Estratégias de economia de energia e operacionais

Benefícios dos projetos de modernização para escadas rolantes e esteiras rolantes.

A maioria dos intervenientes na indústria de transporte vertical — e as pessoas em geral — estão cada vez mais empenhados em proteger o meio ambiente. Assim, o uso responsável e eficiente da energia é um elemento importante a ser considerado.

Numa perspectiva mais ampla, devemos analisar a Avaliação do Ciclo de Vida (ACV), começando pela fase inicial de projeto de novos produtos. No entanto, isso também deve ser feito para a modernização de produtos, a fim de melhor compreender os diversos benefícios e consequências das atualizações de máquinas. Não apresentaremos aqui uma ACV completa, mas sim as vantagens mais interessantes da modernização dos acionamentos de escadas rolantes e esteiras rolantes com controladores de tensão e velocidade variáveis, em termos de economia de energia e outros custos operacionais, bem como o impacto ao longo da vida útil do produto.

Opções para unidades com 10 a 15 anos de uso

Escadas rolantes e esteiras rolantes fabricadas nos últimos 10 a 15 anos geralmente possuem inversores/acionadores de tensão e frequência variáveis ​​(VVVF). Essas máquinas normalmente reduzem sua velocidade nominal de 0.5 m/s para 0.2 m/s durante períodos sem passageiros. A detecção de passageiros é normalmente realizada por um sensor fotoelétrico localizado no rodapé, próximo à linha de interseção dos degraus (onde os degraus começam a se mover). Isso é conhecido como "velocidade nominal - baixa velocidade" (NL). Apenas uma pequena parcela dessas escadas rolantes existentes está equipada com sensores capazes de detectar pessoas a uma distância de 1.3 a 1.8 m do embarque.

Trata-se de uma exigência da norma EN 115, que determina que as unidades parem completamente e aguardem a chegada do próximo grupo de passageiros. Isso é conhecido como "velocidade nominal — baixa velocidade — modo de espera" (NLS).

Assim, as partes interessadas responsáveis ​​pela operação dessas máquinas podem considerar a mudança de NL para NLS, o que, conforme descrito acima, normalmente é possível adicionando fotocélulas autorrefletivas ou sensores de radar às entradas de corrimão próximas (integradas às entradas ou fixadas em placas de piso próximas).

Opções para unidades com 15 a 30 anos de uso

As unidades nesta faixa etária normalmente operam em velocidade nominal (N) o tempo todo. Uma escada rolante pode ser modernizada para operação em velocidade normal (NL) ou em velocidade nominal reduzida (NLS). Embora também possa ser modernizada para operação em velocidade normal (NS), isso não será apresentado aqui, pois a operação em NS apresenta algumas desvantagens devido ao estresse nos componentes mecânicos durante os processos de partida/parada.

Isso poderia ser atenuado por um soft starter NS, mas os custos se aproximariam dos de atualizações mais potentes baseadas em inversores de frequência, como NL e NLS. Este é claramente o segmento de idade com o maior potencial de economia de energia e operacional.

Opções pela 30 anos ou mais Monitoradas

Para escadas rolantes com mais de 30 anos, pode ser adotada uma estratégia de modernização diferente. Normalmente, ela inclui uma atualização completa do sistema de controle, uma reforma total ou a substituição completa.

Como tomar a melhor decisão

A melhor decisão será determinada primeiramente pelas características do tráfego de passageiros, em termos de quantidade e tipo (fluxo de entrada de passageiros pequeno e contínuo versus grandes lotes de entrada de passageiros periódicos).

Saberemos quanta energia será economizada após cada tipo de modernização (N para NL, N para NLS e NL para NLS) com precisão de ±10%, assim como a redução da distância percorrida, que está fortemente relacionada aos custos operacionais e à vida útil restante.

Uma observação sobre os sistemas de propulsão regenerativa: como a regeneração ocorre em poucos momentos, o autor estima que a quantidade de watts regenerados por hora ao longo de um dia não seja significativa em comparação com o consumo de energia de uma viagem completa.

Exemplo de medição de lotação de passageiros

Existem vários métodos para registro de carga e tráfego, e aquele com o qual o autor está mais familiarizado é a medição de potência ativa usando um analisador de potência trifásico.

