Motor Tenso Amtt

CRITÉRIOS PARA A SELEÇÃO DA APROPRIADA CLASSE DE TENSÃO PARA APLICAÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS. ArcelorMittal Tubarão Cloves José Kelher

DI - IDU - IUE

Sinópse

O planejamento industrial é extremamente importante para efetuarmos um novo empreendimento. A aplicação de inversores de freqüência e motores em uma planta industrial, vão além da simples necessidade de potência requerida pela carga. A determinação da apropriada tensão para as várias classes de potência dos motores e inversores é fundamental para o sucesso do empreendimento. INTRODUÇÃO

O objetivo deste artigo é a apresentação dos principais tópicos necessários para a escolha da apropriada tensão de alimentação dos motores elétricos, dentro das várias classes de potência requerida nas aplicações de motores elétricos, a saber: a) Os esforços mecânicos dos enrolamentos do estator; b) O efeito da velocidade nos enrolamentos do estator; c) Os motores síncronos versus os motores de indução; d) Os ensaios de tensão aplicada; e) A eficiência e o fator de potência; f) As considerações econômicas para as aplicações. Cada um desses fatores será analisado, para que a mínima potência para cada nível de tensão seja determinada. Atualmente os projetos industriais utilizam dois ou três níveis de tensão, sendo um destes para suprimento das máquinas elétricas rotativas (motores), onde a máxima tensão primária de distribuição, dentro de um projeto, geralmente está abaixo de 15KV, (padrão 13,8KV). Assim, a escolha da apropriada classe de tensão deve ser a mais compatível com as várias classes de potência disponível parar os motores, para isso, muitos fatores devem ser considerados para uma correta decisão. O objetivo deste trabalho é discutirmos esses fatores, para que no final, possamos determinar a apropriada potência para cada nível de tensão. Estamos interessados na tensão mínima recomendada e não, na mínima potência para as várias classes de tensão, na qual é possível a sua fabricação. Outra condição é a de não podermos construir, mas que, do ponto de vista técnico, é a melhor solução para a instalação elétrica.

Do mesmo modo, exatamente porque um fabricante cataloga um motor de 50CV, 2300 V, não significa que este seja o mais adequado do que um motor similar em 440V. Isto indica, entretanto, que tais motores podem ser construídos se, absolutamente necessário. A) O ESFORÇO MECÂNICO NOS ENROLAMENTOS DO ESTATOR, EM FUNÇÃO DAS VÁRIAS CLASSES DE TENSÃO.

Para estimarmos o pleno efeito da tensão sobre os esforços mecânicos nos enrolamentos de um motor, é necessário o entendimento sobre as técnicas de enrolamento: 1- A forma dos enrolamentos, empregada em todos os motores de alta tensão, é indiferente do tamanho; 2- Uma bobina pode ser constituída de uma, até aproximadamente, vinte espiras. 3- As bobinas de poucas espiras são geralmente, para baixa tensão e altas correntes, ao passo que as bobinas de muitas espiras, são geralmente para alta tensão e baixas correntes; 4- As bobinas de cada fase podem ser conectadas num circuito único, no qual todas as bobinas estão em série, ou podem estar em múltiplos circuitos, em várias combinações série paralela; 5- O número de ranhuras, possível no estator de um motor é determinado pelo diâmetro do mesmo. A proporcionalidade da ranhura é função de uma boa distribuição do fluxo. A seção magnética compromete a corrente de partida, resultando em um alto esforço mecânico nas bobinas.

A Figura 1, compara um corte transversal entre uma ranhura para uma bobina de 440 V e 2300 V, de um motor de 60 CV, 720 rpm. Pode se observar a dimensão do condutor e sua razão de seção de aproximadamente 3:1. A bobina de alta tensão envolve muito mais isolante entre espirais e maior isolação da carcaça. A razão da isolação do cobre para a bobina de 2300 V é aproximadamente 1,7:1, contra 1:1 para a bobina de 440 V. Assim, a seleção da classe de alta tensão resulta em bobinas com alta razão de isolação do cobre. Isto resulta em uma bobina relativamente mais macia, menos rígida, o que dificulta a sua introdução nas ranhuras do estator.

