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Concepção, Projeto Implantação e Resultados Sumário • DEE • Histórico • Números • PROCEN • LAMOTRIZ • Desafio • Objetivos • Automação •Bancadas •Compressor •Bomba Hidráulica •Ventilador Centrífugo •Ventilador Axial •Esteira •Ensaios de Motores •Publicações •Portfólio •Parceiros •Fornecedores DEE: Histórico • O Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará foi criado em 19 de julho de 1974. • O departamento de Engenharia Elétrica foi criado em 21 de julho de 1983. • Pós-Graduação em Engenharia Elétrica foi criada em 1994 com a implantação do mestrado e em 2008 iniciou o doutorado. Contando aproximadamente 230 dissertações defendidas e 20 teses de doutorado. DEE: Números • 24 Professores • 21 doutores • 3 mestres • 6 Técnicos de laboratório • 4 agentes administrativos • Número de Alunos: • Graduação - ~580 • Pós-Graduação – ~100 PROCEN • Programa de Eficiência no Consumo de Energia Elétrica da Universidade Federal do Ceará. • Criado a partir do convênio entre a ELETROBRÁS e a UFC, em janeiro 2003. • Visa a eficiência no consumo e o estímulo ao uso racional de energia elétrica nos prédios da UFC. PROCEN Coordenação do Prof. Tomaz Nunes Cavalcante Neto. Página eletrônica: http://www.dee.ufc.br/~procen/ LAMOTRIZ: Desafio • A implantação do LAMOTRIZ no DEE da Universidade Federal do Ceará, surgiu a partir de um desafio do Dr. George Alves Soares do Departamento de Desenvolvimento de Projetos Especiais – ELETROBRÁS, o qual foi prontamente aceito. LAMOTRIZ: Objetivos • Desenvolver atividades para tornar o LAMOTRIZ uma referência nacional em estudos da eficiência energética de força motriz aplicada ao parque industrial. • Formar e capacitar ao nível de graduação e pós-graduação engenheiros com grande especialização em eficiência motriz. • Promover a difusão tecnológica das pesquisas geradas no âmbito deste laboratório. LAMOTRIZ: Bancadas • Compressor • Bomba Hidráulica • Ventilador Centrífugo • Ventilador Axial • Esteira • Bancada de Ensaios de Motores FIEC – Agosto 2009 Supervisório Compressor Bomba Hidráulica FIEC – Agosto 2009 Ventilador Centrífugo FIEC – Agosto 2009 Ventilador Axial e Bancada de Ensaio de Motores Esteira LAMOTRIZ: Automação • Sistema de Supervisão e Controle de todas as Bancadas do LAMOTRIZ. • O sistema é composto por seis Controladores Lógicos Programáveis (CLP´s) localizados próximos às bancadas a serem automatizados. • As unidades de controle são autônomas. LAMOTRIZ: Automação Princípios norteadores: • Utilização de tecnologias de ponta; • Adequação ao tipo de aplicação (pesquisa); • Adequação às necessidades do processo; • Facilidades de ampliações futuras; • Sistema aberto; • Relação custo x benefício. LAMOTRIZ: Automação • O Sistema é interligado através de uma rede de comunicação de dados digital, de modo que todas as informações fiquem disponíveis ao usuário. • Esta rede é composta de: • Rede de controladores programáveis (CLP´s) – MODBUS; • Rede de equipamentos de medição multigrandezas elétricas – MODBUS; • Rede de Sensores – ASI. FIEC – Agosto 2009 LAMOTRIZ: Automação LAMOTRIZ: Publicações O LAMOTRIZ – UFC conta com aproximadamente 60 artigos técnicos e científicos apresentados entre os maiores congressos nacionais e internacionais. E publicações em periódicos nacionais e internacionais LAMOTRIZ: Publicações Congressos INTERNACIONAIS • IEEE – PES 2004 • IEEE – ICEM 2008 • MEI – 2009 • 11CHILIE 2010 • EEMODS’2013 • APEC 2015, EEMODS’2015 e SPEC/COBEP 2015 • ICEM 2016, AIM 2016, ARGENCON 2016, GROUND 2016 e em Novembro: 17º CEFC - 2016 LAMOTRIZ: Publicações REVISTAS TÉCNICAS • Revista “Eletrônica de Potência” - SOBRAEP • Revista “Transactions on Industry Applications” – IAS/IEEE • Futuro: Revista “Energy Policy” (Elsevier) LAMOTRIZ: DISSERTAÇÕES O LAMOTRIZ já promoveu: 21 (vinte e uma) defesas de dissertações de mestrado Possui: 4 Doutorandos 3 Mestrandos 1 Técnico responsável 6 Pesquisadores vinculados entre doutores e mestres Portfólio de serviços - Empresarial • Sistemas Verdes Mares de Comunicação • FIOTEX Indústria S.A, • FECOMERCIO – CEARÁ • Klüber Lubrication Brasil • Construções eletromecânicas S.A. CEMEC • Banco do Nordeste do Brasil – BNB • SK Indústria e Comercio de Bombas Hidráulicas Ltda. Portfólio de serviços – UFC • Eficientização Energética dos prédios da Farmácia e Odontologia da UFC, 2005. • Eficientização Energética do Hospital Universitário Walter Cantídio, 2004. • Eficientização Energética do Laboratório de Ciências do Mar, 2004. • Eficientização Energética do Prédio da Reitoria da UFC, 2004. • Eficientização Energética da Maternidade escola Assis Chateaubriand – MEAC, 2005. • Eficientização Energética Blocos de Sala de Aula Campus do PICI - 2007 LAMOTRIZ: Parceiros na Implantação Centro de Tecnologia LAMOTRIZ: Fornecedores Implantação Pesquisa de Desenvolvimento • Klüber Lubrication Brasil LAMOTRIZ: Infra-Estrutura Computacional LAMOTRIZ: Projetos Contatos - Página eletrônica Prof. Tobias Rafael Fernandes Neto tobias@dee.ufc.br e ricthe@dee.ufc.br (Prof. Ricardo Thé) www.lamotriz.ufc.br ÍNDICES DE RENDIMENTO EM MOTORES ELÉTRICOS INDUSTRIAIS – BRASIL, EUROPA E E.U.A VICTOR DE PAULA BRANDÃO AGUIAR I. INTRODUCÃO Por que definimos os “Índices de Rendimento”? Crise Energética nos anos 70 Países do Oriente Médio controlam o preço do barril de petróleo I. INTRODUCÃO Por que definimos os “Índices de Rendimento”? Crise Energética nos anos 70 Reservas em Bilhões de Barris – Mapa de cor (2014) I. INTRODUCÃO Por que definimos os “Índices de Rendimento”? Crise Energética nos anos 70 Reservas (2011) – Infográfico I. INTRODUCÃO Por que definimos os “Índices de Rendimento”? Crise Energética nos anos 70 Reservas óleo cru da OPEP (2015) I. INTRODUCÃO Por que definimos os “Índices de Rendimento”? Crise Energética nos anos 70 Países do Oriente Médio controlam o preço do barril de petróleo Como estes países controlavam? AÇÃO: Armazenavam barris reduzindo a oferta CONSEQUÊNCIA: Aumento no preço Solução para países fora da OPEP? Redução na dependência com o petróleo Tarefa Fácil? NÃO Reduzir CONSUMO: em toda a cadeia de PRODUÇÃO/USO I. INTRODUCÃO Por que definimos os “Índices de Rendimento”? Equipamentos ELÉTRICOS de USO final Possuem destinações