motores de eficiência padrão, e a economia de energia normalmente resultará em um período de retorno de menos de 18 meses. Comparado a uma unidade rebobinada existente, um novo motor de eficiência premium será consideravelmente mais de 1 por cento mais eficiente.

Fator de potência
O fator de potência ruim é gerado por alguns tipos de operação do equipamento e resulta em multas da concessionária. Avalie o fator de potência em todos os principais circuitos e cargas, incluindo motores. Quanto mais próximo o fator de potência estiver de 100 por cento, ou “1”, melhor (as concessionárias geralmente cobram uma penalidade para fator de potência inferior a 95 por cento). Aumentar o fator de potência irá:

• Reduza sua conta de luz
• Aumente a capacidade do sistema elétrico
• Diminua a queda de tensão

O fator de potência (FP) é causado por cargas indutivas (cargas com bobinas), como motores e transformadores. É expresso como uma porcentagem ou um número, com 100 por cento, ou 1, sendo o ideal. O fator de potência é a relação entre a potência real (de trabalho) (quilowatts kW) e a potência aparente (total) (quilovolts-amperes kVA). A potência aparente é uma combinação de potência real e potência reativa (kilovars kVAR).

Um aumento na potência reativa faz com que a potência aparente aumente e, conseqüentemente, o fator de potência diminua. Portanto, diminuir a potência reativa aumentará o fator de potência, e isso geralmente é uma coisa boa.

A medição do fator de potência é melhor realizada com um analisador de qualidade de energia. Antes de começar, descubra:

• Como sua concessionária cobra por baixo fator de potência ou VARs
• O que a concessionária diz sobre suas médias de fator de potência por mês
• Qual é a sua cobrança de demanda
• Como a concessionária mede o fator de potência ou VARs:intervalos de pico ou médias?

O objetivo é identificar cargas que estão causando atraso na potência reativa e desenvolver uma estratégia para melhorar o fator de potência. ⁶

Comece na entrada de serviço, onde a concessionária monitora seus dados, e verifica as cargas individuais. O analisador de qualidade de energia permitirá que você encontre o fator de potência médio em um período de registro específico.

Corrija o fator de potência usando as seguintes estratégias:

• Reduza ou diminua o uso de motores em marcha lenta ou levemente carregados
• Evite operar motores acima de sua tensão nominal
• Substitua motores padrão com falha por modelos de eficiência energética
• Instale capacitores no (s) circuito (s) afetado (s) para diminuir a potência reativa

Potencial economia e ROI: Use as informações do utilitário e de sua investigação para calcular sua economia. Suponhamos que sua concessionária acrescente uma carga de demanda de 1 por cento para cada 1 por cento de seu fator de potência abaixo de 0,97 por cento. Se seu fator de potência for em média 86 por cento a cada mês, então sua operação está 11 por cento (97 por cento menos 86 por cento) abaixo do limite de 97 por cento. Se sua cobrança de demanda é de $ 7.000 por mês, então seu custo anual evitável por meio da correção do fator de potência é igual a:

(11% x $ 7.000 por mês) x 12 meses =$ 9.240

Próximas etapas
À medida que você conclui sua investigação imediata da eficiência do motor, avalie suas práticas de manutenção de longo prazo e comece a fazer alterações também. Inclua essas mesmas verificações de desequilíbrio de tensão e corrente nas inspeções regulares. Considere também a inspeção regular de conexões e aterramentos, tensão fora do projeto e resistência de isolamento, para melhorias adicionais de desempenho de longo prazo.

Este artigo é cortesia da Fluke Corporation. Para saber mais sobre este assunto, visite www.fluke.com.

Notas
¹ Ficha informativa:“Otimizando seu sistema acionado por motor”. um Desafio Motor documento. Motor Challenge é um programa do Departamento de Energia dos EUA (DOE). Para obter mais detalhes, visite http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices.

² Folha de dicas de sistemas de motor nº 7 (setembro de 2005):“Eliminando o desequilíbrio de tensão”, uma Dicas de energia - Sistemas de motor documento escrito para o Programa de Tecnologias Industriais do DOE.

³ Determinar fora do laboratório a eficiência de um motor é difícil e envolve muito trabalho e equipamento. Além disso, ± 1% na eficiência terá um impacto significativo na economia calculada em dólares. (Consulte a folha de dicas do Motor Systems nº 2 (setembro de 2005):"Estimating Motor Efficiency in the Field", uma Energy Tips - Motor Systems documento escrito para o Programa de Tecnologias Industriais do DOE.) Quando o percentual de carregamento é conhecido, o software MotorMaster + 4.0 escolhe automaticamente a eficiência de carregamento com base nos dados disponíveis.

⁴ Ficha informativa:“Otimizando seu sistema acionado por motor”.

⁵ Da ficha técnica do DOE:“Comprando um Motor Elétrico Eficiente em Energia”, um documento do Motor Challenge; Pergunta 5:“Quando é que um motor com eficiência energética é eficaz em termos de custos?”

⁶ Consulte a ficha técnica do DOE:"Reduzindo o custo do fator de potência", um Desafio motor documento.