Acionamentos de velocidade variável_

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Acionamentos de velocidade variável_ final_pag66a79:Alimentação ininterrupta_contagem.qxd 22/11/2011 10:13 Page 66
MOTORES E CONTROLES
Medição de
curvas de
eficiência de
acionamentos de
velocidade variável
A eficiência dos acionamentos
de velocidade variável com
motores de indução e motores
de ímãs permanentes não tem
recebido muita atenção nas
normas internacionais. Todavia,
sua aplicação tem aumentado
rapidamente, com grande
potencial de economia de
energia. Aqui se apresenta a
eficiência dos motores até
15 kW e, por meio de curvas de
isoeficiência, comparam-se as
máquinas de indução classes
Kurt Stockman e Steve Dereyne, da Universidade Técnica de Flandres IE1, IE2 e IE3 da norma IEC
Ocidental e Universidade de Ghent; Dirk Vanhooydonck e Wim Symens, com as de ímãs permanentes.
do Centro de Tecnologia Mecatrônica de Flandres; Joris Lemmens e
Wim Deprez, da Universidade Católica de Leuven (Bélgica)
Atlas Copco
a indústria, os motores elétricos
são responsáveis por aproximadamente 60% do consumo
total de energia [1-3]. A maioria dos
motores industriais são de indução, e
um número cada vez maior tem velocidade controlada, o que possibilita
controle preciso da velocidade e do
conjugado, ou economia de energia em
N
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aplicações com bombas centrífugas ou
ventiladores.
Em aplicações com requisitos dinâmicos elevados, os motores de indução
são desafiados por outros tipos de motores, como as máquinas síncronas de
ímãs permanentes. Esses motores só
podem ser operados por meio de um
conversor eletrônico ou acionamento
de velocidade variável (VSD - Variable Speed Drive, no original em inglês), e têm, muitas vezes, maior eficiência em comparação aos motores de
indução. Na Europa, em 2000, o potencial de economia de energia com o
uso de motores elétricos de alta eficiência e de VSDs adequados foi estimado em 181 TWh [3].
Para estimular a introdução de sistemas de acionamento com maior eficiência, a norma IEC 60034-30 foi
aprovada em 2008 [5]. Ela define as
classes de eficiência IE1, IE2 e IE3 para motores de indução de até 375 kW
com alimentação direta pela rede. Normas e protocolos de testes aprovados
internacionalmente para motores com
VSDs não estão disponíveis atualmente. Todavia, algumas iniciativas foram
criadas para apoiar o processo de normalização de VSDs [6]. Por conseguinte, este artigo apresenta a iniciativa
de três institutos de pesquisa, que se
uniram para oferecer orientação às futuras iniciativas de normalização para
sistemas VSD [12, 13].
Um VSD pode operar um motor numa extensa faixa de operação. Contrariamente aos motores com alimentação
direta, valores de eficiência são exigidos
para cada ponto de operação do sistema.
Para representar a eficiência, é utilizado
o conceito de curvas de isoeficiência ou
mapas de eficiência (figura 1). Curvas de
isoeficiência são freqüentemente utilizadas na tecnologia de motores de combustão e no projeto de sistemas de tração
de veículos elétricos [7-9]. A produção
dessas curvas baseia-se em um conjunto
de pontos de medição da eficiência, distribuídos na região de operação do conjunto motor-acionamento.
A determinação do número de pontos de medição necessários para produzir curvas precisas é essencial para
limitar o esforço da medição. Em [6],
foi discutido que o número de pontos
de medição poderia ser limitado a duas
zonas, já que somente as aplicações
VSD com conjugado constante ou quadrático foram consideradas. Contudo,
em muitas aplicações, o VSD opera o
motor em toda a faixa conjugado-velocidade. Aplicações típicas são máquinas de movimentação, máquinas de lavar industriais, bobinadeiras, etc.
