Seleção combinada de geradores e motores elétricos

Recentemente, um cliente procurou-nos. Eles estão executando um projeto de fábrica de processamento no exterior. A capacidade da rede elétrica local é insuficiente e o fornecimento de energia é instável. Precisam levar seu próprio grupo gerador como fonte principal de energia. O maior problema do cliente é que há diversos motores elétricos na fábrica, incluindo britadores, ventiladores e esteiras transportadoras. Eles temem que, se o gerador for pequeno demais, não consiga suprir a demanda, e, se for grande demais, haverá desperdício de dinheiro. Perguntaram-me como dimensionar adequadamente o gerador em relação aos motores elétricos.

Esse problema é muito comum em projetos industriais: o dimensionamento adequado entre geradores e motores elétricos. Se o gerador for dimensionado apenas com base na potência nominal dos motores elétricos, ocorrerão problemas. A razão fundamental é que a corrente de pico no momento da partida do motor é muito maior do que a corrente durante a operação normal.

Quando o motor é iniciado, é necessário superar a inércia rotacional do rotor e a resistência da carga para acelerar da velocidade estacionária até a velocidade nominal. Nesse processo, a corrente do estator do motor aumenta bruscamente. Quando o motor assíncrono trifásico é iniciado diretamente, a corrente de partida é normalmente de 5 a 7 vezes a corrente nominal. Ou seja, a exigência de corrente da fonte de alimentação de um motor de 30 kW pode atingir 150 a 210 amperes no momento da partida direta, e a potência correspondente exigida é muito maior do que a potência nominal do motor.

Quando o gerador Quando o conjunto é submetido a este impacto, os indicadores-chave são a taxa de ajuste transitória da tensão e o tempo de recuperação. Sob o impacto de alta corrente, a tensão na extremidade do gerador cairá instantaneamente. Se essa queda for excessiva ou a recuperação for muito lenta, isso causará instabilidade no contator, acionamento indevido do dispositivo de proteção e desligamento direto do gerador. Portanto, o dimensionamento adequado entre geradores e motores elétricos consiste essencialmente em equilibrar a capacidade de saída de potência transitória do gerador com a demanda de sobrecarga do motor.

O método de partida do motor elétrico tem o maior impacto na seleção do gerador.

A partida direta gera o maior impacto e apresenta um múltiplo elevado de corrente de partida, sendo adequada para motores de baixa potência ou equipamentos com requisitos elevados de torque de partida. Ao utilizar a partida direta, o gerador A potência é geralmente 2,5 a 3,5 vezes a potência do motor. O múltiplo específico depende do desempenho do sistema de excitação do gerador. A resposta transitória da unidade com excitação por ímã permanente ou ajuste digital da excitação é melhor, podendo o múltiplo ser reduzido adequadamente.

A partida com redução de tensão é um método comumente utilizado para reduzir o impacto, incluindo a partida estrela-triângulo e a partida com redução de tensão por transformador auto-coplado, entre outros. A partida estrela-triângulo pode reduzir a corrente de partida para cerca de um terço da corrente de partida direta, mas o torque de partida também é reduzido proporcionalmente, sendo adequada para dispositivos que partem em vazio ou sob carga leve. Dessa forma, a potência do gerador é geralmente dimensionada em 1,5 a 2 vezes a potência do motor.

Atualmente, os soft starters são amplamente utilizados. Por meio da regulação de tensão por silício controlável, a tensão pode aumentar de forma suave. A corrente de partida pode ser controlada em 2 a 3 vezes a corrente nominal. O processo de partida é estável e o impacto no gerador é pequeno. Quando equipado com um soft starter, a potência do gerador deve ser de 1,2 a 1,5 vezes a potência do motor.

A acionamento por inversor de frequência é o método que causa o menor impacto na partida. A corrente de partida praticamente não ultrapassa a corrente nominal do motor, e o impacto no gerador é quase nulo. No entanto, como carga não linear, o inversor de frequência gera harmônicos. Ao selecioná-lo, é necessário prestar atenção ao desempenho do AVR do gerador e instalar um filtro de harmônicos, se necessário.

Além do método de partida, a natureza da carga também é crucial. Equipamentos de partida sob carga pesada, como compressores de ar, britadores e bombas de água, operam com carga durante o processo de partida, o que tem um impacto maior do que a partida em vazio. No caso de múltiplos motores operando simultaneamente, a potência de cada motor não pode ser simplesmente somada. É necessário considerar o coeficiente de operação simultânea e verificar as condições de trabalho mais desfavoráveis — por exemplo, a situação em que vários motores iniciam a operação ao mesmo tempo.

Fatores ambientais também devem ser considerados. A cada 1.000 metros de altitude, a potência de saída do gerador diminui cerca de 10%, pois a rarefação do ar afeta a dissipação de calor e a combustão. Quando a temperatura ambiente ultrapassar 40 °C, a potência também deve ser reduzida. Em ambientes especiais, como zonas costeiras e desertos, o grau de proteção e o nível de resistência à corrosão devem ser igualmente aprimorados.

De volta à fábrica de processamento do cliente, ajudamos-no a organizar: uma britadeira de 45 kW, partida sob carga pesada, equipada com um inversor de frequência; um ventilador de 22 kW, partida em vazio, utilizando um soft starter; e diversos motores de correia transportadora de baixa potência, com partida direta. Ao mesmo tempo, o coeficiente de operação é de 0,8, considerando a sequência de partidas nas condições de trabalho mais desfavoráveis, tendo-se, por fim, instalado um grupo gerador de 120 kW com excitação por ímãs permanentes e regulação digital de tensão. O feedback do cliente após a depuração foi de que os equipamentos partem suavemente, as flutuações de tensão estão dentro da faixa aceitável e o funcionamento é estável.

Em geral, a chave para o dimensionamento adequado do gerador e o motor é a avaliação precisa do impacto inicial do motor e o dimensionamento adequado da capacidade de resposta transitória do gerador. O modo de partida, a natureza da carga, as condições ambientais e a coordenação entre múltiplas máquinas são indispensáveis. Se a seleção for adequada, haverá menos problemas no local.