Manual eficiência energética, Manual de Física. Centro Universitário de Caratinga (UNEC)
carlos_reis
carlos_reis5 de agosto de 2015

Manual eficiência energética, Manual de Física. Centro Universitário de Caratinga (UNEC)

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Apostila sobre eficiência energética
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CAPA MANUAL DE EFICIENCIA ENE...

Prezado Cliente,

A aplicação da eficientização energética em diversos setores de nossa sociedade é uma prática que deve ser considerada essencial nos dias atuais.

Na área industrial, a eficientização energética pode trazer significativa redução de custos, bem como aumento no rendimento energético de equipamentos e instalações, com a conseqüente melhoria da qualidade dos produtos fabricados.

A Copel incentiva a realização de programas de eficiência energética em unidades industriais de seus clientes, buscando contribuir para a melhoria de seus processos produtivos, através do melhor aproveitamento dos recursos aplicados, sem comprometer a qualidade de seus produtos, sua produtividade e a segurança de seus empregados.

Uma ação concreta nesse sentido é a publicação deste Manual de Eficiência Energética na Indústria, que oferece informações detalhadas sobre fornecimento de energia, análise de consumo, instalações elétricas e muitos outros temas igualmente importantes.

A utilização deste Manual no dia-a-dia de sua indústria auxiliará na gestão energética das instalações industriais de forma eficaz, permitindo um melhor aproveitamento de seu potencial fabril.

É mais um serviço da Copel para a melhoria da qualidade de vida de todos os paranaenses.

COPEL Seus sonhos nossa energia

Edição: NOVEMBRO/2005

Companhia Paranaense de Energia - COPEL Diretoria de Distribuição - DDI

Desenvolvimento:

Superintendência Comercial de Distribuição - SCD Superintendência Regional de Distribuição Centro-Sul - SDC Superintendência Regional de Distribuição Leste - SDL Superintendência Regional de Distribuição Noroeste - SDN Superintendência Regional de Distribuição Norte - SDT Superintendência Regional de Distribuição Oeste - SDO

Coordenação:

Superintendência Comercial de Distribuição - SCD Área de Utilização de Energia - UENE Rua José Izidoro Biazetto, 158 - Bloco C Mossunguê - Curitiba - PR

Assessoria, processo de programação visual e gráfico

Coordenadoria de Marketing - CMK

Fotos: Adoniran Caetani Carlos Borba

Projeto Gráfico e Diagramação: Fix to Fix - Escritório Inteligente de Comunicação Capa: Victor S. Pinheiro

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ÍNDICE ANALÍTICO

1. INTRODUÇÃO........................................................................................................1

2. NOÇÕES GERAIS SOBRE FORNECIMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA.................................................................................................3

2.1 Tensões de Fornecimento........................................................................................3 2.2 Grupos Tarifários.........................................................................................................3 2.3 Demanda (kW).........................................................................................................4 2.4 Consumo kWh - kvar....................................................................................................5 2.5 Tarifas de Energia Elétrica.............................................................................................5 2.6 Sistema Tarifário Convencional.....................................................................................5 2.7 Sistema Tarifário Horo-Sazonal.................................................................................5 2.8 Ajuste de Fator de Potência.....................................................................................6

3. ACOMPANHAMENTO E ANÁLISE DO CONSUMO................................................9

3.1 Estabelecimento de Índices de Consumo.....................................................................9 3.2 Monitoramento do Consumo...................................................................................10

4. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS.....................................................................................11

4.1 Perdas nas Instalações Elétricas................................................................................11 4.2 Energia Ativa e Energia Reativa..................................................................................11 4.3 Transformadores...................................................................................................12 4.3.1 Perdas em um transformador...................................................................................14 4.3.1.1 Perdas no núcleo.........................................................................................................14 4.3.1.2 Perdas nos enrolamentos............................................................................................14 4.3.2 Redução das perdas em transformadores...................................................................16 4.3.2.1 Redução das perdas por medidas de conservação de energia..................................16 4.3.2.2 Redução das perdas nos enrolamentos pela elevação do fator de potência..................16 4.3.2.3 Redução das perdas nos enrolamentos pela redistribuição das cargas entre

os transformadores......................................................................................................17 4.3.2.4 Redução das perdas de energia no núcleo de um transformador...................................18 4.4 Circuitos de Distribuição............................................................................................18

