Jorge Carneiro da Costarepositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/34362/1/Dissertação... · 2.6.2 - Bomba de palhetas ... Adaptado de Bosch Rexroth AG 2006. ... Tabela 2.1 Comparação

Jorge Carneiro da Costa

Projeto e desenvolvimento de umacentral hidrulica servo acionada

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

outubro de 2014

Dissertao de MestradoEngenharia Mecatrnica

Trabalho efetuado sob a orientao doProfessor Eurico Augusto Rodrigues de Seabra

Jorge Carneiro da Costa

Projeto e desenvolvimento de umacentral hidrulica servo acionada

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

iii

Ao meu orientador, Professor Eurico Augusto Rodrigues de Seabra, por todo o apoio e

orientao, pelas palavras de motivao e encorajamento, pela sua anlise e sbias sugestes

que contriburam para o desenvolvimento deste trabalho.

A todos os meus amigos que com os seus comentrios me proporcionaram uma viso mais

objetiva e desprendida sobre os temas em discusso.

Aos meus familiares que no deixaram de manifestar o seu apoio e em especial ao meu irmo

Jos Lus que se manifestou sempre disponvel e atento.

AGRADECIMENTOS

v

As centrais hidrulicas servo acionadas tm vindo a ser implementadas em alguns setores da

indstria, como forma de contrariar os crescentes custos da energia e a nossa pegada ecolgica.

As vantagens associadas utilizao destas tecnologias levou-nos a tentar compreender os

desafios e oportunidades da sua integrao.

Prope-se caracterizar os sistemas em uso, demonstrando as suas vantagens relativamente aos

sistemas tradicionais e projetar um sistema alternativo que possa refletir as necessidades atuais.

O desenvolvimento do projeto teve como base a ideia de uma aplicao genrica, permitindo a

sua implementao em retrofitting e dispensando a interveno de tcnicos especializados que

oneram fortemente os sistemas hidrulicos.

A abordagem de clculo e seleo dos componentes hidrulicos parte do principio do controlo

volumtrico, onde se estabelece um modelo matemtico do sistema hidrulico e se faz uma

reflexo sobre a seleo dos seus componentes, justificando a sua utilizao.

As simulaes permitem concluir sobre as vantagens energticas e ambientais do sistema de

controlo volumtrico apresentado, comparando-o com os sistemas existentes no mercado. Foi

ainda realizado um pequeno estudo econmico com base num caso concreto, do qual se

pretende aferir sobre a viabilidade das tecnologias em estudo.

O projeto discutido ao longo deste trabalho revela uma soluo alternativa de controlo

volumtrico, que embora com objetivos distintos das tecnologias existentes no mercado,

apresenta-se como uma soluo a considerar. As distintas funcionalidades de cada projeto,

deixa um espao para a implementao de cada soluo em funo das suas especificidades.

RESUMO

vii

Servo driven hydraulic power stations have been implemented in some sectors of industry, as a

way to counter the rising costs of energy and our ecological footprint. The advantages

associated with the use of these technologies led us to try to understand the challenges and

opportunities of their integration.

It is proposed to characterize the systems in use, demonstrating its advantages with respect to

traditional systems and project an alternative system that would reflect the present needs.

The development of the project was based on the idea of a generic application, allowing its

implementation in retrofitting and dismissing the intervention of specialized technicians that

saddled the hydraulic systems.

The calculation approach and hydraulic components selection presented is based on the

principle of volumetric control, which provides a mathematical model of a hydraulic system

and makes considerations about component selection, justifying its use.

The simulations allow to conclude on the energy and environmental benefits of the presented

volumetric control system by comparing it with existing systems on the market. He was also an

accomplished small economic study on the basis of a concrete case, which seeks to gauge on

the viability of technologies under study.

The project discussed throughout this work reveals an alternative solution of volumetric control,

which although with distinct objectives of existing technologies in the market, presents itself as

a solution to consider. The different features of each project, leave a space for the

implementation of each solution in the light of their specific characteristics.

ABSTRACT

ix

AGRADECIMENTOS .............................................................................................................. iii

RESUMO ................................................................................................................................... v

ABSTRACT ............................................................................................................................. vii

NDICE ...................................................................................................................................... ix

NDICE DE FIGURAS ............................................................................................................. xi

NDICE DE TABELAS .......................................................................................................... xiii

1 Introduo ............................................................................................................................... 1

2 Estado da Arte ......................................................................................................................... 3

2.1 - Central hidrulica com bomba de dbito constante ........................................................ 3

2.2 - Central hidrulica com bomba de caudal varivel ......................................................... 5

2.3 - Central hidrulica com motor assncrono e variador de frequncia ............................... 7

2.4 - Central hidrulica servo acionada................................................................................... 9

2.5 - Acumuladores ............................................................................................................... 11

2.5.1 - Acumuladores de massas ....................................................................................... 11

2.5.2 - Acumuladores de mola. ......................................................................................... 11

2.5.3 - Acumuladores de pisto ......................................................................................... 12

2.5.4 - Acumuladores de membrana.................................................................................. 13

2.5.5 - Acumuladores de bexiga ........................................................................................ 13

2.6 - Bombas hidrulicas ...................................................................................................... 14

2.6.1 - Bomba de pistes radiais ....................................................................................... 15

2.6.2 - Bomba de palhetas ................................................................................................. 16

2.6.3 - Bomba de engrenagens externas ............................................................................ 16

2.6.4 - Bomba de engrenagens internas............................................................................. 17

2.7 - Motores elctricos ........................................................................................................ 19

2.7.1 - Motores de induo. ............................................................................................... 19

2.7.2 - Motores sncronos de man permanente ................................................................ 22

2.8 - Estudo do ploblema ...................................................................................................... 22

2.8.1 - Princpio de funcionamento ................................................................................... 24

NDICE

x

2.9 - Concluso ..................................................................................................................... 26

2.10 - Ambiente de simulao .............................................................................................. 27

3 Modelao ............................................................................................................................. 29

3.1 - Estudo do modelo hidrulico ........................................................................................ 30

3.2 - Clculo do acumulador ................................................................................................. 36

3.3 - Clculo da bomba ......................................................................................................... 38

3.4 - Clculo do motor .......................................................................................................... 39

4 Exemplo de aplicao e simulao ....................................................................................... 43

4.1 - Central hidrulica com vlvula reguladora de presso ................................................. 44

4.2 - Central hidrulica servo acionada................................................................................. 50

4.2.1 - Clculo da bomba .................................................................................................. 51

4.2.2 - Clculo do motor.................................................................................................... 52

4.2.3 - Clculo do acumulador .......................................................................................... 53

4.2.4 - Clculo do controlador ........................................................................................... 54

4.2.5 - Especificao do motor e controlador.................................................................... 56

4.2.6 - Simulao ............................................................................................................... 57

4.3 - Discusso dos resultados .............................................................................................. 59

5 Concluses ............................................................................................................................ 65

6 Trabalhos futuros .................................................................................................................. 67

Bibliografia ............................................................................................................................... 69

ANEXOS .................................................................................................................................. 73

Anexo I ................................................................................................................................. 75

Anexo II ................................................................................................................................ 77

Anexo III ............................................................................................................................... 83

Anexo IV ............................................................................................................................... 87

