Quais produtos de suporte são necessários para maximizar o impacto do uso de VFDs e VSDs? - Parte 2

A Parte 1 desta série de artigos analisou o que deve ser considerado ao selecionar cabos de conexão do motor, reatores de saída, resistores de frenagem, reatores de linha e filtros de linha. A Parte 2 continua examinando as diferenças entre VSDs/VFDs e acionamentos servo, analisando os usos de servomotores rotativos e lineares CA e CC, considerando onde as unidades de partida/parada suave se encaixam nas operações industriais e analisando como os conversores CC são usados para alimentar periféricos como sensores, interfaces homem-máquina (IHMs) e dispositivos de segurança.

Os inversores de velocidade variável e os inversores de frequência variável (VSDs/VFDs) são essenciais para maximizar a eficiência e a sustentabilidade das operações industriais, mas não são as únicas ferramentas disponíveis. Para obter o máximo de desempenho, os VSDs/VFDs precisam ser complementados geralmente por outros dispositivos, como servoacionamentos e motores, unidades de partida/parada suave, conversores de corrente contínua (CC) e fontes de alimentação ininterrupta (UPS)/no-break de entrada de corrente contínua (CC) para obter uma arquitetura de automação industrial ideal.

Os servomotores e acionamentos CA e CC são adequados para várias aplicações, desde tarefas simples de 1 ou 2 eixos até tarefas complexas com 256, ou mais eixos de movimento. Os atuadores controlados por servomotores fornecem movimentos precisos e reproduzíveis para máquinas industriais e estão disponíveis em configurações de movimento rotativo e linear.

As aplicações em velocidade constante, como esteiras, bombas e pontes rolantes, muitas vezes podem se beneficiar do uso de unidades de partida/parada suave em vez de VSDs/VFDs.

Dependendo dos requisitos da aplicação, os projetistas podem selecionar entre fontes de alimentação CC redundantes, uma fonte de alimentação de Classe 2, conforme definido no National Electric Code (NEC) dos EUA, ou uma UPS CC para lidar com a energia elétrica imprevisível e aumentar a confiabilidade do sistema.

Este artigo começa com uma análise das diferenças entre VSDs/VFDs e servoacionamentos, analisa os usos de servomotores rotativos e lineares CA e CC e considera onde as unidades de partida/parada suave se encaixam nas operações industriais. Ele continua analisando como os conversores CC são usados para alimentar periféricos como sensores, interfaces homem-máquina (IHMs) e dispositivos de segurança. Ele examina quando usar uma arquitetura CC redundante ou um no-break para alimentar esses dispositivos e a escolha entre o armazenamento de energia por bateria e por supercapacitor. Dispositivos representativos da Schneider Electric, Omron, Lin Engineering e Siemens são apresentados em cada caso.

Os sistemas de servomotores podem complementar os VSDs/VFDs nas arquiteturas de automação industrial. Os sistemas de servomotores são projetados para sistemas de movimento complexos e dinâmicos e podem dar suporte a um posicionamento preciso. Os servoacionamentos são usados com motores de ímã permanente e codificadores para controle de malha fechada. Eles são projetados para suportar aceleração e desaceleração rápidas e podem aceitar perfis de movimento lineares ou não lineares.

Muitos VSDs/VFDs usam controle de malha aberta para gerenciar a velocidade do motor. Eles não dão suporte a precisão ou a capacidade de resposta disponíveis nos sistemas de servomotores. Além disso, o controle do motor em malha aberta significa que os VSDs/VFDs não necessariamente compensam se a carga mudar ou se o motor parar. Enquanto os sistemas de servomotores que são usados em aplicações altamente dinâmicas, os VSDs/VFDs são usados em aplicações que mantêm uma velocidade constante, ou relativamente poucas mudanças de velocidade, por um longo período.

Os sistemas de servomotores tendem a ser menores do que os inversores VSD/VFD, com níveis de potência típicos de 40 a 5.000 W. Eles apresentam altas velocidades, de até 5.000 rotações por minuto (rpm), pouco ruído, baixa vibração e alto torque. Os servomotores estão disponíveis em vários tamanhos de estrutura, até 180 mm ou mais. Por exemplo, o SBL40D1-04 da Lin Engineering é um servomotor CC sem escovas (BLDC) de 40 mm e 60 W com uma tensão nominal de 36 V_CC.

Os servomotores geralmente são combinados com acionamentos. A Schneider Electric oferece o acionamento LXM28AU07M3X e o servomotor BCH2LF0733CA5C de 5.000 rpm, ambos com potência nominal de 750 W (Figura 1). O acionamento apresenta interfaces de comunicação CANopen e CANmotion integradas e pode operar com alimentação monofásica ou trifásica. O motor complementar de 80 mm tem classificação IP65 e pode operar de -20°C a +40°C.