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4.4.1 Perdas ôhmicas devido às resistências elétricas dos componentes de um sistema da distribuição..............................................................24

4.4.1.1 Perdas ôhmicas em cabos condutores....................................................................24 4.4.1.2 Perdas ôhmicas em conexões elétricas...................................................................26 4.4.2 Redução das perdas ôhmicas em condutores........................................................27 4.4.2.1 Ação sobre as resistências dos condutores..............................................................27 4.4.2.2 Ações sobre as correntes de carga que circulam pelos condutores...............................29 4.5 Motores Elétricos...................................................................................................31 4.5.1 Rendimento de motores de indução..........................................................................32 4.5.2 Fator de potência de motores de indução.................................................................35 4.5.3 Escolha de um motor de indução..............................................................................37 4.5.4 Operação de motores de indução visando o uso

racional de energia elétrica..........................................................................................38 4.5.5 Tensão de alimentação de um motor............................................................................40 4.5.6 Manutenção de motores elétricos.............................................................................41 4.6 Iluminação............................................................................................................ 42 4.6.1 Características de um Bom Sistema de Iluminação......................................................42 4.6.2 Unidades Fotométricas...........................................................................................43 4.6.3 Níveis de lluminância Recomendáveis...................................................................45 4.6.4 Tipos de Lâmpadas Usuais.......................................................................................47 4.6.5 Reatores................................................................................................................ 51 4.6.6 Luminárias e Difusores...........................................................................................53 4.6.7 Substituição de Lâmpadas........................................................................................54 4.6.8 Medidas Práticas para Conservar Energia Elétrica na Iluminação.................................56 4.6.9 Manutenção dos Sistemas de Iluminação...................................................................58 4.7 Fornos Elétricos, Estufas e Sistemas de Geração de Calor.....................................62 4.7.1 Perdas de Energia nos Equipamentos de Aquecimento.............................................62 4.7.2 Redução das perdas devido às características construtivas dos fornos elétricos...........63 4.7.3 Economia de energia na operação do forno...............................................................67 4.7.3.1 Conservação de energia nas operações anteriores ao aquecimento.............................67 4.7.3.2 Conservação de energia durante o aquecimento do material......................................69 4.7.4 Sistemas de Produção de Calor.................................................................................71

4.7.4.1 Geradores de Vapor................................................................................................71

4.7.4.1.1 Caldeiras Elétricas Tipo Resistência.............................................................................72

4.7.4.1.2 Caldeiras Elétricas Tipo Eletrodo Submerso.................................................................72 4.7.4.1.3 Caldeiras Elétricas Tipo Jato de Água..........................................................................72

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4.7.4.2 Geradores de Água Quente..........................................................................................73 4.7.4.2.1 Gerador de passagem..................................................................................................73 4.7.4.2.2 Gerador de passagem com acumulação......................................................................73 4.7.4.2.3 Gerador de acumulação (boiler)...................................................................................73 4.7.4.3 Linhas de Vapor...........................................................................................................74 4.7.4.3.1 Otimização do Uso do Condensado.............................................................................74 4.7.4.4 Gerador Elétrico de Ar Quente.....................................................................................75 4.7.4.5 Bomba de Calor...........................................................................................................76 4.8 Sistemas de Refrigeração, Ar Comprimido, Ar Condicionado e Ventilação....................76 4.8.1 Sistemas de Refrigeração............................................................................................76 4.8.2 Bombeamento de Água...............................................................................................83 4.8.3 Sistemas de Ar Comprimido.........................................................................................86 4.8.4 Sistemas de Ar Condicionado e Ventilação...................................................................89 4.8.4.1 Cuidados na manutenção............................................................................................90 4.8.4.2 Redução do fluxo de ar nos ambientes.........................................................................90 4.8.4.3 Redução do fluxo de ar no sistema de ventilação..........................................................91 4.8.4.4 Redução da velocidade dos ventiladores.....................................................................91 4.8.4.5 Controle da velocidade do motor de ventiladores.........................................................94 4.8.4.6 Medidas para Conservar Energia.................................................................................95 4.9 Recomendações Básicas.............................................................................................96

5. CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA....................................................................99

