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Como otimizar a eficiência energética nos sistemas de produção fabril

Os motores elétricos são as principais unidades de energia por trás de quase todos os dispositivos de automação em plantas de produção. Mais de 40% da eletricidade gerada é consumida pela indústria e dois terços da energia são usados por motores elétricos. As perdas são uma parte inevitável do funcionamento de um motor e afetam diretamente a eficiência. As perdas são minimizadas pelo uso de projetos de motores de última geração, seleção adequada de controle do motor e consideração do torque do motor em sistemas de produção automatizados de alta precisão.

A Figura 1 descreve os principais elementos de uma máquina ou processo automatizado encontrado em uma fábrica moderna. A eficiência dos motores e de todo o processo de produção é determinada por múltiplas camadas de controle. A primeira camada de controle ajusta a sequência de comutação do inversor de potência para gerenciar a tensão e a corrente do motor e aumentar a eficiência da produção de torque. Em seguida está o controlador de posição e velocidade que opera a máquina com eficiência. Em equipamentos de processo, pode ser uma sequência de ordens de velocidade ou posição para executar uma função de montagem, enquanto, em equipamentos de automação, pode ser uma sequência de comandos de velocidade ou posição para executar uma função de montagem. Neste último cenário, o tempo de resposta do controle de velocidade será mais crítico para o controlador da máquina do que a eficiência da produção de torque. Como vários motores agora são sincronizados em redes de dados de alta velocidade que também estão conectadas à rede da fábrica, a camada de comunicações e sistemas está se tornando cada vez mais importante.

Motores de Indução CA
Figura 1: Diagrama de blocos do sistema de controle automatizado da máquina.

O torque produzido por amp fornecido em qualquer velocidade e tensão terminal influencia a eficiência do motor. O torque é gerado por motores elétricos por forças que tendem a alinhar seus campos magnéticos internos. Quando as correntes do estator são sincronizadas com o movimento do rotor para manter o desalinhamento de campo contínuo, os motores CA produzem torque constante. A frequência das correntes do motor está intimamente ligada à velocidade do motor CA, portanto, a regulação da velocidade requer o uso de uma fonte de tensão de frequência variável, como VSDs ou VFDs. Quando o desalinhamento do campo rotor-estator é máximo, a eficiência é máxima. A eficiência do motor também depende da sua construção e particularmente da estrutura do campo do rotor. Os motores síncronos de ímã permanente (PMSM) são mais eficientes, pois não é necessária corrente para magnetizar o campo do rotor. Devido à sua construção de núcleo magnético proeminente, os motores de ímã permanente interno (IPM) de eficiência ultra-alta geram torque adicional.

Usando Soft Starters em Motores de Indução CA:

Ao dar partida, o motor de indução CA desenvolve mais torque do que o necessário em velocidade máxima. Essa tensão é transferida para o sistema de transmissão mecânica, causando desgaste excessivo e falha prematura de correntes, correias, engrenagens, selos mecânicos e outros componentes. A aceleração rápida também tem uma influência significativa nas taxas de fornecimento de eletricidade, com altas correntes de inrush consumindo +600% da corrente normal de operação. O uso do delta-estrela fornece apenas uma solução parcial para o problema. Se o motor desacelerar durante o tempo de transição, os picos altos serão repetidos e podem potencialmente exceder a corrente direta na linha. Os soft starters fornecem uma solução confiável e econômica para esses problemas, fornecendo uma liberação controlada de energia para o motor, resultando em aceleração e desaceleração suaves e sem etapas, conforme ilustrado na Figura 2. À medida que os danos aos enrolamentos e rolamentos são reduzidos, a vida útil do motor será prorrogada. Soft Start & Soft Stop é incorporado em sistemas trifásicos, permitindo partida e parada reguladas com uma seleção de tempos de rampa e configurações de limite de corrente.

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Motores de Indução CA
Figura 2: Curva de desempenho em comparação com linha direta, delta-estrela e partida suave.

Ao adotar o monitoramento preditivo e de condição:

O monitoramento de condição (CM) é o monitoramento de vários parâmetros, como vibração e temperatura do equipamento, para identificar possíveis problemas, como desalinhamentos ou falhas de rolamento. Quando uma análise de vibração revela uma mudança na frequência harmônica dos componentes do equipamento rotativo, as ferramentas de monitoramento de condição podem mapear a degradação do equipamento. A análise de frequência pode ser realizada usando dados do vibrômetro e do microfone. Técnicas de previsão contínua e monitoramento de condições podem ser usadas em uma variedade de equipamentos, incluindo compressores, bombas, fusos e motores, e também podem ser usadas para detectar descargas parciais em máquinas ou vazamentos de vácuo. Essa análise ajuda as fábricas a maximizar a eficiência e a disponibilidade do equipamento, ao mesmo tempo em que reduz os custos.

Melhorando o controle de movimento eficiente com isolamento de precisão e comunicações eficazes:

A combinação de precisão no controle de movimento e tempo de comunicação permite ciclos de produção de máquina mais curtos e reduz a quantidade de energia consumida para fabricar cada peça. Motores de serviço PMSM e inversores projetados para resposta rápida e alta precisão no controle de velocidade e posição são usados pelos fabricantes de inversores para auxiliar em aplicações de automação. O uso da tecnologia de isolamento magnético de alta velocidade permite o isolamento seguro de tensões de sinais analógicos e digitais sem sacrificar a velocidade ou a precisão. Os conversores analógico-digitais de precisão integrados à posição do codificador oferecem feedback de posição com resolução de até 24 bits, permitindo controle de velocidade dinâmica alta a taxas tão baixas quanto 1 RPM.

Este nível de desempenho é apropriado para aplicações de automação, como fresamento multieixo de peças de máquinas de precisão, montagem de circuitos integrados de geometria fina e moldagem por injeção de peças de telefones celulares. Além disso, para garantir a precisão do controle, o tempo de movimento dos motores deve ser perfeitamente sincronizado, pois um erro de tempo se traduz diretamente em um erro de trajetória no controle de posição multi eixo. Os protocolos Ethernet industriais, como PROFINET e EtherCat, usam interfaces de rede Ethernet modificadas para suportar sincronização de dados em tempo real com jitter de clock tão baixo quanto 1μs. Essas interfaces de rede suportam controle de movimento sincronizado e conectividade de rede de fábrica para gerenciamento do sistema de produção.

Contato da Newark no Brasil

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* Texto originalmente publicado em: link

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