ANÁLISE DO CONSUMO ESPECÍFICO EM UM PROCESSO...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA

ENGENHARIA ELÉTRICA

LUIZ HENRIQUE ROSS PALMA

TIAGO SCHUARZ

ANÁLISE DO CONSUMO ESPECÍFICO EM UM PROCESSO

INDUSTRIAL BASEADO NO ESTADO DE MÁQUINA. UM ESTUDO

PRÁTICO

CURITIBA

2016

LUIZ HENRIQUE ROSS PALMA

TIAGO SCHUARZ

ANÁLISE DO CONSUMO ESPECÍFICO EM UM PROCESSO

INDUSTRIAL BASEADO NO ESTADO DE MÁQUINA. UM ESTUDO

PRÁTICO

Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do curso de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para a obtenção de grau de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Me. Ednilson Soares Maciel

CURITIBA

2016

A folha de aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia Elétrica

Luiz Henrique Ross Palma Tiago Schuarz

Análise do consumo específico em um processo industrial baseado no estado de máquina. Um estudo prático

Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro Eletricista, do curso de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).

Curitiba, 24 de novembro de 2016.

____________________________________ Prof. Emerson Rigoni, Dr.

Coordenador de Curso Engenharia Elétrica

____________________________________ Profa. Annemarlen Gehrke Castagna, Mestre

Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica do DAELT

ORIENTAÇÃO BANCA EXAMINADORA ______________________________________ Ednilson Soares Maciel, Me. Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientador

_____________________________________ Ednilson Soares Maciel, Me. Universidade Tecnológica Federal do Paraná _____________________________________ Joaquim Eloir Rocha, Dr. Universidade Tecnológica Federal do Paraná _____________________________________ Flavio Cardoso dos Santos, Eng. Companhia Siderúrgica Nacional - CSN

AGRADECIMENTOS

Diante de todas as dificuldades, sacrifícios e renuncias chegamos ao fim e

junto a isto não poderíamos esquecer-nos de agradecer a Deus, por permitir a

oportunidade de estudo numa instituição de ensino de referência no país a qual nos

proveu as ferramentas necessárias para a elaboração deste trabalho. Também

agradecer aos familiares, amigos que nos apoiaram durante todo o curso.

Palavras são restritas para expor o sentimento de gratidão pelo nosso

dedicado e incentivador Msc. Professor Ednilson Soares Maciel o que nos serviu

como alicerce principal para a consolidação deste trabalho, assim também se

estendem todos os elogios e agradecimentos para nosso coorientador Flávio

Cardoso dos Santos que permitiu e ajudou no trabalho sempre se dispondo a

oferecer seu amplo conhecimento.

RESUMO

PALMA, Luiz H. R.; SCHUARZ, Tiago. Análise do consumo específico em um processo industrial baseado no estado de máquina. Um estudo prático, 2016. 117 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2016.

Este trabalho tem como objetivo fornecer ao meio acadêmico e profissional, a correlação e a construção de um índice de consumo especifico de energia por volume de produção, que seja baseado na condição online de funcionamento de um motor síncrono de um laminador de tiras a frio. O presente estudo analisa um processo de produção que possui alta competitividade e se mostra crítico a qualquer parada de manutenção em ativos, visto que o lucro cessante se torna demasiadamente elevado, cobrindo muitas vezes o preço dos equipamentos que apresentam falha, desta forma, este trabalho correlaciona ferramentas que permitem monitorar as condições de funcionamento online do processo, no entanto, essas ferramentas contém diversos sinais que envolvem variáveis controláveis e não controláveis, que interagem umas com as outras que afetam o consumo específico de energia por bobina de aço laminada. As questões fundamentais são entender como estes sinais afetam a variável de resposta. No trabalho é comprovado que lotes com mesmas características possuem uma assinatura própria e bem definida o que representa uma relação que explica a condição de funcionamento e carregamento do conjunto moto-redutor mais carga de produção. Por fim, no futuro esta análise pode tornar possível encontrar respostas de falha e eficiência de um determinado equipamento, abrindo assim novas perspectivas de aplicação no processo de produção.

Palavras-chave: Laminação a frio, consumo específico, falha, eficiência, manutenção.

ABSTRACT

PALMA, Luiz H. R.; SCHUARZ, Tiago. Analysis of the specific consumption in an industrial process based on the state of the machine. A practical study, 2016. 117 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Federal Technology University – Parana. Curitiba, 2016.

This work aims to provide the academic and professional environment with the correlation and the construction of a specific energy consumption index by volume of production based on the online condition of running a synchronous motor of a cold strip mill. The present study analyzes a production process that has a high competitiveness and is critical to any maintenance stoppage in assets, since the loss of profit becomes too high, often covering the price of equipment that has failed, thus, this work Correlates tools that allow monitoring of online process conditions, however, these tools contain several signals that involve controllable and uncontrollable variables that interact with one another that affect the specific energy consumption per rolled steel coil. The key questions are how these signals affect the response variable. In the work it is proven that lots with the same characteristics have their own signature and well defined which represents a relation that explains the condition of operation and loading of the gearbox assembly plus production load. Finally, in the future this analysis may make it possible to find fault and efficiency responses of a given equipment, thus opening up new perspectives of application in the production process.

Keywords: Cold rolling, especific consumption, failure, efficiency, maintenance.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Produtividade do Brasileiro ...................................................................... 10

Figura 2: Interligação entre os conceitos. ................................................................. 11

Figura 3: Utilização da energia elétrica do Brasil ..................................................... 12

Figura 4: Utilização da energia elétrica na indústria ................................................. 13

Figura 5: Relação entre energia e produção ............................................................ 15

Figura 6: Diagrama de Ishikawa ............................................................................... 15

Figura 7: Evolução kg/kW dos motores elétricos. ..................................................... 16

Figura 8: Diagrama de Sankey de um motor de indução ......................................... 16

Figura 9: Fluxo simplificado de produção do aço ..................................................... 21

Figura 10: Desenho esquemático de uma peça sendo laminada ............................ 23

Figura 11: Representação esquemática do processo de laminação. ....................... 25

Figura 12: Arco de contato na laminação ................................................................. 27

Figura 13: Configuração do laminador ..................................................................... 28

Figura 14: Entradas e saídas processo de laminação a frio ..................................... 22

Figura 15: Distribuição de força ao longo do arco de contato .................................. 29

Figura 16: Bicos de aplicação de emulsão. .............................................................. 31

Figura 17: Filme de óleo formado no arco de contato .............................................. 31

Figura 18: Máquina síncrona em corte .................................................................... 33

Figura 19: Ligação em corte. .................................................................................... 34

Figura 20: Circuito equivalente do motor síncronor .................................................. 35

Figura 21: Motor síncrono subexcitado .................................................................... 35

Figura 22: Motor síncrono superexcitado ................................................................. 36

Figura 23: Localização das perdas de um motor ...................................................... 37

Figura 24: Diagramas de perdas em um motor ........................................................ 38

Figura 25: Componentes do programa RCM............................................................ 41

Figura 26: Comportamento da falha . ....................................................................... 44

Figura 27: Laminador............ ................................................................................... 50

Figura 28: Arranjo geral do laminador reversível ...................................................... 51

Figura 29: Controle do ACG ..................................................................................... 52

Figura 30: Medidor de espessura por raio X ............................................................ 53

Figura 31: Diferencial de tensão de saída. ............................................................... 54

Figura 32: Horas paradas em 2016 .......................................................................... 56

Figura 33: Falhas no motor do laminador ................................................................. 56

Figura 34: Motor da cadeira principal ....................................................................... 58

Figura 35: Diagrama do drive ................................................................................... 59

Figura 36: Caixa de redução .................................................................................... 60

Figura 37: Arquitetura geral da automação da linha. ................................................ 61

Figura 38: Hierarquia de controle ............................................................................. 62

Figura 39: CLP e conversor de frequência ............................................................... 65

Figura 40: Coluna de inversão ................................................................................ 66

Figura 41: Tela de supervisão. ................................................................................. 68

Figura 42: Sinais visualizados no iba-Analyser ........................................................ 69

Figura 43: Linha de produção dividida em seções ................................................... 70

Figura 44: Sistema IBA ............................................................................................ 71

Figura 45: Sinais mapeados ..................................................................................... 72

Figura 46: Interface de programação do CLP. ......................................................... 73

Figura 47: Medição de potência elétrica através do iba-Analyser ............................ 75

Figura 48: Implementação da lógica do CLP............................................................ 76

Figura 49: Fluxo mássico. ........................................................................................ 77

Figura 50: Vazão mássica no Laminador ................................................................. 78

Figura 51: Sinais instantâneos ................................................................................. 80

Figura 52: Curva de temperatura ............................................................................. 80

Figura 53: Curva do passe de laminação ................................................................. 80

Figura 54: Curva da temperatura da chapa .............................................................. 81