5.1 Principais Causas do Baixo Fator de Potência..............................................................99 5.2 Conseqüências para a Instalação..............................................................................100 5.3 Métodos de Correção do Fator de Potência............................................................ 101 5.3.1 Correção do Fator de potência de Motores de Indução............................................105 5.3.1.1 Esquemas de ligação de bancos de capacitores de baixa

tensão junto a motores de indução..........................................................................107

6. CONTROLE DE DEMANDA...................................................................................111

6.1 Conceito de demanda de potência.............................................................................111

6.2 Programação de cargas elétricas...............................................................................111

6.3 Controladores automáticos de demanda...................................................................112

6.4 Projeto para se instalar um sistema controlador de demanda em uma indústria...........112

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7. ADMINISTRAÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA.................................117

7.1 Projeto e construção da planta industrial.....................................................................117 7.2 Programação e controle da produção.........................................................................117 7.3 Especificação do produto...........................................................................................118 7.4 Aprimoramento dos processos produtivos..................................................................118 7.5 Qualidade do produto fabricado.................................................................................119 7.6 Automação..........................................................................................................119 7.7 Manutenção.........................................................................................................119 7.8 Comissão Interna de Conservação de Energia - CICE................................................120 7.8.1 Introdução...........................................................................................................120 7.8.2 Programa Interno de Conservação de Energia...........................................................120 7.8.3 Aspectos Administrativos...........................................................................................120 7.8.4 Orientações Gerais....................................................................................................121 7.8.5 Criação da CICE........................................................................................................122 7.8.5.1 Estrutura da CICE......................................................................................................124 7.8.5.2 Operacionalização da CICE.......................................................................................124 7.8.5.3 Atribuições da CICE...................................................................................................125 7.8.5.4 Necessidade de Pequenos Investimentos..................................................................128 7.8.5.5 Necessidade de Investimento Significativos...............................................................129 7.8.6 Gestão Energética.....................................................................................................129 7.8.6.1 Acompanhamento do Consumo de Energia Elétrica...................................................130 7.8.6.2 Consumo por Setores................................................................................................130 7.8.6.3 Análise de Demanda..................................................................................................131 7.8.6.4 Fator de Carga...........................................................................................................132 7.8.6.5 Tarifas de Energia Elétrica..........................................................................................133 7.8.6.6 Influência do Fator de Carga......................................................................................136 7.8.6.7 Tabela de Acompanhamento......................................................................................137

8. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA..................................................................................139

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1. INTRODUÇÃO

Este manual é dirigido aos consumidores industriais interessados em melhorar o rendimento energético de suas instalações elétricas e, por conseqüência, reduzir suas despesas mensais com energia elétrica, sem comprometer a segurança, a qualidade do seu produto ou sua capacidade de produção. As informações prestadas abrangem uma larga faixa dos principais usos de energia elétrica no processo produtivo, tendo em vista que a classe industrial apresenta uma grande variedade de atividades.

Por que melhorar o rendimento energético das instalações elétricas?

Porque os rendimentos energéticos das instalações elétricas proporcionam as seguintes vantagens:

Para sua Indústria:

• Melhora do aproveitamento das instalações e equipamentos elétricos, com conseqüente melhoria na qualidade do produto;

• Redução do consumo energético e conseqüente aumento da produtividade, sem afetar a segurança;

• Redução das despesas com eletricidade.

Para a Sociedade em Geral:

• Redução dos investimentos para a construção de usinas e redes elétricas e conseqüente redução dos custos da eletricidade;

• Redução dos preços de produtos e serviços;

• Maior garantia de fornecimento de energia elétrica e de atendimento a novos consumidores no futuro.

Veja, a seguir, algumas recomendações úteis para você conservar energia elétrica em seus diversos usos, além de outras informações de grande importância para a adequada utilização de eletricidade.

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2. NOÇÕES GERAIS SOBRE FORNECIMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA

Os investimentos em conservação de energia elétrica poderão ser viabilizados em função da adequada utilização de energia elétrica, tendo em vista as condições gerais de fornecimento em vigência - Resolução ANEEL nº 456 de 29/11/2000.

