Chegaram os motores eléctricos do futuro!

Faça download da aplicação paraIphone (clique aqui), Ipad ou Android (clique aqui) que lhe permitirá calcular, de uma forma rápida e fácil, o ganho energético da utilização destes motores!

A ITACO/REEL, empresa do Grupo KSB há cerca de 1 ano, especializada no desenvolvimento e fabrico de motores eléctricos e sistemas de automação, localizada em Itália, desenvolveu um motor síncrono, denominado “SuPremE” (fig. 1), com uma tecnologia extraordinariamente inovadora, que consegue obter uma redução da dissipação de calor de pelo menos 15%, face à da actual classe máxima de rendimento dos motores, a classe IE3 (IEC60034-30).

A ITACO/REEL, empresa com 25 anos de existência, para além de ter sido adquirida pelo Grupo KSB em Julho de 2010, já é parceira da KSB no desenvolvimento e fornecimento de motores eléctricos e sistemas de automação específicos para bombas há mais de 5 anos. 

O nível de eficiência dos novos motores KSB vão permitir criar umanova classe de eficiência, a IE4 ! Comparando com os motores assíncronos, os novos motores síncronos permitem uma poupança de energia adicional de 3 a 7% no ponto de funcionamento nominal, dependendo da aplicação e do tamanho do motor. Os tamanhos mais pequenos podem mesmo atingir uma redução de 5 a 9%, comparado com os motores da classe IE2.

A regulamentação legal de motores eléctricos irá brevemente tornar-se ainda mais exigente para os motores assíncronos: a partir de Junho 2011 começou a ser exigida como mínimo a classe de eficiência IE2 e, a partir de Janeiro de 2015, será exigida a classe IE3 para potências nominais entre 7,5 e 375 kW. Mais tarde, a partir de Janeiro 2017, a classe IE3 será obrigatória para todos os motores assíncronos.

A resposta à questão “alguma vez será possível – e a que custo – os motores assíncronos atingirem a futura classe IE4?” não é clara. No entanto, os motores síncronos já são uma alternativa universal disponível !

O princípio de funcionamento

Tal como os motores assíncronos, também os novos motores síncronos construídos pela filial da KSB possuem um enrolamento do estator. Mas o seu rotor de 4 pólos consiste apenas num núcleo laminado, sem gaiola. As lâminas do rotor possuem uma forma especial, com o objectivo de direccionar o fluxo, ou seja, elas encaminham o campo magnético dentro do rotor numa direcção preferencial, para obter o necessário alinhamento. Quando o campo dentro do estator roda a uma determinada velocidade, o princípio da relutância faz com que o rotor siga o campo rotativo em sincronia, sem desfasamento. Enquanto num motor assíncrono o binário é criado pela força de Lorentz actuando na gaiola do rotor, o motor síncrono não possui tal gaiola, não existindo portanto qualquer fluxo de electricidade dentro do rotor, evitando-se as perdas  inerentes aos motores assíncronos.

Ainda melhor à carga parcial

As poupanças energéticas acima mencionadas referem-se ao ponto de funcionamento nominal, pois é esse o ponto para o qual as normas exigem os ensaios de rendimento. No entanto, na realidade do dia-a-dia, muitos motores funcionam durante longos períodos à carga parcial, e não no ponto nominal. Nesta situação o rendimento dos motores síncronos é ainda melhor !

Como a figura 2 mostra, o rendimento dos motores assíncronos (MA) é significativamente mais baixo na gama de cargas parciais, normalmente mais de 10% abaixo do máximo. No entanto, os novos motores síncronos (MS) mantêm um nível de rendimento elevado ao longo de toda a gama de carga e de velocidade. Assim, nas condições reais de funcionamento, o seu rendimento, comparado com o dos motores assíncronos mais eficientes (IE3), é ainda melhor do que se apenas comparássemos no ponto de funcionamento nominal.