e usos variados. Grande maioria possuem motores elétricos Força Motriz na Indústria Consome em torno de 30% da EE consumida Força Motriz CONSOME em torno de 60% de toda EE consumida no Brasil II. INDÍCES DE RENDIMENTO IE, PREMIUM OU IR? Processo de certificação, etiquetagem e normatização de índices mínimos EUA – Energy Policy Act em 1992. União Europeia – Directive 640/2009 . Brasil – Lei 10295/2001. O processo de implementação dos IR, ou MEPS, não é breve: Fase de aderência ao índice – adesão voluntária Fase compulsória do índice – limite para produção IR são limitados a tipos de motores Fases podem ser em períodos diferentes II. INDÍCES DE RENDIMENTO IE, PREMIUM OU IR? II. INDÍCES DE RENDIMENTO IE, PREMIUM OU IR? II. INDÍCES DE RENDIMENTO Indíces mínimos obrigatórios Motores médios (1 -200 HP) Motores grandes (200 – 500 HP) IEC 60034-30-1 NEMA MG-1 NBR 17094-1 IE4 Super Premium Efficiency IE3 Premium Efficiency IR3 IE2 High Efficiency IR2 IE1 - - IEC 60034-30-1 NEMA MG-1 NBR 17094-1 IE4 Super Premium Efficiency IE3 Premium Efficiency IR3 IE2 High Efficiency IR2 IE1 - - II. INDÍCES DE RENDIMENTO Indíces mínimos obrigatórios Maior impacto dos índices em menores potências III. CONCEITOS Rendimento ou Eficiência 3 saída eixo entrada LL P T P V I cos perdasP saídaP entradaP entrada perdas entrada P P P perdas ferro AV estator rotor supP P P P P P III. CONCEITOS % de cada tipo de perda em relação ao valor total Motores de potência nominal diferentes Tipo de Perda Potência do Motor (cv) 25 50 100 Perdas no Estator 42 % 38 % 28 % Perdas no Rotor 21 % 22 % 18 % Perdas no Ferro 15 % 20 % 13 % Perdas por Atrito e Ventilação 7 % 8 % 14 % Perdas Suplementares 15 % 12 % 27 % III. CONCEITOS Perdas Fixas e Variáveis do Motor Perdas com Valores Fixos Perdas Típicas, % Fatores que afetam as perdas Perdas no ferro 15 a 25 Tipo e quantidade de material ferromagnético Perdas por atrito e ventilação 5 a 15 Dimensionamento e projeto de ventiladores, rolamentos e vedações Perdas com Valores Variáveis Perdas no Estator 25 a 40 Dimensões do condutor e tipo de material Perdas no Rotor 15 a 25 Dimensões de barras e anéis e tipo de material Perdas Suplementares 10 a 20 Método de fabricação e projeto III. CONCEITOS Variação das perdas em função do carregamento Motores tipo “Padrão” III. CONCEITOS Variação do rendimento com o carregamento Motores tipo “Padrão” III. CONCEITOS Comparação: Motor “Padrão” e “Alto Rendimento” Figura por Cássio Tersandro III. CONCEITOS Modificações para aumento na eficiência Maior preenchimento da ranhura do estator – redução de resistência e perdas no estator; Maior comprimento do estator e rotor para reduzir perdas no ferro pela redução da densidade magnética – aumento na capacidade de arrefecimento; Seleção de barras de baixa resistência – aumento da seção transversal de barras e anéis de curto-circuito reduzem perdas no cobre; Modificação do projeto da ranhura do estator para reduzir as perdas no ferro/suplementares e aumentar área útil da ranhura; Uso de ventiladores menores. Projeto eficiente de ventilação reduz o fluxo de ar e a potência necessária para o acionamento do ventilador; Otimizar o tamanho do entreferro para reduzir perdas suplementares; Utilizar lâminas ferromagnéticas com menores perdas e mais finas – reduzir perdas por histerese e perdas “Foucault”; Uso de rolamentos e selos especiais para redução das perdas por atrito. III. CONCEITOS Impacto nas perdas – Padrão para IR2 Figura por Cássio Tersandro III. CONCEITOS Impacto nas perdas – IR2 para IR3 Figura por Cássio Tersandro III. CONCEITOS Modificações para aumento na eficiência IE1 IV. EFICIÊNCIA – DEFINIÇÕES Rendimento nominal Média das medidas de rendimento, em carga nominal: Em uma grande população de motores Com o mesmo projeto Medição de rendimento realizado por método normatizado Rendimento garantido Valor mínimo que todos os motores em teste devem alcançar % de perdas maior que as perdas no rendimento nominal ABNT/IEC 15%, rendimento < 85,1% e 20%, outro caso NEMA 20% IV. EFICIÊNCIA – DEFINIÇÕES Rendimento aparente Produto entre o fator de potência e a rendimento mínimo: NEMA define este “rendimento” Rendimento calculado Média de medidas de rendimento baseados em: Parâmetros de projetos e resultados de alguns ensaios NEMA define este “rendimento” Qual rendimento levar em conta? Para cálculos elétricos? Rendimento nominal e seu carregamento Para cálculos de retorno de investimento? Rendimento mínimo e seu carregamento? Ou rendimento medido? V. NORMAS DE TESTE DE MOTORES Principal norma IEEE 112/2004 – Rev. 2 IEC 60034-2-1:2007 CSA C390-10 NBR 5383:2002 Baseadas nas versões antigas da IEC e da IEEE IEC, 1996 e IEEE 112/1991 – Rev. 1 IEEE passa atualmente por nova revisão Revisar a brasileira agora? Melhor esperar a nova versão americana? V. NORMAS DE TESTE DE MOTORES Diferenças entre normas: “Harmonização” entre normas é importante Como medir as perdas suplementares? Norma Rendimento nominal % 7,5 HP 20 HP IEEE-112, Método B 80,3 86,9 CSA C390 80,3 86,9 IEC 60042-2:1996 (última versão) 82,3 89,4 JEC-37 (Japão) 85,0 90,4 VI. LIMITAÇÕES NAS MEDIÇÕES Dinamômetros Freio de “Prony” VI. LIMITAÇÕES NAS MEDIÇÕES Dinamômetros Freio à Agua Gerador CC VI. LIMITAÇÕES NAS MEDIÇÕES Teste “Round Robin” pela NEMA 1978, 1992 e 1993 Motores de 5, 25 e 100 HP Motor específico testado em vários laboratórios (55) Medidas de perdas excedem +/- 10% Ao variar as medidas entre os motores dos diversos fabricantes (11) Medidas das perdas excedem em até +/- 19% VI. LIMITAÇÕES NAS MEDIÇÕES Como obter o valor de placa da eficiência nominal no Brasil? 01 – Obter rendimento nominal 02 – Comparar com o índice mínimo tabelado para determinada potência nominal e número de pólos. 