O Redimensionamento de motores elétricos proporciona a atualização do parque fabril com o diferencial de promover uma redução de consumo de energia ainda mais acentuada.

Motores superdimensionados, com mais potência do que o necessário são muito comuns na indústria. Um motor superdimensionado consome muito mais energia do que um motor com a potência correta porque trabalha em uma condição muito diferente daquela para a qual foi projetado, trabalhando em uma condição que é muito ineficiente. Se isto for somado ao fato de ser um motor de um nível de eficiência inferior, o desperdício é muito acentuado. Um motor deve trabalhar utilizando entre 75 e 100% de sua potência para ter a melhor eficiência. É comum nos casos em que se faz a adequação de potência obter economia de até 14% no consumo de energia. Motores superdimensionados também operam com um fator de potência muito baixo e ingressam no pelotão dos causadores de multa nas faturas de energia exigindo investimento/ adequação das instalações para correção do fator de potência.

As causas de motores com sobra de potência são as mais variadas. Vão desde a falta de registro da instalação de um motor de maior potência em uma situação de urgência, sem correção posterior e que se perpetua. Em projetos antigos a ocorrência também é comum pela falta de recursos de dimensionamento adequados à época e também pelo “coeficiente de segurança” exagerado. Situação que se repete mesmo em projetos recentes. Modificações de processo e produto também são causas constantes, pois a condição original de projeto é alterada. Projetos antigos muitas vezes empregavam motores de grande potência para conseguirem partir cargas de alta inércia. Após a partida operam com grande sobra. Com os recursos atuais estas situações são contornadas por métodos de partida mais eficientes, como soft starter e inversor de frequência, permitindo utilizar motores de menor potência.

Um grande sintoma do desvio são os motores operando “frios”. O que é um encanto para as equipes de manutenção é na verdade um indicador de que há muita folga em sua operação, com todas as suas consequências descritas.

Reduzir a potência de um motor muitas vezes não requer nem modificações na base ou acoplamento, pois um mesmo tamanho de carcaça abrange mais de uma potência. Mas é uma atividade que deve ser realizada com critérios, assegurando-se de que as condições mais críticas do processo são avaliadas. Dependendo do tipo de equipamento que é acionado pelo motor, o acompanhamento de uma partida também pode ser necessário.

De qualquer forma, é uma grande oportunidade de economia de energia. Uma boa diretriz é investigar os motores que operam com uma corrente muito abaixo de sua corrente nominal. Em caso de dúvidas a WEG pode auxiliar.

A maneira mais correta de se identificar o percentual de carga de um motor é medir o conjugado desenvolvido pelo motor e comparar com o valor nominal, porém este não é um método muito prático. Uma segunda opção é verificar com um Wattímetro, medir a potência absorvida pelo motor e comparar com a potência nominal. Neste caso há um pequeno erro na determinação do percentual devido ao rendimento do motor não estar sendo considerado.

Outra forma é utilizar o valor da corrente como referência, e de forma menos precisa indicar se o motor está ou não sobredimensionado. Deve-se tomar cuidado com este método em motores de pequeno porte, em que a corrente em vazio pode ser próxima do valor em plena carga, normalmente para motores abaixo de 5cv este fato fica mais evidente.

Constatado que determinado motor está sobredimensionado, ou seja, com a potência nominal muito acima do necessário é interessante a redução da potência instalada deste motor, buscando a redução do consumo e melhoria do fator de potência.

No entanto, alguns cuidados devem ser tomados, tanto elétricos quanto mecânicos. Para haver a redução da potência, é necessário que o novo motor tenha potência e conjugado para acionar a carga durante todo o ciclo de operação, incluindo um momento crítico que é a partida e também possíveis sobrecargas. Em equipamentos como ventiladores ou centrífugas, a partida é ainda mais crítica pois possuem elevada inércia na partida. 

Mecanicamente, ao se reduzir a potência do motor, em alguns casos também se reduz o tamanho da carcaça, e com isso são necessárias adaptações em bases e acoplamentos. E ainda, reduzindo a carcaça, o diâmetro do eixo também fica menor, suportando menos esforços mecânicos, o que pode ser crítico em acionamentos com polias e correias.

A corrente a vazio de motores elétricos é o valor de corrente elétrica que percorre o motor quando ele não aciona carga nenhuma na ponta do eixo, ou seja, com o motor desacoplado da máquina acionada.

