Elevadores são instalados em edificações com a finalidade de fazer o transporte vertical de pessoas de um nível topográfico ao outro, e para isso utilizam energia elétrica para mover um motor geralmente instalado na parte superior do edifício que tem a função de tracionar o cabo que sustenta a cabina do elevador, tanto na subida quanto na descida.
Os elevadores para transporte vertical de pessoas são indispensáveis em edificações visto que sem eles o deslocamento entre andares do edifício seria uma tarefa dificil, pois atualmente as edificações estão cada vez maiores.
Os elementos básicos constituintes de um sistema de elevador são:
x Cabina (Figura 24): local onde ficam as pessoas enquanto o elevador se desloca. A cabina é montada em cima de uma plataforma, em uma armação de aço feita por duas longarinas presas em cabeçotes (superior e inferior). O conjunto da cabina, armação e plataforma é denominado carro. Entretanto, será
usada a denominação cabina para designar o lugar em que as pessoas são transportadas.
Fonte: Ihelpweb (2011) Figura 24 – cabina de elevador
x Cabos de aço: prendem a cabina ao motor elétrico e ao contrapeso.
x Contrapeso: tem a função de contrabalancear, na descida, a força no motor, e de diminuir a força feita pelo motor na subida, em outras palavras, mantem uma tensão suficiente no sistema de suspensão de modo a assegurar uma tração adequada nos cabos que passam pelo motor e polias. É feito por uma armação metálica constituida de duas longarinas e dois cabeçotes, por onde são fixados pesos. Possui 40 a 50% do peso do elevador cheio (cabina + pessoas). A cabina e o contrapeso deslizam pelas guias (trilhos de aço do tipo T), através de corrediças.
x Motor elétrico (Figura 25): realiza a subida e descida da cabina e do contrapeso, pois imprime à polia a devida rotação para garantir a velocidade determinada para o elevador. A parada final é possibilitada devido à ação de um freio
instalado na máquina de tração. Embora exista esse freio, existe outro freio de segurança para situações de emergência.
Fonte: Centralelevadores (S/D) Figura 25 – motor elétrico
x Sistema Eletrônico (Figura 26): dentre alguns sistemas destacam-se o EGCS (Sistema de Controle de Grupo de Elevadores) que é responsável por controlar as atividades de vários elevadores, este sistema recebe o sinal dado por quem chama o elevador e seleciona um elevador, ao ser selecionado passa a ação para o LCS (Sistema de Controle local) que é o sistema de gerenciamento individual do elevador, ele respeita a ordem dada pelo usuário, fazendo a cabina parar em qualquer andar que estiver em seu trajeto, desde que tenha sido solicitado, para isso controla o driver do motor baseado na posição atual e na posição desejada, o movimento de abre e fecha das portas, freios da cabina, a aceleração e velocidade que são controlados por um inversor de frequência.
Fonte: Rmelevadores (2008)
Figura 26 – quadro de comandos eletrônicos e motor elétrico
x Casa de máquinas (Figura 27): é o local, geralmente na parte superior, destinado a colocação do motor elétrico, quadro de comandos eletrônicos, baterias e outros componentes do elevador.
Fonte: Rmelevadores (2008)
Figura 27 – esboço da casa de máquinas
Na Figura 28, um esboço do funcionamento básico de elevadores considerando seus elementos principais é apresentado.
Fonte: Sigmaelebra (2010)
Figura 28 – esboço do funcionamento básico de elevadores
Os elevadores convencionais consomem certa quantidade de energia para subir ou descer e não a reutilizam quando possível. Pensando em aproveitar essa energia que estão sendo lançados, por diversas empresas, dentre elas Otis, Thyssenkrupp e Atlas
Schindler, os denominados “elevadores verdes” que surgiram para se adequar ao
conceito dos green buildings, construções verdes, que possuem como idéia central a menor agressão possível ao meio ambiente, levando em consideração os materiais escolhidos para sua confecção, eficiência energética e menor agressão ambiental possível.
O sistema de “elevadores verdes” trás diversos benefícios tais como eliminação
de ruído e vibrações, melhorias em segurança, viagens mais seguras e maior eficiência com economia de energia podendo chegar a 40% (ARBOLEDA, 2006).