Anexo V ................................................................................................................................ 89

Anexo VI ............................................................................................................................... 91

xi

Figura 2.1 Central hidrulica com bomba dbito constante e vlvula reguladora de presso. ... 4 Figura 2.2 Central hidrulica com bomba de dbito fixo, vlvula reguladora de presso e de descarga ao reservatrio. ............................................................................................................ 4 Figura 2.3 Central hidrulica com bomba de caudal varivel compensada em presso. ........... 6 Figura 2.4 Bomba varivel de pistes axiais. A10VO. Adaptado de Bosch Rexroth Canada Corp., 2006. ................................................................................................................................ 7 Figura 2.5 Esquema hidrulico da bomba varivel de pistes axiais. Reproduzido de Bosch Rexroth Canada Corp., 2006. ..................................................................................................... 7 Figura 2.6 Sistema DFEn 5000. Reproduzido de REXROTH BOSCH GROUP. Sytronix DFE. .................................................................................................................................................... 8 Figura 2.7 Sistema Sytronix SVP7000. Reproduzido de REXROTH BOSCH GROUP. Sytronix SvP Servo Variable-Speed Pump Drive. ................................................................. 10 Figura 2.8 Acumulador de massas. Adaptado de Ferreira 2006. .............................................. 11 Figura 2.9 Acumulador de molas. Adaptado de Ferreira, 2006. .............................................. 12 Figura 2.10 Acumulador de pisto. Adaptado de Ferreira, 2006. ............................................ 12 Figura 2.11 Acumulador de membrana. Adaptado de Ferreira, 2006. ..................................... 13 Figura 2.12 Acumulador de bexiga. Adaptado de Ferreira, 2006. ........................................... 14 Figura 2.13 Bomba de pistes axiais, (a) dbito fico (b) dbito varivel. Reproduzido de Ferreira, 2006. .......................................................................................................................... 15 Figura 2.14 Bomba de palhetas. Reproduzido de Ferreira, 2006. ............................................ 16 Figura 2.15 Bomba de engrenagens externas. Reproduzido de Ferreira, 2006. ....................... 17 Figura 2.16 Bomba de engrenagens internas. Reproduzido de Ferreira, 2006. ........................ 18 Figura 2.17 Classificao dos motores de induo. Adaptado de KUPHALDF, T. R. 2014 ... 21 Figura 2.18 Comparao entre as antigas e as atuais classes de eficincia de motores eltricos. Reproduzido de ZVEI. (12/2010). ............................................................................................ 21 Figura 2.19 Compensao do caudal pelo acumulador. ........................................................... 25 Figura 2.20 Esquema hidrulico com o princpio de funcionamento. ...................................... 25 Figura 2.21 Comparao em eficincia, dinmica e custos das diferentes tecnologias. Adaptado de KOMSTA, J, (2014). ........................................................................................... 26 Figura 3.1 Esquema de blocos do princpio de funcionamento. ............................................... 29 Figura 3.2 Esquema de blocos do processo .............................................................................. 30 Figura 3.3 Comparao do processo adiabtico e isomtrico .................................................. 34 Figura 3.4 Modelo do sistema hidrulico ................................................................................. 36 Figura 3.5 Resposta da bomba solicitao de caudal............................................................. 36 Figura 3.6 Rampa de arranque do motor. ................................................................................. 37 Figura 3.7 Fluxograma para a seleo do motor. ..................................................................... 40 Figura 3.8 Curvas de carga do motorMSK071D-0450. Reproduzido de Bosch Rexroth AG 2006 .......................................................................................................................................... 41 Figura 4.1 Central hidrulica com vlvula reguladora de presso e vlvula proporcional. ..... 44 Figura 4.2 Motor de induo 4 kW 4 polos. ............................................................................. 45

NDICE DE FIGURAS

xii

Figura 4.3 Potncia ativa consumida pelo motor do circuito hidrulico .................................. 45 Figura 4.4 Potncia ativa consumida pelo motor com descarga ao tanque do circuito hidrulico. ................................................................................................................................. 46 Figura 4.5 Circuito trmico correspondente ao circuito hidrulico da figura 4.1. ................... 46 Figura 4.6 Clculo das perdas de energia na bomba em MATLAB Simulink. ........................ 47 Figura 4.7 Reservatrio para central da figura 4.1. .................................................................. 49 Figura 4.8 Temperatura do fluido no perodo de 60 minutos. .................................................. 50 Figura 4.9 Central hidrulica com servo motor e acumulador. ................................................ 51 Figura 4.10 Carga do servo motor. Adaptado de Bosch Rexroth AG 2006. ............................ 53 Figura 4.11 Desvio da presso no circuito em funo do volume do acumulador. .................. 54 Figura 4.12 Controlador com base no erro da presso. ............................................................ 55 Figura 4.13 Modelo simplificado do sistema. .......................................................................... 55 Figura 4.14 Processo de carga adiabtico para o acumulador de 0.001 m. ............................. 56 Figura 4.15 Esquema do bloco de acionamento em MATLAB Simulink. .............................. 57 Figura 4.16 Resposta do motor solicitao mxima do caudal.............................................. 58 Figura 4.17 Consumo de energia e flutuao da presso. ........................................................ 58 Figura 4.18 Comparao da potncia do motor com o caudal de sada. .................................. 59 Figura 4.19 Retorno do investimento em funo da carga do sistema ..................................... 61 Figura 4.20 Relao entre a viscosidade e eficincia da bomba.adaptado de Herzog et al., 2005. ......................................................................................................................................... 62 Figura 4.21 Propriedades do leo SEA-50. Reproduzido do MATLAB R2014a. ................... 63 Figura 4.22 Perda de potncia em funo da temperatura do fluido. ....................................... 63 Figura 4.23 Relao entre a viscosidade e eficincia da bomba. Adaptado de Herzog et al., 2005. ......................................................................................................................................... 64

xiii

Tabela 2.1 Comparao de bombas hidrulicas. ...................................................................... 18 Tabela 4.1 Caractersticas base para o projeto das centrais hidrulicas. .................................. 43 Tabela 4.2 Dimenses do reservatrio. .................................................................................... 49 Tabela 4.3 Caractersticas dimensionais dos elementos da central da figura 5.1. .................... 49 Tabela 4.4 Elementos para o clculo de Kp. ............................................................................ 56 Tabela 4.5 Economia de energia em funo da carga do sistema. ........................................... 60 Tabela 4.6 Identificao de componentes e custos dos componentes da central hidrulica tradicional. ................................................................................................................................ 60 Tabela 4.7 Identificao de componentes e custos dos componentes da central hidrulica servo acionada. ......................................................................................................................... 61 Tabela 4.8 Configurao para a simulao de perdas vs temperatura. ..................................... 64

NDICE DE TABELAS

Projeto e desenvolvimento de uma central hidrulica servo acionada

Captulo 1 Introduo 1

1 Introduo

Os avanos tecnolgicos, a abertura dos mercados, a democratizao do consumo, a conscincia

global sobre a limitao de recursos naturais e o aumento da populao, levou o ser humano a

repensar os seus hbitos de consumo. pois recorrente a preocupao com o consumo de

energia, no s pelo seu custo crescente mas tambm pela sua escassez. A preocupao com o

impacto ambiental, completa uma viso centrada no desenvolvimento tecnolgico, procurando

reduzir os efeitos nefastos da produo em massa na preservao do planeta.

