Pela observação da figura 4.17, verifica-se uma flutuação da pressão de trabalho inerente a capacidade de resposta do sistema. Dependendo da aplicação final, a flutuação em causa pode considerar-se diminuta. No entanto, para aplicações mais exigentes, é possível obter uma flutuação menor recorrendo a um acumulador de maior capacidade e melhorando o tempo de resposta do motor.
A seleção de um motor de maior potência possibilita um aumento da sua aceleração e deste modo a redução do seu tempo de resposta. A energia consumida pelo motor não apresenta aumentos significativos, ainda que, nos momentos de arranque se registe maior consumo. A economia de energia pode ser tanto maior quanto menor for a carga do sistema. Comparando os sistemas apresentados em funcionamento na sua capacidade máxima, isto é, considerando o caudal de saída especificado na tabela 4.1, observa-se uma redução no consumo de energia de 26%. Esta redução, é em grande parte resultado da redução na rotação do motor pela ação do
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60 Capítulo 4 – Exemplo de aplicação e simulação controlo volumétrico, juntamente com as vantagens associadas ao alto rendimento do servo motor comparativamente ao rendimento do motor assíncrono.
No gráfico da figura 4.18, pode observar-se a relação entre a energia consumida pelo motor e a carga da central servo acionada. Comparando a energia consumida pelos dois sistemas, apresenta-se na tabela 4.5, a economia de energia conseguida em função da carga do sistema.
Tabela 4.5 Economia de energia em função da carga do sistema.
Carga do sistema 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Potência consumida [W] Servo acionamento 2400 2180 1960 1750 1540 1330 1130 925 725 530 Potência consumida [W] Central tradicional 3250 3250 3250 3250 3250 3250 3250 3250 3250 3250 Economia de energia 26% 33% 40% 46% 53% 59% 65% 72% 78% 84%
Com o objetivo de identificar os componentes principais, comparar os custos das centrais simuladas e traçar um horizonte de amortização, efetuou-se um estudo de custos dos principais componentes constituintes dos sistemas em análise. Para efeitos de comparação não se considerou o custo dos acessórios e componentes comuns a ambas as centrais. Na tabela 4.6 caracteriza-se os componentes da central hidráulica tradicional apresentada em 4.1 e na tabela 4.7, os custos da central hidráulica servo acionada.
Tabela 4.6 Identificação de componentes e custos dos componentes da central hidráulica tradicional.
Os custos da engenharia de implementação das soluções aqui apresentadas são naturalmente distintos, no entanto, entende-se que só se justifica uma comparação com base no seu custo de obtenção.
Os valores dos custos apresentados são meramente indicativos e reportam-se a informação obtida pela consulta de tabelas de preços na Internet.
Componentes principais da central hidráulica tradicional
Quantidade Designação Referência Marca Custo
1 Motor indução 44B5WFIE2 Weg 549.00 €
1 Bomba AZPF-10-005RQR20MB Rexroth 391.00 €
1 Reguladora pressão DBDA6K1X/200 Rexroth 207.00 €
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Capítulo 4 – Exemplo de aplicação e simulação 61 Tabela 4.7 Identificação de componentes e custos dos componentes da central hidráulica servo acionada.
Segundo o Hydraulic Institute (Janeiro 2001), o ciclo de vida de um sistema hidráulico varia entre 15 e 20 anos. Com base no custo de energia de 0,11 €/kW e considerando um período de trabalho de 2000 horas/anos, calculou-se o retorno conseguido na economia da energia pela comparação dos sistemas hidráulicos em análise. A figura 4.19 ilustra a relação entre a carga dos sistemas hidráulicos num horizonte de 2, 5 e 10 anos.