Após algumas considerações teóricas sobre as perdas energéticas dos motores de indução e dos motores síncronos de ímãs permanentes, este artigo
discute o número mínimo de pontos de
medição exigidos para identificar a eficiência em toda a zona operacional.
Este procedimento é aplicado a uma
campanha de medição em ambos os
tipos de motores na faixa de potência de
0,75 até 15 kW. O artigo compara ainda
a eficiência da operação com alimentação direta pela rede e a eficiência da
operação com VSD, para motores de
indução IE1, IE2 e IE3, e
também a operação com
VSD de motores de indução
com otimização de fluxo à
de máquinas de ímãs permanentes.
Curvas de
isoeficiência para
motores de indução
Motores de indução de
gaiola são amplamente utilizados na indústria. A eficiência exigida para essas
máquinas operadas com alimentação direta é descrita
na norma IEC 60034-30,
com distinção entre as clas-
Fig. 1 – Curvas analíticas de isoeficiência para um motor de indução de 4 kW,
400 V e 1500 rpm
ses de eficiência IE1, IE2 e IE3 [5]. As
perdas ôhmicas no estator e rotor são
predominantes nos motores de indução.
Outras perdas são as no ferro, as na
ventilação e perdas suplementares sob
carga. A distinção entre as classes de
eficiência é obtida pelo uso de material
condutor e ferro de melhor qualidade e
por um projeto otimizado tanto do estator quanto do rotor. Quando alimentado
por um acionamento de velocidade variável (VSD), os motores de indução são
propensos a perdas adicionais devido à
distorção das formas de onda da tensão
e da corrente impostas à máquina.
Para ter idéia da eficiência de um
motor de indução com velocidade controlada em toda sua faixa de operação,
os diferentes componentes de perda são
calculados a partir do esquema equivalente da máquina. Assim, as perdas
suplementares sob carga e as perdas
adicionais devidas à operação do inversor não são consideradas aqui. A figura
1 ilustra os resultados para um motor de
indução IE1 de 4 kW, 400 V e 1500 rpm.
A melhor eficiência situa-se na faixa de
enfraquecimento de campo. A menor
corrente de magnetização durante o enfraquecimento de campo resulta na redução das perdas ôhmicas [8]. Em velocidades muito elevadas, a eficiência é
reduzida devido ao aumento das perdas
por ventilação e atrito. Na faixa de velocidade nominal, as perdas ôhmicas no
rotor e as perdas relacionadas à corrente de magnetização reduzem a eficiência em comparação com o valor ótimo
na faixa de enfraquecimento
de campo. Quando a máquina
é operada em velocidade e
conjugado reduzidos, as linhas de isoeficiência tornamse mais concentradas. A eficiência cai rapidamente devido às altas perdas no rotor. Do
ponto de vista da medição, isso exigirá mais pontos de medição nessas regiões.
Para a faixa de potência estudada neste artigo, máquinas
síncronas de ímãs permanentes são freqüentemente utilizadas em aplicações com eleFig. 2 – Configuração de medição para avaliação das
vados requisitos dinâmicos. A
curvas de isoeficiência por meio do método direto
excitação magnética nessa
NOVEMBRO, 2011 EM
67
MOTORES E CONTROLES
Fig. 3 – Interpretação gráfica do algoritmo de interpolação
para encontrar a linha de eficiência constante C(i)
máquina provém dos ímãs permanentes
do rotor. Em comparação com o motor
de indução, não são necessárias correntes magnéticas no estator nem corrente
no rotor. As perdas dominantes são as
do ferro, que ocorrem principalmente
no estator. Assim, na faixa de velocidade nominal, espera-se que a eficiência dos motores síncronos de ímãs permanentes seja mais elevada em comparação com o motor de indução. Na faixa
de enfraquecimento de campo, é necessário corrente suplementar no estator
para neutralizar os ímãs permanentes.
Conseqüentemente, a eficiência é reduzida em velocidades elevadas. A maior
desvantagem em relação ao motor de
indução é o custo elevado dos ímãs.