Apesar da evoluo dos acionamentos eltricos e das suas inegveis vantagens, os sistemas

hidrulicos desempenham um papel importante nas tecnologias atuais. Devido capacidade de

operar enormes densidades de potncia, a hidrulica industrial insubstituvel, quando so

necessrias grandes foras e binrios.

Nos ltimos anos a hidrulica tradicional evoluiu para a eletro-hidrulica. O uso da eletrnica

industrial e as metodologias de controlo tornaram-se complementos indispensveis. A ideia de

que a hidrulica uma fonte de transmisso de potncia robusta mas difcil de controlar, tem

vindo a transformar-se.

Atualmente, a hidrulica um meio extremamente eficaz de transmisso de potncia e

acionamento mecnico, que rivaliza em preciso, velocidade, potncia e rendimento com

qualquer sistema de servo acionamento eltrico. Neste sentido, tem vindo a ser alvo de

profundas melhorias, no s pelos mtodos de produo e materiais disponveis, mas sobretudo

pela introduo da eletrnica industrial no controlo de vlvulas e produo de potncia

hidrulica.

A eletrnica industrial tornou-se acessvel em especial no que respeita aos meios de comando

e controlo. Os microcontroladores, anteriormente dispendiosos e de acesso limitado, esto hoje


2

Captulo 1 - Introduo

implementados em todo o tipo de equipamentos, dispondo de velocidades de processamento

que permitem o controlo em tempo real e com elevada resoluo.

As centrais hidrulicas existentes no mercado, fruto dos desenvolvimentos referidos, so

baseadas no acoplamento de motores sncronos ou assncronos s bombas de dbito fixo ou

varivel, permitindo o controlo de presso e caudal no circuito de acionamento. As

metodologias de controlo necessrias requerem vastos conhecimentos em diversas reas de

engenharia. Tal diversidade de conhecimentos, no est disponvel para a concretizao de um

objetivo que no central na maior parte das pequenas e mdias empresas.

O controlo de centrais hidrulicas pode ser resistivo ou volumtrico. O controlo resistivo,

tradicional, realizado pela derivao do excesso de fluido leo hidrulico, atravs de uma

vlvula, (normalmente uma vlvula proporcional controlada por presso). No controlo

volumtrico, o fluxo ajustado pelo deslocamento da bomba. Este, pode ser ajustado pela

variao da rotao, pela variao de dbito da bomba, (bomba de caudal varivel), ou por

ambos os mtodos. O controlo resistivo possui excelentes propriedades dinmicas, no entanto,

apresenta baixa eficincia energtica. O controlo volumtrico dispendioso devido ao elevado

custo das bombas e/ou sistemas de controlo.

A construo de centrais hidrulicas baseadas no controlo volumtrico requer um alto nvel de

automao e sensorizao que pressupe desde logo uma utilizao especfica. Os custos de

desenvolvimento inerentes a este tipo de tecnologia limitam a sua utilizao a aplicaes mais

genricas.

A construo de centrais hidrulicas servo acionadas de aplicao genrica so uma necessidade

para as pequenas e mdias empresas que desejam competir com as vantagens associadas

eficincia e dinmica dos mais recentes desenvolvimentos na rea.

O mago desta dissertao de mestrado, centra-se no desenvolvimento de centrais hidrulicas

baseadas no controlo volumtrico, na sua eficincia e impacto ambiental, discutindo uma

metodologia complementar, compatvel com as exigncias atuais.


Captulo 2 Estado da Arte 3

2 Estado da Arte

Uma central hidrulica pode ter diversas configuraes, tentando otimizar recursos tais como:

consumo de energia, eficincia e impacto ambiental, sempre com o objetivo primeiro de

cumprir os requisitos para os quais foi projetado, ou seja, fornecer potncia hidrulica.

Sem querer fazer uma anlise exaustiva de todas as tipologias de acionamento, caracterizam-se

a seguir os sistemas mais comuns e as inovaes existentes na atualidade.

2.1- Central hidrulica com bomba de dbito constante

Este tipo de central hidrulica a mais comum, com custos de investimento reduzidos e simples

de implementar. Tipicamente, uma bomba de engrenagens acionada por um motor de induo

assncrono. A presso no circuito hidrulico controlada por uma vlvula reguladora que

deriva, o excesso de caudal para o reservatrio.

O motor trabalha continuamente na sua rotao e potncia nominal, ainda que, nenhum tipo de

acionamento esteja em curso. Uma vez que o dimensionamento da central realizado tendo em

conta o caudal mximo dos atuadores, a sua eficincia fica marcada pelo nmero e frequncia

do ciclo de trabalho dos mesmos.

Na figura 2.1, podemos observar o esquema hidrulico de um circuito simples, constitudo por

um atuador, uma vlvula direcional, bomba de dbito constante, motor de induo assncrono

e filtro no retorno ao reservatrio.

Como se pode observar pelo esquema hidrulico a vlvula conduz o fluido para o reservatrio

na sua posio central. Este esquema de vlvula tpico de circuitos simples e permitem reduzir

a carga do motor na ausncia de movimentos do actuador.


4

Captulo 2 Estado da Arte

Devido sua simplicidade e eficincia, este tipo de central hidrulica, produz muito calor que

necessrio dissipar. O calor armazenado no fluido transportado ao longo do circuito

hidrulico provocando perturbaes, avarias e baixando o rendimento de componentes

essenciais como vlvulas, bombas e atuadores.

A dissipao da energia trmica torna-se ainda mais importante j que, para dissipar a energia

trmica necessrio fazer uso de mais energia eltrica, baixando deste modo o rendimento total.

Dependendo do ciclo de acionamento dos cilindros ou motores conectados central, frequente

utilizar-se uma vlvula de descarga para o reservatrio, figura 2.2.

Esta vlvula permite conduzir o fluido produzido pela bomba diretamente para o reservatrio,

baixando o binrio produzido pela bomba e naturalmente a potncia produzida pelo motor.

Figura 2.1 Central hidrulica com bomba dbito constante e vlvula reguladora de presso.

Figura 2.2 Central hidrulica com bomba de dbito fixo, vlvula reguladora de presso e de descarga ao reservatrio.



Nos instantes em que a vlvula de descarga est aberta, a presso no circuito apenas a

necessria para fazer atuar as vlvulas, a resistncia hidrulica dos tubos e a queda de presso

no filtro, consequentemente, a potncia mecnica muito reduzida. No entanto, a potncia

consumida pelo motor ainda significativa devido s perdas eltricas e mecnicas deste.

A colocao da vlvula de descarga implica alguns cuidados e desvantagens que vale a pena

salientar:

- Os atuadores ficam em perda, isto , devido s fugas hidrulicas das vlvulas estes podem

movimentar-se uma vez sujeitos a cargas;

- O comando das vlvulas deve ser precedido do fecho da vlvula de descarga. Este facto

implica algum refinamento no circuito de controlo, em especial quando o circuito possui um

grande nmero de atuadores;

- Independentemente do fluxo necessrio para os atuadores o motor e a bomba estaro a debitar

a sua potncia mxima.

