A recuperação de energia

Um sistema electromecânico de conversão de energia é composto por:

a. Circuitos eléctricos: conjunto de órgãos destinados a conduzir a corrente elétrica e a provocar o aparecimento de um campo electromagnético de ligação. São formados pelos elementos do circuito eléctrico do indutor e do circuito eléctrico do induzido. b. Circuito magnético: circuito de distribuição orientada das linhas de força do campo

magnético, normalmente construído com material ferromagnético, que é responsável pela existência de um campo magnético intenso na zona em que se pretende

Melhoria da eficiência energética nos ascensores: a recuperação de energia

aproveitar os seus efeitos. Encontra-se distribuído pela parte móvel e pela parte fixa do sistema electromecânico de conversão de energia.

c. Órgãos mecânicos: conjunto de órgãos necessários para conduzir a energia mecânica até à zona onde se dá a conversão de energia. São constituídos pelo veio da máquina, pelos mancais e pela carcaça (Guedes, 2001).

A análise do funcionamento de um sistema electromecânico de conversão de energia baseia-se na sua análise energética. Neste sistema existe armazenamento de energia, conversão de energia e dissipação de energia, tanto na parte electromagnética como na parte mecânica.

Nos sistemas electromecânicos do tipo electromagnético a conversão electromecânica de energia traduz-se por uma transformação de energia entre um sistema eléctrico e um sistema mecânico através de um campo magnético de ligação. O processo pode ser reversível, excepto para uma pequena parte da energia que se degrada em calor (as perdas).

As exigências mecânicas de serviço (traduzidas por requisitos de evolução da velocidade e/ou posição ao longo do tempo), implicam da parte da máquina eléctrica e do conversor a montante a disponibilidade para estabelecer binários e velocidades e, consequentemente, potências com amplitudes e sentidos adequados ao longo do tempo. Assim, a energia eléctrica a ser transformada pelo conversor deve poder fluir, em cada instante, no sentido conveniente (Palma, 2008).

A máquina de tracção de indução pode funcionar em três modos diferentes – ver figura 16 (Beleza Carvalho, 2008):

+ Em modo motor, o rótor irá girar na direcção do campo magnético girante do estator. Este será o modo de funcionamento natural da máquina de indução. Em regime permanente, a velocidade da máquina será inferior à velocidade síncrona.

+ Em modo gerador, a máquina de indução vai produzir um binário gerador, isto é, um binário que actuará em oposição à rotação do rótor. Neste processo, a velocidade instantânea do sistema é superior à velocidade síncrona, devido à inércia do sistema. Como resultado, a acção geradora da máquina de indução irá causar uma inversão no sentido do fluxo da potência, e a energia cinética do sistema poderá ser fornecida à fonte de alimentação. Este processo é conhecido como frenagem regenerativa.

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+ Em modo freio, o sistema girará em direcção oposta ao campo girante do estator e o binário desenvolvido será na direcção do campo girante, mas em oposição ao movimento do rótor. Este binário é um binário de frenagem. Este modo de operação é por vezes utilizado em sistemas onde se pretende parar rapidamente o motor. Para efeitos da presente tese, este modo não será considerado.

Figura 16 – Os três modos de funcionamento da máquina de indução Fonte: Beleza Carvalho (2008)

Aos sistemas electromecânicos de conversão de energia aplica-se o princípio da conversão da energia (Guedes, 2001):

A energia total consumida pelo sistema = energia útil fornecida pelo sistema + aumento da energia armazenada no campo de ligação + energia dissipada em perdas

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A conversão de energia pode dar-se em vários sentidos:

a. Quando o sistema funciona como gerador35, isto é, promove a conversão de energia mecânica em energia eléctrica com perdas de energia, a aplicação do princípio da conservação de energia leva ao seguinte balanço energético:

(energia mecânica consumida – energia de perdas mecânicas) = (energia eléctrica fornecida + energia de perdas eléctricas) + (aumento de energia armazenada no campo magnético + a energia dissipada em perdas magnéticas).

Neste modo, a energia que é recuperada é injectada no barramento DC do conversor. Nesta condição, o sistema não está a ser alimentado pela rede eléctrica do edifício.

b. Quando o sistema funciona em modo motor36, promovendo a conversão de energia eléctrica em energia mecânica com perdas de energia, a aplicação do princípio da conservação de energia leva ao seguinte balanço energético:

(energia eléctrica consumida – energia de perdas eléctricas) = (energia mecânica fornecida + energia de perdas mecânicas) + (aumento de energia armazenada no campo magnético + a energia dissipada em perdas magnéticas).