Figura 55: Curva da velocidade da chapa ................................................................ 81

Figura 56: Curva da medição de espessura ............................................................ 81

Figura 57: Diagrama de sinais de medição. ............................................................. 82

Figura 58: Correlação de variáveis estudadas ......................................................... 85

Figura 59: Consumo Específico passe 1 entre os lotes 3, 4 e 5............................... 86

Figura 60: Consumo Específico passe 2 entre os lotes 3, 4 e 5. ............................. 86



Figura 63: Regime permanente ................................................................................ 88

Figura 64: Velocidade nos passes entre os lotes 3, 4 e 5 ....................................... 89

Figura 65: Vazão mássica dos lotes 3, 4 e 5. ........................................................... 89

Figura 66: Potência dos lotes 3, 4 e 5 ...................................................................... 90

Figura 67: Consumo específico dos lotes 3, 4 e 5 .................................................... 90

Figura 68: Temperatura do motor dos lotes 3, 4 e 5 ................................................ 91

Figura 69: Consumo específico no passe 1 dos lotes 3, 4 e 5 ................................ 92

Figura 70: Consumo específico no passe 2 dos lotes 3, 4 e 5 ................................. 93



Figura 73: Análise global dos lotes 4, 5 e 6 .............................................................. 96

Figura 74: Análise global dos lotes 7, 8 e 9 .............................................................. 97

Figura 75: Dispersão passe 1 entre os lotes 1, 2 e 3 ............................................... 98

Figura 76: Velocidade passe 1 entre os lotes 1, 2 e 3 .............................................. 99

Figura 77: Regime permanente passe 1 entre lotes 1, 2 e 3 .................................. 100

Figura 78: Consumo Especifico passe 1 entre os lotes 1, 2 e 3 ............................. 101

Figura 79: Temperatura no passe 1 entre os lotes 1, 2 e 3 .................................... 102

Figura 80: Espessura no passe 1 entre lotes 1, 2 e 3 ............................................ 102

Figura 81: Dispersão passe 2 entre lotes 1, 2 e 3r ................................................. 103

Figura 82: Dispersão passe 3 entre os lotes 1, 2 e 3 ............................................. 103

Figura 83: Dispersão passe 4 entre lotes 1, 2 e 3 .................................................. 104

Figura 84: Velocidade passe 4 entre os lotes 1, 2 e 3 ............................................ 104

Figura 85: Consumo Específico passe 2 entre os lotes 1, 2 e 3............................. 105

Figura 86: Consumo Específico passe 3 entre os lotes 1, 2 e 3............................. 105

Figura 87: Consumo Especifico passe 4 entre os lotes 1, 2 e 3 ............................. 106

Figura 88: Temperatura no passe 1 entre lotes 1,2 e 3 .......................................... 106

Figura 89: Curva típica para 4 passes de um único lote. ....................................... 107

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Custo por faturamento da manutenção ................................................... 40

Tabela 2 – Consumo Específico no passe 1 nos lotes 3, 4 e 5 ................................. 92




Tabela 6 – Consumo Específico no passe 1 nos lotes 1, 2 e 3 ............................... 100

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .....................................................................................................10

1.1 TEMA DE PESQUISA .......................................................................................10

1.1.1 Delimitação do Tema ......................................................................................14

1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS ..........................................................................14

1.3 OBJETIVOS ......................................................................................................17

1.3.1 Objetivo Geral .................................................................................................17

1.3.2 Objetivos Específicos ......................................................................................17

1.4 JUSTIFICATIVA ................................................................................................18

1.5 PROCEDIMENTO METODOLÓGICO ..............................................................19

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO .........................................................................19

2 REVISÃO TEÓRICA ............................................................................................20

2.1 UM RESUMO DA HISTÓRIA DO AÇO NO BRASIL ........................................20

2.1.1 Processo de Fabricação .................................................................................20

2.2.1 Tipos de Aço ...................................................................................................21

2.2.1.1 Pelo Tipo de Aço .........................................................................................22

2.2.1.2 Por Forma Geométrica ................................................................................22

2.3 PROCESSOS DE LAMINAÇÃO .......................................................................23

2.3.1 Laminação a Frio ............................................................................................24

2.4 SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO E LUBRIFICAÇÃO ........................................30

2.5 MOTOR SÍNCRONO ........................................................................................32

2.5.1 Perdas em Motores .........................................................................................36

2.5.2 Método de Separação de Perdas ...................................................................38

2.5.3 Manutenção ....................................................................................................39

2.5.4 Defeito e Falha ................................................................................................40

2.5.5 Causa das Falhas ...........................................................................................41

2.5.6 Manutenção Centrada em Confiabilidade (RCM) ...........................................41

2.5.7 Manutenção Corretiva .....................................................................................42

2.5.8 Manutenção Preventiva ..................................................................................42

2.5.9 Manutenção Preditiva .....................................................................................42

2.5.10 Manutenção Pró-Ativa ..................................................................................43

2.5.11 Técnicas de Monitoramento .........................................................................44

2.5.12 Monitoração Subjetiva ..................................................................................45

2.5.13 Monitoração Objetiva ....................................................................................45

2.5.14 Monitoração Contínua ..................................................................................45

2.5.15 Consumo Específico.....................................................................................46

3 MATERIAIS E MÉTODOS ...................................................................................48

3.1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................48

3.2 RECURSOS UTILIZADOS ................................................................................48

3.3 LAMINADOR .....................................................................................................48

3.3.1 Controle de Espessura ...................................................................................51

3.4 HISTÓRICO DE FALHAS ..................................................................................55

3.5 SISTEMA MOTOR ............................................................................................57

3.6 AUTOMAÇÃO ...................................................................................................60

3.6.1 Sistema de Controle .......................................................................................62

3.7 SITEMA DE MONITORAÇÃO DE VARIÁVEIS IBA ANALYZER ......................67

3.7.1 Introdução .......................................................................................................67

3.7.2 Sistema Iba Analyzer ......................................................................................67

3.8 IMPLEMENTAÇÃO DAS VARIÁVEIS DE ESTUDO .........................................74

3.8.1 Medição Do Consumo Especifico ...................................................................74

3.8.2 Considerações para o Calculo da Vazão Mássica .........................................76

3.8.3 Sinais de Correlação ......................................................................................80

4 ANÁLISE DOS RESULTADOS ............................................................................82

4.1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................82

4.2 ANÁLISE DOS LOTES .....................................................................................83

4.2.1 Características dos lotes ................................................................................83

4.2.2 Análise dos lotes de mesma espessura .........................................................84

4.2.3 Análise dos lotes 3, 4 e 5 ...............................................................................85

4.2.4 Análise Global dos Lotes ................................................................................95

4.2.5 Análise dos Lotes 1, 2 e 3 Primeiro Passe .....................................................98

4.2.6 Análise dos Lotes 1, 2 e 3 Segundo, Terceiro e Quarto Passe ......................103

4.2.7 Considerações Finais sobre os Resultados ...................................................107

5 CONCLUSÃO .......................................................................................................108

REFERÊNCIAS .......................................................................................................110

10

1 INTRODUÇÃO

1.1 TEMA DE PESQUISA

Ser competitivo no mercado em qualquer segmento no cenário mundial, não é

uma questão de escolha, mas sim de sobrevivência para qualquer empresa, seja

qual for seu processo produtivo. Nesse contexto, a produtividade que é a

capacidade de produzir mais com a menor quantidade de recursos, é um dos

indicadores que contribuem para um melhor desempenho nas indústrias. Uma

pesquisa realizada pela Conference Board em 2015 constatou que, um norte

americano corresponde a quatro brasileiros em desempenho de produtividade,

demonstrando o quanto o Brasil ainda está carente desse conceito, segue Figura 1.

Figura 1: Produtividade do Brasileiro Fonte: Conference Board, 2015.

11

A fim de explicar fatores que contribuem para construir esse índice,

especialistas levantaram algumas razões que estão dispostas a seguir.

O primeiro fator é o “capital físico”. Os trabalhadores são mais produtivos

quando dispõem de melhor infraestrutura e melhores máquinas e ferramentas.

O segundo fator são os recursos naturais. Um país pobre em recursos

naturais – como fertilidade do solo, reservas minerais, rios, clima – terá mais

dificuldade em elevar a produtividade de seus trabalhadores do que um país rico

sem recursos da natureza.

O terceiro fator é o “capital humano”. Este depende do nível educacional, do

treinamento e das habilidades técnicas dos trabalhadores. O quarto fator é o

conhecimento tecnológico.

