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trabalho interdiscilinar dirigido ii
INSTITUTO POLITÉCNICO – Centro Universitário UNA
Frenagem regenerativa em motores de corrente contínua
CURSO: Engenharia de Controle e Automação Professor: TIDIR Edson Rezende
Alunos: Antônio Cassimiro Neto, Ariane Gomes, Breno Moreira, Érlon Alexander, Hugo Lima, Paulo Henrique, Victor Morato.
Resumo– Este trabalho aborda a tecnologia de frenagem regenerativa em motores de corrente contínua. A energia cinética presente nestes motores nos instantes de frenagem ou desligamento pode ser regenerada em energia elétrica e devolvida à rede de alimentação ou armazenada em capacitores. Desta forma o motor se converte em gerador nos momentos de frenagem, reduzindo o consumo energético.
Palavras-chave: Frenagem regenerativa. Motor de corrente contínua. Sustentabilidade energética.
Introdução
Parte da energia consumida em processos produtivos é desperdiçada ou utilizada de forma ineficiente. Segundo Guardia (2010), "a energia é um dos principais insumos da indústria" e "sua disponibilidade, custo e qualidade são determinantes fundamentais da capacidade competitiva do setor produtivo", afirmando que cerca de 40% da energia no Brasil é consumida pelo setor industrial e, deste percentual, aproximadamente 45% corresponde à energia elétrica. Panesi (2006) menciona que "no setor industrial, entre 50 e 60% da energia utilizada é consumida pelos motores elétricos". Este trabalho abordará a tecnologia de frenagem regenerativa em motores de corrente contínua, adequada ao contexto de sustentabilidade e eficiência energética uma vez que permite reduzir o consumo da energia fornecida pelas concessionárias de energia.
2. Revisão bibliográfica
2.1 Estado da Arte
Um sistema de frenagem regenerativa converte a energia cinética durante a frenagem ou parada de motores elétricos. Dugonski (2011) afirma que este sistema é utilizado em bondes e locomotivas desde o século XX, em que geradores eram empregados como freios e convertiam energia cinética em eletricidade. Atualmente, a energia gerada na frenagem em metrôs é dissipada em forma de calor, através de resistores, ou devolvida à rede elétrica quando está receptiva (Kansbock,2012).
2.2 Máquina de corrente contínua: Princípio de funcionamento
O funcionamento dos motores e geradores de corrente contínua se baseia nos princípios do eletromagnetismo. Ao se aplicar uma corrente elétrica em um fio condutor, é criado ao seu redor um campo magnético que, se estiver sob ação um campo magnético fixo, sofre uma força tal que provoca sua movimentação e a energia é convertida em trabalho . A direção e sentido da força f é obtida através da Regra do Tapa, figura 1. De modo análogo, trabalho se converte em energia se um condutor é movimentado mecanicamente em um campo magnético fixo. Nesta situação, ocorre uma separação de cargas no condutor, ficando uma parte eletrizada positivamente e a outra, negativamente, o que provoca o surgimento de uma diferença de potencial. Trabalho converte-se em energia.
Com a mão direita aberta, o polegar é dirigido no sentido da corrente convencional v e os dedos restantes orientados ao longo do campo magnético, B. O sentido da força F é aquele para onde fica voltada a palma da mão.Há semelhança entre as formulas (f=β q v sinθ) e (v × β="v" "β" sinθ), em que ambas fornecem o módulo do vetor F.
Com a mão direita aberta, o polegar é dirigido no sentido da corrente convencional v e os dedos restantes orientados ao longo do campo magnético, B. O sentido da força F é aquele para onde fica voltada a palma da mão.
Há semelhança entre as formulas (f=β q v sinθ) e (v × β="v" "β" sinθ), em que ambas fornecem o módulo do vetor F.
Figura 1 – Alvarenga. Curso de Física, 1987.
Para compreensão do funcionamento do motor de corrente contínua, de forma simples e genérica, Nascimento (2011) propõe a redução a três componentes básicos: armadura, estator e comutador, sendo os dois primeiros os componentes que utilizam a corrente para gerar campos magnéticos. A armadura é a parte móvel girante do motor, designada também como bobina ou rotor, composta de bobinas de fio condutor, que percorrida pela corrente, e sob a ação de um campo fixo, sofre a ação de uma força que promove a rotação. Estator é o componente que estabelece o campo magnético fixo, composto de enrolamentos de fio condutor por onde também circula a corrente. O Comutador é a peça responsável pela circulação da corrente na armadura sempre no mesmo sentido, garantindo a continuidade das rotações. No diagrama de circuito elétrico armadura e estator são representados conforme mostrado na figura 2.