Essa corrente pode ter valores elevados em amperes, porém, é uma corrente de natureza somente reativa, e assim não indica consumo de potência elétrica ativa. Ela existe para magnetizar o circuito eletromagnético do motor, e para motores de baixas potências, seu valor pode ser próximo ao valor da corrente nominal. 

Assim, é comum erros de avaliação de dimensionamento de motores baseados apenas no valor da corrente absorvida.

Veja a seguir os benefícios de realizar a correção do fator de potência.

O fator de potência é uma medida que é feita nos medidores das concessionárias de energia que mede a relação entre energia ativa, aquela que gera trabalho e pela qual pagamos o consumo medida em kW, e a potência reativa, que por não gerar trabalho não é cobrado o seu consumo. No entanto, como ambas as potências percorrem a mesma linha de transmissão até o consumo, a potência reativa é limitada a uma proporção de 8% do total, ou em outras palavras, o fator de potência mínimo para concessionárias é de 0,92. Quando este valor é ultrapassado, ou seja, determinada instalação utiliza mais que 8% da capacidade do sistema para uso de energia reativa, a concessionária de energia cobra uma multa por isso. Ao corrigir este fator, não é pago este valor referente a esta multa, por este motivo reduz o valor da conta de energia no fim do mês.

Sistemas de ventilação são grandes potenciais para redução do consumo de energia, pois quando acionados com variação de velocidade, possibilitam um controle mais preciso e mais eficiente da vazão. 

Ventiladores são utilizados quando se deseja uma determinada vazão de ar, e não há necessidade de uma pressão elevada. Neste tipo de máquina quando o motor funciona com uma única velocidade, ele produz uma determinada vazão de ar e que muitas vezes não é exatamente a necessidade do processo, fazendo com que se utilize um damper para se controlar a quantidade de ar enviado para o processo.

Porém, este controle mecânico pode ser feito tanto restringindo a quantidade de ar que entra no ventilador, quanto restringindo a saída do ar. Em ambos os casos há um grande desperdício de energia, pois a vazão é diretamente proporcional à rotação do ventilador, no entanto a relação da potência absorvida varia com o cubo da variação da velocidade. Assim um pequeno ajuste de velocidade para correção da vazão necessária, representa uma grande economia de energia.

Um conceito comum é de que inversores de frequência só são interessantes em equipamentos em que o processo varia, ou seja, em equipamentos onde o inversor varie bastante a frequência ao longo do ciclo de operação. O que não é uma verdade absoluta.

Consideremos um ventilador de um forno que opera constantemente com 90% da vazão nominal do ventilador, e controla este valor através de um damper. Este damper fica estático em determinada posição, pois o processo não exige demandas diferentes de ar.

No entanto, ao se aplicar um inversor de frequência, este mesmo ventilador irá operar com 54Hz (considerando 60Hz a nominal) e a redução do consumo pode chegar a 27%!

Em alguns projetos de eficiência energética, por questões de custos entre outras, apenas se altera o acionamento do motor, sem se atentar se o motor está apto para operar com um inversor de frequência. Em alguns casos, a falta desse cuidado pode provocar falhas no motor ou maior demanda de manutenções.

Até alguns anos atrás havia uma diferenciação clara entre motores aptos a operar com inversor ou não. Com a popularização deste tipo de acionamento os motores tiveram que se adequar e hoje em dia, praticamente todos os motores podem ser acionados direto na rede ou por inversores de frequência. Nestes motores o que mudou foi a qualidade e característica do material isolante do fio, dispositivos para evitar a passagem de corrente pelos rolamentos e ventilação forçada. Destes, a ventilação forçada e passagem de corrente pelos rolamentos ainda podem representar um ponto de verificação para garantir a operação correta do motor.

Isolamento

O acionamento por inversores de frequência faz com que a tensão de entrada do motor, ao invés de uma forma de onde senoidal em 60Hz, seja uma forma de onde de frequência fundamental variável de acordo com a necessidade, mas para que isso seja possível a tensão nos terminais do motor tem uma frequência muito mais alta, chegando à 10kHz. 