Fig. 4 – Distribuição dos pontos de medição e indicação dos
erros absolutos da configuração de medição para um motor
de indução de 4 kW, 1500 rpm e sensor de conjugado
50 Nm, 0,2%
Esboço da campanha de
medição
Dispositivo de medição
O objetivo da campanha de medição
é determinar a eficiência de motores de
indução e de motores síncronos de ímãs
permanentes de velocidade controlada
nas faixas de potências de 0,75 a 15 kW
e de velocidades de zero a 3000 rpm.
Este artigo apresenta os resultados para
motores com velocidade nominal de
1500 rpm. Cada combinação de motor e
VSD é testada em até 200% da velocidade nominal e, se possível, até 150%
do conjugado nominal.
O objetivo é realizar medições em
estado estacionário, ou seja, com velo-
cidade e conjugado de carga constantes.
A carga do motor é realizada por meio
de uma máquina de indução com VSD
em modo de controle de conjugado por
orientação de campo e realimentação
de velocidade (figura 2). O projeto da
configuração de medição garante resultados de medição reproduzíveis e alta
precisão. O método direto é utilizado
para determinar a eficiência geral das
combinações do motor e do acionamento. Métodos de medição de eficiência
indiretos, como especificado nas normas de eficiência IEEE e IEC [10,11],
não podem ser utilizados aqui. O método direto requer medição precisa da
potência de saída mecânica e da potência de entrada elétrica. A potência de
MOTORES E CONTROLES
Fig. 5 – Valores de eficiência para um motor de indução IE1
de 4 kW, 400 V e 1500 rpm para operação com
alimentação direta e operação com inversor (eficiência
geral e do motor)
saída é medida por um sensor de conjugado e de velocidade. Devido à extensa
faixa de potências, dois arranjos
mecânicos foram realizados: o primeiro
para motores de até 4 kW, e o segundo
para motores de até 15 kW. Cada arranjo é equipado com um sensor de conjugado específico com precisão de 0,2%.
A energia elétrica e a saída dos sensores
de conjugado e velocidade são medidas
por um analisador de energia Yokogawa
WT 1600. Isto permite sincronização
das medições de energia de entrada e
saída e cálculo de eficiência confiável.
As conexões elétricas do analisador de
energia também possibilitam a medição
da energia elétrica na saída do acionamento de velocidade variável. Assim,
as eficiências do VSD e do motor podem ser determinadas separadamente.
A fim de garantir a reprodutibilidade, um protocolo de
medição é definido. Antes de
começar as medições efetivas
de eficiência, o motor é carregado no valor nominal até
que atinja uma temperatura de
operação estável. Durante as
medições em diferentes conjugados e velocidades, uma janela de temperatura de 5°C é
permitida. Finalmente, a qualidade da tensão de alimentação é também monitorada.
Precisão e número de
pontos de medição
É essencial determinar o
número mínimo de pontos de
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EM NOVEMBRO, 2011
4 kW, 400 V e 1500 rpm para operação com alimentação
direta e operação com inversor (eficiência geral e do motor)
medição necessário para obter uma
curva de isoeficiência precisa para uma
combinação de VSD e motor. Um elevado número de pontos resulta numa
campanha de medição dispendiosa e
demorada. Por outro lado, se o número
de pontos for muito pequeno, a precisão para determinar a eficiência geral
de um dado perfil de carga pode ser
muito baixa.
As curvas analíticas de isoeficiência
para um motor de indução mostram alta
concentração de linhas de isoeficiência
próximas aos eixos de velocidade e conjugado. A região de conjugado e velocidade nominais do motor é caracterizada por um gradiente mais baixo. Desta
forma, uma maior concentração de pontos de medição próximos aos eixos
parece óbvia.