Para que o Brasil torne-se mais competitivo e eficiente frente a grandes

economias mundiais devemos compreender os fatores que elevam e contribuem

para o avanço do país, assim para umas das definições de competitividade é ter a

maior produtividade entre todos seus concorrentes (Vicente Falconi, 2004) monta-se

a seguinte relação abaixo Figura 2:

Figura 2: Interligação entre os conceitos Fonte: Campos, Vicente Falconi, 2004

As organizações e processos produtivos são basicamente construídos por

três elementos:

Equipamentos e materiais (HARDWARE)

Procedimentos e métodos (SOFTWARE)

Ser humano (HUMANWARE)

12

Os equipamentos e materiais (HARDWARE) são de suma importância e

dependem de análises e projetos para que executem sua função com máxima

eficiência no processo.

Segundo a Empresa de Pesquisa Energética (EPE), o setor industrial é

responsável por 43% do consumo da energia elétrica produzida no país como

demostra a Figura 3, dentro dos quais os motores elétricos, incluindo bombas,

ventiladores, compressores, entre outros, são responsáveis por aproximadamente

68% do consumo Figura 4, o que corresponde a cerca de 30% da energia total

gerada. A interpretação dessa realidade nos impulsiona à realização de estudos no

setor, tendo por objetivo a suma modernização e eficiência. Estudos da PROCEL –

Programa Nacional de Conservação de Energia mostram que economizar custa

menos que gerar a mesma quantidade de energia, portanto qualquer iniciativa de

otimizar o consumo é de grande importância. Assim, ações de conservação de

energia nestes equipamentos revelam-se de grande importância.

Figura 3: Utilização da Energia Elétrica no Brasil Fonte: Eletrobras/PROCEL, 2013.

13

Figura 4: Utilização da Energia Elétrica na indústria. Fonte: Adaptado de Eletrobras, 2013.

O predomínio da utilização do motor de indução trifásico (MIT) na indústria

deve-se as suas características de robustez, baixo custo de aquisição e alta

eficiência. As duas primeiras características são ligeiramente fáceis de medir e

avaliar, pois decorrem da relativa simplicidade de sua construção e manutenção, e

de sua capacidade de operar com uma grande diversidade de cargas e em

condições adversas. A terceira característica diz respeito a alta eficiência, sendo a

que apresenta um maior grau de dificuldade em sua determinação, já que está

relacionada com características de fabricação e de operação da máquina e ainda da

carga a que ela está acoplada.

O interesse por este tema vem crescendo em importância devido aos

recentes aumentos do custo de energia elétrica, que incidem nos custos de

operação da máquina, e nas preocupações ambientais, que pressionam para um

melhor aproveitamento energético de equipamentos em geral.

Contudo, segundo Maciel e Coraiola (2010, p. 25) uma máquina que

apresenta uma falha incipiente, necessita de uma maior quantidade de energia na

entrada para atender à função requerida em sua saída e na medida em que o defeito

evolui as perdas dissipadas, em sua maior parcela na forma de calor, também

aumentam. Desta forma, é necessária a análise mais cuidadosa do comportamento

e desempenho dos (MIs), evitando assim sobre dimensionamento, que provocaria

uma considerável perda de energia.

Diante do contexto, os equipamentos aplicados ao processo de manufatura

exigem uma análise em conjunto com o consumo de energia e material produzido,

sendo necessária a utilização de sistemas de monitoramento online. A manutenção

14

preditiva surge como ferramenta eficaz tanto na garantia da disponibilidade dos

equipamentos como no uso eficiente da energia.

Os equipamentos são de suma importância, e dependem de análises e

projetos para que executem sua função com máxima eficiência no processo, mesmo

grandes empresas possuindo bons equipamentos muitas carecem de mão de obra e

análise de resultados de performance.

1.1.1 Delimitação do Tema

O objetivo deste trabalho é analisar o consumo específico em um processo

produtivo estabelecendo uma relação da quantidade de energia consumida por

material produzido, nessa relação, existe um sistema de manufatura composto de

equipamentos e máquinas, no qual por meio de sistemas supervisórios e

monitoramento online e técnicas preditivas é possível a aquisição de informações,

que uma vez analisadas em conjunto contribuem para identificar o quanto cada

sistema contribui no consumo de energia total. Este trabalho propõe levantar a

energia segmentada em cada sistema e analisar esses resultados, a fim de

compreender melhor a relação.

1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS

Muitas empresas utilizam sistemas supervisórios e de monitoramento online

que se consolidam para análise de falha de equipamentos, assim como a

manutenção preditiva que se utiliza de medições de termografia, vibração, análise de

óleo, entre outras que estão baseadas no estado da máquina para auxiliar na

manutenção das mesmas. Normalmente todos esses dados são analisados por

pessoas diferentes e raramente são comparados, a fim de descrever o

comportamento da máquina em relação a produção. O diagrama da Figura 5

estabelece uma relação de consumo de energia por equipamento, aplicado ao

processo (HARDWARE) para a produção do produto.

15

ENERGIA PRODUÇÃO

Figura 5: Relação entre energia e produção Fonte: Autoria Própria

Em um cenário atual o grau de tecnologia da indústria determina em grande

parte sua competitividade no mercado mundial, com o avanço e o alto nível dos

sistemas de controle e automação, a inovação e atualização de sistemas se tornam

constantes. Assim, estes sistemas podem ser explicados através de um diagrama de

Ishikawa na Figura 6.

Figura 6: Diagrama de Ishikawa Fonte: Autoria Própria

Um exemplo de sistema que compõem esse diagrama de processo é o motor

elétrico, que é uma tecnologia dominada que vem sendo refinada ao logo do tempo

sempre buscando uma relação de eficiência e custo, o avanço da tecnologia do

motor de indução é a relação peso-potência, que em 1891 era da ordem de 88

kg/kW e passou para 5,7 kg/kW no ano 2.000, como mostra a Figura 7.

HARDWARE

16

Figura 7: Evolução kg/kW dos motores elétricos Fonte: Weg, 2009.

Estima-se que, no mundo, existam mais de 300 milhões de motores, que

consomem anualmente cerca de 7.400 TWh (Terawatts-hora/ano). Isso equivale a

cerca de 40% da produção mundial de energia elétrica. Assim, uma pequena

melhoria apresentada a essa máquina representa uma grande economia de energia,

o que reflete a importância de ser estudado, a fim de ser otimizado ao seu ponto

ótimo de operação.

Segundo o diagrama de Sankey, é possível analisar as perdas de potência e

o rendimento de motores de indução trifásicos, desde os terminais de entrada

(Pentrada) até a saída mecânica entregue a carga (Psaída), destacando as perdas

existentes neste processo utilizando princípios monitoramento online.

Figura 8: Diagrama de Sankey de um motor de indução Fonte: BORTONI e YAMACHITA, 2007.

17

Em um equipamento industrial o motor está sempre associado a uma carga

mecânica, assim quando uma máquina atinge um alto desempenho, com a máxima

produção, com a maior disponibilidade possível e com a melhor eficiência

energética, temos o ponto ideal de sua operação.

Muitas empresas dispõem hoje de tecnologias e ferramentas que são

analisadas separadamente sem integração de informação. Esse trabalho visa dispor

de diferentes tecnologias e técnicas, que juntas se complementam para uma análise

mais profunda do comportamento dos motores elétricos e também de seus

acionamentos e acoplamentos ao processo, contribuindo para a construção de

conhecimento e uma melhor eficiência no processo máquina e produção que faz uso

dessa tecnologia.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo Geral

Analisar um caso prático de consumo específico de energia por material

acabado em um processo industrial semi-contínuo utilizando monitoramento online e

técnicas preditivas para construir um indicador de produtividade, podendo assim

associar a condição de máquina a real produção.

1.3.2 Objetivos Específicos

Estudar e descrever o processo industrial a ser tratado no estudo.

Pesquisar e analisar o funcionamento de máquinas e equipamentos contidos

no processo industrial, como acionamentos, motores, sistemas hidráulicos,

etc.

Pesquisar e analisar técnicas preditivas e de monitoramento online de

máquinas que serão objetos de estudo no trabalho.

Efetuar o estudo e modelagem da condição de máquina com a produção.

Estabelecer a relação energia consumida por material acabado.

Avaliar a variação de energia consumida, e estabelecer um indicador

característico para o consumo específico.

18

1.4 JUSTIFICATIVA

As características de desempenho dos motores elétricos são descritas por

um conjunto de grandezas eletromecânicas e térmicas, as quais definem o

comportamento operacional do motor sob determinadas condições de carregamento.

Sendo assim, o conjunto de máquinas apresenta valores definidos de

rendimento, consumo de energia, controle, velocidade, conjugado desenvolvido,

perdas e elevações de temperatura em função da potência exigida pela carga e das

condições da rede elétrica de alimentação.

Apostando em novas tecnologias que estão disponíveis nos dias de hoje na

indústria, tais como o monitoramento em tempo real por sistemas supervisórios, e a

análise de diagnósticos de manutenção preditiva, conseguimos uma série de

informações que permitem estabelecer uma relação com a produção de um

determinado material em uma linha de produção.