O sistema é alimentado pela rede eléctrica do edifício.

Nos ascensores, a energia potencial é constantemente transferida enquanto a cabina está em movimento. Se, por exemplo, a cabina se estiver a movimentar em sentido descendente com plena carga, ou em sentido ascendente, mas vazia, o motor estará a ser movimentado pela carga e a “segurar” a cabina. Tipicamente, a energia gerada (frenagem) no motor será então dissipada na resistência de frenagem ou recuperada com a ajuda do conversor electrónico de frequência (VVVF) e reaproveitada (como se irá ver no capítulo 4).

35 _{Uma máquina primária fornece ao sistema energia mecânica através da sua parte móvel. A energia mecânica é}

caracterizada por um binário motor Tm que faz rodar a parte móvel do sistema com uma determinada velocidade de rotação nr. Esse movimento da parte móvel provoca um movimento relativo entre o campo magnético indutor e os condutores eléctricos onde vai ser induzida uma força electromotriz. Quando o gerador está fechado sobre uma carga, nos condutores do induzido circula uma corrente eléctrica que dará origem ao aparecimento de uma força mecânica nos condutores, que se opõe ao movimento desses condutores. Devido aos aspectos construtivos do sistema de forças que actuam sobre os diversos condutores do circuito induzido dão origem a um binário que se opõe ao binário motor aplicado à máquina: é o binário resistente da máquina Tr.

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Uma fonte de alimentação fornece ao sistema energia eléctrica através dos seus terminais. A corrente eléctrica que circula nos condutores que se encontram no interior do campo magnético indutor provoca o aparecimento de uma força mecânica nos condutores. Devido aos aspectos construtivos do sistema de forças que actuam sobre os diversos condutores do circuito induzido dão origem a um binário que promove o movimento da parte móvel com uma velocidade nr: o binário motor. Quando o motor está ligado a uma carga mecânica, a velocidade da parte móvel é tal que se dá o equilíbrio mecânico do sistema. Estabelece-se assim um movimento que impõe uma velocidade relativa entre os condutores do induzido e o campo magnético indutor. Por isso nos condutores eléctricos do induzido vai induzir-se uma força electromotriz com um sentido que se opõe ao crescimento da corrente eléctrica no circuito eléctrico induzido.

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Quando a cabina se movimenta em sentido descendente, e o peso na cabina é superior ao peso do contrapeso, então o binário do motor encontra-se em sentido contrário à velocidade, isto é, o motor está a travar, havendo lugar à recuperação de energia.

A energia acumulada em forma de energia potencial nas pessoas e no contrapeso pode ser recuperada, dado que o motor está a funcionar como um gerador. Na figura 17 apresentam- se situações em que a máquina funciona em modo motor (situações indicadas nas duas figuras centrais: aceleração) e em modo gerador (primeira figura a contar da esquerda e primeira figura a contar da direita: travagem).

Figura 17 – Quando o ascensor funciona em modo motor e em modo gerador Fonte: Almeida, 2005

Teoricamente, e se não existissem perdas, a energia regenerada deveria ser igual à energia utilizada em modo motor. Contudo, devido às perdas por atrito (atrito nas guias, e resistência do ar), às perdas do motor (perdas no cobre, perdas no entreferro, perdas de ventilação, perdas mecânicas), e em máquinas com redutor, às perdas mecânicas no redutor, a energia recuperada será sempre inferior à energia absorvida pelo sistema.

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Nipkow (2005) estima que para ascensores pequenos (630 kg, 1,6 m/s) o grau de recuperação de energia37 seja inferior a 30%, enquanto que para grandes equipamentos (2200 kg, 2,5 m/s) esta possa ser de aproximadamente 40%. A recuperação será possível durante o período de funcionamento estável, reduzindo-se o potencial de recuperação em ascensores com cursos menores.

O que acontece com a energia produzida em modo gerador? Tradicionalmente, nos ascensores eléctricos de roda de aderência, a energia recuperada é dissipada para o ambiente através de uma resistência própria – a resistência regenerativa.

Como se irá ver pretender-se-á dar outra utilização à energia recuperada, seja para alimentar directamente outras cargas, seja para armazenamento e posterior utilização da energia na alimentação do próprio ascensor.