03 – O menor valor de rendimento medido na população de motores não pode ser menor que o rendimento garantido Válido para os índices IR2 e IR3 VI. LIMITAÇÕES NAS MEDIÇÕES Como obter o valor de placa da eficiência nominal nos EUA? 01 – Obter rendimento nominal 02 – Em tabela apropriada, obter o rendimento NEMA (valor logo abaixo ao rendimento nominal) 03 – Motores testados não podem ter rendimento menor que o valor de rendimento NEMA mínimo tabelado. Assim, motor está na tolerância da eficiência. VI. LIMITAÇÕES NAS MEDIÇÕES Exemplo: Conjunto de motores com rendimento médio de 94,8% Na tabela NEMA, 94,8% está entre as bandas de eficiência 95% e 94,5%, sendo o último considerado rendimento nominal. O rendimento mínimo associado a 94,5% é 93,6%. Se os testes dos motores apresentarem valores acima deste valor mínimo: Há grande probabilidade da eficiência do motor está entre as bandas 95% - 94,5%. VII. VALORES MÉDIOS DOS IRs VII. VALORES MÉDIOS DOS IRsMotor Denominação Índice de Eficiência (Médio %) Padrão Pre-EPAct (EUA), Padrão (Brasil), IE1(Europa) 88,6 Alto Rendimento EPAct (NEMA/EUA), IR2 (Brasil), IE2 (Europa) 90,8 Premium Premium (NEMA/USA), IE3 (Europa), IR3 (Brasil) 92,0 Super Premium IE4 (Europa) 93,8 VIII. EVOLUÇÃO DOS IRs Premium (IE3) para Superpremium (IE4) Atual desafio tecnológico Redução média de 20% das perdas Segundo alguns pesquisadores motor de indução não atinge esse nível Motor síncrono de ímã permanente (PMSM) é a opção mais viável Porém ele precisa de um inversor para o funcionamento. LSPMSM – “line-start PMSM” AGRADECIMENTO AÇÕES RECENTES PARA IMPULSIONAR A COMPRA DE MOTORES IR3 - BRASIL VICTOR DE PAULA BRANDÃO AGUIAR I. LINKS IMPORTANTES Apresentação CNI Apresentação PUC-RJ Apresentação ANEEL Chamada Projeto Prioritário 002/2015 Interesse na chamada Empresas que enviaram proposta Resultado Manual sobre o Motor “Premium” AGRADECIMENTO FABRICAÇÃO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS E DESAFIOS FUTUROS VICTOR DE PAULA BRANDÃO AGUIAR I. INTRODUÇÃO Modificações para aumento na eficiência Maior preenchimento da ranhura do estator – redução de resistência e perdas no estator; Maior comprimento do estator e rotor para reduzir perdas no ferro pela redução da densidade magnética – aumento na capacidade de arrefecimento; Seleção de barras de baixa resistência – aumento da seção transversal de barras e anéis de curto-circuito reduzem perdas no cobre; Modificação do projeto da ranhura do estator para reduzir as perdas no ferro/suplementares e aumentar área útil da ranhura; Uso de ventiladores menores. Projeto eficiente de ventilação reduz o fluxo de ar e a potência necessária para o acionamento do ventilador; Otimizar o tamanho do entreferro para reduzir perdas suplementares; Utilizar lâminas ferromagnéticas com menores perdas e mais finas – reduzir perdas por histerese e perdas “Foucault”; Uso de rolamentos e selos especiais para redução das perdas por atrito. I. INTRODUÇÃO Impacto nas perdas – Padrão para IR2 Figura por Cássio Tersandro I. INTRODUÇÃO Impacto nas perdas – IR2 para IR3 Figura por Cássio Tersandro I. INTRODUÇÃO Modificações para aumento na eficiência IE1 II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Material ferromagnético – Laminação II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Material ferromagnético – Laminação II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Aços de grão não-orientado (GNO) Após o fim do processo de laminação à frio: Aço elétrico totalmente processado (TP) Aço elétrico semiprocessado (SP) Aço TP Utilizado diretamente na montagem do motor após a confecção das lamelas (lâminas) Já recozidos na siderúrgica para garantia de características magnéticas Economiza tempo e o custo do processo de recozimento após o puncionamento das lâminas II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Aços de grão não-orientado (GNO) Após o fim do processo de laminação à frio: Aço elétrico totalmente processado (TP) Aço elétrico semiprocessado (SP) Aço SP Aço sem características magnéticas Confecciona-se as lamelas (lâminas) Após a confecção, tais lâminas são recozidas pelo fabricante de motores para obtenção das características magnéticas II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Aços de grão não-orientado (GNO) Aço TP APERAM – vários tipos Para aplicações gerais – E170 Espessura de 0,5 mm e 0,35 mm (abaixo de 5 W/kg) CSN – tipo CSN CORE 55700 II (Si 1%) Espessura de 0,5 mm (5,8 W/kg) Aço SP USIMINAS – tipo USI CORE 230 (Si 1,5%) Espessura de 0,5 mm (5,4 W/kg) II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Lâminas do motor elétrico Rotor ranhuras abertas e fechadas – tipos A e B II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Lâminas do motor elétrico Ranhuras para gaiolas duplas – tipo C II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Lâminas do motor elétrico Estator convencional e segmentado Uso de aço GO (Grão-Orientado) II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Lâminas do motor elétrico Estator segmentado – patentes II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Lâminas do motor elétrico Avanços: Viabilidade de um estator segmentado para toda faixa de potências de motores? GO Perdas específicas na faixa de 1,58 a 2,04 W/kg Espessuras entre 0,27 e 0,35 mm High Permeability GO (HGO) Perdas específicas entre 1,25 e 1,77 W/kg Mesma espessura do GO II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Estampagem de Chapas Qualidade: zona de fratura e rebarba Magella, Della Torre, Kühn e Bernardini, 2002 II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Estampagem de Chapas Características: Alta produtividade Baixo custo Simplicidade Precisão no corte (entre +/- 0,001 pol.) Desvantagens: Deformações e rebarbas aumentam em 50% o espaço entre lâminas Rebarbas criam caminhos de corrente entre lâminas II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Corte à laser Projetos especiais Características: Alto custo Baixa produtividade Sem necessidade de ferramentas de corte – comando computadorizado Vantagens: Baixo stress residual, poucas distorções e melhor acabamento além de um bom controle das dimensões da chapa (ranhuras) II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Corte à laser Projetos especiais Características: Alto custo Baixa produtividade Sem necessidade de ferramentas de corte – comando computadorizado Vantagens: Algum enfraquecimento das características magnéticas podem ocorrer, mas não requerem tratamento térmico. II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Corte à jato de água Comparação com estampagem Figuras por Veronica Paltanea, Gheorghe Paltanea, Ferrara, Gavrila e Fiorillo II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Corte à jato de água Perdas por histerese