Diante de um cenário onde a produtividade é uma necessidade do sistema

produtivo competitivo e sustentável, nossa proposta visa analisar um caso prático,

de forma a correlacionar algumas das variáveis mensuradas por sistemas de

supervisão e análise preditiva, estabelecendo uma relação com a eficiência de um

sistema de manufatura que está ligado a um sistema produtivo.

Esse trabalho visa também fornecer conteúdo e conhecimento em seu estudo

no tema, a fim de melhorar a interpretação e utilização de tecnologias já existentes

mais que muitas vezes são utilizadas para apenas um único propósito, limitando

assim uma análise mais completa e que contribui para o processo industrial.

Portanto, a proposta de análise para um modelo de eficiência correlacionada

ao monitoramento online e técnicas preditivas que tem como sustentação o consumo

específico de energia de um motor elétrico, vai ao encontro da concepção do curso

de Engenharia Elétrica, que possui em seu projeto pedagógico a concepção de

permitir aos egressos aplicar conhecimentos matemáticos, físicos, científicos,

tecnológicos e instrumentais à engenharia.

19

1.5 PROCEDIMENTO METODOLÓGICO

O procedimento metodológico inicia-se com a pesquisa bibliográfica em livros,

artigos e sites da internet, a fim de obter um embasamento sobre os motores

elétricos, seus princípios de funcionamento, construção e particularidades, com foco

em manutenção preditiva aplicada a tecnologia de monitoramento online.

Na próxima etapa será realizada a coleta de dados através do sistema de

monitoramento online e seus respectivos registros. Com a utilização de recursos

computacionais, através de softwares específicos os dados serão analisados para

definir os métodos para calcular e avaliar a eficiência dos motores. Em seguida,

pretende-se apresentar a contribuição dos motores nos custos de processo e por

fim, apresentar os resultados obtidos bem como, propor uma solução para melhorar

a eficiência, a confiabilidade e disponibilidade das instalações industriais.

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO

O trabalho de conclusão de curso (TCC) da Engenharia elétrica, pertencente

ao DAELT, é dividido em três grandes etapas, a primeira é a Metodologia Aplicada

ao TCC, capítulo 1, que contém a apresentação e proposta do trabalho, definição do

tema, problemas e premissas, objetivos, justificativas, procedimentos metodológicos

e um cronograma de planejamento. A segunda etapa é realizada na disciplina

Trabalho de Conclusão de Curso 1, na qual são desenvolvidos o referencial teórico,

capítulos 2, constituídos por uma síntese de conceitos de manutenção preditiva, as

fundamentações teóricas sobre motores e uma descrição sucinta de suas partes

constituintes. Por fim, a disciplina Trabalho de Conclusão de Curso 2, terceira e

última etapa, ocorre o desenvolvimento prático da ideia, através de comparações e

análise de resultados, capítulos 3 a 5.

20

2. REVISÃO TEÓRICA

2.1 UM RESUMO DA HISTÓRIA DO AÇO NO BRASIL

A fronteira entre o ferro e o aço foi definida na Revolução Industrial, com a

invenção de fornos que permitiam não só corrigir as impurezas do ferro, como

adicionar-lhes propriedades como resistência ao desgaste, ao impacto, à corrosão,

etc. Por causa dessas propriedades e do seu baixo custo o aço passou a

representar cerca de 90 % de todos os metais consumidos pela civilização industrial.

No atual estágio de desenvolvimento da sociedade, é impossível imaginar o mundo

sem o uso do aço. A produção de aço é um forte indicador do estágio de

desenvolvimento econômico de um país. Seu consumo cresce proporcionalmente à

construção de edifícios, execução de obras públicas, instalação de meios de

comunicação e produção de equipamentos. Esses materiais já se tornaram

corriqueiros no cotidiano, mas fabricá-los exige técnica que deve ser renovada de

forma cíclica, por isso o investimento constante das siderúrgicas em pesquisa. O

início e o processo de aperfeiçoamento do uso do ferro representaram grandes

desafios e conquistas para a humanidade (INSTITUTO AÇO BRASIL,2011).

2.1.1 Processo de Fabricação

Basicamente, o aço é uma liga de ferro e carbono. O ferro é encontrado em

toda crosta terrestre, fortemente associado ao oxigênio e à sílica. O minério de ferro

é um óxido de ferro, misturado com areia fina. O carbono é também relativamente

abundante na natureza e pode ser encontrado sob diversas formas. Na siderurgia,

usa-se carvão mineral, e em alguns casos, o carvão vegetal. O carvão exerce duplo

papel na fabricação do aço. Como combustível, permite alcançar altas temperaturas

(cerca de 1.500 ºC) necessárias à fusão do minério. O processo de remoção do

oxigênio do ferro para ligar-se ao carbono chama-se redução e ocorre dentro de um

equipamento chamado alto forno. Antes de serem levados ao alto forno, o minério e

o carvão são previamente preparados para melhoria do rendimento e economia do

processo. O minério é transformado em pelotas e o carvão é destilado, para

obtenção do coque, dele se obtendo ainda subprodutos carbo-químicos. No

21

processo de redução, o ferro se liquefaz e é chamado de ferro gusa ou ferro de

primeira fusão. Impurezas como calcário, sílica etc. formam a escória, que é matéria-

prima para a fabricação de cimento. A etapa seguinte do processo é o refino. O ferro

gusa é levado para a aciaria, ainda em estado líquido, para ser transformado em

aço, mediante queima de impurezas e adições. O refino do aço se faz em fornos a

oxigênio ou elétricos. Finalmente, a terceira fase clássica do processo de fabricação

do aço é a laminação. O aço, em processo de solidificação, é deformado

mecanicamente e transformado em produtos siderúrgicos utilizados pela indústria de

transformação, como chapas grossas e finas, bobinas, vergalhões, arames,

perfilados, barras etc. Com a evolução da tecnologia, as fases de redução, refino e

laminação, como mostrado na Figura 9, estão sendo reduzidas no tempo,

assegurando maior velocidade na produção (INSTITUTO AÇO BRASIL,2011).

Figura 9 – Fluxo simplificado de produção do aço. Fonte: INSTITUTO DE AÇO BRASIL, 2011.

2.2.1 Tipos de Aço

Há um número muito grande de formas e tipos de produtos de aço. A grande

variedade dos aços disponíveis no mercado deve-se ao fato de cada uma de suas

aplicações demandarem alterações na composição e forma. Em relação à

22

composição química do aço, ao processamento, controles e ensaios (visando

atender especificações dos clientes), além de sua utilização final, os aços podem ser

classificados em função do tipo e em função da forma geométrica.

2.2.1.1 Pelo Tipo de Aço

Aços Carbono: São aços ao carbono, ou com baixo teor de liga, de

composição química definida em faixas amplas.

Aços Ligados / Especiais: São aços ligados ou de alto carbono, de

composição química definida em estreitas faixas para todos os elementos e

especificações rígidas.

Aços construção mecânica: são aços ao carbono e de baixa liga para forjaria,

rolamentos, molas, eixos, peças usinadas, etc.

Aços ferramenta: são aços de alto carbono ou de alta liga, destinados à

fabricação de ferramentas e matrizes, para trabalho a quente e a frio, inclusive aços

rápidos.

2.2.1.2 Por Forma Geométrica

Semi-acabados: Produtos oriundos de processo de lingotamento contínuo ou

de laminação de desbaste, destinados a posterior processamento de laminação ou

forjamento a quente.

Placas;

Blocos;

Tarugos;

Produtos Planos: Produtos siderúrgicos, resultado de processo de laminação,

cuja largura é extremamente superior a espessura (L >>>E), e são comercializados

na forma de chapas e bobinas de aços carbono e especiais.

Produtos Longos: Produtos siderúrgicos, resultado de processo de laminação,

cujas seções transversais têm formato poligonal e seu comprimento é extremamente

superior à maior dimensão da seção, sendo ofertados em aços carbono e especiais.

23

Em aços carbono: Perfis leves, perfis médios, perfis pesados, vergalhões,

fio-máquina (principalmente para arames), barras (qualidade construção civil), tubos

sem costura e trefilados.

Em aços ligados / especiais: Fio-máquina (para parafusos e outros), barras

em aços construção mecânica, barras em aços ferramenta, barras em aços

inoxidáveis e para válvulas, tubos sem costura e trefilados (INSTITUTO AÇO

BRASIL,2011).

2.3 PROCESSOS DE LAMINAÇÃO

A laminação de aços é classificada como um processo de conformação

mecânica em que um material de dimensões conhecidas é deformado plasticamente

ao passar entre dois cilindros que giram em sentidos opostos e apresentam uma

mesma velocidade superficial. A Figura 9 apresenta uma peça de seção de entrada

definida por A1H1 e área de saída por A2H2 sendo laminada. Em virtude de ocorrer

uma redução de área da peça devido à deformação plástica e respeitando a

constância de volume teremos uma velocidade de entrada V1 e uma velocidade de

saída V2 ao que definimos como “passe de laminação” (MEIRELELLES 2004).