Pela comparação dos custos das soluções apresentados nas tabelas 4.6 e 4.7, verifica-se que a solução servo acionada apresenta um acréscimo de 4,266.00€. Apesar do custo de energia e tempo considerado para a amortização serem altamente conservadores, verifica-se que a
Componentes principais da central hidráulica servo acionada
Quantidade Designação Referência Marca Custo
1 Motor síncrono MSK071E-0200-FN Rexroth 2,832.00 €
1 Driver HCS02.1E-W0054-A-03-NNNV Rexroth 983.00 €
1 Bomba PGF 1-2H/4,1RA01 Rexroth 418.00 €
1 Sensor de pressão HM17-1x/200H/V0/0 Rexroth 287.00 €
1 Acumulador HAB 1-350-4x/175 Rexroth 804.00 €
1 Válvula antirretorno S8A0.0 Rexroth 89.00 €
Total 5,413.00€
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62 Capítulo 4 – Exemplo de aplicação e simulação amortização do custo adicional que representa o investimento na central servo acionada, pode ser realizado a 10 anos com a carga do sistema de aproximadamente 50%.
Para além das vantagens económicas directamente avaliadas, o controlo volumétrico proporciona outras que se repercutem por todo o ciclo de vida dos equipamentos. O menor ruído produzido pelas baixas rotações, a economia de consumíveis proporcionada pela redução da carga da bomba, a dispensa de dispendiosos circuitos de arrefecimento do fluido e da energia que lhe é inerente, são alguns dos aspetos a considerar na seleção do tipo de acionamento hidráulico.
O fluido hidráulico transmite pressão e energia, minimiza as fugas devidas às folgas dos componentes, reduz a fricção, remove o calor do sistema, transporta as partículas de desgaste para os filtros e protege os componentes mecânicos contra a oxidação. Apesar da importância de todos os factores referidos, a temperatura do fluido reveste-se de extrema importância na eficiência e fiabilidade dos sistemas hidráulicos.
O calor acumula-se no fluido pela ação mecânica a que está sujeito à medida que é forçado através da bomba, tubos e válvulas. A oxidação do fluido devido às temperaturas excessivas pode provocar depósitos de lamas no sistema, reduzindo a sua eficiência e causando avarias prematuras. Por outro lado, a temperatura demasiado baixa do fluido, possibilita a condensação de água no reservatório e aumenta a possibilidade de cavitação na bomba.
Na figura 4.20 pode observar-se os efeitos da viscosidade na performance das bombas.
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Capítulo 4 – Exemplo de aplicação e simulação 63 Com base na configuração estabelecida para a central hidráulica apresentada em 4.1, calculou- se a perda de potência em função da temperatura do fluido. Na simulação, utilizou-se um óleo SAE-50, do qual se apresentam as curvas características na figura 4.21, um fator de redução de viscosidade=1 e 0.005% de ar aprisionado.
A perda de potência que se pode observar no gráfico da figura 4.22, foi obtida pela diferença entre a potência mecânica e a potência hidráulica na bomba.
Figura 4.22 Perda de potência em função da temperatura do fluido. Figura 4.21 Propriedades do óleo SEA-50. Reproduzido do MATLAB R2014a.
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64 Capítulo 4 – Exemplo de aplicação e simulação A tabela 4.8 resume-se as condições da simulação a que se refere o gráfico da figura 5.22.
Tabela 4.8 Configuração para a simulação de perdas vs temperatura.
As perdas hidromecânicas e volumétricas estão altamente dependentes da viscosidade do fluido. As perdas volumétricas estão relacionadas com a perda de fluxo no interior da bomba enquanto as perdas hidromecânicas se relacionam com o atrito dos componentes mecânicos. Segundo Herzog et al., 2005, O rendimento hidromecânico diminui com o aumento da viscosidade, no entanto, o rendimento volumétrico aumenta, devido à maior resistência do fluido. No gráfico da figura 4.23, pode observar-se esta relação de modo a otimizar o rendimento global.
A seleção do fluido adequado reveste-se de extrema importância para o ótimo desempenho e vida útil dos componentes hidráulicos. A monitorização da temperatura do fluido poderá proporcionar o desempenho da bomba mais eficiente, minimizando o tempo perdido e os custos de energia.