Basicamente o que tornam esses elevadores mais eficientes são o sistema de inversor (variador) de frequências e voltagem (VVVF) e o sistema de regeneração de energia.
Os VVVF são usados com o intuito de fazer o motor de indução CA trifásico girar com uma velocidade maior ou menor que a frequência da rede (60 Hz), ou seja,
funcionam para acelerar ou desacelerar o motor com respectiva mudança na tensão aplicada. Em outras palavras, geram tensão e frequências ajustáveis (ARBOLEDA, 2006).
A velocidade do um motor é calculada pela seguinte expressão:
N = (60 x F) / p (1) sendo que: N = velocidade do motor [RPM]
F = frequência da rede [Hz]
P = número de pares de pólos do motor
Com a simples análise da equação anterior nota-se que se variar a frequência da rede a velocidade do motor também mudará.
Os inversores podem ser escalares ou vetoriais. Os inversores escalares devem manter a relação V/F (Tensão/Frequência) constante, entretanto tem baixa resposta dinâmica não sendo adequados para uso em que é necessário controle do torque aplicado, são comumente encontrados no controle de bombas e ventiladores quando necessitasse de partidas e paradas controladas.
Os inversores vetoriais possuem uma programação de controle mais complexa que o escalar podendo ser empregados em situações que se exige controle instantâneo do torque produzido. Eles variam a relação V/F de modo a otimizar o torque para qualquer condição de rotação, sendo o mais utilizado em elevadores verdes (SEDRA; SMITH, 2000).
Um determinado motor convencional é projetado para trabalhar numa determinada frequência (F) com uma velocidade nominal (N) e com um torque nominal (T). Entretanto antes de atingir o torque nominal o motor do elevador necessita-se de um alto torque de partida, Figura 29. Os inversores trabalham na região delimitada pelas retais verticais azuis.
Assim, para um determinado projeto de motor que trabalha numa determinada velocidade nominal e uma determinada frequência há uma faixa de atuação do inversor (SACHS, 2005).
Fonte: adaptado de Weg (S/D)
Figura 29 – campo de atuação de inversores.
Os sistemas VVVF podem variar a frequência e a tensão de modo a obter o torque requerido pelo motor em função da carga e por isso otimizam o uso de energia, gastando até 40% menos de energia elétrica que os sistemas convencionais de elevadores de 2 velocidades (ARBOLEDA, 2006), Figura XX.
Em razão do torque de partida ser menor “aceleram” de maneira gradual
propiciando partidas e paradas mais suaves, além disso não produzem aquecimento excessivo do motor CA .
O menor aquecimento se deve ao fato da corrente de partida ser cerca de 4 vezes menor que em sistemas convencionais que são ligados diretamente a rede elétrica (SACHS, 2005), assim como pode-se ver na Figura 30.
Fonte: ThyssenKrupp (S/D)
Figura 30 – comparação entre sistema VVVF e convencional
O inversor tem como primeiro estágio um circuito retificador, que tem a função de transformar a tensão alternada vinda da rede em tensão contínua de onda completa, para isso usa um banco de diodos. O segundo estágio é composto, geralmente, por um capacitor que filtra o sinal deixando a tensão aproximadamente constante. No terceiro estágio, denominado inversor, essa tensão constante é conectada a chaves estáticas que se abrem e fecham de maneira a gerar pulsos com a frequência requerida, tais chaves são dispositivos semicondutores tais como transistores ou trístores de potência (SEDRA; SMITH, 2000), Figura 31.
Fonte: adaptado de Castro (2008) ; WEG (S/D)
Figura 31 – Sistema inversor de frequência e tensão (VVVF)
O outro sistema é o de regeneração de energia que faz com que parte da energia cinética seja convertida em energia elétrica.