Suponha que a escada rolante A seja uma escada rolante de média-alta velocidade equipada com um motor de 30 kW. A partir do gráfico de análise de potência ativa da Figura 1, descobrimos algo aplicável, em geral, a escadas rolantes e esteiras rolantes:

• Durante os horários de pico de tráfego, os motores funcionarão com 30 a 50% de sua capacidade nominal, devido ao fato de que normalmente são dimensionados para o transporte de dois passageiros por degrau, enquanto na realidade, nesses horários, há um passageiro a cada dois degraus do lado direito ("passageiros estáticos") e um passageiro a cada 3 ou 4 degraus do lado esquerdo, que caminham pelos degraus.
• Em horário normal de funcionamento, os motores operam com 15 a 25% da sua capacidade.
• Durante os horários de baixo tráfego, essa capacidade é de apenas 10 a 15%.

Fator de potência

Uma consequência disso é que o fator de potência do motor é muito baixo para escadas rolantes com partida-triângulo que operam o tempo todo em neutro (N). Isso resulta em altas perdas resistivas e magnéticas no motor, já que ele opera a 0.5 m/s com uma tensão de entrada de 400 VCA a 50 Hz, enquanto a demanda de torque é muito baixa em comparação com a capacidade nominal.

O fator de potência é tão baixo quanto 0.1-0.2, e a alta potência reativa está sobrecarregando as linhas de alimentação elétrica, causando também perdas resistivas no lado da alimentação. A Figura 3 mostra as diferenças de fator de potência entre motores idênticos controlados em estrela-triângulo (N) e em VVVF, tanto na direção ascendente quanto na descendente.

O inversor VVVF melhora o fator de potência. Se o modo econômico do inversor interno estiver ativado, a tensão fornecida ao motor será ajustada ao torque necessário. Isso significa economia de energia mesmo em velocidade nominal constante, aproximadamente 400 W para um motor de 15 kW e 300 W para um de 11 kW. Essa economia significativa equivale a 15% do consumo total de energia do motor a 0.5 m/s (sem carga de passageiros).

Cálculo de tráfego a partir de dados de potência ativa

Se os dados de potência ativa forem processados ​​cuidadosamente, podemos obter o número de passageiros que utilizam a escada rolante com uma precisão razoável. Também podemos obter informações sobre o status de carga/descarga da escada rolante com alta precisão. Isso será útil para a simulação de diferentes opções de economia de energia, como NL e NLS. Mesmo que tenhamos dados de uma escada rolante em operação NL, podemos determinar o tráfego e a potência necessária caso o inversor apresente defeito e/ou seja desativado, resultando em operação N.

A escada rolante de exemplo A incorpora um acionamento VVVF (inversor) que realiza a redução da potência ativa para 2.3 kW após a ausência de passageiros nos três últimos pontos (30 s).

Podemos entender que as economias para cada estratégia não são as mesmas a partir dos seguintes dados:

Escada rolante A (sentido ascendente, perfil de tráfego médio-alto):

• De N para NL: economia diária de energia de 17 kWh (25% em relação a N)
• De NL para NLS: economia diária de energia de 10 kWh (15% em relação a N)
• De N para NLS: economia diária de energia de 27 kWh (40% em relação a N) Escada rolante B (sentido descendente, perfil de tráfego baixo):
• De N para NL: economia diária de energia de 17 kWh (38% em relação a N)
• De NL para NLS: economia diária de energia de 18 kWh (41% em relação a N)
• De N para NLS: economia diária de energia de 35 kWh (79% em relação a N)

A economia depende fortemente do fluxo de passageiros nas escadas rolantes e de como eles entram (um fluxo pequeno e contínuo versus grandes grupos periódicos). Um exemplo de fluxo de passageiros pequeno e semicontínuo é uma escada rolante descendente entre o nível da rua e o saguão da estação em um sistema de metrô, enquanto um exemplo de grandes grupos periódicos seria uma escada rolante ascendente da plataforma do trem para o saguão.

Tomando a decisão

Assim que soubermos quantos quilowatts-hora e quantos quilômetros por dia economizaremos devido à simulação de diferentes estratégias de economia de energia e operacionais, estaremos em uma posição favorável para traduzi-los em números econômicos e de proteção ambiental (redução da pegada de carbono). Também estaremos em uma posição favorável para calcular se conseguimos melhorar a classificação energética de acordo com a norma ISO 25754:3-2015. Em conjunto, isso nos ajudará a tomar a melhor decisão sobre a estratégia de modernização.

A economia de recursos está fortemente ligada a padrões específicos de tráfego para cada unidade, à inclinação da altura e à velocidade da escada rolante ou esteira rolante. Portanto, sugere-se não usar porcentagens padrão para calcular a economia, mas sim realizar uma análise de tráfego adequada com base em medições reais de consumo de energia da escada rolante ou esteira rolante durante uma semana, ou pelo menos em um dia útil e um dia de fim de semana.