- Todos os componentes do circuito hidrulico (em especial a bomba) esto continuamente

sujeitos a choques hidrulicos, o que diminui a sua vida til.

importante notar que a funo da vlvula de descarga da figura 2.2. realizada pela vlvula

direcional da figura 2.1.

2.2- Central hidrulica com bomba de caudal varivel

As bombas de caudal varivel permitem ajustar o seu deslocamento ao dbito solicitado pelo

circuito, mantendo a presso de trabalho. O seu princpio de funcionamento baseia-se do ajuste

dos elementos de bombagem em funo da presso do circuito.

Ainda que sejam inegveis as vantagens de uma bomba de caudal varivel, algumas limitaes,

porm, devem ser consideradas:

- A rotao do motor constante, consumindo uma parte relevante de energia nas perdas

eltricas e mecnicas do mesmo;

- O rendimento da bomba e das vlvulas proporcionais associadas representa uma considervel

perda de energia;


6


- O custo das bombas de caudal varivel muito elevado.

Na figura 2.3, apresenta-se um esquema hidrulico de uma central com uma bomba de caudal

varivel. A vlvula reguladora de presso exerce uma funo preventiva devido aos picos de

presso causados pelos atuadores e pelas mudanas sbitas de caudal. A regulao desta vlvula

crtica, uma vez que, quando regulada para uma presso demasiado baixa ou muito prxima

da presso de trabalho, a bomba estar continuamente a trabalhar para compensar a perda de

fluxo na vlvula. Quando regulada para uma presso demasiado alta, podem ser observados

picos de presso indesejveis no circuito.

As bombas de caudal varivel so fundamentais para a reduo do consumo de energia,

evitando perdas e minimizando a gerao de calor. Especialmente as bombas de pistes axiais

so muito versteis por possurem uma grande variedade de dispositivos reguladores. Outra

grande vantagem deste tipo de bombas o baixo nvel de rudo mesmo em condies de

utilizao severas.

Na figura 2.4, pode observar-se uma bomba de caudal varivel, de pistes axiais compensada

em presso.

Figura 2.3 Central hidrulica com bomba de caudal varivel compensada em presso.



1- Carcaa

2- Cilindro de controlo

3- Eixo da bomba

4- Placa de deslizamento

5- Vlvula de controlo

6- Pisto (x7)

A bomba s fornece o caudal necessrio para os atuadores. Se a presso de sada exceder a

presso de regulao, controlada pela vlvula 5, a bomba regula a placa de deslizamento para

que seja fornecido um caudal menor.

Devido s servo vlvulas incorporadas, estas bombas so muito sensveis a contaminantes do

fluido. So ainda impostas algumas limitaes viscosidade e temperatura do fluido para uma

tima eficincia e vida til deste tipo de bombas.

2.3- Central hidrulica com motor assncrono e variador de frequncia

As centrais hidrulicas com motores de induo assncronos, controlados em frequncia, so

fabricadas com bombas de dbito fixo ou varivel.

Figura 2.4 Bomba varivel de pistes axiais. A10VO. Adaptado de Bosch Rexroth Canada Corp., 2006.

Figura 2.5 Esquema hidrulico da bomba varivel de pistes axiais. Reproduzido de Bosch Rexroth Canada Corp., 2006.


8


As bombas de dbito fixo (bombas de engrenagens internas ou externas) proporcionam uma

soluo mais econmica, destinando-se a aplicaes de grande potncia e presso constante. A

presso mantida constante pelo ajuste do caudal s necessidades dos atuadores. O sistema

Sytronix FCP5000, fabricado pela Rexroth, um exemplo deste tipo de central. O motor pode

operar a velocidades de 3000 rpm, mas, funcionando em carga parcial, pode reduzir a

velocidade para menos de 200 rpm, sem afetar a presso de funcionamento. O consumo de

energia e rudo produzido pela bomba assim minimizado.

Ainda fabricado pela Rexroth, o sistema DEFn 5000, possui uma bomba de caudal varivel de

pistes axiais impulsionada por um motor assncrono e um variador de velocidade. A bomba

reduz o fluxo, ajustando-o para as necessidades dos atuadores sem afetar a presso na linha.

Este sistema possui dois modos de funcionamento, permitindo operar com as diferentes

exigncias das mquinas:

No modo Teach-in, o controlador memoriza o perfil de caudal e presso do ciclo de

funcionamento para que possa otimizar a resposta do sistema.

O modo Real-time adequado para uso em mquinas no cclicas. Neste modo, o

controlador calcula a melhor combinao da velocidade de rotao do motor e do dbito

da bomba para a resposta adequada ao dbito do sistema.

Figura 2.6 Sistema DFEn 5000. Reproduzido de REXROTH BOSCH GROUP. Sytronix DFE.



Devido utilizao de um variador de frequncia e uma bomba de caudal varivel, este conjunto

possui um custo bastante elevado, destacando-se no entanto pela sua dinmica, eficincia e

reduzido impacto ambiental.

2.4- Central hidrulica servo acionada

A utilizao de servomotores acoplados a bombas hidrulicas permite obter uma melhor

capacidade de resposta, preciso e eficincia.

Estas centrais utilizam bombas de engrenagens internas ou de pistes axiais. Graas aos

servomotores, o binrio disponvel na bomba mximo mesmo a rotaes muito reduzidas. O

rendimento dos motores muito elevado e o rudo produzido baixo. A presso mantida

custa da criteriosa rotao da bomba que compensa qualquer perda ou erro de posicionamento.

Nestes sistemas, o controlo da presso e do caudal tem um efeito limitador sobre a rotao da

bomba. A presso de trabalho pode ser alterada durante a operao, sem necessidade de vlvulas

adicionais ou ajustes do circuito hidrulico. Deste modo, uma mquina pode operar com

diferentes presses ao longo de um ciclo de trabalho, podendo mesmo fazer ajustes

progressivos.

As bombas de engrenagens internas so usadas em centrais hidrulicas de circuito aberto com

controlo de presso e caudal para sistemas de posicionamento simples. Em sistemas mais

dinmicos so usadas bombas de pistes axiais, em circuito fechado.

O funcionamento em circuito fechado, em combinao com a escolha criteriosa da bomba,

permite o funcionamento destes sistemas nos quatro quadrantes de operao, isto , presses e

caudais negativos e/ou positivos.

Em circuitos simples, podem ainda ser dispensadas as vlvulas de controlo proporcionais e

direcionais, que constituem uma importante parcela no custo total dos equipamentos

hidrulicos.

A figura 2.7 apresenta um esquema do sistema Sytronix SVP7000 fabricado pela Rexroth. Como

se pode observar, o controlador utiliza as leituras da presso, caudal e posio para atuar o

motor de acordo com os valores desejados.


10


No esquema hidrulico apresentado, observa-se uma bomba de caudal varivel, aumentando a

eficincia e dinmica do sistema. Um sensor de deslocamento do cilindro permite corrigir

pequenos erros de velocidade e posio. O conhecimento das caractersticas de cada atuador,

assim como, a sua velocidade, presso e posio imprescindvel para determinar a velocidade

do motor, impondo um nvel de sensorizao e controlo aprecivel.

A implementao destes sistemas hidrulicos est dependente da sua total integrao com as

mquinas que os acolhem.