Figura 10 – Desenho esquemático de uma peça sendo laminada Fonte: Gerdau, 2004.

Assim, de forma mais simples, laminação de metais é um processo de

conformação no qual o material é forçado a passar entre dois cilindros, girando em

sentidos opostos, com praticamente a mesma velocidade superficial e espaçados

24

entre si a uma distância menor que o valor da dimensão inicial do material a ser

deformado. Ao passar entre os cilindros promove uma deformação plástica, na qual

a espessura é diminuída, o comprimento é aumentado e a largura pode ser

aumentada ou reduzida. Em certos casos, a largura pode não ser alterada, este é o

processo que iremos nos aprofundar.

Uma vantagem fundamental do uso do processo de produção por laminação

está na possível economia de material, devido à adequação das formas e na menor

relação peso/resistência (construção mais leve), em relação aos métodos de

usinagem ou fundição. O processo de laminação apresenta alta produtividade e um

controle dimensional do produto acabado bastante preciso, além de permitir a

obtenção de produtos, como chapas finas de reduzida espessura e longos perfis,

que seria impossível ou muito dispendioso por outros processos. O processo de

laminação também possibilita a introdução de elevado nível de automação,

facilitando assim o controle de uma planta industrial, reduzindo a variabilidade do

processo e permitindo reduzir a exposição dos operadores a riscos.

2.3.1 Laminação a Frio

O trabalho a frio é acompanhado do encruamento (deformação nos grãos do

material em função da conformação sofrida, gerando aumento da dureza e queda da

ductilidade) do metal, que é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e

com barreiras – tais como contornos de grão – que impedem o seu movimento

através da rede cristalina.

Conforme definição de Araújo (1967), o processo de laminação a frio consiste

em reduzir a espessura do material realizando a deformação em temperatura inferior

à temperatura crítica.

A laminação a frio é empregada para produzir folhas e tiras com acabamento

superficial e com tolerâncias dimensionais superiores quando comparadas com as

tiras produzidas por laminação a quente. Além disso, o encruamento resultante da

redução a frio pode ser aproveitado para dar maior resistência ao produto final. Os

materiais de partida para a produção de tiras de aço laminadas a frio são as bobinas

a quente decapadas. (CENTRO DE INFORMAÇÃO METAL MECÂNICA – CIMM,

2012). Na Figura 11 ilustra-se de forma simplificada o processo de laminação.

25

Figura 11: Representação esquemática do processo de laminação Fonte: Rizzo (2007, p. 10).

Ainda segundo o CENTRO DE INFORMAÇÃO METAL MECÂNICA, CIMM

(2012), a redução total de espessura atingida na laminação a frio geralmente varia

de 50 a 90%. Normalmente, a porcentagem de redução menor é feita no último

passe para permitir um melhor controle do aplainamento, bitola e acabamento

superficial. De acordo com Gomes (2007) a redução percentual é definida pela

equação [(h1 – h2)/h1] x 100, onde h1 é a espessura de entrada do material e h2 é a

espessura de saída do material. Assim é possível verificar na Figura 12 o arco de

contato a redução ocorrida com h1 e h2.

26

Figura 12: Arco de contato na laminação Fonte: Gomes, 2007.

Pode-se verificar na Figura 12 que a velocidade do material na entrada do

laminador (V1) é menor que a velocidade dos cilindros (Vc). À medida que ocorre a

deformação, ou redução de espessura, o comprimento do material é aumentado,

assim como sua velocidade. Há um ponto onde as velocidades, cilindro e tira, se

igualam, onde se denomina ponto neutro, ou plano neutro. A tira continua sua

redução de espessura até atingir a espessura de saída (H2), e assim sua velocidade

continua a aumentar até atingir a velocidade de saída (V2). Assim vemos que na

entrada do laminador, os cilindros puxam o material para dentro do arco de contato.

Após o plano neutro, como a velocidade da tira é maior que dos cilindros, há forças

do cilindro que seguram a tira. A diferença entre a velocidade de saída da tira (V2) e

a velocidade dos cilindros (Vc), V2 – Vc, normalmente medida em percentual (%) é

denominada de escorregamento avante.

Outro aspecto do processo de laminação segundo Gomes (2007) é que, se

mantendo a largura inalterada na laminação, a relação do produto velocidade x

espessura é constante, ou seja H1*V1 = H2*V2, o que constitui um fluxo de massa

constante no processo.

27

Gomes (2007) afirma que os agentes mecânicos responsáveis pelo trabalho

de redução no material são os cilindros de trabalho, ferramentas de processo, em

movimento de rotação acionados por um conjunto de motor e caixa redutora que

fornecem a energia para causar a deformação. Rizzo (2007, p. 43) ilustra na Figura

13 essa configuração.

Figura 13: Configuração Laminador Fonte: Adaptado Rizzo (2007, p. 43).

Na Figura 14 estão exemplificadas de maneira geral as entradas e saídas do

processo de laminação. O material de entrada, a bobina a quente decapada (BQD),

sofre ação dos cilindros de trabalho que recebem acionamento por meio de motores

elétricos, como dito por Gomes (2007), e após a redução a BQD se transforma em

bobina full hard (BFH). No processo são utilizados alguns insumos, dentre eles

destaca se como um dos mais importantes o óleo de laminação, o que concorda

com Roberts (1978, p. 478), que diz que o processo de laminação envolve a

interação de três componentes, a saber, os cilindros de trabalho, o lubrificante e a

peça de trabalho, no caso a bobina.

28

Figura 14: Entradas e saídas processo de laminação a frio Fonte: Wenceslau 2012.

Rizzo (2007, p. 65) cita que quando o material é laminado entre dois

cilindros surge uma força que tende a separar estes cilindros, e essa força é

denominada força de laminação. Essa força se traduz pela maior ou menor

dificuldade de se fazer girar os cilindros a fim de reduzir a espessura do material, e

deve ser fornecida pelo motor. Assim, a força de laminação corresponde à força com

a qual os cilindros comprimem o material durante o processo.

Gomes (2007) diz que a força de laminação é determinante na forma do

produto. Uma força excessiva pode ocasionar defeitos de planicidade, nela pode ser

observado o efeito da força de laminação no perfil do material. A região que

apresentar o defeito terá menor espessura, este fato é atribuído ao maior

alongamento.

Um dos fatores que afetam a força de laminação, segundo Rizzo (2007, p.

99) é o atrito existente entre os cilindros e o material. Conforme verificado

anteriormente na Figura 12, existem diferenças de velocidade entre os cilindros e

cada ponto do material laminado no arco de contato. No plano neutro ocorre o atrito

estático entre a tira e os cilindros. É sabido que o atrito estático, quando não há

movimento relativo entre os corpos, é maior que o atrito dinâmico, e durante redução

de espessura da tira no arco de contato ocorrem os dois tipos de atrito. Na Figura

14, Roberts ilustra a distribuição da força de laminação ao longo do arco de contato,

onde fica evidente que ocorre uma concentração, ou pico de força no ponto neutro.

29

Figura 15: Distribuição de força ao longo do arco de contato Fonte: Roberts (1978, p. 248).

Rizzo (2007, p.99) lista alguns aspectos do efeito do atrito no processo,

listados a seguir, e diz que apesar dos aspectos desfavoráveis o processo de

laminação depende da existência do atrito, pois estas forças que produzem a

mordida e o arraste do material através dos cilindros:

Aumento do desgaste de ferramentas/cilindros;

Afeta a qualidade superficial dos produtos;

Aumento do consumo de energia necessária para realização da

deformação;

Alteração, geralmente desfavorável, dos estados de tensão necessários

para a deformação;

Geração de fluxos irregulares de metal durante a conformação;

Surgimento de tensões residuais no produto;

Pode provocar a elevação da temperatura do material a níveis críticos

capazes de comprometer as propriedades mecânicas do mesmo.

30

Visto que apesar dos efeitos negativos, o atrito é necessário para o

processo, é muito importante que ser valor, mais especificamente o coeficiente de

atrito entre tira e cilindro seja muito bem controlado. Esse controle é efetuado pela

iteração do lubrificante com o cilindro.

2.4 SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO E LUBRIFICAÇÃO

A refrigeração e lubrificação no processo de laminação a frio é muito

importante para garantir a qualidade do material laminado, reduzir a energia

necessária para realizar a redução de espessura. Roberts (1978) cita que os

laminadores modernos são projetados com grandes potências de acionamento, e

uma vez que a energia elétrica entra no acionamento do processo, grande parte

dessa energia é convertida em energia térmica. Assim o sistema de refrigeração,

tanto dos equipamentos do laminador, quanto do produto laminado deve ter um

cuidado especial.