Figura 1: Servoacionamento de 750 W e motor com classificação IP65 combinados. (Fonte da imagem: Schneider Electric)

Movimento linear e cartesiano

O movimento linear é usado em vários processos industriais, desde materiais de revestimento e impressão 3D até sistemas de inspeção, e está disponível em várias formas de incorporação. Alguns são baseados em motores de passo rotativos, e outros designs usam motores lineares. Os motores de passo rotativos produzem movimento linear usando um eixo rosqueado. Há dois designs básicos, com porca externa e porca interna, às vezes chamados de não cativos.

A porca é montada no eixo rosqueado em um atuador linear de porca externa. O eixo é fixo em ambas as extremidades. À medida que o motor de passo gira, a porca se move para frente e para trás ao longo do eixo, carregando o objeto (carga útil) a ser movido. Em um design não cativo, a carga útil é acoplada ao motor. O eixo é fixo em ambas as extremidades, e o motor que transporta a carga útil se move ao longo do eixo.

Os estágios de movimento linear com motores lineares de núcleo de ferro de alta eficiência, pistas magnéticas e tecnologia de codificador absoluto podem fornecer precisão reproduzível de submícrons e aceleração 5G, movendo-se a até 5 m/s para aplicações industriais de alta velocidade. Diferentemente dos designs de eixo rosqueado, os motores lineares podem oferecer maior precisão de posicionamento e movimentos mais rápidos.

As partes mecânicas dos estágios de movimento linear podem ser envoltas em estruturas rigorosamente fechadas para proteção ambiental. A Omron oferece estágios de movimento linear baseados em motores com núcleo de ferro que variam de 30 mm de largura do ímã ativo e três bobinas a 110 mm de largura do ímã ativo e 15 bobinas. Eles são dimensionados para fornecer de 48 Newtons (N) a 760 N de força.

O motor do atuador linear R88L-EA-AF-0303-0686 está disponível nos modelos de 230 V e 400 V. Ele tem uma força nominal de 48 N e uma força de pico de 105 N. Ele pode ser acionado com o servoacionador R88D-KN02H-ECT que inclui comunicação EtherCAT para integração em redes industriais. Dois estágios de movimento linear podem ser empilhados para proporcionar movimento em um sistema de coordenadas cartesianas (Figura 2).

Figura 2: Dois estágios de motor linear podem ser empilhados para dar suporte ao movimento cartesiano. (Fonte da imagem: Omron)

Unidades de partida-parada suave

Enquanto os VFDs/VSDs e os servoacionamentos controlam a velocidade e o torque dos motores durante o funcionamento, as unidades de partida/parada suave limitam a irrupção de corrente quando um motor é ligado para proteger o motor e proporcionar um aumento suave da velocidade e do torque. Eles proporcionam reduções suaves na velocidade quando o motor é parado. Eles também protegem os componentes mecânicos do sistema contra picos de torque prejudiciais durante a partida ou a parada.

Uma unidade de partida e parada suave do motor pode beneficiar aplicações como esteiras, bombas, ventoinhas, pontes rolantes e portas automáticas que não precisam de altos níveis de torque de partida e funcionam em velocidades constantes. Mudanças de velocidade controladas e previsíveis também aumentam a segurança do operador.

As velocidades de partida e parada do motor são orientadas por meio de dispositivos de estado sólido, como retificadores controlados por silício (SCRs), que controlam a tensão e a corrente do motor. Quando o motor é totalmente ligado, os SCRs são ignorados por meio de um contator para melhorar a eficiência operacional.

As unidades de partida e parada suave, como a família Alistart 22 da Schneider Electric, podem lidar com uma ampla gama de motores assíncronos trifásicos de 4 kW a 400 kW. Incluem proteção térmica e contra sobrecarga do motor Classe 10, proporcionando um tempo de disparo rápido de 8 a 10 segundos. Os dimensionamentos de potência das unidades de partida/parada suave dependem geralmente da tensão de operação do motor. Por exemplo, a unidade ATS22D17S6U da Schneider Electric pode lidar com motores dimensionados para potência de 3 hp com 208 V, potência de 5 hp com 230 V, potência de 10 hp com 460 V e potência de 15 hp com 575 V (Figura 3). Ela precisa de alimentação de 110 V_CA 50/60 Hz para o circuito de controle.

Figura 3: Essa unidade de partida/parada suave pode operar motores de até 15 hp. (Fonte da imagem: DigiKey)

Alimentação redundante

Os sistemas industriais usam alimentação de 24 V_CC para várias funções, como sensores, IHMs e dispositivos de segurança. A alimentação redundante básica pode aumentar a confiabilidade das instalações industriais. A alimentação redundante usa duas fontes conectadas em paralelo para alimentar uma carga, sendo que cada fonte de alimentação é suficiente para alimentar toda a carga caso a outra fonte falhe. Quando duas fontes de alimentação são usadas, isso é chamado de redundância 1+1. Se ambas as fontes de alimentação falhar, a energia do sistema falha.

