Não é segredo que as atuais regulamentações governamentais e incentivos energéticos desafiam os fabricantes na criação e reformulação de seus produtos, para que atendam níveis cada vez mais altos de eficiência. Sistemas e componentes que sempre foram utilizados, agora devem ser reprojetados.

Entre os maiores consumidores de energia, estão os motores elétricos. Converter energia elétrica em mecânica nem sempre é muito eficiente. O tipo mais comum de motor – o motor de indução AC (corrente alternada) – existe há mais de 100 anos e ainda é o carro-chefe em muitas aplicações industriais, estando disponíveis em uma ampla variedade de tamanhos e níveis de potência.

No entanto, tecnologias de maior eficiência estão disponíveis no mercado, como é o caso dos motores EC (eletronicamente comutados), que ganharam grande popularidade em muitos campos de aplicação. Com ampla variedade de tamanhos e potências, promovem nos sistemas de ventilação significativas reduções com manutenção, ruído, peso, espaço físico etc., além da já reconhecida economia de energia.

Os motores EC tornam os produtos finais mais inteligentes, agregando valor com recursos adicionais, melhora no desempenho e grande confiabilidade. À primeira vista podem parecer complicados, mas observados de perto tornam-se muito simples.

Vejamos as diferenças básicas entre um motor de indução AC e um motor EC.

Os motores de indução AC existem em grande diversidade de tipos e tamanhos, sendo utilizados ​​em todos os campos industriais: AVAC, refrigeração, eletrodomésticos etc. Sua operação é bastante simples: a corrente alternada que alimenta o estator cria um campo magnético. Este campo varia conforme a frequência da tensão de alimentação, induzindo uma variação de corrente no rotor. O rotor, então, gira para se opor à direção do campo magnético. O rotor pode ser do tipo externo (rotor girante conectado às pás do ventilador), ou do tipo interno (eixo girante).

Neste caso a velocidade do motor é assíncrona e não pode ser maior do que a velocidade síncrona (que é dependente da frequência elétrica, tensão de entrada e do número de polos do motor). Existem diferentes tipos de motores de indução. Os mais comuns são:

– Motores de polo sombreado (aplicados a pequenas potências com baixo torque);

– Motores com capacitor permanente ou capacitor de partida (ambos exigem capacitor para operar);

– Motores trifásicos (funcionam com tensão de alimentação trifásica).

Através de seus componentes eletrônicos, os motores EC retificam a corrente alternada de entrada (AC) para corrente contínua (DC). Também são conhecidos como brushless (por não possuírem escovas). Possuem rotor externo com ímãs permanentes e um conjunto de enrolamentos fixo no estator. Uma placa de circuito impresso alterna continuamente as fases no enrolamento para manter o motor girando. Como a velocidade (rotação) do motor é controlada eletronicamente, isso permite que ele opere em vários níveis de velocidade.

No passado, os motores EC e DC eram basicamente utilizados em aplicações de menores potências: pequenos ventiladores, bombas, servomotores, sistemas para controle de movimento etc. Os constantes avanços nos materiais e na eletrônica permitiram a fabricação de motores com potências maiores (12 kW ou mais). Finalmente os motores EC encontram seu lugar desde em pequenos eletrodomésticos e esteiras transportadoras, a grandes unidades condensadoras de telhado.

Conforme mencionado, a eficiência torna-se o principal motivo para escolha de um motor EC frente a um modelo AC. No motor EC a comutação é feita pela eletrônica existente, reduzindo as perdas internas no motor (o gráfico 1 mostra a eficiência em diferentes tipos de motores).

Possivelmente, os maiores ganhos energéticos provenham da capacidade de controlar a velocidade, presente nos motores EC.

Embora os motores AC estejam disponíveis em múltiplas velocidades e diferentes tipos de controle externo, isso pode ocasionar outros tipos de problema. Motores AC com dupla velocidade, podem ser ruidosos ou não otimizados para o sistema. Motores trifásicos podem ser controlados com IFs (inversores de frequência), mas é necessário adicionar filtros de harmônica e dispositivos elétricos para proteger adequadamente o motor contra danos.

O gráfico 2 demonstra a economia de energia pelo controle de um sistema de múltiplos ventiladores do tipo EC, versus um sistema com motores AC, que ligam e desligam conforme a necessidade.

Deixando um pouco de lado a economia de energia, como a tecnologia EC pode tornar sua vida mais fácil e melhorar seu produto final?

Tamanho: Como a eficiência é aprimorada, um motor de tamanho menor pode ser utilizado para atingir a mesma potência de saída. Um motor menor também equivale a um peso menor, menor espaço de instalação ou mais espaço para recursos adicionais. A utilização do conceito de rotor externo confere um designer ainda mais compacto, proporcionando redução nas dimensões finais de cada equipamento.