O sistema de emulsão no laminador tem como principais funções fazer a

refrigeração dos cilindros e o controle de atrito entre a tira e os cilindros. A emulsão

é definida pela ENCICLOPÉDIA BRITÂNICA, 2012, em físico-química, como a

mistura de dois ou mais líquidos em que um está presente como gotículas, de

tamanho microscópico ou ultramicroscópico, distribuídas por todo o outro. As

emulsões são formadas a partir dos líquidos de componentes misturados

espontaneamente ou, por meios mecânicos, tais como agitação, desde que os

líquidos que são misturados têm nenhuma (ou uma muito limitada) solubilidade

mútua. A emulsão formada pelo óleo de laminação e água é formada com auxílio da

agitação mecânica, com equipamentos agitadores e também pela própria

recirculação no laminador, tubulações e aplicação no processo.

A emulsão é aplicada no processo por meio de bicos devidamente

projetados, com distancias e ângulos adequados para que retirem calor dos cilindros

da melhor forma, assim como projetar a solução para o arco de contato. A Figura 6

exemplifica o sistema de aplicação de emulsão sobre os cilindros e arco de contato.

A CASTROL (2012) diz que lubrificação é aplicar uma substância

(lubrificante) entre duas superfícies em movimento relativo, formando uma película

que evita o contato direto entre as superfícies, promovendo diminuição do atrito e,

31

consequentemente, do desgaste e da geração de calor. Na região onde ocorre a

redução de espessura, no arco de contato, devido às temperaturas alcançadas, o

óleo de laminação é separado da água. Um bom óleo de laminação é projetado para

que neste ponto forme uma camada ou película entre o cilindro e a chapa,

concordando com a definição da Castrol.

Figura 16: Biocos de aplicação de emulsão Fonte: Adaptado Lechler (2012).

O óleo deve resistir às altas cargas de laminação no arco de contato, a fim

de garantir uma boa qualidade do produto. A Figura 17 ilustra essa situação, onde

óleo suporta a força de laminação entre a tira e o cilindro.

Figura 17: Filme de óleo formado no arco de contato Fonte: Wenceslau 2012..

32

O filme de óleo em todo arco de contato é muito importante. A emulsão deve

ter óleo em proporção suficiente para que durante a separação ocorrida no arco de

contato, tenha-se óleo suficiente para que se mantenha desde o plano de entrada

até plano de saída. Porém, concentrações muito altas formarão um filme de óleo

demasiado o que gerará patinação, ou falta de atrito ente cilindro e chapa.

2.5 MOTOR SÍNCRONO

O motor síncrono opera em sincronismo com a fonte de alimentação o que

significa dizer que não possui escorregamento, assim seu rotor que é alimentado em

corrente contínua através de comutadores está em sincronismo com o campo do

estator que é alimentado em corrente alternada.

Os motores síncronos são utilizados para casos especiais de aplicação onde

é necessário alto torque e elevado fator de potência, além de terem alta capacidade

de sobrecarga, mantendo a velocidade constante mesmo em aplicações com

grandes variações de carga, possuem ainda grande estabilidade na utilização com

conversores de frequência podendo atuar em uma ampla faixa de velocidade, seu

baixo custo de manutenção, também são características especiais de funcionamento

que proporcionam inúmeras vantagens econômicas e operacionais ao usuário.

O motor síncrono, como o mostrado na Figura 18, pode ser usado para

geração de potência reativa, para corrigir o fator de potência gerado por outros

motores de indução. Assim, havendo a possibilidade, é frequentemente preferível a

utilização de motores síncronos para a geração de potência reativa de forma

controlável, graças a seu alto fator de potência.

.

33

Figura 18: Máquina síncrona em corte Fonte: Manual WEG

A máquina síncrona é composta pelas seguintes partes:

• Estator, onde está montado um conjunto de bobinas alimentadas em CA;

• Rotor, que também tem um conjunto de bobinas conectado a pares de

anéis alimentados em CC, formando os polos;

• Escovas que deslizam sobre os anéis e que estão fixadas nos porta-

escovas, presos no estator.

Na máquina síncrona, como na máquina de CC, o enrolamento de campo é

excitado por uma fonte CC. O enrolamento dos polos (bobina polar), colocado no

rotor, é levado a anéis coletores, como se mostra no corte visto na Figura 19.

34

Figura 19: Ligação em corte Fonte: Guia Procel 2009

Se a bobina do estator é ligada a uma fonte CA, a máquina funcionará como

um motor síncrono e o rotor girará na velocidade síncrona, em sincronismo com o

campo girante desenvolvido pelo enrolamento do estator e determinado pelo número

de pólos e a frequência da fonte

O motor síncrono pode ter seu circuito equivalente modelado por uma fonte

interna de tensão E e uma reatância indutiva em série jXs alimentado por uma fonte

V, são representados no diagrama da Figura 20, no diagrama aparecem os ângulos

Φ e δ que são respectivamente o defasamento da corrente estatórica de excitação

da máquina com relação a fonte de alimentação e ângulo de carga que é relação de

defasamento ente a tensão interna e a fonte de alimentação, podemos

desconsiderar a resistência interna quando essa é pequena comparada com os

efeitos da reatância indutiva.

O modelo matemático para máquina síncrona pode ser visto como gerador

ou motor uma vez que a construção e princípios físicos são parecidos para efeito de

análise no desenho temos uma fonte de tensão E com um indicativo G interno para

explicitar essa consideração.

35

Figura 20: Circuito equivalente do motor síncrono Fonte: Prof.R.S. Salgado

Quando opera em modo subexcitado a tensão interna E está atrasada em

relação a V. A corrente I está atrasada fasorialmente e a máquina consome reativos

do sistema Figura 21.

Figura 21: Motor síncrono subexcitado Fonte: Prof.R.S. Salgado

Outro estado de operação é quando o motor síncrono se encontra

superexcitado ou sobrexcitado a tensão E está atrasada em relação à V e a corrente

de excitação I do rotor é alta, de modo que o módulo E é maior que V, como mostra

a Figura 22.

36

Figura 22: Motor síncrono superexcitado Fonte: Prof.R.S. Salgado

2.5.1 Perdas em Motores

As perdas energéticas estão relacionadas com o tipo de material utilizado e

a tecnologia de fabricação dos motores e são determinantes no rendimento do

motor. É importante ressaltar que a eficiência energética é determinada

indiretamente através de cálculos, tendo como principal variável independente as

perdas. Levando isso em consideração, é necessário o conhecimento dos tipos de

perdas para escolha do método a ser aplicado. Segundo Fitzgerald (2006), as

perdas comumente consideradas são:

Perdas ôhmicas – as perdas ôhmicas são encontradas em todos os

enrolamentos das máquinas. Essas perdas dependem da resistência efetiva do

enrolamento na frequência de operação e das condições do fluxo.

Perdas no ferro – são as perdas devido à circulação do campo magnético,

por histerese e correntes parasitas que surgem da alteração de densidade de fluxo

no ferro da máquina quando o enrolamento principal de excitação está energizado.

Nos motores, as perdas estão confinadas em sua maior parte no ferro do estator.

Dependem da frequência da rede, da densidade do campo, da qualidade do aço, da

espessura de isolação das chapas, que representam de 15 a 20% do total das

perdas estando em operação.

Perdas mecânicas – consistem em perdas por atrito, nos mancais, em

ventilação e na potência necessárias para fazer o ar circular por dentro da máquina

e pelo sistema de ventilação que representam de 5 a 15% do total das perdas.

Perdas suplementares – consistem em perdas que se originam na

distribuição não uniforme de corrente no cobre e em perdas adicionais no núcleo,

37

produzidas no ferro pela distorção no fluxo magnético pela corrente de carga. Em

máquinas de indução essas perdas podem ser obtidas por ensaio.

A Figura 23 mostra onde ocorrem algumas das perdas citadas acima para

um motor de indução que é análogo ao motor síncrono na questão de perdas, ainda

que possua construção diferente esse possui os tipos de perda citadas acima e seus

efeitos e locais parecidos com o da Figura a seguir.

Figura 23: Localização das perdas de um motor Fonte: Bortoni e YAMACHITA , 2007.

38

2.5.2 Método De Separação de Perdas

Conforme a NBR-5383 (Máquinas Elétricas Girantes Parte 1: Motores

Trifásicos - Ensaios), o método de separação de perdas consiste em determinar

através de ensaios específicos cada uma das perdas existentes na máquina,

desprezando as perdas por Focault e Histerese por terem baixa contribuição

percentual nas perdas totais conforme sugerido pela Figura 24. (ABNT, 1982).

Figura 24: Diagramas de perdas em um motor Fonte: Adaptado de Lu (2006) e Lee (2003).

A potência elétrica absorvida da rede Pel menos as perdas ∑Perdas resulta

na potência mecânica útil Pútil disponível no eixo do motor. O rendimento η será

dado pela relação entre potência mecânica e potência elétrica. A equação 1 explicita

esta informação.