Uma primeira medição foi configurada com elevado número de pontos
para servir como referência. A eficiência foi determinada para 40 valores de
conjugado e 40 valores de velocidade
distribuídos equitativamente sobre os
eixos, resultando numa matriz de eficiência de 40 x 40. Um algoritmo de interpolação linear é utilizado para desenhar as linhas de isoeficiência no plano
conjugado-velocidade a partir dos pontos de medição. O algoritmo é realizado no Matlab.
A figura 3 ilustra o processo. Os valores medidos formam um retângulo.
C(i) é uma linha de eficiência constante
e é interpolada utilizando pontos de
medição adjacentes. Linhas de eficiência com intervalo de 1% são desenhadas. Em seguida, começando pela matriz de eficiência de 40 x 40,
o número de pontos de medição foi reduzido gradualmente até encontrar a quantidade ideal. O erro tolerado
entre as curvas do arranjo de
medição de referência (40 x
40) e do arranjo de medição
reduzido é de ±0,5%. A partir dessa análise, constatouse que 16 valores de conjugado e 19 valores de velocidade devem ser considerados, reduzindo o número de
pontos de medição de 1600
para 304. Como pode ser
visto na figura 4, os pontos
11 kW, 1500 rpm para operação com alimentação direta e
de medição não são disoperação com inversor (eficiência geral e do motor)
tribuídos uniformemente so-
MOTORES E CONTROLES
Fig. 8 – Curvas de isoeficiência para um motor IE1 de 11 kW, 400 V e 1500 rpm
bre toda a área de operação do sistema
de acionamento. Uma maior concentração é necessária nas regiões próximas ao conjugado zero e à velocidade
zero. A figura também ilustra o erro absoluto de medição nas diferentes
regiões da faixa de operação.
Motores de indução:
alimentação direta vs.
acionamento por inversor
Os valores de eficiência para motores de indução, como especificados
em catálogos e na norma IEC 6003430, são válidos apenas para alimentação
direta pela rede. Quando operados por
um VSD, a eficiência geral do sistema é
menor. Durante as medições, cada motor
foi testado tanto em operação com alimentação direta quanto com VSD. Para
a operação com VSD, tanto a eficiência
do motor quanto a do acionamento foram medidas. Quando são medidos motores com diferentes classes de eficiência e potência nominal idêntica, é utilizado o mesmo VSD. Somente os parâmetros apropriados do motor são modificados em relação aos ajustes de
fábrica. A auto-regulagem é executada
se estiver disponível no VSD.
O VSD opera motores através de controle U/f ou controle por orientação de
campo. Para comparar os resultados das
operações com alimentação direta e com
VSD, as medições são realizadas com
valores de velocidade e conjugado idênticos. A freqüência de chaveamento do
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EM NOVEMBRO, 2011
inversor, ajustada em 5 kHz, não é alterada nessa campanha de medição. Medições para outras freqüências de chaveamento ainda estão em curso e os resultados serão descritos num futuro próximo.
As figuras 5 e 6 fornecem os resultados para motores de indução classes
IE1 e IE2 de 4 kW, 400 V e 1500 rpm.
A linha contínua mostra a eficiência
para operação com alimentação direta. Já
os pontos vermelhos indicam a eficiência na velocidade e conjugado nominais, como especificado na IEC 6003430. A eficiência máxima é atingida em
aproximadamente 60 a 70% do conjugado nominal para ambas as máquinas. A
eficiência máxima para o motor de
indução IE2 é de 87%, o que representa
aumento de 3% em relação à eficiência
máxima do IE1. A partir da eficiência
máxima, na máquina IE2 a eficiência
cai muito mais lentamente com carregamento maior. As linhas pontilhadas
mostram a eficiência geral do motor de
indução com operação por VSD. A eficiência máxima é reduzida em 2,5%
para ambas as máquinas. Em carga nominal, a eficiência é reduzida em 3%.