A utilizao tpica destes sistemas destina-se ao acionamento de mquinas de injeo, prensas

e sistemas de aperto. Este tipo de mquinas apresentam ciclos de funcionamento mais ou menos

longos, proporcionando uma economia de energia significativa, (40 a 80%), segundo

KOMSTA, J. (2014).

Figura 2.7 Sistema Sytronix SVP7000. Reproduzido de REXROTH BOSCH GROUP. Sytronix SvP Servo Variable-Speed Pump Drive.



Figura 2.8 Acumulador de massas. Adaptado de Ferreira 2006.

2.5- Acumuladores

O acumulador destina-se a compensar o fluxo de entrada quando o sistema sujeito a uma

sbita solicitao de caudal.

Os acumuladores podem ser classificados com base na forma como o acumulador exerce a fora

no fluido que est armazenado:

Acumuladores carregados por massas.

Acumuladores carregador por mola.

Acumuladores hidropneumticos.

2.5.1- Acumuladores de massas

Os acumuladores carregados por massas, figura 2.8, so em geral de grandes dimenses e

podem operar vrios sistemas ao mesmo tempo.

A sua capacidade de armazenar fluidos a presses relativamente constantes torna-os vantajosos

relativamente a outro tipo de acumuladores. A fora aplicada pelas massas sobre o fluido

constante, independentemente da quantidade de fluido que se encontra no acumulador.

Por outro lado, a inrcia das massas pode provocar variaes momentneas e significativas de

presso quando a solicitao do fluxo muito rpida.

2.5.2- Acumuladores de mola.

Os acumuladores carregados por mola, figura 2.9, exercem a fora no fluido por meio de um

pisto sobre o qual atua uma mola. So em geral de dimenses reduzidas, de pequena

capacidade e operam normalmente a baixas presses.


12


Figura 2.9 Acumulador de molas. Adaptado de Ferreira, 2006.

Figura 2.10 Acumulador de pisto. Adaptado de Ferreira, 2006.

Devido constante elstica da mola a presso do fluido depende do curso de compresso da

mesma.

Apesar dos vedantes do pisto, o fluido armazenado no acumulador pode infiltrar-se no interior

da cmara da mola. Para evitar a acumulao de fluido, existe um orifcio que permite a

descarga do fluido sempre que necessrio.

Este tipo de acumuladores requer uma manuteno cuidada, no s devido limpeza do orifcio

de purga mas tambm pela perda de fora da mola.

2.5.3- Acumuladores de pisto

Os acumuladores de pisto consistem num corpo cilndrico com um pisto mvel provido de

vedantes, figura 2.10. O gs ocupa uma cmara do cilindro que se comprime quando o fluido

entra na restante cmara.



Figura 2.11 Acumulador de membrana. Adaptado de Ferreira, 2006.

A vedao do pisto impe alguns cuidados de manuteno uma vez que o fluido vai passando

para a cmara do gs diminuindo a sua prestao. A inrcia e o atrito do pisto contribuem para

a perda de eficincia deste tipo de acumuladores.

Os acumuladores hidropneumticos so os mais utilizados na hidrulica industrial. A fora

aplicada ao fluido por meio de gs comprimido.

O gs utilizado nos acumuladores deste tipo o nitrognio seco. A utilizao de ar comprimido

completamente proibida devido ao perigo de exploso causada por vapores de ar combinados

com o fluido hidrulico.

2.5.4- Acumuladores de membrana

O acumulador de membrada ou diafragma composto por duas metades de esfera metlicas,

no meio das quais fixa uma membrana de borracha sinttica que divide os dois

compartimentos, figura 2.11.

O funcionamento deste tipo de acumulador muito semelhante aos acumuladores de bexiga

possuindo os ltimos em geral menor capacidade.

2.5.5- Acumuladores de bexiga

Os acumuladores de bexiga, figura 2.12, so compostos por um corpo metlico, no interior do

qual se encontra uma bexiga de borracha sinttica que contm o gs. Quando o fluido entra no

interior do acumulador, comprime o gs. A presso diminui medida que o fluido sai do

acumulador. Uma vlvula colocada na sada do acumulador permite que a bexiga fique retida

no interior do acumulador ainda que este no contenha nenhum fluido.


14


Figura 2.12 Acumulador de bexiga. Adaptado de Ferreira, 2006.

Este tipo de acumulador o mais utilizado na hidrulica industrial, pois:

Garante uma perfeita separao entre a cmara de lquido e a de fluido;

O elemento separador (bexiga de borracha) no apresenta inrcia;

Como no existe nenhum deslizamento recproco entre elementos mecnicos, como nos

tipos de mola, de massa e de pisto, no necessria manuteno quanto ao mecanismo

interno;

Alta eficincia volumtrica, chegando a 75% do volume.

2.6- Bombas hidrulicas

O desempenho de diferentes bombas avaliada com base em vrios fatores, incluindo:

Gama de presses;

Gama de velocidades;

Rudo;

Eficincia;

Inrcia;

Fluxo e pulsao da presso;

Custos de instalao e manuteno.

A avaliao da importncia destes fatores depende dos objetivos traados no contexto geral da

aplicao.



Figura 2.13 Bomba de pistes axiais, (a) dbito fico (b) dbito varivel. Reproduzido de Ferreira, 2006.

Todas as bombas podem ser classificadas como de deslocamento positivo ou hidrosttica e

deslocamento no positivo ou hidrodinmicas. A maioria das bombas utilizadas em sistemas

hidrulicos hidrostticas.

Uma bomba hidrodinmica produz um fluxo contnuo. No entanto, uma vez que no

proporciona uma vedao interna, a sua sada varia consideravelmente com a presso. As

bombas centrfugas so exemplos de bombas hidrodinmicas. Se a sada de uma bomba

hidrodinmica for bloqueada, a presso subir e o fluxo ir diminuir para zero ainda que esta

continue em movimento. As bombas hidrodinmicas no permitem um controlo eficaz sobre o

fluxo de sada, pelo que no se adequam ao sistema em estudo.

Numa bomba hidrosttica, o deslizamento negligencivel em comparao com o fluxo de

sada. Se a sada for bloqueada, a presso ir aumentar instantaneamente a tal ponto que poder

partir a bomba se o motor tiver fora para impulsionar a bomba. Este tipo de bombas garante

um fluxo de sada praticamente proporcional a rotao.

2.6.1- Bomba de pistes radiais

Este tipo de bomba, tambm conhecida como bomba alternativa, constituda por pistes

dispostos paralelamente entre si e inclinados relativamente ao eixo de rotao. A inclinao do

eixo ou da placa proporciona o movimento alternado dos pistes e o seu curso determina o seu

dbito da bomba. O deslocamento da bomba caracteriza-se pelo curso, nmero de pistes e

velocidade de rotao. Pode ser de caudal fixo ou varivel como se mostra na figura 2.13.

Das principais caractersticas das bombas de pistes axiais destaca-se as seguintes:

Deslocamento: 0,40 - 20 cm;

Presso de trabalho at 700 bar;

Alto rendimento (95%);


16


Figura 2.14 Bomba de palhetas. Reproduzido de Ferreira, 2006.

Baixo nvel de rudo;

Elevada inrcia;

Custo elevado.