𝜂 =𝑃ú𝑡𝑖𝑙

𝑃𝑒𝑙=

𝑃𝑒𝑙− ∑𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠

𝑃𝑒𝑙 (1)

39

2.5.3 Manutenção

A manutenção deixou de ser uma atividade de simples reparo e se tornou um

pilar para garantir a eficiência dos processos produtivos. Segundo Maciel (2013), nas

indústrias, a manutenção das funções dos componentes de sistemas e máquinas,

como os motores de indução, é vital para garantia da produtividade. Os processos

sofrem constantes alterações, principalmente devido ao aumento da diversidade de

seus componentes, e implicam utilização de novas técnicas de, planejamento e

função da manutenção (apud BRANCO FILHO, 2000, p. 61).

Manutenção é definida de maneiras diferentes por vários autores. Apesar

disso, o conceito base permanece o mesmo: garantir determinada função. Kardec e

Nascif (2002) definem que a manutenção deve garantir a confiabilidade e a

disponibilidade funcional dos equipamentos e instalações de modo que atenda um

processo produtivo ou de serviço, mantendo a segurança, a preservação do meio

ambiente e os custos. Existe uma norma específica para área de confiabilidade e

mantenabilidade, que é a NBR 5462 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NOTMAS

TÉCNICAS 1994). Ela define vários termos pertinentes à realidade da manutenção e

seus conceitos. Um deles é a própria definição de manutenção: “Combinação de

todas as ações técnicas e administrativas, incluindo as de supervisão, destinadas a

manter ou recolocar um item em um estado no qual possa desempenhar uma função

requerida”. Com relação à atividade de manutenção outro termo interessante é a

mantenabilidade, que é “Probabilidade de uma dada ação de manutenção efetiva,

para um item sob dadas condições de uso, poder ser efetuada dentro de um

intervalo de tempo determinado, quando a manutenção é feita sob condições

estabelecidas e usando procedimentos e recursos prescritos”. Para contextualizar o

entendimento da manutenção é necessário conhecer mais alguns termos, como a

função requerida, definida como “Função ou combinação de funções de um item que

são consideradas necessárias para prover um dado serviço”. Outro termo

importante, resultado da manutenção bem executada é a operação, que é definida

como “Combinação de todas as ações técnicas e administrativas destinadas a

permitir que um item cumpra uma função requerida, reconhecendo-se a necessidade

de adaptação na ocorrência de mudanças nas condições externas”. A ABRAMAN

(Associação Brasileira de Manutenção) divulga periodicamente levantamentos que

40

mostram a situação das atividades de manutenção no país. Através do Documento

Nacional, que trata dados entre 1995 e 2011, pode ser visualizada uma Tabela com

os custos por faturamento bruto das atividades de manutenção, conforme pode ser

visto na Tabela 1 (ABRAMAN, 2011).

Tabela 1- Custo por faturamento da manutenção

Fonte: ABRAMAN (2011).

2.5.4 Defeito e Falha

Um comum equívoco cometido é na distinção entre os conceitos de defeito e

falha. Sobre isso, existem diversas literaturas a respeito, porém, de forma resumida,

é possível claramente observar que defeito é qualquer desvio de uma característica

de um item em relação aos seus requisitos, que podem ser uma especificação e

pode afetar a capacidade de um item desempenhar uma função requerida. A falha é

definida por um evento, caracterizado pelo término da capacidade de um item

desempenhar a função requerida. Ela pode ser resultado de um defeito. Após a

falha, um item entra em estado de pane, excluindo-se a incapacidade durante a

manutenção preventiva, demais ações planejadas ou a falta de recursos externos,

conforme a NBR 5462 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NOTMAS TÉCNICAS

1994).

41

2.5.5 Causa das Falhas

Uma das funções do modo de falhas é entender se é necessário investigar a

causa da falha. Dentro deste entendimento deve ser determinada a aplicabilidade de

manutenção no item ou equipamento. Exemplo, modo de falha pode ser um mancal

incluindo as vedações, lubrificações, fixação e rolamento; o mecanismo desta falha é

a fadiga por ter excesso de carga e a causa é o desbalanceamento, ou

desalinhamento. Este tipo de falha gera as vibrações, que determinam a ação de

usar uma tecnologia, para medir e avaliar (Latino, 2001).

2.5.6 Manutenção Centrada em Confiabilidade (RCM)

Com a evolução da manutenção, foram desenvolvidas várias ferramentas e

métodos para se obter a maior eficiência possível nos processos produtivos. Um

grande passo foi dividir as atividades de manutenção aliando a prática ao

planejamento. Para isso, o conceito de esperar um item falhar para intervir deu

espaço ao monitoramento e planejamento. Os três tipos mais comuns de

manutenção, adaptados da norma NBR 5462. A Figura 25 apresenta as

características da manutenção centrada na confiabilidade (RCM).

Figura 25: Componentes do programa RCM Fonte: Nasa, 1996.

42

2.5.7 Manutenção Corretiva

É a atividade de manutenção mais antiga, na qual se espera o item falhar e

entrar em estado de pane para executar a manutenção e então recuperar a condição

dele executar sua função requerida.

Quando este tipo de manutenção é praticado, com certa porcentagem, indica

a falta de planejamento nas atividades, provoca um alto volume de peças de

reposição, estoque alto e um ineficiente uso de estratégias de manutenção (Levit,

1997).

2.5.8 Manutenção Preventiva

Efetuada através de planejamento, programada, em intervalos pré-

determinados, a fim de se reduzir a probabilidade de falha ou degradação de um

item. Usualmente, significa tarefas determinadas em intervalos fixos e com

substituição de partes. Consiste regularmente de inspeções, ajustes, limpeza,

relubrificação, calibração e reparos de componentes do equipamento. As inspeções

periódicas, ou eventos em intervalos pré-definidos ajudam a reduzir a falha nos

equipamentos. Outra redução significativa no potencial de falhas e que ajuda

consideravelmente na determinação da frequência é o tempo médio entre falhas.

Isto funciona como um guia na determinação do intervalo da tarefa.

2.5.9 Manutenção Preditiva

Também definida como Manutenção Controlada, é uma evolução da

manutenção preventiva e foi desenvolvida com base no monitoramento. É baseada

na aplicação sistemática de técnicas de análise através de meios de supervisão ou

amostragem, intervém o mínimo possível na planta, buscando reduzir a manutenção

preventiva e também a corretiva.

Esta técnica teve início, no final da década de 1950 e início de 1960, com os

estudos voltados às vibrações e ruídos até então tudo era visto como ruído, as

máquinas e equipamentos tinham seu controle no nível de ruído. Contudo, a partir

desta época, passou-se a usar a análise e monitoramento de vibração como

43

elemento essencial para indicação da performance dos equipamentos. A vibração

ganhou foco e começou a ser evidenciada no meio industrial como uma técnica,

para manter as condições de funcionalidade de máquinas e equipamentos

(Nepomuceno, 1985). Esta tecnologia usa a inspeção visual, técnicas não

destrutivas e dados de performance da condição da máquina. Permite uma análise

contínua das condições do equipamento, monitora dados e programa a manutenção,

trabalha com a funcionalidade da falha (Piotrowski, 2000).

Entre estas correlações destacam-se três: análise de lubrificantes, termografia

e monitoramento da vibração. A análise de lubrificantes é feita pela contagem de

partículas e tem uma correlação com a vibração. A termografia é feita pela condição

de alta temperatura em isolação em motores e a própria vibração. Com a integração

destas técnicas, pode-se determinar a melhor condição do estado real da função do

item ou equipamento. A Figura 25 mostra, quando se deve praticar este tipo de

análise.

2.5.10 Manutenção Pró-Ativa

A manutenção proativa consiste na “identificação e eliminação sistemática

dos problemas potenciais relacionados com todos os aspectos de confiabilidade,

disponibilidade e sustentabilidade” (HANSEN, 2002). Segundo Kardec e Nascif

(2002), a manutenção, para ser estratégica precisa estar focada nos resultados

empresariais da organização. É necessário, sobretudo, deixar de ser apenas

eficiente para se tornar eficaz, ou seja, não basta, apenas, reparar o equipamento ou

instalação tão rápido quanto possível, mas é preciso, principalmente, manter a

função do equipamento disponível para a operação reduzindo a probabilidade de

uma parada de produção não planejada.

Deschamps, Gonçalves e Loures (2008) dizem que a manutenção proativa

tem obtido economias inalcançáveis pelas técnicas de manutenção convencionais.

De fato, ela é uma combinação da manutenção preditiva com a preventiva, pois além

de permitir a identificação de problemas potenciais, é primordial para garantir a

confiabilidade, por isso é feita a intervenção com base na frequência de ocorrência

da falha Figura 26. As informações do histórico dos equipamentos quanto às causas

44

básicas das falhas frequentes são coletadas e identificadas, para que o projeto

possa ser modificado.

Por fim, é um meio importante de se adquirir economias que não são

alcançadas por técnicas de manutenção convencionais.