A seguir apresentamos algumas definições adotadas na Resolução ANEEL nº 456 de 29/11/2000:

2.1 Tensões de Fornecimento

A Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL estabelece qual é o nível de tensão de fornecimento para a unidade consumidora, observando os seguintes limites:

• Tensão secundária de distribuição: quando a carga instalada na unidade consumidora for igual ou inferior a 75 kW;

• Tensão primária de distribuição inferior a 69.000 V: quando a carga instalada na unidade consumidora for superior a 75 kW e a demanda contratada ou estimada pelo interessado para o fornecimento for igual ou inferior a 2.500 kW;

• Tensão primária de distribuição igual ou superior a 69.000 V: quando a demanda contratada ou estimada pelo interessado para o fornecimento for superior a 2.500 kW;

Em determinadas condições, previstas na legislação, a concessionária poderá adotar outros limites para estabelecimento da tensão de fornecimento.

2.2 Grupos Tarifários

Para efeito de faturamento da energia elétrica, distinguem-se dois grupos tarifários:

Grupo “A”

Grupamento composto de unidades consumidoras com fornecimento em tensão igual ou superior a 2.300 V, ou, ainda, atendidas em tensão inferior a 2.300 V a partir de sistema subterrâneo de distribuição, caracterizado pela estruturação tarifária binômia e subdividido nos seguintes subgrupos: NO

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a) Subgrupo A1 - tensão de fornecimento igual ou superior a 230.000 V; b) Subgrupo A2 - tensão de fornecimento de 88.000 V a 138.000 V; c) Subgrupo A3 - tensão de fornecimento de 69.000 V; d) Subgrupo A3a - tensão de fornecimento de 30.000 V a 44.000 V; e) Subgrupo A4 - tensão de fornecimento de 2.300 V a 25.000 V; f) Subgrupo AS - tensão de fornecimento inferior a 2.300 V, atendidas a partir de sistema subterrâneo de distribuição e faturadas neste Grupo em caráter opcional.

Grupo “B”

Grupamento composto de unidades consumidoras com fornecimento em tensão inferior a 2.300 V, ou, ainda, atendidas em tensão superior a 2.300 V, caracterizado pela estruturação tarifária monômia e subdividido nos seguintes subgrupos:

a) Subgrupo B1 - residencial; b) Subgrupo B1 - residencial baixa renda; c) Subgrupo B2 - rural; d) Subgrupo B2 - cooperativa de eletrificação rural; e) Subgrupo B2 - serviço público de irrigação; f) Subgrupo B3 - demais classes; g) Subgrupo B4 - iluminação pública.

2.3 Demanda (kW)

Média das potências elétricas ativas ou reativas, solicitadas ao sistema elétrico pela parcela da carga instalada em operação na unidade consumidora, durante um intervalo de tempo especificado.

a) Demanda contratada:

Demanda de potência ativa a ser obrigatória e continuamente disponibilizada pela concessionária, no ponto de entrega, conforme valor e período de vigência fixados no contrato de fornecimento e que deverá ser integralmente paga, seja ou não utilizada durante o período de faturamento, expressa em quilowatts (kW).NO

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b) Demanda de ultrapassagem:

Parcela da demanda medida que excede o valor da demanda contratada, expressa em quilowatts (kW).

c) Demanda faturável:

Valor da demanda de potência ativa, identificado de acordo com os critérios estabelecidos e considerado para fins de faturamento, com aplicação da respectiva tarifa, expressa em quilowatts (kW).

d) Demanda medida:

Maior demanda de potência ativa, verificada por medição, integralizada no intervalo de 15 (quinze) minutos durante o período de faturamento, expressa em quilowatts (kW).

2.4 Consumo kWh

O consumo de energia faturado é o efetivamente medido no período (geralmente mensal).

2.5 Tarifas de Energia Elétrica

Conjunto de tarifas aplicáveis às componentes de consumo de energia elétrica e/ou demanda de potência ativas de acordo com a modalidade de fornecimento.

2.6 Sistema Tarifário Convencional

Estrutura caracterizada pela aplicação de tarifas de consumo de energia elétrica e/ou demanda de potência independentemente das horas de utilização do dia e dos períodos do ano.