Por fim, a linha tracejada mostra a eficiência do motor de indução quando
alimentado por VSD. Em conjugado
nominal, a eficiência é reduzida em
apenas 1% com relação à operação
com alimentação direta. Também observa-se que, com carga parcial, a eficiência do motor alimentado por VSD
é igual à eficiência da operação com
MOTORES E CONTROLES
Fig. 9 – Curvas de isoeficiência para um motor IE2 de 11 kW, 400 V e 1500 rpm
alimentação direta. Uma análise cuidadosa das formas de onda de tensão e
corrente mostra que o VSD aplica valores de magnetização mais baixos
para o motor de indução, resultando em
redução das perdas comparado com a
alimentação direta.
A figura 7 mostra a eficiência de um
motor de indução IE3 de 11 kW, 400 V
e 1500 rpm. Para conjugados baixos, a
eficiência do motor, quando operado
por um VSD, é 2% mais elevada do que
com a operação com alimentação direta. Todavia, esse efeito é cancelado pela
eficiência do próprio VSD, resultando
numa eficiência geral mais baixa do
que na operação com alimentação direta. Para a máquina IE3 de 11 kW, observa-se ainda que a eficiência máxima
de 91,5% é atingida em 100% do conjugado, e permanece próxima a esse valor numa extensa faixa de conjugado.
Curvas de isoeficiência
Motor de indução de 11 kW
São analisadas aqui as curvas de isoeficiência para três motores de indução
de 11 kW, 400 V e 1500 rpm com classes de eficiência IE1, IE2 e IE3, ilustradas respectivamente nas figuras 8, 9
e 10. Elas representam a eficiência ge-
Fig. 10 – Curvas de isoeficiência para um motor IE3 de 11 kW, 400 V, 1500 rpm
74
EM NOVEMBRO, 2011
MOTORES E CONTROLES
Fig. 11 – Mapa de curvas da melhoria da eficiência para um motor IE3 vs. um
motor IE1 de 11 kW, 400 V e 1500 rpm
ral da combinação VSD e motor. Como
esperado, após a aproximação analítica
da curva apresentada anteriormente, na
seção “Curvas de isoeficiência para
motores de indução”, a eficiência máxima é atingida principalmente na faixa
de enfraquecimento de campo. Os valores de eficiência máxima são de 86%,
87% e 88% para as classes IE1, IE2 e
IE3, respectivamente. Na figura 11, as
curvas de isoeficiência para os motores
IE3 e IE1 de 11 kW são subtraídas para
encontrar o mapa de curva da melhoria
da eficiência. Observa-se que uma me-
lhoria da eficiência de 2% existe em
uma grande área de operação. Para valores elevados de conjugado, tanto em
baixa quanto em alta velocidade, notase melhoria ainda maior. As mesmas
observações podem ser feitas ao se
compararem os mapas de curvas do IE2
e IE1 de 11 kW (figura 12).
Motor de indução vs.
motor de ímãs permanentes
Aqui, são discutidos os resultados de
medição para um motor de indução de
4 kW e um motor síncrono de ímãs per-
Fig. 12 – Mapa de curvas da melhoria da eficiência para um motor IE3 vs. um
motor IE1 de 11 kW, 400 V e 1500 rpm.
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EM NOVEMBRO, 2011
manentes na mesma faixa de potência.
As curvas de isoeficiência foram medidas para cada motor. A figura 13
mostra o mapa de curva de melhoria da
eficiência para os motores de indução
IE2 e síncrono de ímãs permanentes, o
qual apresenta melhor eficiência.
Observa-se melhoria de pelo menos
4,5%. Uma melhoria ainda maior é
também observada para pontos de operação com baixos valores de velocidade e conjugado, e pontos de operação com altos valores de velocidade e
conjugado. O motor síncrono de ímãs
permanentes é testado em até 3000 rpm,
e não é utilizado na faixa de enfraquecimento de campo. A maior eficiência
resulta principalmente da ausência de
corrente de magnetização no motor
síncrono de ímãs permanentes.