2300 v 440 v 14 14

CONDUTOR 0,15 X 0,045

CONDUTOR 0,115 X 0,120

1,432 `` 1,688`` ISOLAÇÃO LATERAL 0,051´´ ISOLAÇÃO LATERAL 0,073 ´´

0,29 01 01

menores reatâncias do que os motores de baixa rotação, consequentemente desenvolvem altas correntes de partida. Assim, torna se evidente que a seleção da tensão, seja influenciada pela classe de velocidade. C) MOTORES SÍNCRONOS VERSUS MOTORES DE INDUÇÃO

Os motores síncronos apresentam um maior entreferro quando comparados com os motores de indução, portanto, podem ser construídos com grandes ranhuras e poucas ranhuras por polo, sem comprometer a sua característica funcional, como pode ocorrer nos motores de indução. As perdas na superfície dos motores variam inversamente com o entreferro e o número de ranhuras. Assim, a possibilidade das grandes ranhuras e poucas ranhuras por polo nas máquinas síncronas, resulta em uma melhor utilização do espaço dessas ranhuras, bem como, uma menor perda por isolação no espaço das ranhuras. As correntes de partida dos motores síncronos são menores do que a dos motores de indução tipo gaiola de esquilo, Logo, a solicitação dos enrolamentos durante a partida é menor para os motores síncronos. Assim, em muitos casos, uma particular classe de tensão será mais conveniente para os motores síncronos do que para os motores de indução. D) ENSAIOS DE TENSÃO APLICADA

0,30

Figura 1

B) EFEITO DA VELOCIDADE NOS ENROLAMENTOS DO ESTATOR

Ao efetuarmos um comparativo entre os enrolamentos do estator de um motor de alta velocidade (2 polos); comparando-o com um de baixa velocidade (12 polos), temos: No caso da máquina de 2 polos, a bobina forma um arco de aproximadamente 120º mecânicos, comparando a aproximadamente 27º mecânicos para a máquina de 12 polos, ou seja, as máquinas de 12 polos são mais resistentes a vibração, nas seguintes situações: Condição normal de operação, altas correntes de partida e flutuação da corrente de carga, além do que, os motores de altas velocidades são inerentes de

O padrão de ensaio de tensão aplicada, pelas regras da American Standart Association, é duas vezes a tensão nominal mais mil volts. Assim, um motor de tensão nominal de 440 V deve ser ensaiado em 1880 V ou 4,27 vezes a tensão nominal. Para o outro extremo, um motor de tensão nominal igual a 13,8 kV é ensaiado em 27,4 kV, isto é, 2,07 vezes a tensão nominal. Do corrente, essas duas extremas classes de tensão nunca serão possíveis para uma particular classe de potência. Há, entretanto, casos onde 440 V e 6600 V ou 2300 V e 13200 V, seja possível a escolha de um particular ponto de classe de tensão, em que há uma maior margem de isolamento para os motores de baixa tensão do que para o motores de alta tensão. E) EFEITO DA TENSÃO NA EFICIÊNCIA E NO FATOR DE POTÊNCIA ( DOS MOTORES DE INDUÇÃO )

Com a necessidade da elevação da tensão para uma dada classe de potência e rotação,

torna-se necessário a intervenção no projeto original desses motores. Pois, iremos impossibilitar a obtenção da mesma eficiência na qual obtínhamos, quanto ao projetado, isto fica evidente na Figura 2, o qual mostra a brusca redução na eficiência, quando da elevação de tensão para as várias classes de potência.

E F I C I Ê N C I A P L E N A C A R G A

98 97 96 2000 HP

95

1000 HP

94

5000 HP

93 500 HP

92

200 HP

91 100 HP

90

100 HP

89 88 50 HP 0,44

2,3

4,16

6,6 kV

Figura 2

A curva denominada “tendênca geral” em azul na Figura 2, é uma tentativa em traçar uma curva uniforme, embora haja uma redução na eficiência em seu entorno. Essas curvas de eficiência x tensão são para motores síncronos. Uma inspeção em similares dados para os motores de indução, a curva “TENDENCIA GERAL” é semelhante. Também, constatamos uma apreciável queda no fator de potência com o aumento da tensão. F- CONSIDERAÇÕES NAS APLICAÇÕES

O tipo de aplicação é condição para a seleção da apropriada classe de tensão, especialmente nos casos de: • Limites do número de freqüência de partida; • Tipo de carga (estável ou flutuante) e

•

Ambiente.

