Motores a jato síncronos: eficiência energética sem ímãs de terras raras para acionamentos industriais

1. Introdução

O setor industrial da Ucrânia enfrenta uma necessidade crítica de reduzir o consumo de energia e de modernizar a obsoleta frota de máquinas elétricas. Segundo estatísticas das associações de engenharia mecânica, os motores elétricos consomem até 70% da eletricidade total da indústria. Os motores assíncronos tradicionais com rotor em curto-circuito conforme as normas IE1 e IE2 esgotaram seu recurso de modernização. No entanto, a transição para motores de ímanes permanentes (PM) é muitas vezes limitada por riscos geopolíticos e económicos associados à escassez e ao elevado custo de elementos de terras raras, como o neodímio (Nd) e o disprósio (Dy).

Uma alternativa com alto desempenho técnico são os motores a jato síncronos (SynRM). Eles combinam a simplicidade do projeto de máquinas assíncronas e a eficiência energética de sistemas síncronos sem o uso de ímãs permanentes. Para engenheiros-chefes e chefes de serviços mecânicos de empresas ucranianas, compreender os princípios de operação, os recursos de seleção e operação do SynRM é uma etapa crítica para alcançar indicadores de eficiência energética de IE4 e IE5 de acordo com o padrão IEC 60034-30-1.

UNITEC-D GmbH (Augsburg, Alemanha) fornece componentes industriais para empresas ucranianas, incluindo drives modernos adaptados aos requisitos dos regulamentos técnicos da Ucrânia e certificados de acordo com os requisitos CE e UkrSEPRO. Neste artigo analisaremos detalhadamente os princípios de engenharia, cálculo e operação de motores a jato síncronos.

2. Princípios fundamentais

Um motor a jato síncrono funciona segundo o princípio da resistência magnética (relutância). Ao contrário de um motor de indução, onde o torque é criado pela interação do campo magnético do estator e das correntes no rotor, o rotor SynRM não possui enrolamentos nem ímãs permanentes. É fabricado em aço elétrico com barreiras de ar perfiladas (barreiras magnéticas), que formam canais para o fluxo magnético.

A base para a criação de torque é o desejo do rotor de ocupar uma posição com resistência magnética mínima em relação ao campo magnético rotativo do estator. A condutividade magnética ao longo do eixo do rotor (eixo $d$ — eixo direto) é muito maior do que ao longo do eixo transversal ($q$ — eixo de quadratura). A proporção de indutâncias ao longo desses eixos ($L_d / L_q$) é chamada de razão de saliência (razão de indutância ou razão de saliência, $\xi$).

O momento eletromagnético $T$ em um motor a jato síncrono é descrito pela equação:

onde:

• $p$ é o número de pares de pólos;
• $L_d, L_q$ — indutâncias ao longo dos eixos $d$ e $q$, respectivamente;
• $I_d, I_q$ são componentes da corrente do estator ao longo dos eixos $d$ e $q$.

Para alcançar alta eficiência e fator de potência $(\cos\varphi)$, os projetos modernos de rotores possuem uma estrutura de barreiras multicamadas. Isso permite que você alcance o valor de $\xi$ no intervalo de 6 a 10 e superior. Como não há enrolamentos no rotor, as perdas do rotor (perdas no cobre) são praticamente zero ($P_{Cu,r} \approx 0$). Isso garante uma redução nas perdas totais de calor da máquina em 20-40 em comparação com motores assíncronos de potência semelhante e reduz significativamente a temperatura de aquecimento das unidades de rolamento.

3. Especificações e normas técnicas

O projeto, a produção e a operação de motores a jato síncronos são regulamentados por um rigoroso sistema de padrões internacionais e nacionais. Como a operação do SynRM não é possível sem um acionamento de frequência variável (VFD), os requisitos para o acionamento elétrico como um todo são complexos.

• IEC 60034-1: Máquinas elétricas rotativas. Dados nominais e características.
• IEC 60034-30-1: Classes de eficiência energética de máquinas elétricas rotativas (código IE). Padronização dos níveis IE4 (Super Premium) e IE5 (Ultra Premium).
• IEC 60034-2-1: Métodos padrão para determinar perdas e potência útil com base em resultados de testes.
• IEC 60034-25: Requisitos para motores CA alimentados por conversores de frequência.
• ISO 10816 / ISO 20816: Controle de vibração da condição mecânica de máquinas.
• DSTU EN 60034 (harmonizado com os padrões europeus na Ucrânia) e disponibilidade de certificados de conformidade UkrSEPRO e CE.

A principal diferença na operação é a classe de isolamento dos enrolamentos do estator. Geralmente é utilizada isolação classe F com sobretemperatura classe B (reserva térmica para operação com tensões pulsadas do VFD conforme padrão IEC 60034-18-41).

4. Guia de seleção e dimensionamento

A seleção de um motor a jato síncrono é significativamente diferente da seleção de uma máquina assíncrona. Como a partida do motor diretamente da rede (Direct-On-Line) é impossível devido à falta de enrolamento de partida, o complexo “motor + conversor de frequência” é considerado uma unidade única. O algoritmo de seleção abrange a análise do perfil de carga, a determinação do momento de inércia e o cálculo da capacidade de sobrecarga.

Algoritmo para verificação do momento durante a seleção:

onde o fator de sobrecarga $k$ para SynRM geralmente está entre 2,0 e 2,8 dependendo da dinâmica do processo tecnológico (por exemplo, bombas, compressores, transportadores).