2.7 Sistema Tarifário Horo-Sazonal

Estrutura caracterizada pela aplicação de tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica e de demanda de potência de acordo com as horas de utilização do dia e dos períodos do ano, conforme especificação a seguir: NO

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a) Tarifa Azul:

Modalidade estruturada para aplicação de tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica de acordo com as horas de utilização do dia e os períodos do ano, bem como de tarifas diferenciadas de demanda de potência de acordo com as horas de utilização do dia.

b) Tarifa Verde:

Modalidade estruturada para aplicação de tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica de acordo com as horas de utilização do dia e os períodos do ano, bem como de uma única tarifa de demanda de potência.

c) Horário de ponta (P):

Período definido pela concessionária e composto por 3 (três) horas diárias consecutivas, exceção feita aos sábados, domingos e feriados nacionais, considerando as características do seu sistema elétrico.

d) Horário fora de ponta (F):

Período composto pelo conjunto das horas diárias consecutivas e complementares àquelas definidas no horário de ponta.

e) Período úmido (U):

Período de 5 (cinco) meses consecutivos, compreendendo os fornecimentos abrangidos pelas leituras de dezembro de um ano a abril do ano seguinte.

f) Período seco (S):

Período de 7 (sete) meses consecutivos, compreendendo os fornecimentos abrangidos pelas leituras de maio a novembro.

2.8 Ajuste de Fator de Potência

Em ambos os sistemas tarifários, tanto Convencionais como Horo- Sazonal, o ajuste é cobrado quando o fator de potência da unidade consumidora

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no período de faturamento resulta inferior a 0,92 (zero vírgula noventa e dois). No caso da Tarifa Azul, o fator de potência é calculado separadamente para os dois segmentos, ponta e fora de ponta.

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3. ACOMPANHAMENTO E ANÁLISE DO CONSUMO

O acompanhamento do consumo de eletricidade tem como objetivos principais: conhecer em detalhes as despesas mensais com esse insumo, verificar sua evolução ao longo do tempo e identificar ações que possam ser adotadas para minimizar os dispêndios com esse item.

Numa primeira etapa, o consumo pode ser acompanhado a partir de análise mensal das faturas apresentadas pelas concessionárias. Recomenda- se que esses dados sejam resumidos em formulário próprio, em que se possa observar, também, a sua evolução ao longo dos meses.

É importante que as contas de energia sejam analisadas pelas áreas técnicas da empresa como, por exemplo, a manutenção ou a produção, e não somente pelas áreas administrativas responsáveis pelo seu pagamento e contabilização.

Para que essa análise resulte em redução efetiva de despesas, é importante um bom conhecimento da legislação que regulamenta o fornecimento de energia elétrica, a qual estabelece as modalidades tarifárias disponíveis, as grandezas a serem utilizadas para o faturamento, os parâmetros fixados em contrato, bem como regula o relacionamento concessionária - consumidor de eletricidade.

3.1 Estabelecimento de Índices de Consumo Específico

Para um melhor gerenciamento do consumo de energia elétrica ao longo do tempo, é importante o estabelecimento de índices que indiquem a quantidade de energia necessária para cada produto manufaturado pela empresa como, por exemplo:

• kWh por quilograma de peça tratada;

• kWh por metro de produto;

• kWh por unidade produzida;

• kWh por metro cúbico de produto;

• kWh por ave congelada;

• kWh por litro de produto.

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É importante que o índice escolhido tenha condições de refletir os diferentes tipos de produtos da empresa, bem como suas peculiaridades de processo. Para isso, muitas vezes, torna-se necessária a instalação de equipamentos para medição do consumo de energia elétrica e dos dados de produção.

Uma vez escolhido o índice, deve-se acompanhá-lo ao longo do tempo, estabelecendo parâmetros de valores máximos e mínimos admissíveis.

Uma prática interessante consiste em prever metas para a redução do consumo específico de eletricidade e, em função disso, identificar ações e procedimentos para atingir esses objetivos.

3.2 Monitoramento do Consumo

Muitas vezes, o acompanhamento do consumo através das contas de energia não é suficiente para um melhor conhecimento de como a eletricidade é consumida nos diversos equipamentos instalados, qual a participação de cada um no consumo da empresa e sua influência sobre o valor da conta. Nesses casos se torna necessário um acompanhamento mais freqüente, diário ou semanal, através da leitura direta dos medidores de consumo.

Quando as instalações da empresa apresentam maior porte ou complexidade, a análise das características de consumo pode ser dificultada, se dispõe de um único ponto totalizando todo o consumo. É conveniente, então, a instalação de medidores em diversos locais, como: seções, galpões, circuitos ou até máquinas, se for o caso.

Esse procedimento permite acompanhar não só o consumo de eletricidade, como também fornecer informações que possibilitem determinar a forma como a energia é consumida. É, também, fundamental para priorizar os pontos a serem atacados e identificar as ações a serem empregadas para redução do consumo.