Uma determinada classe de tensão pode ser limitada a atender as necessidades de um

enrolamento de um motor por vários motivos: Pela falta de resistência mecânica, como no caso dos motores que são sujeitos a um certo número de partidas por dia. O mesmo é verdadeiro para um alto grau de flutuação de carga. As altas correntes de partida impõem severos esforços aos enrolamentos, muitas vezes superior ao esforço das condições normais de operação, “o esforço em um condutor varia aproximadamente com o quadrado da corrente”. Assim, torna-se necessário o uso de um enrolamento mais adequado. As condições ambientais e o tipo do recinto estão intimamente relacionados, visto que, o ambiente ao redor dos enrolamentos é dependente do recinto da aplicação. Em alguns casos, as condições do ambiente pode ser o fator decisivo na seleção da tensão. Por exemplo, um motor de 300CV, 4,16 kV está inteiramente apto a operar em um ambiente limpo e seco, mas é indesejável aplicar este motor em ambientes onde as condições não são ideais, por exemplo, em locais sujeitos a respingos ou a aplicações como moinhos, onde prevalece determinados ácidos. Os motores para este tipo de aplicação, onde os enrolamentos são completamente protegidos do meio externo, são motores refrigerados, portanto, menos vulneráveis do que os motores abertos. Porém, pode haver casos onde é possível a adequação do ambiente e com isso a possibilidade do uso de um maior nível de tensão. G) CONSIDERAÇÕES ECONÔMICAS

Para a seleção do apropriado nível de tensão para os motores de uma determinada aplicação, é extremamente importante o cumprimento do custo mínimo para esta instalação. Qualquer comparação de custo para diferentes classes de tensão, as técnicas de acionamento devem ser consideradas, pois, os equipamentos necessários para os diferentes níveis de tensão do acionamento assumem diferentes custos. No passado foi completamente comprovado que muitos estudos econômicos eram fundamentados na partida de motores, tipo de sistema de distribuição, (uma grande subestação alimentando uma planta inteira), consequentemente errôneas conclusões eram obtidas. Nas seguintes comparações de custo, três típicos sistemas de distribuição serão considerados, onde os três casos são típicos da vasta maioria dos sistemas de distribuição industrial.

Figura 4

CASO 1

A Figura 3 ilustra um sistema que é conveniente, unicamente, para pequenas plantas (potência igual ou inferior a 7,5 MVA). A tensão primária de 2,3 kV raramente será recomendada para uma nova planta, entretanto, este caso será incluído por haver muitas plantas com nesta condição.

Este tipo de sistema é típico de grandes plantas (220 MVA ou mais). CASO 3

A figura 5 mostra um típico sistema com tensão primária de 4,16 kV (ou 6,6 kV) e é comumente encontrado em plantas de 5 MVA até, aproxi-madamente, 2 0MVA.

2,3 kV 4,16 kV (ou 6,6 kV)

0,44 kV 0,44 kV

GRANDES MOTORES

GRANDES MOTORES

PEQUENOS MOTORES

Figura 3 CASO 2

A Figura 4 mostra um sistema na qual a tensão primaria é de 13,8kV (ou 6,6kV, poucas plantas) e três níveis de utilização de tensão, 0,44, 2,3 ou 13,8 kV, que são utilizados na alimentação de motores.

13,8 (ou 6,6 kV)

0,44 kV

2,3 kV

GRANDES MOTORES

PEQUENOS MOTORES

PEQUENOS MOTORES

Figura 5

Há muitos fatores que afetam o custo e qualquer generalização, a forma de cálculo deverá ser modificada. O custo dos motores variam com a rotação; O custo do sistema de controle varia com o tipo de tecnologia, nível de tensão, tipo de carga, condição para reversão, frenagem, regeneração, assim por diante; O custo do sistema de distribuição de potência depende do lay-out, tamanho da subestação, nível de tensão e comprimento de cabos. Essas variáveis afetam o custo, tanto num, quanto em outro nível tensão e consequentemente, elas não alteram a classe de potência para a qual a curva de custo possa alcançar a mais econômica classe de tensão para os motores. Em muitos casos, uma apreciável variação de um item terá um pequeno efeito nos demais. A Figura 6 mostra, aproximadamente, a variação do custo dos motores, em 440 V, com o número de polos. Como esperado, temos um acréscimo do custo com o incremento do número de polos.

A figura 9 ilustra o comportamento do custo do acionamento R$/cv ou seja: motor, seccionamento, proteção, inversor, reator e impostos.

