Melhorias nos motores elétricos podem salvar o planeta

A iluminação utilizando LEDs é uma das soluções mais propostas por ambientalistas atualmente, e eles têm um ponto. De acordo com o Departamento de Energia dos Estados Unidos, a iluminação em estado sólido é uma tecnologia altamente eficiente em termos energéticos, usa de 75 a 90% menos energia e dura 25 vezes mais do que as lâmpadas incandescentes tradicionais. Além disso, a adoção generalizada poderia reduzir o consumo anual de energia dos EUA pelo equivalente a 44 grandes usinas. Os LEDs são modernos e integram-se perfeitamente à tecnologia wireless. Os consumidores que compram muitas lâmpadas LED se sentem bem em fazer sua parte para o meio ambiente. Com tantos benefícios não tem como gostar, não é mesmo?

 

A iluminação embora consuma uma proporção significativa, cerca de um quinto da geração de eletricidade dos EUA, está longe de ser o maior consumidor de energia. Esse título vai para uma tecnologia imprescindível, ainda que sem graça, que trabalha incansavelmente, escondida dentro de produtos da linha branca e espreitando por trás dos painéis de muitos automóveis e em milhões de cantos, fora da vista e da mente do público. No entanto, se realmente nos importamos com o planeta, precisamos voltar nossa atenção para o maior consumidor de energia de todos: o motor elétrico.

 

Os números exatos são difíceis de obter, mas os números do Departamento de Energia dos EUA, há alguns anos atrás revelaram que os motores elétricos respondem por cerca de dois terços do consumo de energia industrial e cerca de 50% do consumo total de eletricidade dos EUA, chegando a 2000 TWh por ano. A iluminação fica em segundo, consumindo cerca de 19%. Com números tão grandes, até mesmo um aumento de 1% na eficiência do motor elétrico eliminaria a necessidade de mais de 200 grandes usinas.

 

Embora até agora não tenham dado a devida importância da contribuição dos motores elétricos para o consumo total de energia, os engenheiros têm  se esforçado para buscar soluções. Para ser justo, a motivação dos profissionais da área técnica não é totalmente altruísta, seus clientes constantemente demandam motores menores, mais leves e mais duráveis que são mais baratos de rodar. Ao longo de sua vida, os custos de eletricidade de um motor são tipicamente 20 vezes maiores do que o custo de compra da unidade, mas o resultado é o mesmo, maior eficiência levando a menor demanda de energia.

 

Ajuste do design de motores elétricos

 

A eficiência do motor é determinada pela quantidade de energia fornecida em comparação com a potência gerada pelo motor. Por exemplo, se são necessários 2W de energia elétrica para gerar 1W de potência do motor, a unidade é 50% eficiente. A diferença (perda) é dissipada devido ao atrito mecânico, resistência elétrica e perdas indutivas. Por meio de várias iterações os engenheiros aperfeiçoaram seus projetos com inovações, como rolamentos de baixa fricção, ímãs de alta permeabilidade e fatores firmes sem escova (indução). Os motores contemporâneos apresentam eficiências de até 80 ou 90%, mas uma melhora adicional de alguns por cento teria um impacto significativo na futura capacidade de geração de eletricidade.

 

As fontes eletrônicas de energia também desempenharam um papel importante na revolução do motor. Uma moderna unidade de potência de modo de comutação produz uma entrada sinusoidal trifásica que, por sua vez, produz um campo magnético rotativo que puxa o rotor do dispositivo sem o uso de escovas indutoras de perda. Além disso, a modulação de largura de pulso (PWM) sobreposta à frequência de operação da base permite o controle preciso de parâmetros como corrente de partida, torque e escorregamento. Esse controle preciso dos parâmetros ajuda a limitar ainda mais as perdas elétricas.

 

Agora os engenheiros estão levando as coisas adiante:

 

Primeiro, eles estão favorecendo a alta tensão em relação aos projetos tradicionais de alta corrente. Isso ocorre porque a potência nominal do motor é o produto da tensão e corrente de alimentação (VxA). Uma corrente mais alta aumenta a potência, mas também exige o uso de bobinas maiores, aumentando os custos e o tamanho do motor. Altas voltagens (da ordem de 10kV) têm o mesmo efeito na energia, mas não precisam de bobinas de cobre caras e pesadas.