Figura 2 – Nascimento. Máquinas elétricas, 2011. (Adaptado)
De acordo como a finalidade e utilização do motor, os enrolamentos de campo do estator podem ser conectados em série (figura 3.b) com os enrolamentos da armadura, o que é classificado como excitação em série, ou conectada em paralelo (figura 3.a), classificado como excitação separada, conexão em shunt e ainda, motor em derivação. Há um terceiro tipo de conexão, compound ou mista (figura 3.c), que mescla os dois tipos de ligação.
Figura 3 – Almeida. Eletricidade Geral Dispositivos E Aplicações, 2004. (Adaptado)
2.3 Frenagem regenerativa.
A frenagem regenerativa implica na redução ou cessação do movimento de motores elétricos, convertendo a energia cinética da rotação em energia elétrica, sem utilização de freios mecânicos. Pillai (2004) a define como operação do motor como um gerador, enquanto ele ainda está ligado à rede de alimentação. A energia mecânica é convertida em energia elétrica, parte da qual é devolvida à rede. O restante da energia é perdida na forma de calor nos enrolamentos e nos mancais da máquina elétrica. O autor afirma ainda que a maioria das máquinas elétricas passa suavemente de motor ao regime de geração, quando a carga produz alta velocidade de rotação, o que é confirmado por Almeida (2004), ao mencionar que quando a f.c.e.m. é maior que a tensão de alimentação, o motor passa a gerar energia. Isto ocorre nos motores de elevadores, guindastes e trens quando em movimento descendente, ou seja, a velocidade da carga excede a velocidade normal do motor e a corrente no estator permanece a mesma, então a f.e.m. de volta torna-se maior do que a tensão de alimentação.
Freios regenerativos elétricos derivam de freios dinâmicos, conhecidos como freios reostáticos (Dugonski, 2011). Na frenagem reostática, a ligação do estator para a fonte é mantida, mas a armadura é desligada e então ligada de novo a um resistor. A máquina gera potência de dissipação no resistor que a libera na forma de calor. Na frenagem regenerativa a energia pode ser armazenada em um banco de capacitores e, no instante em que a tensão dos capacitores atingir a tensão limite, a energia adicional pode ser então dissipada em resistores (Dugonski, 2011).
Figura 4 – Brown. Troubleshooting of Electrical Equipment And Control Circuit, 2005. (Adaptado)
A frenagem regenerativa é praticável, no caso dos motores de corrente contínua, apenas nos motores com excitação em paralelo. Em motores em série não é possível fazer a corrente de campo exceder a corrente do induzido e ter uma f.e.m. maior do que a tensão do terminal. Na figura é apresentado o sentido da corrente I durante o funcionamento do motor (a.) e durante a frenagem regenerativa (b.)
3. Materiais e Métodos
Foi realizada revisão bibliográfica, para identificar os princípios de funcionamento do motor de corrente contínua e da frenagem regenerativa, e feita a montagem de um circuito para aplicar a frenagem. Através da revisão, verificou-se que a aplicação da frenagem só é possível em motores de excitação separada (shunt), ou seja, ter uma alimentação individual entre o estator e o rotor. O desenvolvimento da atividade se deu no laboratório 609 de física do Instituto Politécnico do Centro Universitário UNA e na residência de integrantes do grupo. A montagem de um circuito para realização do estudo sobre a frenagem regenerativa está de acordo com os diagramas de circuito obtidos na revisão bibliográfica. Os materiais empregados constam na tabela 1. Foram tomadas notas da tensão fornecida ao motor e a corrente gerada no circuito de funcionamento do motor, permitindo assim a realização do cálculo da potência dissipada pelo motor, através de [1], [2] e [3], respectivamente.
P=V.I [1]
Kw=w1000 [2]
E=P. t [3]
Tabela 1 – Material utilizado no circuito regenerativo
Material
Quantidade
Transformador de 24v/3A
2
Ponte retificadora
2
Interruptor de duas posições
1
Capacitor de 100 v
1
Um motor de 100w/110v (adaptado para adquirir maior inércia)
1
Fonte: Autores
Fonte: Autores
A frenagem foi realizada após o motor estabilizar sua rotação, interrompendo a alimentação de energia do rotor, mantendo a energia do estator, e alimentando o capacitor com a energia cinética gerada pelo motor. Desta forma, obteve-se a tensão gerada a certo pico de corrente para que, posteriormente, fosse evidenciada uma possível reutilização da energia gerada na frenagem regenerativa do motor no circuito. Através de [4] obteve-se a quantidade de energia armazenada.