Quando o motor de indução é operado em um conjugado mais baixo do
que o nominal, o nível de magnetização pode ser reduzido — isso está
geralmente disponível em acionamentos comerciais e é conhecido como
otimização de fluxo. O nível de fluxo é
reduzido, diminuindo a corrente do estator, o que ocasiona menores perdas
ôhmicas e magnéticas, aumentando assim a eficiência. Os resultados de medição para um motor de indução com
algoritmo comercial de otimização de
fluxo podem ser encontrados na tabela
I. Para diferentes pontos de operação,
são fornecidas a melhoria da eficiência
referente à eficiência de um motor de
indução IE1, utilizado aqui como referência, para um IE2, um IE2 com
otimização de fluxo e um motor síncrono de ímãs permanentes. Todos os
valores são relacionados a máquinas de
indução de 4 kW e 1500 rpm, e motores síncronos de ímãs permanentes
de 3000 rpm e 18 Nm.
Uma melhoria notável de eficiência
do motor síncrono de ímãs permanentes sobre os motores de indução IE1 e
IE2 é claramente ilustrada para cada
ponto de operação. Quando os resultados para o motor síncrono de ímãs permanentes são comparados com o motor IE2 com otimização de fluxo, valores de eficiência similares são medidos. Conclui-se que, para operação em
estado estacionário, não há motivo
para utilizar um motor síncrono de
ímãs permanentes ao invés de um moNOVEMBRO, 2011 EM
77
MOTORES E CONTROLES
tor de indução com otimização de fluxo. A desvantagem da otimização de
fluxo é a dinâmica relativamente lenta dos níveis de
fluxo. Para aplicações que
exigem dinâmicas elevadas
de conjugado, a otimização
de fluxo pode se tornar impossível. Todavia, se os requisitos de conjugado podem ser previstos, a programação do nível de fluxo
no motor de indução pode
ser considerada como uma
técnica promissora para
uma otimização maior da
eficiência do motor.
Conclusão
Este artigo apresentou os resultados
de uma campanha de medição para
identificar a eficiência dos acionamentos de velocidade variável para motores
de indução e máquinas síncronas de
ímãs permanentes. As curvas de isoeficiência são apresentadas como uma fer-
ramenta necessária para visualizar a
eficiência do sistema de acionamento
em toda a sua região de operação. É
discutido o número de pontos de medição necessário para obter curvas de
isoeficiência confiáveis com precisão
de 1%. Foram apresentadas curvas para
motores de indução das classes de efi-
ciência IE1, IE2 e IE3 em
uma faixa de potência de
0,75 até 15 kW. A eficiência
ótima é atingida unicamente
na faixa de enfraquecimento
de campo. Finalmente, a eficiência do motor de indução
é comparada à eficiência de
uma máquina síncrona de
ímãs permanentes. Devido à
excitação por ímãs permanentes, a máquina síncrona
tem valores de eficiência
bem melhores. Todavia, se o
VSD para o motor de indução aplicar um algoritmo de
otimização de fluxo, eficiências similares, idênticas às
do motor síncrono de ímãs
permanentes, podem ser alcançadas.
Agradecimentos: A pesquisa descrita neste artigo foi o resultado de uma colaboração entre
três institutos de pesquisa: FMTC, Electa (Esat)
e Howest.
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Fig. 13 – Mapa de curvas da melhoria da eficiência para um motor síncrono de
ímãs permanentes (3000 rpm, 18 Nm) vs. um motor de indução IE2 (4 kW, 400
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Apresentado na ICEM '10: International Conference on Electrical
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[13] Deprez, W.; Lemmens, J.; Vanhooydonck, D.; Symens, W.;
Stockman, K.; Dereyne, S.; Driesen, J.: Iso efficiency contours as
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Apresentado na ICEM '10: International Conference on Electrical
Machines, Roma, Itália, 2010.
Trabalho apresentado na XIX Icem Conferência Internacional de Máquinas
Elétricas, realizada em Roma, em 2010.

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