Figuras por Veronica Paltanea, Gheorghe Paltanea, Ferrara, Gavrila e Fiorillo II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Linha de produção por estampagem Patentes diversas Linha de produção patenteada em 1996 II. FABRICAÇÃO DE MOTORES Recozimento das lâminas Após puncionamento Região próximo as extremidades do corte Degradação das propriedades magnéticas Motores de pequena potência Problema é mais sensível Ciclo de recozimento – SP ou TP Temperatura entre 730ºC – 790ºC e manutenção Uso de fornos Câmaras de vácuo ou de nitrogênio Seguido de um resfriamento natural III. FABRICAÇÃO DO ROTOR Empilhamento das lâminas do rotor Adesivagem Fixação por pinos Comprimir Entreligar e prensar III. FABRICAÇÃO DO ROTOR Injeção de alumínio em molde Após o empilhamento das lâminas rotóricas Confecção das barras e anéis de curto Tipos de injeção Em molde permanente – gravidade “Lingotes” ou molde coquilha Injeçãopressurizada Produção de formas mais complexas Ideal para confecção de barras e anéis Evita a porosidade do material III. FABRICAÇÃO DO ROTOR Injeção de COBRE em molde: Empilhamento das lâminas o www.copper.org Projeto minucioso do molde para injeção Material específico e pré-aquecimento do molde Coquilha e ponta de êmbolo Mudanças no modo de injeção Desafios Como tratar a ALTA TEMPERATURA DO PROCESSO e ALTO COEFICIENTE DE EXPANSÃO TÉRMICA DO COBRE III. FABRICAÇÃO DO ROTOR Comparação entre cobre e alumínio Por Gene Collin Mechler, 2010 Custo – Tópicos Rotor de Alumínio Rotor de Cobre Custo do material Densidade = 2.7 g/cm³ Preço = $ 2,13/kg Densidade = 8.7 g/cm³ Preço = $ 7,40/kg Temperaturas Fusão: 660 ºC Sem pré-aquecimento do molde Fusão: 1080 ºC Com pré-aquecimento do molde Vida útil da ferramenta 200.000 com aço tipo H13 4.000 a 10.000 com H13 40.000 a 100.000 com liga Ni-based Custo total $ 45.000 $ 100.000 Equipamento auxiliar Fundição por molde padrão Controle de temperatura e pré- aquecimento do molde Fornos Gás ou por resistência elétrica Indução III. FABRICAÇÃO DO ROTOR Tratamento térmico e colocação do eixo IV. REDUÇÃO DE PERDAS MECÂNICAS Perdas por atrito e ventilação Ventilação Melhorias nos caminhos de escoamento de fluido Desde um novo design do ventilador a forma da carcaça Weg/ANSYS IV. REDUÇÃO DE PERDAS MECÂNICAS Perdas por atrito e ventilação Ventilação Eliminando a recirculação de ar dentro do motor a) projeto antigo b) projeto otimizado IV. REDUÇÃO DE PERDAS MECÂNICAS Perdas por atrito e ventilação Ventilação Relacionado a razão de aspecto da ranhura do estator os s os b A h IV. REDUÇÃO DE PERDAS MECÂNICAS Perdas por atrito e ventilação Ventilação Relacionado a razão de aspecto da ranhura do estator V. PERDAS SUPLEMENTARES Desafio: Identificação e medida destas perdas Envolve 6 perdas diferentes no motor Medição Métodos experimentais de medição o Muito complexos Normas o Utilizam valores tabelados e pré-determinados o Relacionado a potência do motor Início do estudo: “Método Eh-Star” V. PERDAS SUPLEMENTARES Desafio: Identificação e medida destas perdas Medição Normas o Utilizam valores tabelados e pré-determinados o Relacionado a potência do motor Referência principal Título: Mechanical Design of Electric Motors Autor: Wei Tong Editora: CRC Press AGRADECIMENTO MEDIÇÃO DA EFICIÊNCIA DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO: MÉTODO DIRETO E INDIRETO VICTOR DE PAULA BRANDÃO AGUIAR I. INTRODUÇÃO Dados dessa apresentação: Realizada em Fevereiro de 2012 Prof. Dr. Emmanuel Agamloh Consultor em motores e acionamentos da Advanced Energy – www.advancedenergy.org Professor Associado North Caroline State University Palestra apresentada no DEE/UFC I. INTRODUÇÃO Determinação precisa da eficiência do motor Operadores de motores Fabricantes de motores Legisladores e para os “MEPS” Agências governamentais, defensores ambientais e etc. 5 tipos de perdas devem ser determinadas 4 perdas são bem conhecidas; a quinta não Normas variam a forma de fazer os testes e muitos métodos distribuídos nas normas I. INTRODUÇÃO Normas sobre Ensaios Perdas suplementares – SLL (‘Stray Load Losses’) Em vigor no Brasil: NBR 5383-1:2002 o Última versão em 2002, baseada na norma IEEE. o Determinar SLL por Regressão e Atribuição CSA C390-10 IEEE Std. 112/2004 IEC 60034-2-1/2014 Última versão – 2004 Método Direto – 112A Método Indireto – 112B Determinar SLL por Regressão, Rotação Reversa, Atribuição Última versão – 2010 Método indireto Determinar SLL por Regressão Última versão – 2014 Método Direto Método Indireto Determinar SLL por Regressão, Atribuição, EH- Star I. INTRODUÇÃO Bancada de ensaio de motores Célula de carga Braço de Alavanca Motor em teste Dinamômetro Caixa de controle do Dinamômetro I. INTRODUÇÃO Rendimento por definição Medições Torque é problemático Energia elétrica de entrada bastante precisa Erro no cálculo direto é introduzido Cálculo indireto é preferível Rendimento por cálculo in out P P lossP outP inP in loss in P P P loss core fw stator rotor strayP P P P P P Ensaio a vazio Ensaio com carga .TPout )cos(.3 IVP LLin strayrotorstatorfwcoreloss PPPPPP II. DEFINIÇÃO DE DIRETO E INDIRETO in out dir P P Típico IEEE 112 método A in lossin ind P PP Típico IEEE 112 método B Perdas convencionais Perdas suplementares Atribuição de Valor Análise por Regressão Método Direto Método Indireto II. DEFINIÇÃO DE DIRETO E INDIRETO Perdas no MIT (média) Estator: 25% - 40 % Rotor: 15% - 20% Suplementares: 5% - 20% Ferro: 20% - 35% Mecânicas: 5% - 15% 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1 1. 5 2 3 5 7. 5 10 15 20 25 30 40 50 60 75 10 0 12 5 15 0 20 0 Lo ss , p .u . ( % o f t ot al lo ss ) Motor Rating, Hp SLL Stator Rotor 0 5 10 15 20 25 30 35 1 1. 5 2 3 5 7. 