Tensão: Os motores EC não dependem totalmente da tensão e da frequência. Pequenas mudanças na tensão não afetam a resposta do motor, que pode ser utilizado tanto para 50 ou 60 Hz, sem diferenças na performance.

Controle de velocidade: Os ventiladores de múltiplas velocidades geralmente são comercializados em versões premium (maior custo), mas nem sempre operam com eficiência ideal em velocidades reduzidas. Normalmente os controles externos modificam a frequência da rede e a forma de onda da tensão. Isso nem sempre é benéfico para a vida útil do motor e pode aumentar o ruído. Isso ocorre principalmente em motores trifásicos que utilizam IFs. Neste caso, além dos cuidados necessários com o dimensionamento e as configurações para garantia do desempenho, será necessária uma infraestrutura complementar com cabos blindados, filtros senoidais, filtros de harmônica, medidas adicionais de aterramento e demais componentes para proteção adequada do motor. Tudo isso pode ser evitado com uso da tecnologia EC. A maioria dos motores já possui como padrão várias entradas para controle de velocidade. O ventilador EC pode aceitar facilmente entradas como PWM, 4-20 mA e 0-10 V para controle total da velocidade. O lado de controle do motor é um circuito de baixa tensão, separado da alimentação principal. A maioria dos modelos possui fonte interna, que pode alimentar sensores externos eliminando o uso de uma fonte dedicada.

Proteção: A maior parte dos motores EC já possui proteções embarcadas contra sobrecarga de tensão, condições de baixa tensão, perda de fase, picos de energia, rotor travado e superaquecimento. Nos motores trifásicos maiores, não é mais necessário “adivinhar” qual é o fio L1, L2 ou L3. As fases são reconhecidas em qualquer posição na alimentação. Normalmente estes recursos adicionais não estão disponíveis em motores AC, ou somente através do uso de componentes externos.

Dados de saída: Nos motores AC convencionais, mesmo um feedback simples, como o RPM do motor, exige uma combinação de sensores e circuitos externos. Os motores EC possuem funções de monitoramento facilmente acessadas, proporcionando ao projetista ou fabricante fornecer feedbacks assertivos sobre o ventilador ao usuário final. Parâmetros como códigos de erro, vida útil, temperatura e sinal de tacômetro estão prontamente disponíveis.

Vantagens adicionais

Partida suave: a eletrônica embarcada nos motores EC possibilita partida em rampa, reduzindo o pico de corrente na partida e evitando desarmes incômodos no disjuntor. Isso também permite reduzir o dimensionamento de componentes para o sistema.

Ruído: em motores AC de velocidade controlada os níveis de ruído apresentam picos correspondentes à frequência de tensão (zumbido do motor) – diferentemente dos motores EC.

Calor: a elevada eficiência dos motores EC proporciona um motor mais frio. Na maioria das aplicações, a dissipação proveniente do motor é indesejável, pois aumenta a carga térmica do sistema. Além disso, quanto menor for a temperatura do motor, menor será a do rolamento – aumentando a durabilidade do componente.

Recursos opcionais

Alguns recursos não disponíveis como padrão nos motores EC podem ser facilmente incorporados.

Comunicação Modbus: os motores EC são perfeitos para integração a sistemas de gerenciamento prediais (BMS – Building Management System). Cada motor pode ser referenciado individualmente ou em grupo, possibilitando observar e alterar o status de operação conforme necessário. O protocolo Modbus oferece comunicação entre dispositivos, proporcionando feedbacks úteis e assertivos.

Cenários complexos para controle: inclui necessidades como rotação reversa na inicialização (ex.: para soltar um rotor bloqueado) ou cancelamento da partida suave (ex.: para soltar as pás congeladas de um ventilador). Em caso de falhas na comunicação, o motor EC pode operar em uma rotina de segurança com parâmetros pré-definidos.

Operação de vários motores: Em sistemas como condensadores de telhado, é possível programar um ventilador como “mestre” para controlar os demais ventiladores. Pode-se utilizar a lógica interna do motor EC (PID), eliminando a necessidade de um controlador externo.

É realmente incrível entender como um motor mais complicado pode deixar nossa vida mais fácil!

 

 

 

Alex Brocco, é membro do DN Ventilação da Abrava e especialista de produtos na ebm-papst Brasil
alex.brocco@br.ebmpapst.com

(Baseado no artigo EC Motors, Explained, de George Riker, engenheiro para desenvolvimento de mercado na ebm-papst USA