2.6.2- Bomba de palhetas

Consiste num rotor provido de ranhuras, onde se encontram as palhetas, que roda dentro de um

anel excntrico, figura 2.14. As palhetas encostam-se na carcaa pela ao da fora centrfuga,

formando com esta e as placas de desgaste a cmara da bomba. A presso de sada provoca um

desequilbrio da bomba e portanto maior desgaste, no entanto, este tipo de bombas tem uma

vida razoavelmente longa. Podem ainda ser encontradas no mercado bombas de palhetas

equilibradas e de caudal varivel. Uma vez que necessrio manter as palhetas encostadas ao

anel excntrico de forma a garantir a vedao, este tipo de bombas no so adequadas para

trabalhar com baixas velocidades de rotao.

Algumas das caractersticas mais importantes das bombas de palhetas, enumeram-se a seguir:

Deslocamento: 18 - 193 cm;


Fcil manuteno;

Baixa inrcia;

Baixo nvelde rudo.

2.6.3- Bomba de engrenagens externas

Um vcuo parcial criado na cmara de entrada da bomba pelo movimento do par de

engrenagens, figura 2.15. As engrenagens podem ser do tipo reto ou helicoidal, sendo as ltimas

mais silenciosas, acarretando no entanto um custo mais elevado de fabrico. O fluido



Figura 2.15 Bomba de engrenagens externas. Reproduzido de Ferreira, 2006.

introduzido nos vos dos dentes e transportado, junto carcaa, at a cmara de sada. O encaixe

dos dentes fora o fluido para a abertura de sada. A folga entre os dentes das engrenagens

proporciona uma fuga de fluido. Independentemente da velocidade, a perda de fluxo quase

constante para uma determinada presso.

Devido ao baixo custo, grande tolerncia aos contaminantes do fluido e fcil manuteno, este

tipo de bombas so das mais comuns, no entanto so muito ruidosas e apresentam uma

eficincia mecnica relativamente baixa.

Das caractersticas mais importantes, destacam-se:

Deslocamento: 1 - 63 cm;


Baixa inrcia;

Alto nvel de rudo.

Custo reduzido.

2.6.4- Bomba de engrenagens internas

As Bombas de engrenagens internas so dotadas de uma engrenagem com dentes interiores, na

qual engrena a roda dentada motora, figura 2.16. Uma vez que estas bombas tm dois ou trs

dentes a menos na engrenagem interna, as velocidades relativas das engrenagens so baixas. O

afastamento entre os dentes da engrenagem motriz e a engrenagem interna gera um vcuo

parcial. A cmara da bomba forma-se entre os dentes das engrenagens. Uma vedao em forma

de lua crescente localiza-se entre a abertura de entrada e sada, onde existe maior folga entre os

dentes das engrenagens. Estas bombas so unidades pequenas e compactas, possuindo boa

eficincia mecnica e fcil manuteno.


18


Figura 2.16 Bomba de engrenagens internas. Reproduzido de Ferreira, 2006.

A seguir enumeram-se as caractersticas mais importantes:

Deslocamento: 1.7 - 250 cm;


Baixa inrcia;

Baixo nvel de rudo;

Baixa pulsao;

Excelente eficincia volumtrica;

Custo reduzido.

Na tabela 2.1 esto resumidas as propriedades fundamentais das bombas anteriormente

discutidas. Algumas das propriedades expressas na tabela so de carter subjetivo, no entanto,

tentam refletir a pesquisa efetuada nos catlogos dos fabricantes e a experincia do autor.

Os elementos quantificados entendem-se como valores orientativos, obtidos pela consulta dos

catlogos, considerados como valores mximos para cada tipo de bomba.

Tabela 2.1 Comparao de bombas hidrulicas.

Tipo de bomba

Propriedade Pistes Engrenagens

internas

Engrenagens

externas

Palhetas

Presso mxima de trabalho 700 bar 315 bar 280 bar 210 bar

Gama de velocidades Elevada Elevada Mdia Baixa

Densidade de potncia Elevada Mdia Mdia Baixa

Eficincia total 91% 90% 85% 85%

Tolerncia Contaminao

fluido

Baixa Alta Alta Mdia

Nvel de rudo 70dBA 65dBA 75dBA 70dBA

Manuteno Difcil Mdio Fcil Fcil

Custo Elevado Mdio Baixo Baixo



2.7- Motores elctricos

A seleo do motor crucial na persecuo dos objetivos traados. A sua funo transformar

energia eltrica em energia mecnica o mais eficientemente e dinamicamente possvel.

Das principais caractersticas do motor devem constar:

Alta densidade de potncia;

Gama de velocidades elevada;

Momento de sada constante ao longo de toda a gama de velocidades;

Baixo momento de inrcia;

Capacidade para operar com longos ciclos de trabalho, alto duty cycle;

Baixa manuteno;

Alta fiabilidade.

2.7.1- Motores de induo.

Os motores de induo trifsicos so os motores mais comuns em aplicaes industriais devido

a sua construo simples e robusta. O seu nome deriva do facto de que a corrente no rotor no

provm diretamente de uma fonte de alimentao, mas induzida pelo movimento relativo dos

condutores do rotor e do campo girante produzido pelas correntes no estator.

O motor de induo consiste de duas partes principais:

O estator, constitudo por enrolamentos alojados nas ranhuras existentes na periferia interna de

um ncleo de ferro laminado (carcaa). Os enrolamentos do estator so alimentados com tenso

trifsica, que produz um campo magntico girante com velocidade sncrona.

O rotor pode ser do tipo bobinado ou em curto-circuito, (gaiola de esquilo), sendo os ncleos

magnticos construdos em ferro laminado.

O rotor bobinado constitudo por um ncleo em tambor, provido de ranhuras onde so alojados

enrolamentos semelhantes ao do estator, e produzindo o mesmo nmero de polos. No motor

trifsico estes enrolamentos so geralmente ligados em estrela, e as trs extremidades livres dos


20


enrolamentos so ligadas a trs anis coletores montados no eixo, permitindo a insero de

resistncias variveis em srie em cada fase.

O rotor tipo gaiola consta de um ncleo em tambor, providos de ranhuras, nas quais so alojados

fios ou barras de cobre curto circuitados nos extremos.

Os condutores do rotor so imersos no campo eletromagntico girante produzido pelo estator,

onde so produzidas foras eletromotrizes que proporcionam o binrio necessrio rotao do

motor.

A velocidade do rotor nunca pode atingir a velocidade do campo girante, isto , a velocidade

sncrona. Se esta velocidade fosse atingida, os condutores do rotor no seriam cortados pelas

linhas de fora do campo girante, no se produzindo portanto, correntes induzidas, sendo ento

nulo o binrio do motor.

Quando o motor funciona sem carga, o rotor gira com velocidade quase igual sncrona; com

carga o rotor roda mais lentamente em relao ao campo girante, proporcionando correntes

induzidas maiores, necessrias ao desenvolvimento do binrio necessrio.

Chama-se escorregamento, seguinte relao:

= ( 2.1 ) Em que:

= Escorregamento; = Velocidade sncrona; = Velocidade do rotor. O escorregamento geralmente expresso em percentagem e varia com a carga apresentando

valores entre 1 e 5%.

A NEMA1, classifica os motores de induo para uso geral segundo quatro categorias, (A, B,

C e D), que se apresentam no grfico da figura 2.17.