5. Melhores Práticas para Instalação e Comissionamento

A instalação de drives industriais baseados em SynRM requer pessoal altamente qualificado. Erros na configuração do conversor de frequência levam à falha de sincronização ou ao aumento das vibrações.

1. Alinhamento mecânico (alinhamento): Use sistemas de centralização de eixo a laser. O desvio radial e axial permitido do acoplamento não deve exceder 0,05 mm para velocidades de até 3.000 rpm. Cumprir com ISO 10791. padrões
2. Conexão de cabo: Use cabos de alimentação balanceados e blindados para reduzir a interferência eletromagnética (EMC). A blindagem do cabo é aterrada em ambas as extremidades usando prensa-cabos EMC no motor e na carcaça do conversor.
3. Configuração de parâmetros VFD: Ative o modo de controle especializado SynRM (controle vetorial de malha fechada ou sem sensor para máquinas reativas síncronas). É necessário realizar o procedimento de identificação do motor (autotuning) para medir com precisão as indutâncias $L_d$ e $L_q$.
4. Verificação dos rolamentos: Devido à ausência de aquecimento do rotor, as unidades de rolamentos operam em uma temperatura mais baixa (10-15°C mais baixa que suas contrapartes assíncronas). Recomenda-se a utilização de um lubrificante para altas temperaturas de acordo com DIN 51825 (classe KP2N-30 ou similar).

6. Modos de falha e análise de causa raiz (RCA)

Apesar da alta confiabilidade do projeto SynRM, violações das condições operacionais levam a falhas típicas. Abaixo está a matriz de análise de causa raiz:

• Perda de sincronismo:
  *Indicadores visuais/do sistema:* Erro no conversor de frequência (sobrecorrente/fora de sincronismo), parada repentina ou solavanco do eixo, aparecimento de zumbido. *Causa raiz:* Exceder o torque máximo de partida ou operação, parâmetros configurados incorretamente da curva de aceleração no VFD, baixa capacidade do conversor do link CC.
• Alto nível de vibração nas rotações do motor:
  *Indicadores visuais/do sistema:* As frequências de vibração correspondem ou são múltiplos das rotações do rotor (ISO 20816). *Causa raiz:* Violação do balanceamento do rotor devido à entrada de partículas estranhas nos dutos de ar (em violação da classe de limpeza IP) ou danos mecânicos ao acoplamento.
• Quebra do isolamento do enrolamento do estator:
  *Indicadores visuais/do sistema:* A proteção contra falha à terra disparou, a resistência do isolamento cai abaixo de 10 MΩ (medida com um megôhmetro de 1.000 V). *Causa raiz:* Altos surtos de impulso ($dU/dt$) de cabos longos ou de baixa qualidade sem o uso de filtros de saída (filtros du/dt ou filtros senoidais).

7. Manutenção preditiva e monitoramento de condições (Manutenção Preditiva)

A fim de maximizar o indicador MTBF (que para o SynRM atinge 100.000 horas), as empresas ucranianas estão a implementar sistemas de monitorização contínua das condições (Sistemas de Monitorização das Condições — CMS). Devido ao fato do inversor operar sob o controle de um conversor de frequência, a análise de vibração padrão possui peculiaridades próprias.

Os principais métodos de diagnóstico:

• Análise de assinatura de corrente do motor (MCSA): permite a detecção de excentricidade do rotor, defeitos de rolamento e problemas de carga por meio de análise espectral do consumo de corrente do estator sem instalar sensores adicionais no próprio motor.
• Monitoramento de vibração em blindagens de rolamentos: uso de acelerômetros piezoelétricos com frequência de pesquisa de até 10 kHz para detectar os estágios iniciais de desgaste de rolamentos (métodos de pulso de choque SPM).
• Inspeção térmica: Inspeção periódica das conexões de contato da caixa de terminais e da carcaça do motor de acordo com ISO 18433.

8. Matriz comparativa de opções de drive

9. Conclusão

Os motores a jato síncronos são o padrão tecnológico para empresas industriais que buscam reduzir o consumo de energia para níveis IE4/IE5 sem os riscos associados ao fornecimento de materiais de terras raras. A ausência de perdas no rotor, o alto fator de potência e a vida útil prolongada das unidades de rolamento fazem do SynRM a melhor escolha para bombas, ventiladores, compressores e linhas transportadoras na indústria ucraniana.

A empresa UNITEC-D GmbH fornece componentes industriais certificados para a modernização de equipamentos de acionamento de acordo com os padrões europeus e os requisitos do mercado ucraniano. Confira a linha completa de equipamentos elétricos e peças de reposição em nosso <את>catálogo eletrônico no link: https://www.unitecd.com/e-catalog/.

10. Links

1. IEC 60034-30-1:2014. Máquinas elétricas rotativas - Parte 30-1: Classes de eficiência de motores CA operados em linha (código IE). Comissão Eletrotécnica Internacional.
2. IEC 60034-2-1:2014. Máquinas elétricas rotativas - Parte 2-1: Métodos padrão para determinação de perdas e eficiência em testes.
3. ISO 20816-1:2016. Vibração mecânica - Medição e avaliação da vibração de máquinas.
4. IEEE Std 112-2004. Procedimento de teste padrão IEEE para motores e geradores de indução polifásicos.
5. Whitepaper: "Tecnologia de acionamento de relutância síncrona - Eficiência energética sem terras raras", Publicações técnicas de automação industrial da ABB/Siemens, 2022.