O uso de mais fontes de alimentação em uma configuração N+1 pode aumentar a confiabilidade do sistema geral de fornecimento de energia. Uma arquitetura de alimentação redundante 3+1 usa quatro fontes de alimentação, sendo que quaisquer três delas podem alimentar toda a carga.

Um módulo de redundância normalmente usa isolação de diodo para conectar as fontes de alimentação a fim de garantir que a falha de uma fonte de alimentação não afete a operação das outras fontes de alimentação. Para aplicações que exigem confiabilidade ainda maior, vários módulos de redundância podem ser empregados para eliminar a possibilidade de um único ponto de falha (Figura 4). Por exemplo, a fonte de alimentação CA/CC S8VK-C12024 da Omron pode suportar cargas de 24 V de até 120 W. Duas dessas fontes de alimentação podem ser conectadas usando o módulo de redundância S8VK-R10 para criar um sistema de alimentação redundante 1+1 de 120 W.

Figura 4: O uso de vários módulos de redundância (à direita) pode eliminar o ponto único de falha e aumentar a confiabilidade. (Fonte da imagem: Siemens)

Classe 2 e redundante

A alimentação de classe 2 pode ser um importante fator de segurança em instalações industriais. Conforme definido no NEC dos EUA, as fontes de alimentação Classe 2 têm uma saída limitada a menos de 100 VA. A alimentação de classe 2 também é necessária ou recomendada para alguns dispositivos industriais fora dos EUA.

Limitar a potência reduz os riscos de choque elétrico e incêndio. Como resultado, as instalações de Classe 2 não exigem que os cabos de força sejam roteados por conduítes ou dutos, simplificando a instalação e reduzindo os custos. Além disso, são necessárias inspeções mais simples para instalações de Classe 2, reduzindo ainda mais os custos.

Há duas maneiras de obter um dimensionamento de potência Classe 2. Estão disponíveis fontes de alimentação que limitam internamente a potência de saída a menos de 100 VA. Ou uma fonte de alimentação de potência mais alta, como a 6EP15663AA00 de 480 W (24 V_CC e 20 A) da Siemens, que pode ser usada com módulos de redundância, como o 6EP19622BA00 da Siemens, que limita a potência de saída e fornece redundância para várias cargas (Figura 5).

Figura 5: Fontes de alimentação redundantes 1+1 (esquerda) conectadas a quatro cargas por meio de módulos de redundância Classe 2. (Fonte da imagem: Siemens)

Alimentação ininterrupta

A alimentação redundante pode ser útil, mas não é suficiente para aplicações críticas. Quando a rastreabilidade e a coleta de dados são obrigatórias, a segurança é uma preocupação ou é necessária uma operação ininterrupta, será necessário uma UPS como a SITOP UPS 6EP41363AB002AY0 da Siemens. Essa UPS fornece uma saída de 24 V_CC e pode fornecer até 20 A.

Uma das principais questões ao selecionar uma UPS é a tecnologia de armazenamento de energia. Os ultracapacitores, também chamados de capacitores de camada dupla, são adequados para necessidades de energia reserva de curto prazo, como salvar dados de processos e desligar ordenadamente PCs industriais e outros dispositivos. Têm uma vida útil longa e podem fornecer até 20 quilowatts segundos (kWs) de energia reserva. Por exemplo, a unidade de armazenamento de energia com capacitor modelo 6EP19332EC41 da Siemens pode fornecer até 2,5 kWs de energia reserva.

O chumbo-ácido e várias químicas de íon-lítio podem ser úteis para necessidades mais longas de energia reserva, que levam até várias horas para comunicações críticas ou operações de processo (Figura 6). Estão disponíveis módulos básicos de bateria de UPS CC com até 38 Ah de armazenamento. Vários módulos de bateria podem ser usados para proporcionar várias horas para tempo de backup. O módulo de bateria de UPS CC 6EP19356MD31 da Siemens usa baterias de chumbo-ácido seladas e isentas de manutenção para fornecer até 15 A com uma capacidade de armazenamento de 2,5 Ah.

Figura 6: Os ultracapacitores (UPS5005 e UPS501S) podem fornecer energia reserva de curto prazo (esquerda), enquanto as baterias (UPS16090 e BAT1600) podem suportar uma operação muito mais longa de energia reserva (direita). (Fonte da imagem: Siemens)

Conclusão

Os VSDs/VFDs são geralmente considerados pau para toda obra da automação industrial. No entanto, uma arquitetura de automação industrial abrangente exige mais, incluindo servoacionamentos, motores e unidades de partida/parada suave. Os projetistas de sistemas de automação industrial também têm várias arquiteturas de alimentação CC para escolher ao otimizar o tempo de operação e a confiabilidade.