Ocorre quando a frequência do sinal fornecido ao motor é diminuída controladamente pelo inversor, neste momento a frequência do estator (parte fixa do motor) se torna menor que a do rotor (parte móvel do motor). Quando isto ocorre, o motor síncrono (rotor gira em sincronia com o campo magnético do estator) passa a funcionar como um gerador assíncrono, pois o campo girante do estator gira em uma velocidade diferente da do rotor que continua, por inércia, a girar com a mesma frequência, nesse caso há consequente conversão de energia cinética em elétrica e o gerador atua como um freio. Essa é a denominada frenagem regenerativa e gera energia toda vez que o elevador desacelera para parar em algum andar (GARCIA, 2003).
Entretanto, o elevador pode regenerar quando está simplesmente se deslocando a velocidade constante. Isto ocorre devido a diferença de peso entre a cabina e o contrapeso, que faz com que parte da energia consumida possa ser devolvida quando a cabina sobe com menos de 50% da sua capacidade ou quando desce com mais da metade da capacidade. Nesses momentos um software controlado pelo sistema
supervisório local corta o fluxo de corrente ao motor e o mesmo trabalha como um gerador (BALTAR, 2006).
Esse sistema regenerador de energia possibilita a economia de 30 a 40% no consumo de energia elétrica em qualquer edifício onde o taxa de consumo for acima de 26 kW. A energia regenerada pode ser devolvida para a rede elétrica por um conversor bidirecional de fluxo de corrente ou distribuída para outro elevador que estiver precisando (THYSSENKRUPP, 2011).
Deve-se ressaltar o fato de que VVVF e drivers regeneradores de energia passaram a ser usados juntamente com o motor CA síncrono de ímãs permanentes (máquina Gearless), pois nos elevadores convencionais o motor usava engrenagens (máquina Geared) para reduzir velocidades e transmitir torque e como mencionado o elevador ficava limitado a apenas 2 velocidades e ocupava muito espaço devido ao sistema de engrenamento (GARCIA, 2003).
O sistema de regeneração de energia pode variar em função da carga do elevador, deslocamento no percurso e velocidade da cabina, que pode variar de 0,75 a 17 m/s nos elevadores comerciais encontrados no mercado.
Há de se mencionar que alguns elevadores verdes existentes no mercado não possuem casa de máquinas. Em razão de o motor ser menor, é instalado dentro do fosso do elevador, na parte superior, possibilitando o uso do espaço que antes seria para a casa de máquinas para outro fim. Ainda no contexto de sistemas de elevadores com melhor uso da energia outra melhoria que algumas empresas estão lançando é o sistema de gerenciamento de chamadas, para prédios que tem vários elevadores por
andar. Quando uma determinada pessoa “chama” um elevador o sistema de
gerenciamento de chamadas a encaminha para um elevador que já está naquele determinado trajeto (SACHS, 2005).
Para fazer uma estimativa da energia economizada com a instalação de um elevador moderno (elevador verde) em um prédio de 30 andares, cada andar com quatro apartamentos, cada apartamento com quatro pessoas será multiplicado o consumo per capita anual em kWh pelo numero total de habitantes do prédio para saber qual a energia gasta pelo prédio em um ano.
Sabe-se que a quantidade de energia gasta com elevadores é cerca de 5% do consumo total de energia do prédio (ANIBAL, 2010).
O consumo per capita anual de energia em 2010 era de 13.417 kWh (MELO, 2010).
Consumo anual de energia do prédio = 30 x 4 x 4 x 13.417. Consumo anual de energia do prédio = 6.440.160 kWh
Consumo anual de energia com o elevador convencional = 0,05 x 6.440.160 kWh.
Consumo anual de energia com o elevador convencional = 322.008 kWh Tarifa paga pelo kWh é de 0,33 reais, no caso de edifícios (EDP, 2011).
Economia anual de energia com elevadores “verdes” = 0,7 x 322.008 kWh
Economia anual com elevadores = 0,33 x 0,7 x 322.008 ~75.000 reais
Percebe-se que o retorno financeiro, para esse caso da instalação de 1 “elevador
verde”, é alto em um relativo curto espaço de tempo. Embora o investimento na
instalação possa ser alto, o payback é curto, quando comparado com outras tecnologias
estudadas anteriormente. Mesmo que um “elevador verde” possa custar em torno de
300.000 reais, o retorno se daria em 4 anos.