1National Electrical Manufacturers Association, (NEMA) uma associao de fabricantes de equipamentos eltricos e imagiologia mdica.

Fundada em 1926 e sediada em Rosslyn, Virginia, ( http://www.nema.org).



A escolha do tipo de motor feita de acordo com o perfil da carga aplicada. A categoria D, por

exemplo, apresenta um binrio alto para baixas frequncias, sendo ideal para motores com

arranque em plena carga.

Na figura 2.18, pode observar-se a relao entre as classificaes de eficincia dos motores

segundo os padres atuais e a classificao americana NEMA.

Figura 2.18 Comparao entre as antigas e as atuais classes de eficincia de motores eltricos. Reproduzido de ZVEI. (12/2010).

Os inversores de frequncia permitem o ajuste da velocidade sncrona do motor pelo controlo

da corrente no estator. No entanto, o clculo do binrio nominal deve ser realizada

cuidadosamente de forma a garantir que este seja sempre superior ao binrio mximo da carga.

A escolha de um binrio nominal muito prximo da carga nominal pode fazer com que o motor

entre em escorregamento descontroladamente.

Figura 2.17 Classificao dos motores de induo. Adaptado de KUPHALDF, T. R. 2014


22


2.7.2- Motores sncronos de man permanente

Os motores de manes permanentes, Permanent Magnet synchronous motors, alimentados por

inversores de frequncia, so usados em aplicaes industriais onde as exigncias

predominantes so: variao de velocidade, binrio constante e alta eficincia. Adicionalmente,

segtundo SIGUIMOTO, C.M., estes motores proporcionam menores vibraes, menor rudo e

reduzido espao em comparao com os motores de induo.

O princpio de funcionamento deste tipo de motores semelhante aos motores de induo

discutidos anteriormente. A principal diferena prende-se com a presena de um campo

magntico forte e permanente proveniente dos manes permanentes que dispensa a energia

necessria para a magnetizao do rotor. Para alm da ausncia de perdas provocadas pela

induo do rotor, este acompanha a velocidade sncrona do estator, permitindo que o motor

funcione de forma sncrona. Isto , no h escorregamento entre o motor e o estator.

Os rotores constitudos por manes NdFeB2 possuem menores perdas por efeito de Joule e

menores dimenses. As perdas por efeito de Joule no rotor so uma parte significativa das

perdas totais do motor, contribuindo assim para uma maior eficincia. A dimenso do rotor

de extrema importncia quando se pretende pequenos momentos de inrcia, permitindo grandes

aceleraes.

2.8- Estudo do ploblema

A viabilidade de um projeto de engenharia verifica-se pela capacidade de gerar retorno

financeiro num espao de tempo ajustado ao investimento e pela sua compatibilidade com as

normas tcnicas e sociais (ainda que informais) em vigor.

Dependendo do tipo de equipamento associado central hidrulica, o custo da energia

representa normalmente a parte mais onerosa de todo o investimento.

Segundo Komsta, J. (2014), os custos operacionais representam 80 a 95% de todo o

investimento ao longo do ciclo de vida do equipamento, dos quais a energia a parte mais

significativa.

2NdFeB um man permanente feito a partir de uma liga de neodmio, ferro e boro que forma uma extrutura cristalina tetragonal Nd2Fe14B.

(Traduzido de: http://en.wikipedia.org/wiki/Neodymium_magnet).



Atendendo ao carcter alternativo e variado dos acionamentos normalmente conectados a uma

central hidrulica, verifica-se um desperdcio de energia sempre que esta no est a ser

solicitada na sua plenitude. Menos significativas, mas relevantes, so as perdas energticas

devidas ao baixo rendimento dos motores de acionamento. A economia de energia

proporcionada pela otimizao dos fatores referidos, podem chegar aos 80%, de acordo com

Komsta, J. (2014).

Ainda que sejam inmeras as possveis configuraes de uma central hidrulica, prevalece o

objetivo de encontrar um tipo que estabelea um compromisso entre as caractersticas desejadas

e o impacto econmico e ambiental da sua instalao.

Podemos caracterizar uma central hidrulica, ainda que de modo abstrato, da seguinte forma:

Caractersticas mandatrias;

Caractersticas de valorizao.

As caractersticas mandatrias definem as variveis fundamentais para o funcionamento de todo

o equipamento. Tais como:

Presso de trabalho;

Potncia hidrulica disponvel;

Caractersticas do fluido;

Tolerncia da presso de trabalho e a sua estabilidade.

A presso de trabalho estabelecida de acordo com as caractersticas do equipamento a

montante da central. As limitaes da presso so fundamentalmente impostas pelo tipo de

bomba e potncia hidrulica disponvel.

A potncia hidrulica a caracterstica de maior relevncia numa central hidrulica e

calculada como o produto da presso pelo caudal disponvel na central. Com base no clculo

efetuado, determina-se a potncia do motor de acionamento. comum, recorrer a vrias bombas

de diferentes deslocamentos, para obter o caudal desejvel, aproximando a potncia hidrulica

disponvel potncia utilizada a cada instante.

As caractersticas do fludo so fundamentais para o funcionamento do circuito hidrulico, em

especial quando este composto por servo vlvulas.


24


So comuns os problemas relacionados com a regulao da temperatura do fluido e com a

alterao da viscosidade, proporcionada pelo seu envelhecimento. A alterao da viscosidade

afeta o rendimento da bomba, podendo proporcionar perda de potncia disponvel.

De acordo com as caractersticas do circuito a acionar, a variao da presso de trabalho pode

ser maior ou menor. A forma como esta varia, igualmente importante para o funcionamento

do circuito hidrulico.

A estabilidade da presso de trabalho deve-se em grande parte ao prprio circuito hidrulico,

com especial destaque para a forma como os atuadores so acionados. Os choques hidrulicos

provocados pela comutao das vlvulas e deslocamento dos atuadores podem ser minimizados

pela comutao seletiva das vlvulas, colocao de vlvulas proporcionais, cmaras de

amorticimento nos atuadores, etc.

As caractersticas de valorizao, ainda que fundamentais, no so mandatrias. Fazem parte

da caracterizao da central quanto ao seu impacto ambiental e econmico. Tais como:

Rudo;

Eficincia;

Dimenses;

Custo.

As solues existentes no mercado e sumariamente apresentadas ao longo deste captulo,

refletem de uma forma geral as exigncias atuais, ainda que, com algumas limitaes. A

utilizao de servomotores a referida, est em grande parte condicionada ao conhecimento

prvio dos atuadores, suas posies e velocidades pretendidas. Este facto impe um nvel de

controlo nem sempre disponvel ou economicamente aceitvel, para equipamentos com edies

limitadas.

Qualquer que seja o motor utilizado para o controlo do fluxo de um circuito hidrulico, este,

no possui um tempo de resposta instantneo pelo que, ser necessrio prever um mtodo para

compensar a perda de fluxo provocada pela variao de velocidade.

2.8.1- Princpio de funcionamento

Reportando-nos s caractersticas mandatrias referidas anteriormente, a potncia hidrulica

disponvel pode ser garantida pelo conhecimento prvio da sua utilizao (controlador com base



no conhecimento no atuador), pela sua produo preventiva (mtodo tradicional de descarga ao

reservatrio) ou pela acumulao da mesma, de forma a garantir o seu fornecimento no

intervalo de tempo necessrio sua restituio ao circuito.

neste ltimo aspeto que se vai centrar o trabalho desta dissertao.