Velocidade [rad/s] Pressão [MPa]
Deslocamento da bomba [m³/rad]
ηv ηtotal
152 20 87,5e-8 0,92 0,85
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Capítulo 5 – Conclusões 65
5
Conclusões
Devido à especificidade das centrais hidráulicas de controlo volumétrico existentes no mercado, a sua utilização restringe-se a equipamentos de ampla divulgação, em especial nas indústrias de plásticos, metalomecânica e papel. A sua reduzida divulgação, dificuldade de implementação e desconhecimento das suas vantagens contribuem para a sua baixa implementação em soluções mais genéricas.
A metodologia de controlo discutida ao longo desta dissertação, revela uma solução alternativa de controlo volumétrico que embora com objetivos distintos das tecnologias existentes no mercado, apresenta-se como uma solução a considerar, quer em novos equipamentos, quer em
rotroffiting, como provam globalmente os resultados obtidos.
As vantagens anunciadas pelas centrais de controlo volumétrico apresentadas no capítulo 2 são equiparadas em eficiência e impacto ambiental à solução objeto de análise neste trabalho. As distintas funcionalidades que caracterizam as diferentes soluções deixam um espaço para a implementação de cada solução em função das especificidades do cada projeto.
O recurso ao MATLAB Simulink como ambiente de simulação revelou-se extremamente versátil, possibilitando a rápida integração entre as diferentes áreas de engenharia utilizadas no projeto. Apesar do défice de componentes da biblioteca, foram construídos novos componentes com base nos modelos existentes, obtendo-se resultados muito satisfatórios.
Através do modelo matemático discutido no capítulo 4, foi possível estabelecer um raciocínio de cálculo, que culminou na apresentação das simulações que confirmam as vantagens do sistema proposto. Os parâmetros estabelecidos nos modelos do Simulink, correspondem em detalhe aos elementos fornecidos pelos datasheet, permitindo a sua rápida implementação em casos práticos.
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66 Capítulo 5 – Conclusões
A seleção e cálculo dos componentes podem ser alvo de uma simulação, no entanto, a escolha do limiar de aceitabilidade é por vezes fruto da sensibilidade que se esbate na “imagem” que se possui do sistema e suas possibilidades. Ainda que, todas as opções tomadas no processo de seleção dos componentes tenham sido devidamente justificadas, não se pode excluir opções distintas que se refletem em objetivos concretos para além do processo experimental. É exemplo a escolha da bomba de engrenagens internas que apesar das vantagens enunciadas não exclui a possibilidade de utilização de uma bomba de engrenagens externas ou de pistões axiais. O estudo do volume dos acumuladores em função do erro da pressão no circuito, apresentado no capítulo 5, proporciona uma visão objetiva sobre a sua determinação. Neste sentido, ficaram demonstradas ainda que de forma limitada às dimensões dos sistemas simulados, as capacidades de resposta da central hidráulica objeto de estudo deste trabalho. A reduzida dimensão dos acumuladores necessários ao funcionamento da solução proposta proporciona a sua integração num bloco compacto contribuindo para uma solução elegante e eficiente.
A flutuação da pressão nas simulações realizadas apresenta valores compatíveis com as utilizações comuns, no entanto é possível melhorar esta característica recorrendo ao ajuste do controlador, seleção de motores com maior binário e um acumulador maior. A implementação do controlador derivativo pode proporcionar uma resposta melhor já que este faz uso das rápidas variações de pressão causadas pelos atuadores. Embora o uso de um controlador integral possa melhorar o tempo de resposta do motor e o erro em regime permanente, o seu uso pode provocar indesejáveis picos de pressão na linha. Atendendo aos ótimos resultados obtidos nas simulações realizadas com recurso ao controlador proporcional, não se considerou pertinente a implementação dos controladores proporcional e integral.
A caracterização económica realizada confirma o retorno anunciado pelas soluções de controlo volumétrico, justificando por si só a pertinência do tema. As vantagens relacionadas com os efeitos ambientais estão implícitas na economia de energia obtida e na redução de ruído, aumentando a qualidade do local de trabalho e dos custos relacionados com a implementação e manutenção das centrais hidráulicas.
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Capítulo 6 – Trabalhos futuros 67