Figura 26: Comportamento da falha Fonte: Moubray, 1999.

2.5.11 Técnicas de Monitoramento

A manutenção preditiva é a primeira grande quebra de paradigma nos tipos

de manutenção, e sua prática no Brasil ainda pode evoluir bastante. A manutenção

preditiva é estratégica do ponto de vista empresarial.

Como já visto, a manutenção preditiva é aquela que indica a necessidade de

intervenção em função do estado de degradação do material – com base no

acompanhamento da condição do equipamento por análise estatística de

parâmetros. A avaliação do estado do equipamento se dá através de medição,

acompanhamento ou monitoramento destes parâmetros. Este acompanhamento

pode ser feito de três formas:

45

Monitoração subjetiva

Monitoração objetiva

Monitoração contínua

2.5.12 Monitoração Subjetiva

A monitoração subjetiva (também chamada de inspeção) é a atividade

exercida pelo pessoal da manutenção de acompanhar o estado do equipamento

utilizando os sentidos humanos, ou seja, tato, olfato, audição e visão. Quando um

mecânico coloca a palma da mão sobre uma caixa de mancal, pode perceber, por

exemplo, a temperatura e a vibração.

Esses procedimentos fazem parte da monitoração da condição do

equipamento e serão tanto mais confiáveis quanto mais experientes sejam os

profissionais de manutenção.

2.5.13 Monitoração Objetiva

A monitoração objetiva é o acompanhamento feito por meio de instrumentos

específicos. É objetiva, pois fornece um valor de medição do parâmetro que está

sendo acompanhado e o valor medido independe do operador do instrumento,

desde que sempre se utilize o mesmo procedimento nas mesmas condições.

Para a utilização de qualquer meio de acompanhamento do estado de

equipamentos por meio de instrumentos – monitoração objetiva – é fundamental

que: a pessoa que opera os instrumentos seja treinada e habilitada; os instrumentos

estejam aferidos e calibrados; e haja pessoal capaz de interpretar os dados

coletados e emitir diagnósticos.

2.5.14 Monitoração Contínua

A monitoração continua, que é também um acompanhamento objetivo, foi

inicialmente adotada em situações onde o tempo de desenvolvimento do defeito era

muito curto e equipamentos de alta responsabilidade. Isso significa uma excelente

46

proteção, desde que a monitoração contínua venha associada a dispositivos que

alarmem e desliguem o equipamento, uma vez atingido o valor estipulado.

É possível monitorar variáveis típicas de processo como densidade, vazão e

pressão e variáveis mais relacionadas diretamente com os equipamentos, como

vibração, temperatura de mancais, temperatura do isolamento e dos enrolamentos

de motores elétricos.

No local mais apropriado para medição é instalado um sensor que pode ser

de contato ou não, dependendo do tipo de medição. Esse sensor é ligado a um

transdutor que faz a decodificação do sinal para que ele possa ser traduzido em

valores.

Os sinais de condição mecânica, elétrica ou de processo transmitidos pelos

sensores são levados até os transmissores, que são capazes de realizar cálculos

complexos, detecção de alarme e verificação de erros. Desse modo, entradas de

pressão, temperatura, rotação, fase, tensão, corrente elétrica, quando processadas,

podem fornecer a potência, carga e eficiência volumétrica; comparar os resultados

com dados previamente informados e comparar essas condições para o CLP ou

SDCD.

2.5.15 Consumo Específico

Algumas definições podem ser encontradas para o tema, como em

FERREIRA e FERREIRA (1994), que define que gerir energia consiste em conhecer

os consumos energéticos (por que, como, onde e quando se consome energia),

contabilizar e seguir a evolução dos consumos de energia, dispor de dados para a

tomada de decisão, agir para otimizar e controlar o resultado das ações e

investimentos realizados. A gestão de energia pode ser conceituada como um

conjunto de fundamentos, técnicas e ferramentas de ordenamento e conservação de

energia, visando seu aproveitamento ótimo.

Em FERREIRA e FERREIRA (1994), os indicadores são estabelecidos

através de relações e de variáveis que podem ser usadas ao nível macro e micro

com o objetivo de monitorar as variações e desvios de eficiência energéticas dos

sistemas e, classifica-os como macroindicadores.

47

A análise do consumo específico de energia (kWh) ou carga instalada (kW)

em relação ao produto gerado ou serviço prestado em um dado intervalo de tempo,

produz indicadores de desempenho passíveis de comparação aos padrões

estabelecidos no país e no exterior. Assim, é possível verificar a existência de

possíveis potenciais de economia de energia elétrica, através da utilização de

produtos e/ou processos mais eficientes (BORTONI e YAMACHITA, 2006). A

equação 2 apresenta o cálculo deste indicador:

CE = Consumo (kWh)

Produção (2)

Onde:

Consumo: consumo de energia elétrica, kWh

Produção: Quantidade de produto produzido pela unidade consumidora, em kg.

48

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 INTRODUÇÃO

Nesse capitulo vamos apresentar os equipamentos que serão objetos de

estudo deste trabalho, bem como os métodos para obtenção dos resultados

descritos por softwares e subsistemas.

3.2 RECURSOS UTILIZADOS

Foram utilizados diversos materiais, equipamentos e recursos que

possibilitaram a aferição de variáveis, bem como a análise dos resultados

relacionados ao consumo específico do motor principal da cadeira de laminação.

Assim, seguem os equipamentos que serão descritos neste capitulo a seguir:

Laminador

Motor síncrono

Automação

Sistema de monitoração de variáveis – IBA ANALYZER

3.3 LAMINADOR

O equipamento que será objeto de estudo se trata de um Motor do laminador

reversível a frio com uma única cadeira de laminação que produz bobinas full hard

para atender a demanda direta da linha de galvanização contínua. Este por sua vez,

possui uma cadeira compreendida por dois cilindros de apoio e 2 cilindros de

trabalho, estes últimos acoplados a um motor síncrono comandado por um

conversor de frequência. Dois atuadores hidráulicos, instalados sobre os cilindros de

apoio, completam o conjunto de redução da cadeira.

Na região de deformação, situada entre os cilindros de trabalho superior e

inferior, a chapa passa e sofre redução de espessura por efeito de compressão

provocada pela ação dos atuadores hidráulicos e de tração devido à tensão

existente nas enroladeiras. Este mecanismo obedece à lei de plasticidade segundo a

49

qual a pressão normal acrescida da tensão longitudinal deve ser igual ao limite de

escoamento do material.

A elevada pressão conseguida com uso de atuadores hidráulicos, é

transferida para a chapa por meio do empilhamento de um conjunto de quatro

cilindros rotativos, dois localizados acima e dois abaixo da tira. O par de cilindros de

trabalho motorizado estará sempre em contato com o material processado, sendo,

por sua vez, apoiado por um par de cilindros de encosto livres, cuja função é

minimizar o curvamento de todo o conjunto. Esse curvamento tem origem na reação

da chapa à deformação e será evitado utilizando cilindros de encosto com medidas

de diâmetros próximas à largura da mesa dos cilindros.

A operação de deformação da tira em laminação a frio é considerada

deformação em estado plano e portanto pode-se admitir desprezível a variação de

largura da tira. Portanto, de acordo com a conservação do fluxo de massa, o volume

do material corresponde à redução em espessura da tira deverá ser transformando

em aumento do comprimento, na mesma proporção.

Além dos equipamentos básicos já descritos, existem os equipamentos

auxiliares com igual importância no processo de laminação a frio. Dentre estes

equipamentos auxiliares, deve ser mencionado o sistema de refrigeração e

lubrificação da interface chapa/cilindros. Este sistema tem como função a absorção

do calor originado das energias de deformação e de atrito, dissipadas neste região.

O sistema é composto por grandes tanques contendo soluções água/óleo que são

bombeadas até o laminador e lançadas sob pressão sobre a chapa e nos cilindros,

com a função de lubrificar e extrair calor dos mesmos. O correto dimensionamento e

operação deste sistema tem impacto direto na qualidade e produtividade do

laminador, já que influencia parâmetros do processo, como coeficiente de atrito e

limpeza da tira.

Os produtos finais são bobinas revestidas com zinco ou galvalume® (liga Zn-

Al) destinadas principalmente para aplicação na construção civil e mercado de linha

branca. Na Figura 27 observa-se o laminador estudado nesse trabalho.

50

Figura 27: Laminador Fonte: Autoria Própria.

O laminador em questão é do tipo reversível 4-HI de uma cadeira com

Continuously Variable Crown, CVC. A matéria prima de entrada da linha são bobinas

laminadas a quente decapadas que podem ter larguras de 700mm a 1600mm,

espessuras de 1,5mm a 5,0mm e peso máxi

ANÁLISE DO CONSUMO ESPECÍFICO EM UM PROCESSO...

Documents

Transcript of ANÁLISE DO CONSUMO ESPECÍFICO EM UM PROCESSO...