No mercado existem diversos softwares de acompanhamento, que podem ser utilizados para elaborar relatórios gerenciais. A Copel disponibiliza mediante cadastro software capaz de efetuar análises das leituras existentes, na base de dados da Copel, traçando curvas de carga da instalação do consumidor. O sistema ACC, Análise de Comportamento de Carga, encontra- se disponível no site da empresa, opção Copel soluções ou pelo número 0800-6437575.

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4. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS

Um adequado projeto e um bom plano de operação e manutenção das instalações elétricas podem representar significativas economias de energia, assim como garantir boas condições para funcionamento e segurança dos equipamentos e continuidade da produção.

4.1 Perdas nas Instalações Elétricas

As principais perdas que ocorrem em circuitos elétricos são de três tipos:

a) Perdas por Efeito Joule

São provocadas pela passagem de corrente elétrica através de condutores, ocasionando seu aquecimento. Aparecem em todos os componentes do circuito: transformadores, condutores, motores, lâmpadas, etc. Estas perdas são, sem dúvida, as mais significativas, variando com o quadrado da corrente elétrica.

b) Perdas por Histerese

São provocadas pela imantação remanescente do ferro, manifestando-se em todos os circuitos magnéticos submetidos a campos alternados: transformadores, motores, reatores, etc.

c) Perdas por Correntes de Foucault

São originadas pelas correntes parasitas induzidas. Tornam-se mais significativas nos circuitos magnéticos de maior porte e nos condutores de maior seção.

4.2 Energia Ativa e Energia Reativa

Todos os equipamentos que possuem um circuito magnético e funcionam em corrente alternada (motores, transformadores, etc.) absorvem dois tipos de energia: a ativa e a reativa.

Energia ativa: é aquela que efetivamente produz trabalho.

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Exemplo: A rotação do eixo de um motor.

Energia reativa: é aquela que, apesar de não produzir trabalho efetivo, é indispensável para produzir o fluxo magnético necessário ao funcionamento dos motores, transformadores, etc.

A cada uma destas energias corresponde uma corrente, também denominada de Ativa e Reativa. Estas duas correntes se somam vetorialmente para formar uma corrente aparente. Esta, embora chamada Aparente, é bastante real, percorrendo os diversos condutores do circuito, provocando seu aquecimento, e, portanto, gerando perdas por efeito Joule.

O fator de potência (FP) pode ser calculado pela relação da corrente ativa (IA) com a corrente aparente (lAp), ou da potência ativa (PA) com a potência aparente (PAp):

4.3 Transformadores

Os transformadores são equipamentos estáticos que transferem energia elétrica de um circuito para outro, variando os valores de corrente e tensão.Nem todas as indústrias possuem transformadores em suas instalações. As empresas pequenas com cargas instaladas iguais ou inferiores a 75 kW, conforme norma técnica COPEL, NTC 9.01100, já recebem energia elétrica em baixa tensão, adequada as suas máquinas elétricas. Indústrias que possuem carga instalada superior aos valores acima mencionados recebem energia elétrica em tensões que variam de 13,8 kV a 230 kV sistema COPEL, conforme o seu porte. Nessas indústrias há necessidades da existência de transformadores.

Nestes equipamentos no processo de transferência de energia ocorrem perdas, que dependem da construção do transformador e do seu regime de funcionamento.

As perdas são de dois tipos: em vazio (no ferro) e em carga (no cobre).

• As perdas em vazio correspondem às ocorridas no circuito magnético, por histerese e correntes de Foucault.

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• As perdas em carga são provocadas por efeito Joule, ocasionando aquecimento.

O rendimento dos transformadores é, em geral, elevado, principalmente se o equipamento é de boa qualidade. O conjunto de suas perdas pode parecer desprezível quando comparado à sua potência nominal, porém, torna-se significativo quando comparado com o consumo total da instalação, uma vez que estes equipamentos permanecem em funcionamento praticamente o tempo todo.

Apesar do transformador ser projetado para operar adequadamente em condições de carga nominal, é evidente que, quanto maior for a carga do transformador, maior será o aquecimento do equipamento, provocando uma redução em sua vida útil.

Por isso, pode-se utilizá-lo com carregamento na faixa de 30 a 80 % de sua potência nominal, obtendo-se rendimento e vida útil satisfatórios.