Essa alta frequência de chaveamento provoca nos terminais do motor picos de tensão elevados, intensificados com o aumento da distância entre  o inversor e o motor. Tais picos podem provocar a queima do motor, principalmente em casos em que há uma coincidência de proximidade de uma espira no início da bobina com uma de final de bobina, gerando neste caso um grande diferencial de tensão, e quando o material isolante (verniz do fio) não for apto, pode provocar uma queima.

Outro fenômeno que ocorre devido a estes picos de tensão são as chamadas descargas parciais, comuns em motores de alta tensão, mas que ocorrem nos de baixa quando acionados por inversores. Neste caso, os motores que já sofreram rebobinagens, o que indica uma maior incidência de espaços vazios (bolhas de ar) dentro do enrolamento, e assim as descargas parciais tornam-se mais preocupantes e perigosas.

Temperatura

O tipo de motor de indução trifásico mais comum encontrado no mercado possui um sistema de ventilação que utiliza um ventilador acoplado no eixo principal do motor, e desta forma, quando o motor tem sua velocidade reduzida por um inversor de frequências, a velocidade do ventilador do sistema de refrigeração também diminui e com ela, a eficiência do sistema de refrigeração do motor.

Tal fato pode implicar que numa determinada situação em que o motor seja exigido com torque elevado (alta carga, como uma correia transportadora bem carregada) e em baixa velocidade, a temperatura interna do motor será alta, e por faltar ventilação, esse calor não é retirado do motor de forma adequada, levando muito provavelmente a uma queima do motor.

Para resolver essa situação, utiliza-se um segundo motor, de potência bem menor que o principal, cuja função é manter o sistema de refrigeração do motor funcionando, independente da velocidade de operação do motor.

No entanto, em termos de eficiência energética não é indicado ter um motor consumindo energia continuamente, caso a ventilação forçada, de forma contínua, não seja necessária para a operação. Assim há uma opção hoje em dia que são motores com imãs permanentes no rotor, que por terem o rotor muito frio, conseguem operar em baixas rotações, com conjugado nominal, mas sem precisar da ventilação forçada. Conheça a linha W22 Magnet para mais informações.

Mas, se você já viu diversos casos de motores operando com inversor, sem ventilação independente e sem queimar, muito provavelmente são motores que acionam cargas como ventiladores e bombas centrífugas, que com a redução de velocidade, reduzem também o conjugado exigido, e assim não geram tanto calor, não necessitando de um sistema de refrigeração operando em 100%.

Ruído

Quando operando com inversor de frequência, a forma de onda diferente da senoidal produz no motor um ruído característico, agudo e que em determinadas situações é incômodo (como em sistemas de elevadores por exemplo). Este problema pode ser minimizado aumentando a frequência de chaveamento que o inversor trabalha. É bastante comum a frequência de chaveamento de fábrica dos inversores ser 2,5kHz, pode-se encontrar no mercado inversores que operam em até 10kHz ou mais, e assim possibilitam reduzir esse ruído magnético.

No entanto, ao aumentar a frequência de chaveamento, têm-se um impacto negativo que é a redução da vida útil do sistema de isolação (maior frequência de chaveamento, mais vezes o sistema é estressado), além de elevar o nível de ruído elétrico na rede. 

Em cada caso a melhor frequência deve ser estuda para garantir que não haja desconforto, mas sem comprometer a vida útil do motor.

Corrente nos rolamentos

Apesar de não ser exclusividade para motores acionados por inversor de frequência, a passagem de corrente pelos rolamentos é muito mais evidente quando a chamada tensão de modo comum.

A existência deste componente a mais cria tensões no estator do motor que ao atingir determinado nível uma descarga de corrente acontece, voltando essa tensão a zero, e essa descarga ocorre por dentro dos rolamentos. Como a densidade de corrente é elevada (muita corrente em pouca área de condução), a temperatura neste local é muito alta e provoca uma pequena fusão entre o rolamento e as pistas do rolamento. Com o tempo esses pontos ficam mais evidentes, levando o rolamento a vibrar e eventualmente falhar antes do previsto.

O setor industrial brasileiro consome cerca de 40% da energia elétrica do país e 70% da energia utilizada na indústria é consumida por motores elétricos. Como iniciativa para redução do consumo de energia, em 2009 entrou em vigor a portaria nº 553, que estabelece níveis mínimos de rendimentos para máquinas e equipamentos.