5 10 15 20 25 30 40 50 60 75 10 0 12 5 15 0 20 0 Lo ss , p .u. (% o f t ot al los s) Motor Rating, Hp Core F&W III. MÉTODO DIRETO Medição direta Medições de Pout e Pin dependem da precisão dos instrumentos, ou melhor, precisão da medição. Bin Lu, W. Cao and Habetler (2007) Auinger e Bunzel (2002) in out dir P P 3 2 1 errorP errorP error in out dir 1 1 1 max in out P P = relative error Erro máximo estimado para o método direto = 1,72% “…… for direct efficiency determination even at high measuring accuracy, a significantly greater measuring uncertainty is unavoidable.” III. MÉTODO DIRETO Medição direta Medições de Pout e Pin dependem da precisão dos instrumentos, ou melhor, precisão da medição. Bin Lu, W. Cao and Habetler (2007) Auinger e Bunzel (2002) in out dir P P 3 2 1 errorP errorP error in out dir 1 1 1 max in out P P = relative error Erro máximo estimado para o método direto = 1,72% “…… para a determinação do rendimento direto, mesmo com a precisão de medição elevada, uma incerteza de medição significativamente maior é inevitável.” IV. MÉTODO INDIRETO Teste a vazio Medições em várias tensões com motor a vazio Medições após 30 min. – 3% de variação na potência a vazio Perdas no núcleo e perdas mecânicas consideradas constantes O Método Indireto eliminaalguns erros através da técnica de segregação de perdas! 1) Ensaio a vazio 2) Ensaio com carga 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 10000 20000 30000 40000 Squared Voltage(V^2) Po we r (k W ) fwcore PPRIP 0 2 00 3 Pfw IV. MÉTODO INDIRETO Teste em carga Carga – dinamômetro O Método Indireto elimina alguns erros através da técnica de segregação de perdas! 1) Ensaio a vazio 2) Ensaio com carga RIPstator 2 13 1) coreAG PRIPP 2 11 3 sPP AGrotor * 2) )( rotorstatorfwcoreappSTR PPPPPP outinapp PPP 3) STR app convP P P IV. MÉTODO INDIRETO Teste em carga Carga – dinamômetro 6 pontos de teste Coeficiente de correlação >0,9 Um ponto pode ser desprezado Suavização da SLL O Método Indireto elimina alguns erros através da técnica de segregação de perdas! 1) Ensaio a vazio 2) Ensaio com carga -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 20000 40000 60000 St ra y Lo ss ( kW ) Torque Squared , (Nm)2 PSTR Pstray 2 STRP A.T B 2.TAPstray IV. MÉTODO DIRETO Vs. INDIRETO Principais “fontes” de perdas suplementares IV. MÉTODO DIRETO Vs. INDIRETO Cálculo do Rendimento Escrevendo: Substituindo: in strayconvin in lossin ind P PPP P PP )( diffSTRstray PP in app STR STR diff in in out diff out diff ind in in in P ( P P P ) P ( P P ) P P P P STRoutinSTRappconv PPPPPP )( diffdirind stray STR diff in P P P IV. MÉTODO DIRETO Vs. INDIRETO Método Direto Simples Habilidade do operador reduzida Duração: 3-4 horas para motor de 100 cv Precisão Menos preciso Método Indireto Mais complexo Habilidade do operador superior Duração: 6-8 horas para motor de 100 cv Precisão Mais preciso Qual a precisão relativa entre os dois métodos? IV. MÉTODO DIRETO Vs. INDIRETO Resultados Teóricos e Análise de Dados Erros são relatados na literatura Disparidades entre os métodos são apresentados Geralmente, são dispersos Difícil de concluir abrangentemente 250hp Direct 95.79 Indirect ( IEEE 112B) 95.69 Gray and Martiny (1996) 4kW 7.5kW 11kW 15kW Direct 83.0 85.7 86.6 85.5 Indirect ( IEEE 112B) 82.9 85.9 86.1 84.9 Boglietti et. al (2004) V. ANÁLISE DE DADOS Análise Em torno de 1000 motores testados pela IEEE 112B Laboratório acreditado pelo NIST (www.nist.gov) Potências típicas e semelhantes as definidas pela NEMA Modo indireto: método B IEEE 112 Modo direto calculado a partir das medições de torque, velocidade e potência de entrada. <=10 hp, 408 15-40 hp; 290 50-75 hp; 165 100-250 hp; 135 2-POLE, 178 4-POLE, 730 6-POLE, 87 8-POLE; 3 VI. ABORDAGEM Bland-Altman (1986) Limite de concordância (L.O.A.) Se L.O.A. não é grande o suficiente para causar problemas de interpretação, dois métodos de medição podem ser comparados 1 86xy xy. L.O.A ind dir( ) ind dir( ) Os métodos de medição direto e indireto serão comparados por: VII. GRÁFICO DE CORRELAÇÃO Gráfico A x B Visão dos dados: Mostra alguma relação o Melhor situação na diagonal Correlação pode ser alta, porém pode não indicar concordância! y = 1.0033x R² = 0.9635 50 60 70 80 90 100 50 60 70 80 90 100 In di re ct E ff ic ie nc y, % Direct Efficiency, % VIII. GRÁFICO BLAND-ALTMAN Gráfico Bland-Altman Visão das diferenças L.O.A. Se presente, a dependência deve ser reduzida por transformação logarítimica L.O.A tem 95% de confiança -6 -4 -2 0 2 4 6 8 60 70 80 90 100 E ff ic ie n cy D if fe re n ce ( in d . - d ir .) , % Average Efficiency (ind. and dir.), % IX. DADOS ESTATÍSTICOS Limite de Concordância Métodos diferem de até +/- 1,86 p.p em 95% dos casos Rendimento indireto pode normalmente ser um pouco mais elevada, devido a polarização positiva Item % Efficiency points MAXIMUM 6.04 MINIMUM -3.89 AVERAGE 0.30 STDEV 0.78 1.86 -1.26 LOA Dados estatísticos completos do rendimento indireto menos o rendimento direto (998 motores) X. VELOCIDADE E POTÊNCIA Influência Motores de 2 pólos tem grandes disparidades entre métodos Motores maiores tem menores diferenças Entretanto, IEEE 112/A é recomendado para motores de 1 kW ou menor MEAN STDEV 2 0.74 1.17 -1.60 3.08 4 0.23 0.61 -0.98 1.44 6 0.01 0.73 -1.46 1.47 LOA POLE Efficiency Difference (112B-Direct), % points Dependência da velocidade MEAN STDEV 1-10 0.46 0.98 -1.51 2.42 15-40 0.23 0.70 -1.16 1.62 50-75 0.15 0.46 -0.77 1.07 100-250 0.16 0.36 -0.56 0.88 LOA MOTOR HP Efficiency Difference (112B-Direct), % pointsDependência da potência X. VELOCIDADE E POTÊNCIA Motores Grandes Menores diferenças podem ser explicadas pela menor SLL Altas precisões nos instrumentos também podem ser um fator Curvas aproximadas podem ser enganadoras para rendimento >96% -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 84 86 88 90 92 94 96L im it s of A gr ee m en t, % Average Motor Efficieny, % upper limit lower limit diffdirind stray STR diff in P P P XI. IMPLICAÇÕES EM EFIC. ENERGÉTICA Custo da Energia 1,86 p.p. de diferença = $760/ano, motor de 100 HP em 8000 hrs./ano e preço de $0,06 pela eletricidade – apenas para 1 motor... Relato não é bom para nenhum cliente, tampouco fabricante. Motores Grandes (Rend.>95%) A menor diferença entre rendimentos necessita de maior investigação Dificuldade na medição de Papp outinapp PPP XII. IMPLICAÇÕES NO REND. DE PLACA Rendimento na placa 10% é a tolerância de potência 849 motores com eficiência de placa Perda calculada para cada método permanece dentro +/- 10% da perda calculada? E dentro de +/- 20% da perda calculada? 