Veja a seguir outros pontos importantes:

Elimine progressivamente os transformadores muito antigos, substituindo-os, quando ocorrerem avarias, por outros mais modernos.

Quando um transformador é mantido sob tensão e não fornece nenhuma potência, suas “perdas no cobre” são praticamente nulas, enquanto que as “perdas no ferro” ocorrem sempre. Assim, é aconselhável deixar os transformadores desligados da rede quando não estão em serviço, durante prazos relativamente curtos (períodos não superiores a uma semana), evitando- se problemas decorrentes da absorção de umidade.

Quando existirem diversos transformadores para alimentar a mesma instalação, seria teoricamente econômico ajustar a carga em funcionamento, alternando o uso dos transformadores, quando cabível, limitando-se assim as perdas em vazio nas horas de baixa carga, ou em que a indústria não esteja funcionando. Em muitos casos pode ser interessante se dispor de um transformador de menor porte, exclusivo para alimentação da iluminação de modo mantê-la ligada durante a execução dos serviços de limpeza e vigilância nos horários em que a empresa não esteja funcionando.

Faça manutenção preventiva nos transformadores, visando eliminar paralisações de emergência. A manutenção de transformadores é relativamente simples e se constitui basicamente dos seguintes itens: detecção de vazamentos, ensaio de rigidez dielétrica do óleo, inspeção das partes metálicas, testes de isolação e limpeza geral.

Compre equipamentos de boa qualidade, observando sempre as normas brasileiras. IN

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Figura 4.1 Alimentação de circuitos de distribuição

4.3.1 Perdas em um transformador

Como toda máquina, o transformador apresenta perdas, que são pequenas em relação a sua potência nominal. Essas perdas podem ser classificadas em dois tipos: perdas no núcleo magnético, ou perdas no ferro, e perdas nos enrolamentos, ou perdas no cobre.

4.3.1.1 Perdas no núcleo

As perdas no núcleo existem desde que o transformador esteja ligado à rede elétrica e são devidas às características magnéticas dos materiais empregados na sua fabricação e se caracterizam por praticamente não variarem com a carga solicitada do transformador.

Essas perdas dependem dos materiais utilizados, principalmente das chapas de ferrossilício. Os transformadores mais modernos apresentam menores perdas devido ao desenvolvimento tecnológico na fabricação das chapas de ferro e aos projetos mais bem elaborados.

4.3.1.2 Perdas nos enrolamentos

Os enrolamentos dos transformadores são feitos de materiais de elevada condutibilidade, principalmente de cobre e, mais raramente, de alumínio. Ao circular corrente elétrica por um condutor ocorrem perdas, chamadas de perdas ôhmicas ou perdas joule, que se caracterizam por variar com a resistência do condutor e com o quadrado da corrente elétrica que por ele circula. Como em um transformador as resistências dos seus enrolamentos são, praticamente,

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constantes, pode-se afirmar que as perdas nos enrolamentos variam com o quadrado da corrente de carga, ou seja:

Figura 4.2 Perdas de energia em transformadores

Nos transformadores modernos, as perdas nos enrolamentos à plena carga, ou seja, quando se está solicitando do transformador sua potência nominal, são em média três vezes superiores às perdas no núcleo.

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Tabela 4.1 Perdas em transformadores conforme Normas ABNT

Potência Perdas no Ferro Perdas Totais (kVa) (W) (W) 15 120 460 30 200 770 45 260 1040 75 390 1530 112,5 520 2070 150 640 2550 225 900 3600 300 1120 4480 500 1350 6700 750 1500 13500 1000 1900 16500 1500 2500 25000 2000 3900 25100 3000 4900 31700

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em que: cos ϕ1 - é o fator de potência antes da correção. cos ϕ2 - é o fator de potência depois da correção.

4.3.2 Redução das perdas em transformadores

Conforme citado, as perdas nos enrolamentos de um transformador são dadas pelo produto da resistência pelo quadrado da corrente de carga. Como a resistência elétrica do enrolamento não varia com o carregamento do transformador, a redução das perdas é obtida através de medidas de conservação de energia nas correntes de cargas alimentadas pelo transformador, como a elevação do fator de potência e a distribuição adequada das cargas entre os transformadores, quando existir mais de um em uma indústria.

No caso das perdas no ferro, elas somente deixarão de existir caso o transformador seja desligado da rede elétrica, como será visto a seguir.