[4]Considerando t0= 0
Considerando t0= 0
4. Resultados
Com base nas medições do circuito montado, foi estimada a potência em que o motor trabalhou para estipular o consumo hora (60 minutos). (Dados: corrente gerada no circuito primário =2,10A, tensão fornecida de V=39,80v). Utilizando [1], [2] e [3]:
P =2,10 39,8=83,58w Kw=83,581000 =8, 358x10-2
E=8, 358x10-2 60=5,014Kwh
Para calcular a energia regenerada a cada frenagem no motor (figura 6), foram realizados os procedimentos a seguir. (Dados: tensão armazenada V=33,20v, capacitância do capacitor C=1000mf = 1F). Utilizando o resultado de [4]:
32
32
t(s)
t(s)
Figura 6 – Fonte: Autores
ωct= 12 1 (33,20)2= 551,12w=0,551Kw
Estimando que o motor em questão trabalhe 10 horas (t) por dia realizando uma parada programada (p) a cada 6 minutos, considerando que a tarifa (T) do Kwh seja de R$ 0,62, em um mês, obtem-se reaproveitamento de aproximadamente 11% de energia. Os resultados, através de [6], constam na tabela 2.
E t-ωc p T [6]
Tabela 2 – Resultados de economia
Relação
Valor
Gasto por dia com a frenagem = (5,014 600-0,551 100) 0,62
R$ 1831,05
Gasto por dia sem a frenagem = 5,014 600 0,62=R$ 1865,208
R$ 1865,21
Economia em um mês = (1865,208 30)-(1831,046 30)
R$ 1024,86
Fonte: Autores
5. Conclusão
A pesquisa proporcionou uma melhor visão sobre o reaproveitamento da energia, tendo como foco a energia elétrica e cinética. No principio de regeneração, o motor estudado obteve um reaproveitamento de aproximadamente 11% de energia, sendo que, na condição de experimento, o RPM adquirido foi baixo, gerando no ato da frenagem um tempo de parada absoluta entre 10 e 15 segundos. Tendo em vista que o reaproveitamento da energia é diretamente proporcional a inércia, conclui-se que, quanto maior a inércia, melhor será o rendimento de energia reaproveitada. Sendo assim, motores com grande inércia obtêm um resultado satisfatório na geração de energia. Uma questão importante com relação à frenagem é quanto à energia gerada, devido a ser inviável o armazenamento em grande quantidade em baterias. Isto implica em montar uma rede receptiva para que a energia gerada para outros equipamentos ou, em último caso, se não houver receptividade momentânea, dissipá-la através de resistores.
Referências Bibliográficas
[1] ALMEIDA, Manoel Simões de, Eletricidade Geral Dispositivos e Aplicações, 1ed. Hemus, 2004.
[2] ALVARENGA, Beatriz Alvarenga, LUZ, Antonio Máximo Ribeiro da, Curso de Física, volume 3, 2 ed, Harbra, 1987.
[3] BROWN, Mark, Practical Troubleshooting Of Electrical Equipment And Control Circuits, 1 Ed., Elsevier, Burlington, 2005.
[4] DUGONSKI, Carolina; ZOSCHKE, Loane Maria. Estudo de um sistema de aproveitamento da energia armazenada na frenagem regenerativa elétrica em elevadores. Trabalho de Conclusão de Curso Engenharia Elétrica - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2011.
[5] GUARDIA, Eduardo [et al]. Oportunidades de eficiência energética para a indústria: uma visão institucional: sumário executivo. Brasília: CNI, 2010. Acesso: 19/09/12. Disponível em:
[6] HONDA, Flávio, Motores de corrente contínua: Guia rápido para uma especificação precisa,Publicação Técnica. Siemens, ed. 01.2006.
[7] Nascimento Junior, Geraldo Carvalho, Máquinas elétricas: teoria e ensaios. 4 Ed, São Paulo: Érica, 2011.
[8] PANESI, André R. Q. Fundamentos de eficiência energética: Industrial, comercial e residencial. São Paulo: Ensino Profissional, 2006
[9] PILLAI, S.K.,A First Course On Electrical Drives, 2ed, New Age International, New Delhi, 2004.
[10] SURYANARAYANA, N.V, Utilisation of Electric Power: Including Electric Drives and Electric Traction, New Age International Ltd, 1ed. New Delhi, 2005.
[11] RODRIGUES, Silvio Lobo, Capacitores e Indutores. Disponível em: Acesso em: 19/11/12.