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 9 1 i i i . . Direct predicts 52% Indirect predicts 59% Both predict 44% Direct predicts 81% Indirect predicts 86% Both predict 78% XIII. CONCLUSÕES Método de medição de eficiência (direto e indireto) podem ser comparados Métodos direto e indireto podem produzir eficiências que diferem de até 1,86 p.p. Diferença nas eficiências medidas parece maior para motores de 2 ´pólos e menor em motores grandes (100 cv ou acima diferem de +/- 0,88 p.p. Diferença é grande para esforços relacionados a eficiência energética AGRADECIMENTO ENROLAMENTOS DE MOTORES ELÉTRICOS INDUSTRIAIS DE BAIXA POTÊNCIA VICTOR DE PAULA BRANDÃO AGUIAR I. INTRODUÇÃO Predição com exatidão da eficiência:cálculos financeiros mais sólidos Brasil, 2013: Novos índices (IR2 e IR3) – Fim da produção de motores da classe “padrão” NOVOS INDICES MÍNIMOS RENDIMENTO AFETAM A PRODUÇÃO ÍNDICES DE DESEMPENHO I. INTRODUÇÃO Motores Síncronos de Ímãs Permanentes (MSIP) Vantagens: Classe IR2 – IR3 – IR4 – IR5 Desvantagens: Impossibilidade de partida direta MSIP com Partida Direta (MSIPPD) Menores rendimentos em relação o MSIP MIT IE3 e IE4 são fabricados: Em algumas faixas de potência (Acima de 30 cv) I. INTRODUÇÃO Critério Econômico Método de cálculo da eficiência influencia no tempo de retorno de investimento Afeta: Preço do “MIT mais eficiente” no mercado Viabilidade de técnicas de reprojeto do MIT Viabilidade de motores pequenos Relacionada ao método de fabricação Inovações na melhoria de eficiência são mais difíceis de implementar I. INTRODUÇÃO Política de substituição de motores Envolve concessionárias de distribuição de energia, fabricantes ou revendedores e as indústrias Modelo adotado no Brasil Políticas para reprojeto de motores Requalificação de rebobinadoras Reprojeto qualificado: indústrias eletrointensivas Incentivo à pesquisas: reparo e melhorias Torque rotor bloqueado Corrente rotor bloqueado Torque máximo Não há novos índices de desempenho II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Concentrados II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Concentrados II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Distribuídos II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Distribuídos II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Distribuídos II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Distribuídos Características Fator de distribuição diferente de 1 Podem ser de passo pleno ou passo encurtado Concêntrico Imbricado II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Distribuídos Características Concêntrico Imbricado II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Distribuídos Características Concêntrico Imbricado II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Distribuídos Fator de enrolamento Fator de distribuição Encurtar passo da bobina II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Distribuídos Fator de enrolamento Fator de distribuição Encurtar passo da bobina II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Distribuídos Fator de enrolamento Fator de distribuição Encurtar passo da bobina II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Distribuídos Fator de enrolamento Fator de distribuição Encurtar passo da bobina Fator de passo II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Distribuídos Cintas de fase 60º 120º II. ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS Enrolamentos Distribuídos Parâmetros de enrolamento Enrolamento Número de bobinas Número de bobinas/grupo Cinta de fase Ângulo elétrico da cinta de fase Camada simples 60º Dupla camada 60º 60º Dupla camada 120º 120º 2 sN sN sN 3p 2 3p 3p 3 p 3 p 2 3 p III. ENROLAMENTOS EM ESTUDO Enrolamentos Distribuídos Concêntrico – 2 pólos/24 ranhuras, passo 1:10:12 III. ENROLAMENTOS EM ESTUDO Enrolamentos Distribuídos Concêntrico – 2 pólos/24 ran., passo 1:10:12:14:16 III. ENROLAMENTOS EM ESTUDO Enrolamentos Distribuídos Imbricado – 2 pólos/24 ranhuras, passo 1:11 III. ENROLAMENTOS EM ESTUDO Enrolamentos Distribuídos Imbricado – 4 pólos/24 ranhuras, passo 1:5 III. ENROLAMENTOS EM ESTUDO Enrolamentos Distribuídos Imbricado – 2 pólos/24 ranhuras, passo 1:10 III. ENROLAMENTOS EM ESTUDO Enrolamentos Distribuídos Concêntrico – 4 pólos/24 ranhuras, passo 1:5:7 Pólos consequentes III. ENROLAMENTOS EM ESTUDO Enrolamentos Distribuídos Meio-Imbricado – 2 pólos/24 ranhuras, passo 1:10 IV. AÇÕES P/ AUMENTO RENDIMENTO Aumento de condutores em paralelo (CP) Aumento da área de cobre, maior preenchimento da ranhura De 1 para 2 CP De 2 para 3 CP IV. AÇÕES P/ AUMENTO RENDIMENTO Encurtamento do passo das bobinas Enrolamentos imbricados, semi-imbricados e concêntricos Encurtamentos em torno de até 80% do passo pleno IV. AÇÕES P/ AUMENTO RENDIMENTO Estudo e viabilidade de enrolamentos especiais Estrela-delta Abordagens: Cistelecan e Ferreira IV. AÇÕES P/ AUMENTO RENDIMENTO Estudo e viabilidade de enrolamentos especiais Cintas de fase diferentes de 60º e 120º Camadas mistas Para q=3 o 20º, 40º, 60º, 80º,100º, 120º,...,180º. Cintas entre 60º e 120º - Passo 1:7:9, 4 pólos 60 1 2 3 º n n , , , q q IV. AÇÕES P/ AUMENTO RENDIMENTO Estudo e viabilidade de enrolamentos especiais Cintas de fase diferentes de 60º e 120º Camadas mistas Para q=3 o 20º, 40º, 60º, 80º,100º, 120º,...,180º. Cintas entre 60º e 120º - Passo 1:7:9, 4 pólos 60 1 2 3 º n n , , , q q V. CONCLUSÃO Enrolamentos em Motores Trifásicos Baixa potência Há nichos de estudo específico Principalmente: Devido a implementação dos IRs e possível mudança o IR2, IR3.... IR4...........IR5? Exclusão definitiva do IR2! Enrolamentos especiais não são de montagem fácil Preenchimento de ranhura e encurtamento de bobina Resultados de fácil comprovação e fabricação Referências Título: Design of Rotating Electrical Machines Autor: Pyhönen, Jokinen e Hrabovcová Editora: Wiley Press Título: Manual de Bobinagem – Motores Elétricos de Indução Autor: WEG S.A. AGRADECIMENTO COMPARAÇÃO DOS MODELOS FE COMBINADOS COM MÉTODO ANALÍTICO PARA DETERMINAR CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO DE MOTORES DE ALTA EFICIÊNCIA VICTOR AGUIAR, RICARDO THÉ, TOBIAS FERNANDES NETO E KLEYMILSON SOUZA COMPARISON OF FEA FIELD MODELS COMBINED WITH ANALYTICAL METHOD TO DETERMINE THE PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF HIGH EFFICIENCY INDUCTION MOTORS VICTOR AGUIAR, RICARDO THÉ, TOBIAS FERNANDES NETO AND KLEYMILSON SOUZA I. INTRODUCÃO Motores de “Alta Eficiência” ou IR2 tem, em geral: Ranhuras do rotor totalmente fechadas Apresentam uma curva V-I não linear no teste com rotor bloqueado Vantagens: Redução de ruídos sonoros Menores perdas no ferro Aumento no fluxo dispersivo tanto do estator quanto do rotor Menores harmônicos quando alimentados por inversor II. MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS Método dos Elementos Finitos (FEM) Discretização de um domínio sobre estudo 2D ou 3D Geração de Malhas Aplicação do modelo matemático no domínio discretizado Em geral, equações diferenciais parciais (EDP) Definição das fronteiras do modelo Definições de parâmetros físicos nos elementos, tais como permeabilidade magnética Análise por Elementos Finitos (FEA) Resolução do modelo discreto Métodos variacionais: Rayleigh-Ritz e Garlekin Pós-processamento II. MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS Modelo 2D Geração de malha Resultados II. MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS Modelo 2D Resultados II. MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS Modelo 2D Resultados II. MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS Aplicação do MEF em determinados fenômenos eletromagnéticos II. MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS Variáveis em questão: II. MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS Análises no MIT: à vazio e rotor bloqueado MAGNETOSTÁTICO (S) MAGNETODINÂMICO HARMÔNICO (TH) TRANSIENTE (TS) MATERIAL LINEAR (L) E NÃO LINEAR (NL) CIRCUITO DO ESTATOR ACOPLADO (C) Ondas eletromagnéticas III. FORMULAÇÃO Formulação baseada no vetor potencial magnético A H J H B B A A J Cond. de Coulomb 0A Magnetostática (S) 0 z z z A A J x x y y III. FORMULAÇÃO Magnetodinâmica Modelagem harmônica no tempo (TH) ~ ~ ~ ~ 0 z ze e s z zA A j s A J x x y y Modelagem transiente no tempo (TS) 0 z z z zA t A t A ts J t x x y y t IV. FEA COMBINADA COM MÉTODOS ANALÍTICOS Acoplamentos de equações: fraco e forte COM circuitos na FEA SEM circuitos na FEA IV. FEA COMBINADA COM MÉTODOS ANALÍTICOS Calcular parâmetros do circuito equivalente do MIT Indicadores de desempenho NEMA/IEC Indutância de dispersão (partida e plena carga) de estator e rotor Resistência do rotor (partida e plena carga) IV. FEA COMBINADA COM MÉTODOS ANALÍTICOS Torque Máximo ' cargabk s ls lr T f R L L Corrente de Partida ' ' partidalr s r ls lr I f R R L L Torque de Partida ' cargar f R ' partidalr lr r T f I R Rendimento Perdas no estator e no ferro já consideradas IV. FEA COMBINADA COM MÉTODOS ANALÍTICOS 1 0 z z zA A As w I x x y y t Circuito do estator acoplado a FEA 1 ,3 0 z ls D s A I W l L R I U t t Pode ser aplicada em qualquer modelagem magnetodinâmica IV. FEA COMBINADA COM MÉTODOS ANALÍTICOS Método CLÁSSICO Sem uso de circuito acoplados na FEA À vazio: S Rotor bloqueado: L-TH NL-TH Sem uso de entreferros equivalentes IV. FEA COMBINADA COM MÉTODOS ANALÍTICOS Método CLÁSSICO Sem uso de circuito acoplados na FEA À vazio: S Rotor bloqueado: L-TH NL-TH Sem uso de entreferros equivalentes III. MODELOS SIMULADOS Número I S - II S L-TH III S NL-TH IV S TH-C L-TH-C V S TH-C NL-TH-C IV. MOTOR INVESTIGADO MIT 1.5 cv, 2 pólos, 380 V/2.32 A - Y Grupo “alto rendimento” ou IR2. Ensaios IEEE 112/2004 - F1 Planilha F2 Método 1 V. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO Valores experimentais de referência: 8.8N.mbkT 17.8AlrI 9.6N.mlrT 83.0% I 84.6 % 13.5 N.m 20.3 A 11.2 N.m Err. 1.6 % 53.4 % 14 % 16.7 % II 86.9 % 17.8 N.m 30.1 A 7.2 N.m Err. 3.9 % 102 % 70 % -25 % III 86.9 % 17.8 N.m 30.1 7.3 N.m Err. 3.9 % 102 % 70 % -24 % IV 84.4 % 12.2 N.m 20.6 A 11.7 N.m Err. 1.4 % 38.6 % 15.7 % 21.9 % V 84.0 % 12.3 N.m 20.5 A 11.6 N.m Err. 1 % 39.8 % 15.2 % 20.8 % V. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO Número IV S TH-C L-TH-C V S TH-C NL-TH-C VI NL-TS NL-TS VIII NL-TS TH-C NL-TS-C V. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO Modelagens TH-C e TS-C: 8.8N.mbkT 17.8AlrI 9.6N.mlrT 83.0% IV 84.4 % 12.2 N.m 20.6 A 11.7 N.m Err. 1.4 % 38.6 % 15.7 % 21.9 % V 84.0 % 12.3 N.m 20.5 A 11.6 N.m Err. 1 % 39.8 % 15.2 % 20.8 % VI 85.9 % 15.6 N.m 24.7 A 8.1 N.m Err. 3 % 77 % 39 % -15.6 % VII 85.9 % 13.8 N.m 24.8 A 7 N.m Err. 3 % 57 % 39.3 % -27 % VI. CONSIDERAÇÕES FINAIS Principal conclusão: NL-TH-C para simular ensaio de rotor bloqueado NL-TH-C e S para simular o ensaio a vazio Melhor predição para os indicadores de desempenho Circuito do estator acoplado a FEA Melhores estimações comparada aos modelos TH Resistência do rotor Estimação fraca (14 % - 70 %) Perdas Joule do rotor divergem muito (28 % - 70 %) Grande erro no rendimento (1 % - 3 %) VI. CONSIDERAÇÕES FINAIS A processos de rebobinagem: Circuitos do estator acoplados a FEA Melhora as predições Sobre a modelagem transiente 2D: Densidade de fluxo no entreferro (Bg) têm harmônicos Forte influência no cálculo dos parâmetros rotóricos Modelagem usa apenas o valor fundamental de Bg Desafios Simulações a vazio com velocidade no rotor? Acoplamento do circuito equivalente do anel de curto APRESENTADO NO COBEP/SPEC 2015 EM FORTALEZA - CE Agradecimento ESTIMAÇÃO DE PARÂMETROS EM MOTORES DE INUÇÃO GAIOLA DE ESQUILO COM RANHURAS DO ROTOR FECHADAS VICTOR AGUIAR RICARDO THÉ TOBIAS FERNANDES NETO PARAMETERS ESTIMATION OF SQUIRREL CAGE INDUCTION MOTORS WITH CLOSED ROTOR SLOTS VICTOR AGUIAR RICARDO THÉ TOBIAS FERNANDES NETO VII. FEA COMBINADA COM MÉTODOS ANALÍTICOS Torque Máximo ' cargabk s ls lr T f R X X Corrente de Partida ' ' partidalr s r ls lr I f R R X X Torque de Partida ' cargar f R ' partidalr lr r T f I R Rendimento Perdas no estator e no ferro já consideradas VII. FEA COMBINADA COM MÉTODOS ANALÍTICOS Calcular parâmetros do circuito equivalente do MIT Calcular parâmetros pela FEA Para a partida e plena carga VIII. MÉTODO CLÁSSICO Método CLÁSSICO Sem uso de circuito acoplados na FEA À vazio: S Rotor bloqueado: L-TH NL-TH Sem uso de entreferros equivalentes Método CLÁSSICO Sem uso de circuito acoplados na FEA À vazio: S Rotor bloqueado: L-TH NL-TH Sem uso de entreferros equivalentes Perdas no ferro calculadas pela análise a vazio ou calculada a parte Indutância de magnetização calculada a partir de Bg VIII. MÉTODO CLÁSSICO VIII. MÉTODO CLÁSSICO Método CLÁSSICO Sem uso de circuito acoplados na FEA À vazio: S Rotor bloqueado: L-TH NL-TH Sem uso de entreferrosequivalentes IX. MÉTODO MELHORADO Método MELHORADO Com circuito do estator acoplado a FEA À vazio: S TH-C Rotor bloqueado: L-TH-C NL-TH-C IX. MÉTODO MELHORADO Método MELHORADO Com circuito do estator acoplado a FEA À vazio: S TH-C Rotor bloqueado: L-TH-C NL-TH-C IX. MÉTODO MELHORADO Método MELHORADO Com circuito do estator acoplado a FEA À vazio: S TH-C Rotor bloqueado: L-TH-C NL-TH-C X. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO MIT Industrial 1,5 cv 2 pólos, 380 V/2.32 A - Y “Alto rendimento” ou “IR2” Detalhes das lâminas Simulação a vazio Magnetostática Calcular a indutância de enviesamento rotórica X. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO Simulações rotor bloqueado Magnetodinâmica Harmônica no tempo Para calcular resistência 2D do rotor e reatância 2D dispersão total Frequencia 15 Hz 60 Hz Parâmetros FEA Ll,2D 28.1 mH 22.6 mH R’r,2D 5.2 Ω 4.5 Ω X. RESULTADOS DOS ENSAIOS Ensaios IEEE 112/2004 - F1 Planilha F2 Método 4 Ensaios IEEE 112/2004 - F1 Planilha F2 Métodos 1 e 2 XI. CONSIDERAÇÕES FINAIS Principais conclusões: Resistência do rotor é alta Método melhorada sobrestima a resistência do rotor Aproxima o valor das perdas rotórica Parâmetros e Perdas Testes em ensaio por IEEE 112/2004 F1 - 4 Método melhorado Método clássico Valor Erro (%) Valor Erro (%) Lls (mH) 17.5 15.8 10% 13.9 -20.6% R’r (Ω) 4.3 5.3 23.3% 3.5 -18.6 L’lr (mH) 21.1 25.6 21.3% 11.1 -47.4% Pr (W) 68 71 4.4% 50 -26.5% XI. CONSIDERAÇÕES FINAIS Conclusões: Lm-f para estimar parâmetros do CE: maiores Lls and R ’ r Perda rotórica mais precisa que no método clássico Na partida: ótima aproximação nos parâmetros Indicadores de desempenho NEMA/IEC Testes em ensaio por IEEE 112/2004 F1 - 4 Método melhorado Método clássico Valor Erro (%) Valor Erro (%) η (%) 82.8 82.7 0.1% 84.0 1.2% TBK (N.m) 8.9 8.8 -1.1% 12.3 39.6% ILR (A) 17.7 16.2 -9.0% 20.5 15.2 TLR (N.m) 9.6 9.6 -0% 11.6 20.8% APRESENTADO NO “ADVANCES IN MAGNETICS” 2016 EM BORMIO-ITÁLIA. Agradecimento ESTRATÉGIA DE REBOBINAGEM AUXILIADA PELA FEA COMO SOLUÇÃO PARA O AUMENTO DE EFICIÊNCIA EM MOTORES INDUSTRIAIS VICTOR AGUIAR, RICARDO THÉ, TOBIAS FERNANDES NETO E FERNANDO J.T.E.FERREIRA REWINDING STRATEGY AIDED BY FEA AS A SOLUTION TO INCREASE EFFICIENCY OF INDUSTRIAL MOTORS VICTOR AGUIAR, RICARDO THÉ, TOBIAS FERNANDES NETO AND FERNANDO J.T.E.FERREIRA X. ANÁLISE POR ELEMENTOS FINITOS Mudanças nos enrolamentos: Altera dois parâmetros no Circuito Equivalente Indutância de dispersão 3D do estator Resistência do estator Pode alterar uma grandeza Corrente do estator Como predizer? Parâmetros Recalculando por equações analíticos e bem conhecidas na literatura científica Grandeza Realizando uma análise por elementos finitos a mais Que tipo de análise? X. ANÁLISE POR ELEMENTOS FINITOS Primeiro Estágio Modelo harmônico no tempo Circuito dos anéis de curto acoplados as barras do rotor ~ ~ ~ ~ 0 z ze e s z zA A j s A J x x y y X. ANÁLISE POR ELEMENTOS FINITOS Primeiro Estágio Calcular torque Pelo Tensor de Maxwell – na linha do entreferro Verificar se o valor de corrente T = Tnominal Em caso negativo, variar a corrente e calcular o torque T novamente. Atingindo a condição T = Tnominal Corrente do estator definida para determinado enrolamento Vantagens: Mudança no enrolamento do MIT pode predizer uma corrente de estator que pode ser utilizada no segundo estágio. 2 0 0 1 1 2 r t rtT B B B L X. ANÁLISE POR ELEMENTOS FINITOS Segundo Estágio Método MELHORADO Com circuito do estator acoplado a FEA À vazio: S TH-C Rotor bloqueado: NL-TH-C X. ANÁLISE POR ELEMENTOS FINITOS Segundo Estágio Método MELHORADO Com circuito do estator acoplado a FEA À vazio: S TH-C Rotor bloqueado: NL-TH-C X. ANÁLISE POR ELEMENTOS FINITOS Segundo Estágio Método MELHORADO Com circuito do estator acoplado a FEA À vazio: S TH-C Rotor bloqueado: NL-TH-C XI. AVALIAÇÃO DA MODELAGEM MIT (M1, M2 e M3) Ano de fabricação M2 – 2015 M1 e M3 – 2016 (Mesmo lote) 1,5 cv, 380 V –Y, Corrente nominal de 2.41 A, 2 pólos. 2#AWG 22 – Fio de alumínio. XI. AVALIAÇÃO DA MODELAGEM Testes experimentais - Ensaios M1 – Fio de alumínio 2#AWG 22 (Original) M2 – Fio de cobre 2#AWG 22 (mantendo o mesmo Kfill) M3 – Fio de cobre 2#AWG 24 (manter o mesmo η) Simulação Motor η (%) Δη (pp) Tbk (N.m) Tlr (N.m) Ilr (A) M1 79,8 - 10,7 9,5 16,9 M2 82,2 2,4 13,4 13,6 20,2 M3 80,7 0,9 11,6 10,5 17,7 XI. AVALIAÇÃO DA MODELAGEM Testes experimentais - Ensaios M1 – Fio de alumínio 2#AWG 22 (Original) M2 – Fio de cobre 2#AWG 22 (mantendo o mesmo Kfill) M3 – Fio de cobre 2#AWG 24 (manter o mesmo η) Método F1 – IEEE 112/2004 Motor η (%) Erro (pp) Δη (pp) Tbk (N.m) Erro (%) M1 80,4 0,6 - 8,8 21,6 M2 82,2 0,7 2,5 9,0 48,8 M3 81,6 0,9 1,2 8,1 43,2 XII. ESTRATÉGIA DE SIMULAÇÃO Primeiro Estágio Negrito e sublinhado Segundo Estágio Todas as simulações propostas Encurtamento 2#AWG 1#AWG Grupo 1 Passo completo I=2,41 A 22 21 21 20 20 19 19 18 Grupo 2 1:11 (11/12) I=2,37 A 22 21 21 20 20 19 19 18 Grupo 3 1:10 (10/12) I=2,43 A 22 21 21 20 20 19 19 18 XIII. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO Ganho de Rendimento Aplicando a tolerância permitida XIII. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO Torque Máximo XIII. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO Corrente de Partida XIV. CONSIDERAÇÕES FINAIS 79,2% dos casos simulados: Modificam a classificação do motor de IR2 para IR3 8 configurações com 2 condutores paralelos 11 configurações sem condutores paralelos Em enrolamentos encurtados: 62,5% dos casos simulados são em enrolamentos encurtados Aumento do fator de preenchimento da ranhura (Kfill) 66,7 % são em casos simulados com aumento no fator de preenchimento Corrente de partida Nas simulações se mantêm abaixo do limiar da norma Futuro Realizar testes em bancada pelo método B da IEEE 112/2004 Reavaliar as simulações e realizar novas simulações com novos enrolamentos APRESENTADO NO “INTERNATIONAL CONFERENCE ON ELECTRICAL MACHINES 2016” EM LAUSANE - SUÍÇA Agradecimento apresentacao_minicurso_UESC_p1 apresentacao_minicurso_UESC_p2 apresentacao_minicurso_UESC_p3 apresentacao_minicurso_UESC_p4 apresentacao_minicurso_UESC_p5 apresentacao_minicurso_UESC_p6apresentacao_minicurso_UESC_p7
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