4.3.2.1 Redução das perdas por medidas de conservação de energia

As medidas de conservação de energia elétrica adotadas no âmbito da empresa resultam em uma menor solicitação de potência e, conseqüentemente, menor corrente de carga a ser suprida pelo transformador. Quanto menor a corrente, menor serão as perdas nos enrolamentos do equipamento.

4.3.2.2 Redução das perdas nos enrolamentos pela elevação do fator de potência

Outra ação tecnicamente fácil e que exige baixos investimentos, para a redução das perdas nos enrolamentos de um transformador, e a elevação do fator de potência com o qual o conjunto das cargas alimentadas pelo transformador opera. A elevação do fator de potência reduz a componente indutiva da corrente, reduzindo o valor da corrente da carga.

Essa redução das perdas no transformador, pela elevação do fator de potência com o qual as cargas elétricas alimentadas operam, é dada pela expressão:

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4.3.2.3 Redução das perdas nos enrolamentos pela redistribuição das cargas entre os transformadores

Quando uma indústria dispõe de mais de um transformador, pode-se obter uma redução das perdas com uma adequada redistribuição das cargas elétricas entre os transformadores, de forma que os que operam com carregamento elevado tenham sua corrente reduzida, enquanto que outros, com carregamento baixo, recebam parte da carga.

Exemplo: Considere uma indústria com dois transformadores idênticos, com uma

distribuição de carga tal que um opera a plena carga e outro com 50 % de sua capacidade.

Nestas condições, as perdas nos enrolamentos dos dois transformadores são:

P1 = R x ln 2

P2 = R x (0,5 x ln) 2

P = P1 + P2 P = R x ln2 + R x (0,5 x ln)2 P = 1,25 x R x ln2

Onde: R é a resistência equivalente dos enrolamentos de cada transformador. In é a corrente nominal de cada um. Se for feita uma redistribuição de cargas, de tal sorte que cada

transformador opere com 75 % de sua potência nominal, as perdas globais serão:

P’ = R x (0,75 x ln)2 + R x (0,75 x ln)2 P’ = 1,125 x R x ln2

A relação das perdas nas duas condições é:

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Ou seja, a redistribuição das cargas entre os dois transformadores propiciou uma redução de 10 % nas perdas globais nos enrolamentos dos dois transformadores.

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4.3.2.4 Redução das perdas de energia no núcleo de um transformador

Como as perdas no núcleo prat icamente independem do carregamento do transformador, elas ocorrem mesmo operando em vazio. Dessa forma, uma das maneiras de se reduzir perdas é desligar o transformador quando ele não estiver alimentando nenhuma carga.

Sendo assim, indústrias que não operam no período noturno e em fins de semana reduzirão os seus consumos de energia elétrica, se desligarem seus transformadores.

Exemplo: Seja uma indústria que solicita uma demanda de potência de 400 kW

e apresenta um consumo médio de 85.000 kWh, operando 330 horas por mês. O transformador dessa indústria possui as seguintes características:

Potência nominal = 750 kVA Perdas no núcleo = 2 kW

Considerando-se um mês médio de 730 horas, pode-se desligar o transformador 400 horas por mês. A energia economizada devido ao desligamento do transformador nos períodos não produtivos é:

E = 2 kW x 400 h = 800 kWh

ou seja, quase 1% da energia mensalmente consumida. Deve-se tomar cuidado com a tensão de alimentação em relação à

tensão nominal do transformador, principalmente em equipamentos antigos pois, caso ela seja superior à tensão nominal, as perdas no núcleo se elevam sensivelmente. Neste caso, a substituição do transformador deve ser estudada.

4.4 Circuitos de Distribuição

Os principais desenvolvimentos da tecnologia de fios e cabos não resultaram em economias de energia, mas sim na melhoria dos isolantes. Os materiais atualmente utilizados podem suportar, por tempo prolongado, temperaturas maiores, elevando a capacidade de condução de corrente dos condutores. No entanto, as perdas por efeito Joule crescem devido ao aumento da resistividade decorrente da elevação da temperatura dos condutores.

Deve-se, para cada instalação, calcular a seção ótima e mais econômica dos condutores, considerando-se os diversos parâmetros, como o custo do capital e o preço da energia. Esta análise é fácil quando da concepção de novas instalações e difícil quando em instalações já existentes.IN

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