CUSTO DE MOTORES POTÊNCIA X Nº DE POLOS

R$ 120.000,00

2 8 Polos

100.000,00

6 Polos

80.000,00 60.000,00

2 Polos

40.000,00

4 Polos

20.000,00 0,00 50

100 150 200 250 300 POTÊNCIA DOS MOTORES "CV"

350

Figura 6

Uma atenção deve ser dada às curvas da relação CV/R$, conforme mostra a Figura 8 abaixo. CUSTO DE MOTORES R$/CV X Nº DE POLOS

R$/CV 400,00

8 Polos

350,00 300,00

6 Polos

250,00 200,00 150,00 100,00 50,00

4 Polos

2 Polos

0,00 50

100

150

200

250

300

350

POTÊNCIA DOS MOTORES "CV"

Figura 7

CUSTO DO ACIONAMENTO MOTORES, INVERSORES, PAINEL X Nº POLOS

R$/CV 800,00

8 Polos 6 Polos

600,00 400,00

2 Polos

4 Polos

200,00 0,00 50

100

150

200

250

300

POTÊNCIA DOS MOTORES "CV"

Figura 8

350

CARACTERÍSTICA TENSÃO VERSUS POTÊNCIA

Segue abaixo os vários fatores que serão considerados na seleção da apropriada tensão, para a aplicação de motores: 1 - Esforço mecânico nos enrolamentos do estator; 2 - Efeito da velocidade nos enrolamentos do estator; 3 - Motores síncronos versus motores de indução; 4 - Ensaios de alta tensão (Hipot); 5 - Eficiência e fator de potência; 6 - Considerações da aplicação; 7 - Considerações econômicas.

Em geral, os motores acima de 400 cv quando instalados em 440 V, requerem considerações especiais do ponto de vista de um eficaz método de partida. Num esforço para combinar todos esses fatores, dentro de uma ou mais conveniente forma, a tabela 1 abaixo foi elaborada. Os diagramas unifilar das Figuras 3, 4 e 5 ilustram os vários níveis de tensão onde é possível a aplicação dos motores. A mínima potência indicada em cada classe de tensão, conforme Tabela 1, é com base na mínima recomendada, consistente em um bom projeto. Note que esses valores são o mínimo recomendado, se as condições forem favoráveis, com o tipo de motor, classe de rotação e aplicação. Como discutido anteriormente, a mínima potência recomendada para uma dada tensão é função do tipo de motor, síncrono ou de indução, da rotação e das considerações sobre a aplicação. Portanto, há muitos casos específicos onde esses limites inferiores são ajustados para cima, por exemplo, no caso dos motores de indução de alta velocidade, 2 polos. Lembrarmos que essa mínima potência recomendada não e peculiar de um fabricante de motores, o mesmo é verdadeiro para todos. Como auxílio na determinação desses limites inferiores de potência, consideramos: Tipo de motor, velocidade e aplicação. Esses limites podem ser ocultados pela linha da condição da aplicação para a condição de maior favorabilidade. A condição mais favorável é a dos motores síncronos operando em baixa velocidade e em condições ideais; o outro extremo são os motores de indução de alta velocidade, 2 polos, operando com os novos acionamentos.

Outro exemplo é o caso do aumento de velocidade para os novos acionamentos em substituição dos controles DC, como no caso dos Ship load, onde as velocidades de içamento chegam a 120 m/min, situação em que dever haver um compromisso entre redutores e número de polos dos motores. A Tabela 1 abaixo, nos fornece os limites de tensão para as classes de potência e rotação. A não indicação de um limite de potência ou tensão, não significa que não possa ser construído e sim por não ser o mais adequado pelo projeto do motor.

Figura 9

A curva em branco ilustra o comportamento do custo do acionamento (seccionamento, proteção, reator/transformador, painel e inversor) em 2,3 kV pelo número de polos, na Faixa de 500 a 300 cv. A Figura 10 é similar a Figura 9, porem para o nível de tensão de 4,16 kV e na faixa de 500 a 5000 cv. CUSTO DE MOTORES EM 4,16 kV X Nº POLOS

Motores de Alta Tensão

1.600.000,00

Potência CV 275 500 1000 2000 3000

2300

CURVA EM BRANCO "CUSTO COM PLETO DO ACIONAM ENTO"

1.200.000,00

VALOR R$

N° Polos

1.400.000,00

Tensão Volts 4160 6600 13800

8

1.000.000,00 800.000,00

6

600.000,00 400.000,00

2

2

4

200.000,00 0,00

275

5000

Figura 10

As Figuras 11 e 12 ilustram respectivamente, o custo dos motores para 6,6 e 13,8 kV. Podemos observar nestes gráficos que a faixa de potência para os correspondentes níveis de tensão, iniciam-se em 1000 e 2000 cv respectivamente.

