Eliminar o desequilíbrio de tensão

O desequilíbrio de tensão degrada o desempenho e encurta a vida útil de um motor trifásico. O desequilíbrio de tensão nos terminais do motor pode causar um desequilíbrio de corrente que é muito desproporcional ao desequilíbrio de tensão. As correntes desequilibradas conduzem a pulsações de binário, aumento das vibrações e tensões mecânicas, aumento das perdas resultando numa menor eficiência e sobreaquecimento do motor, o que reduz a vida útil do isolamento do enrolamento.

A percentagem de desequilíbrio de tensão é definida pela National Electrical Manufacturers Association (NEMA) como 100 vezes o valor absoluto do desvio máximo da tensão de linha em relação à tensão média num sistema trifásico, dividido pela tensão média. Por exemplo, se as tensões de linha medidas forem 462, 463 e 455 volts, a média é 460 volts. O desequilíbrio de tensão é:

(460 – 455) /460 x 100 = 1.1%

Recomenda-se que os desequilíbrios de tensão nos terminais do motor não excedam 1%. Os desequilíbrios que excedam 1% requerem a redução do motor, de acordo com a Figura 20-2 da NEMA MG-1-2011, e anularão as garantias da maioria dos fabricantes. As causas comuns de desequilíbrio de tensão incluem:

– Funcionamento defeituoso do equipamento de correção do fator de potência

– Alimentação eléctrica desequilibrada ou instável

– Banco de transformadores desequilibrado que alimenta uma carga trifásica demasiado grande para o banco

– Cargas monofásicas distribuídas de forma desigual no mesmo sistema elétrico

– Faltas monofásicas à terra não identificadas

– Um circuito aberto no sistema de distribuição primário

A eficiência de um motor de 1.800 rotações por minuto (RPM) e 100 cavalos de potência (hp) é dada como uma função do desequilíbrio de tensão e da carga do motor na Tabela 1 abaixo. A tendência geral de redução da eficiência com o aumento do desequilíbrio da tensão é observada para os motores em todas as condições de carga.

O desequilíbrio de tensão é provavelmente o principal problema de qualidade de energia que resulta em sobreaquecimento e falha prematura do motor. Se forem detectadas tensões desequilibradas, deve ser efectuada uma investigação exaustiva para determinar a causa. As poupanças de energia e de custos ocorrem quando são tomadas medidas correctivas.

Acções sugeridas

• Monitorizar periodicamente as tensões nos terminais do motor para verificar se o desequilíbrio da tensão é mantido abaixo de 1%. Considere a instalação de sensores que emitam alarmes para valores inaceitáveis ou taxas de variação de valores. As redes de sensores sem fios ISA100 podem ser de interesse.
• Verifique os diagramas unifilares do seu sistema elétrico para verificar se as cargas monofásicas estão uniformemente distribuídas.
• Instalar indicadores de defeito à terra, conforme necessário, e efetuar inspecções termográficas anuais. Outro indicador de que o desequilíbrio da tensão pode ser um problema é a vibração de 120 hertz (Hz). A deteção de uma vibração de 120 Hz deve levar a uma verificação imediata do equilíbrio da tensão.

Exemplo de poupança de energia com desequilíbrio de tensão

Suponha que o motor de 100 hp testado, conforme mostrado na Tabela 1, foi totalmente carregado e operado durante 8.000 horas por ano (hrs/ano), com uma tensão desequilibrada de 2,5%. Com o preço da energia a $0,08/kilowatt-hora (kWh), as poupanças anuais de energia e de custos após a adoção de medidas correctivas são:

Poupança anual de energia = 100 hp x 0,746 kW/hp x 8.000 hrs/ano x (100/93 – 100/94,4) = 9.517 kWh

Poupança anual de custos = 9.517 kWh x $0,08/kWh = $760

A poupança global pode ser muito maior porque uma tensão de alimentação desequilibrada pode alimentar vários motores e outros equipamentos eléctricos.

Considerações adicionais

O desequilíbrio de tensão provoca um desequilíbrio de corrente extremamente elevado. A magnitude do desequilíbrio de corrente pode ser 6 a 10 vezes maior do que o desequilíbrio de tensão. Para o motor de 100 hp no exemplo anterior, as correntes de linha (a plena carga com 2,5% de desequilíbrio de tensão) foram desequilibradas em 27,7%.

Um motor funcionará mais quente quando estiver a funcionar com uma fonte de alimentação com desequilíbrio de tensão. O aumento adicional de temperatura é estimado com a seguinte equação1 :

Aumento de temperatura total = Aumento de temperatura equilibrado x (1 + 2 x (% desequilíbrio de tensão)2 /100)

Por exemplo, um motor com um aumento de temperatura de 80°C causado pela resistência registaria um aumento de temperatura de 6,4°C quando funcionasse em condições de desequilíbrio de tensão de 2%. A vida útil do isolamento do enrolamento é reduzida para metade por cada aumento de 10°C na temperatura de funcionamento.2

Recursos

National Electrical Manufacturers Association (NEMA)-Visite www.nema.org para obter informações adicionais sobre desequilíbrio de tensão.

Departamento de Energia dos EUA (DOE) – Para mais informações sobre a eficiência de motores e sistemas accionados por motores e para descarregar a ferramenta de software MotorMaster+, visite o sítio Web do Gabinete de Fabrico Avançado (AMO) em manufacturing.energy.gov.

Referências

Reliance Electric, “Power Supply”, setembro de 1998.

2 “Stopping a Costly Leak: The Effects of Unbalanced Voltage on the Life and Efficiency of Three-Phase Electric Motors”. A energia é importante. Departamento de Energia dos EUA. inverno de 2005.

Referências adicionais

As informações contidas nesta folha de dicas foram extraídas da Publicação de Padrões NEMA MG-1-2011, Motores e Geradores, que está disponível para compra em www.nema.org.