 

Em segundo lugar, estão girando os motores mais rapidamente. Principalmente porque permite que um motor mais compacto faça o mesmo trabalho que uma máquina rotativa maior e mais lenta, mas também tem um pequeno efeito na eficiência. Por exemplo, o aumento da frequência de operação limita a ondulação de corrente, um artefato da entrada de rede retificada inicial e uma fonte de perda e interferência eletromagnética (EMI). A operação de alta frequência também reduz a ondulação do torque, o que pode causar vibração no motor, aumento da fricção e desgaste prematuro.

 

O papel da WBG Semicondutores

 

Um desafio permanece, os MOSFETs e IGBTs de silício utilizados como elementos de comutação em fontes de alimentação de motores elétricos estão atingindo seus limites. O problema pode ser dividido em quatro frentes:

  • Os componentes não conseguem lidar com as temperaturas mais altas que vêm com condições operacionais mais estressantes;
  • Sua tensão de ruptura relativamente baixa limita a capacidade de elevar as tensões de entrada;
  • Perdas de chaveamento, causadas por resistência residual e capacitância toda vez que um transistor pula de “ON” para “OFF”, aumentam à medida que a frequência de operação sobe (negando ganhos de eficiência em outros lugares);
  • Devido a um longo tempo de comutação, os dispositivos têm uma frequência de comutação máxima relativamente baixa.

 

Uma solução são os semicondutores de banda larga (WBG). Materiais como o nitreto de gálio (GaN) têm um gap de energia de 2eV a 4eV comparado com 1eV a 1,5eV do silício. Um gap de energia é a medida da energia necessária para liberar um elétron para condução em um semicondutor.

 

Como os elétrons de GaN requerem mais energia para escapar de um átomo e contribuem mais para a condução do que os de silício, o semicondutor é muito menos propenso a mudanças não programadas causadas pelo acúmulo de calor do que pela aplicação deliberada de uma tensão controlada. O GaN também exibe uma tensão de ruptura mais alta do que o silício, pode mudar em cerca de um quarto do tempo e as perdas de comutação são de cerca de 10 a 30% das de um transistor de silício para uma determinada frequência de comutação e corrente do motor. Finalmente, como os elétrons em GaN são capazes de se mover muito mais livremente através da rede cristalina do transistor do que os do silício, os dispositivos de GaN podem virar muito mais rápido.

 

As soluções comerciais de GaN estão ficando cada vez mais baratas, tornando-as uma opção viável para fontes de alimentação de motores elétricos sensíveis ao custo, principalmente  quando o cliente final contabiliza os custos de energia vitalícios do motor, bem como seu preço inicial de compra. Mas parte da adoção dessa tecnologia de eficiência energética será impulsionada pela demanda do cliente. Os LEDs são mais caros que a iluminação convencional, mas quando os custos de operação e a longevidade são considerados, eles são mais baratos do que outras formas de iluminação. É por isso que os consumidores adotaram a tecnologia. Agora, os fabricantes de eletrodomésticos precisam vender as mesmas vantagens dos motores elétricos baseados em GaN em suas máquinas de lavar e congeladores. Dessa forma, tanto os consumidores quanto os ambientalistas terão um impacto positivo no futuro ambiente do planeta.

 

Artigo escrito originalmente por Steven Keeping para Mouser Electronics: Move Over LEDs, Electric Motors Will Save the Planet.

 

Traduzido por Equipe Embarcados.

 

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dakysIvan AssarittiJoão Cabral Sobrinho Recent comment authors
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João Cabral Sobrinho
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João Cabral Sobrinho

Falou se muito e disse pouco sobre o que tem de novo no mêrcado de motores elétricos. Na Inglaterra estão desenvolvendo um motor elétrico para carro de grande eficiência. Não li nada sobre ele ainda.

Ivan Assaritti
Membro

Olá João, Acredito que, se no artigo pouco foi falado sobre o que há de novo no mercado de motores elétricos é porque realmente não houve mesmo muitas implementações importantes nessa área, muito provavelmente porque estamos chegando no limiar da aplicação de materiais de melhor performance em motores elétricos. Talvez tenha sido por isso que o autor focou mais seu artigo no sistema de acionamento e controle eletrônico, do que na concepção motórica em si. Entretanto achei relevante a informação sobre os semicondutores WBG que não conhecia. Agora sobre o motor elétrico para carro de grande eficiência que está sendo… Leia mais »

dakys
Visitante
dakys

......,o motor se tornara muito eficiente quando forem inventados materiais super condutores que trabalhem em temperaturas em torno de 50 graus centigrados,isto vai acabar acontecendo a longo prazo,vamos ver muita coisa boa acontecer ainda , antes deste super condutor ser inventado,..........