E mais barato que os motores assíncronos

Um motor síncrono precisa de um inversor de frequência para arrancar e para compensar as suas necessidades de corrente reactiva. Apesar disso, o seu custo do ciclo de vida total é consideravelmente mais baixo que o de um motor assíncrono. De acordo com diversos estudos internacionais, a potência consumida constitui em média mais de 90% dos custos do ciclo de vida totais de um motor eléctrico. Assim, o custo inicial do investimento tem pouco significado nos custos totais de funcionamento. O funcionamento de uma bomba centrífuga com velocidade variável, por exemplo, pode significar uma redução de até 60% no consumo energético, em função do perfil de carga da bomba.

Dependendo do perfil de carga e tamanho da bomba, pode-se poupar até 9% de energia eléctrica substituindo um motor assíncrono de classe IE2, por um motor síncrono da KSB. Como os novos motores da KSB dissipam menos energia, também produzem menos calor, pelo que as ventoinhas podem ser de menor tamanho. Este facto também é positivo para a eficiência: num dos projectos piloto da KSB, a ventoinha do motor foi totalmente dispensada em várias aplicações e tamanhos de motor, aumentando assim a poupança de energia !

Monitorização da posição do rotor sem sensores

Para um motor síncrono funcionar sem problemas tem de ser conhecida a posição exacta do rotor, pois o campo magnético tem de ser continuamente ajustado a cada posição. No passado, os fabricantes de motores usaram sempre os chamados “indicadores de posição do rotor” para realizar essa função. No entanto, tais sensores não só são dispendiosos, como também aumentam o risco de avaria. Os engenheiros da KSB descobriram uma forma de monitorizar a posição do rotor sem recorrer a sensores. Esta inovadora tecnologia eliminou um dos principais inconvenientes dos motores síncronos convencionais !

Mais económicos sem a gaiola do rotor

O facto do princípio de funcionamento dos motores síncronos não exigir qualquer gaiola para o rotor, tem um efeito positivo nos custos de fabrico. Esta vantagem aumentará ainda mais quando os futuros motores assíncronos tiverem de cumprir o nível de eficiência IE3, uma vez que os fabricantes de motores recorrem a gaiolas de cobre para melhorar a eficiência, as quais são consideravelmente mais caras quer em termos de material, quer em termos de mão-de-obra, do que as actuais e habituais gaiolas de alumínio, menos eficientes. Além disso, os motores assíncronos mais eficientes exigirão maiores enrolamentos, que implicarão maiores custos com cobre. Pelo contrário, o custo dos materiais dos novos motores síncronos é muito mais baixo. Para além disso, não são necessários os materiais raros exigidos na produção dos motores síncronos convencionais, de imã permanente.

Bons em qualquer aplicação

Os novos motores síncronos têm sido sujeitos a múltiplos testes em fábrica e de campo (ver fig. 3 e 4), prevendo-se inclusivamente um teste em Portugal. Após a actual fase de testes de campo, a KSB irá iniciar a produção em série destes inovadores motores, prevendo-se que estejam comercialmente disponíveis no final de 2012.

A nova filial do Grupo KSB está em condições de desenvolver motores com potências até 110 kW. O seu princípio de funcionamento permite-lhes manter uma determinada velocidade síncrona com um desvio inferior a 0,01 porcento. Isto torna-os capazes de serem utilizados em aplicações sofisticadas, com funções de posicionamento. Ao contrário dos motores de relutância de passo, os novos motores síncronos de relutância da KSB mantêm uma oscilação de binário de apenas 1 ou 2%, e têm por isso um funcionamento muito silencioso.

Devido ao seu elevado potencial de poupança de energia e excelentes propriedades electromecânicas, estes motores são adequados para qualquer aplicação industrial, incluindo, por exemplo, manuseamento de materiais e automação industrial, máquinas têxteis e impressoras industriais, equipamentos de elevação e quaisquer aplicações com variação de velocidade. 

Para serem utilizados em aplicações existentes com o variador de velocidade da KSB (PumpDrive) apenas é necessário actualizar o software deste.