4

5000 10000 250 500 1000 2000 3000

CUSTO DE MOTORES EM 6,6 kV X Nº POLOS

VALOR R$

2.250.000,00 2.000.000,00

6

Tabela 1

1.000.000,00 750.000,00 500.000,00

6

8

500.000,00 400.000,00

2 4

100.000,00 0,00

275

500

1000 2000 3000 POTÊNCIA CV

5000

500

1000 2000 3000 5000 POTÊNCIA CV

Figura 11 CUSTO DE MOTORES EM 13,8 kV X Nº POLOS

VALOR R$

VALOR R$

700.000,00

200.000,00

4

275

CURVA EM BRANCO "CUSTO COM PLETO DO ACIONAM ENTO"

300.000,00

6 2

250.000,00 0,00

CUSTO DE MOTORES EM 2,3 kV X Nº POLOS

600.000,00

8

1.750.000,00 1.500.000,00 1.250.000,00

O gráfico da Figura 9, ilustra o comportamento do custo dos motores com o número de polos, para a tensão de 2,3 kV.

800.000,00

1000 2000 3000 5000 POTÊNCIA CV

7500 350 500 1000 2000 3000

900.000,00

500

2.500.000,00 2.250.000,00 2.000.000,00 1.750.000,00 1.500.000,00 1.250.000,00 1.000.000,00 750.000,00 500.000,00 250.000,00 0,00

6

8 4

275

500

1000 2000 3000 5000 10000 POTÊNCIA

Figura 15

Figura 12 CUSTO DE MOTORES 8 POLOS X TENSÃO 2.500.000,00 2.250.000,00 2.000.000,00

VALOR R$

Os gráficos das Figuras 13, 14, 15 e 16 a seguir, ilustram o comportamento do custo dos motores, para a condição fixa do número de polos com a variação da classe de tensão. Podemos observar nestes gráficos, os limites de potência inferior e superior, para as várias classes de tensão. Podemos também observar que existe um valor fixo de custo para duas classes de tensão em uma faixa de potência.

1.250.000,00 1.000.000,00

VALOR R$

2,3 kV

4,16 kV

250.000,00 0,00

200

500

1000 2000 3000 5000 10000 POTENCIA CV

Figura 16

1.000.000,00 750.000,00

6,6 kV 500.000,00

2,3 kV

250.000,00

4,16 kV

0,00

275

500

1000 2000 POTÊNCIA CV

3000

5000

CUSTO DE MOTORES 4 POLOS X TENSÃO 2.500.000,00 2.250.000,00 2.000.000,00 1.750.000,00 1.500.000,00

13,8 kV

1.250.000,00 1.000.000,00 750.000,00

6,6 kV

500.000,00 250.000,00

2,3 kV

4,16 kV

0,00

350

500

1000 2000 3000 5000 10000 POTÊNCIA CV

Figura 14 CUSTO DE MOTORES 6 POLOS X TENSÃO 2.500.000,00 2.250.000,00 2.000.000,00 1.750.000,00

13,8 kV

1.500.000,00 1.250.000,00 1.000.000,00 750.000,00 500.000,00

6,6 kV

2,3 kV

250.000,00

4,16 kV

0,00

250

500

1000

2000 3000

POTÊNCIA CV

Como podemos observar a determinação da classe de tensão, necessária a uma aplicação envolve: Um estudo de todo o acionamento, tipo de carga, distancia da carga ao acionamento, rendimento como na Figura 2, arranjo mecânico e velocidades. CONCLUSÃO

Figura 13

VALOR R$

6,6 kV

750.000,00 500.000,00

CUSTO DE MOTORES 2 POLOS X TENSÃO

VALOR R$

13,8 kV

1.750.000,00 1.500.000,00

5000 10000

Concluindo, não há justificativa para a seleção e aplicação de motores para tensões muito elevadas para uma dada classe de potência, especialmente quando todo custo está a favor da própria classe de tensão. Temos observado uma maior atenção a este assunto nos últimos anos, seleção da adequada tensão para os motores. O objetivo deste trabalho não foi o de esgotar o assunto, e sim, somar com as demais literaturas disponíveis. Tendo em vista, a grande preocupação com as novas técnicas de acionamento e o incremento do nível de tensão nestas aplicações é que incrementamos as considerações econômicas oriundas de uma seleção de tensão. BIBLIOGRAFIA

[1] Eletrical Transmission And Distribution Reference Book. Westinghouse Eletric Corporation, East Pittsburgh. Pa. fourth edition, 1950. [2] Motors And Generators. NEMA Standard MG 1-14.1, National Electrical Manufacturers Association, New York, N.Y, 1950.

[3] Industrial Power Systems Handbook. Donald Beeman, McGraw-Hill Book Company, Inc. N.Y, 1955.

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