A compensao do caudal necessrio pode ser garantida pela utilizao de um acumulador

inserido no circuito hidrulico, que se destina somente a compensar as mudanas de velocidade

do motor e as perdas de fluxo provocadas por aquelas.

Na figura 2.19, pode observar-se graficamente o processo de equilbrio dos caudais.

O caudal de sada , em cada instante, igual soma do caudal de entrada e do caudal proveniente

do acumulador.

Com base no equilbrio proposto, elaborou-se um esquema hidrulico, figura 2.20, que reflete

o princpio de funcionamento proposto.

Pela observao da figura 2.20, verifica-se que no existe referncia ao tipo e nmero de

atuadores presentes no circuito. O controlo do sistema fica assim simplificado, permitindo a sua

rpida integrao em retrofitting.

Figura 2.20 Esquema hidrulico com o princpio de funcionamento.

Figura 2.19 Compensao do caudal pelo acumulador.


26


A vlvula antirretorno impede a fuga hidrulica do fluxo do circuito quando a bomba se

encontra em baixas rotaes ou parada.

O acumulador apresenta duas funes principais: garante a compensao de fluxo durante o

arranque ou mudana de velocidade do motor e a manuteno da presso no circuito. A ltima

especialmente importante para circuitos onde necessrio manter a fora nos atuadores, ainda

que no existam movimentos destes, como o exemplo de prensas hidrulicas.

2.9- Concluso

A correta escolha de um tipo de central hidrulica considera no s o tipo de bomba, mas todo

o sistema de componentes que interagem com esta. A anlise de custos deve considerar todo o

ciclo de vida, tendo em conta no s os aspetos econmicos mas tambm os custos ambientais.

Segundo o Hydraulic Institute (Maio 2004), o custo de investimento inicial do equipamento

representa uma pequena parte do custo total ao longo do seu ciclo de vida. Um guia com uma

anlise detalhada sobre o mtodo de clculo dos custos foi publicado pelo Hydraulic Institute

em conjunto com a Europump. Este guia explica de forma detalhada como os custos de uma

central hidrulica so influenciados pelo seu desenho e mostra em detalhe como usar a anlise

de custos para retirar ilaes sobre as escolhas efetuadas.

Uma viso mais simplista sobre as vantagens e desvantagens dos vrios sistemas pode ser

observada na figura 2.21.

Eficincia Dinmica Custo

Motor assincrono + Bomba fixa

Motor assincrono + Bomba varivel

Inversor de frequncia + Motor assincrono + Bomba fixa

Inversor de frequncia + Motor assincrono + Bomba varivel

Inversor de frequncia + Servo motor + Bomba fixa Exponencial para

grandes dimenses

Figura 2.21 Comparao em eficincia, dinmica e custos das diferentes tecnologias. Adaptado de KOMSTA, J, (2014).



Como se observa na imagem comparativa, as tecnologias mais tradicionais apresentam

vantagens ao nvel dos custos dos equipamentos, deixando de lado o retorno que a eficincia

representa a longo prazo. As tecnologias mais recentes so fortemente penalizadas pelos custos

de aquisio, mas constituem um investimento slido quando so projetadas a mdio e longo

prazo. As vantgens ao nvel da eficincia so notrias nos sistemas que fazem uso do controlo

volumtrico.

2.10- Ambiente de simulao

Devido amplitude dos recursos necessrios e escassez dos meios disponveis, entendeu-se

proceder ao desenvolvimento deste trabalho em ambiente de simulao.

Aps anlise dos vrios softwares disponveis, optou-se pela utilizao do MATLAB,

(Simulink, 2014a). Dos vrios softwares analisados destacam-se:

LMS Imagine. Lab SIEMENS

LVSIM-HYD FESTO

Automation Studio

HYDROSYM PARO Software & Engineering

O Simulink uma ferramenta interativa do MATLAB utilizada para modelar, analisar e

simulao de aplicaes dinmicas de engenharia. Permite desenvolver estruturas complexas

atravs de blocos com funcionalidades especficas que uma vez interligadas modelam o

comportamento do sistema em estudo. O ambiente puramente matemtico reduz os custos e

tempo de processo, permitindo obter resultados detalhados.

A biblioteca hidrulica possui um grande nmero de elementos parametrizveis, possibilitando

a sua interligao com elementos de diferentes bibliotecas, como exemplo a biblioteca de

elementos mecnicos. Os sensores disponveis permitem efectuar medidas ao longo de todo o

circuito hidrulico de modo a monotirizar o seu funcionamento e interagir com os restantes

elementos, construindo-se assim modelos complexos e detalhados.

O acesso ao modelo matemtico dos elementos inseridos no simulador permite a sua fcil

interpretao, assim como o acesso s suas variveis. A ajuda disponibilizada referente aos

componentes em anlise, com referncias s suas fontes, limitaes e exemplos

associados, concede a este software vantagens excecionais.


28


Apesar das vantagens mencionadas, o Simulink possui uma qualidade grfica menos cuidada

em comparao com outros softwares disponveis no mercado. A possibilidade de alterao dos

parmetros ao longo de uma simulao numa limitao comum a todos os simuladores

reduzindo fortemente a sua dinmica.

Os modelos estudados foram construdos com base em elementos das bibliotecas de hidrulica,

mecnica, eltrica e controlo. A sua interligao foi possvel graas ao recurso da simulao

em modo discreto. O perodo estabelecido como conveniente para a obteno detalhada da

simulao foi de 75 10 segundos.


Captulo 3 Modelao 29

- - Atuador Processo Presso Controlador +

3 Modelao

Ao longo deste captulo discute-se as opes tomadas na seleo dos componentes referentes a

cada parte da central hidrulica e apresenta-se o modelo de clculo para cada uma dessas partes.

O esquema de blocos apresentado na figura 3.1 reflete a totalidade do processo, associado a

uma central hidrulica.

O processo pode ser dividido em trs grandes blocos, tendo como entrada a varivel de

referncia presso.

O controlador varia a velocidade do atuador em funo da diferena entre a presso de

referncia e a presso no circuito hidrulico.

O processo composto por todos os componentes hidrulicos, tendo como sada uma linha

hidrulica caracterizada pelas propriedades definidas como mandatrias no captulo 2.

O atuador composto por um motor controlado em velocidade e por inversor de frequncia. A

entrada do atuador uma velocidade angular e a sada caracteriza-se pela rotao do eixo do

referido motor.

Figura 3.1 Esquema de blocos do princpio de funcionamento.


30

Captulo 3 Modelao

3.1- Estudo do modelo hidrulico

O processo hidrulico caracteriza-se pelo controlo do caudal que flu no circuito. O controlo da

presso no circuito uma caracterstica indireta que decorre do volume do acumulador e da

presso a que est sujeito o seu gs. A caracterizao de um caso particular, referente a um

acumulador de 0,002 m e uma presso de trabalho de 20 MPa, pode ser observada graficamente

na figura 3.3.

Para a obteno da equao de controlo, optou-se pelo controlo do volume do acumulador,

ainda que no seja uma caracterstica diretamente mensurvel. Na figura 3.2, pode observar-se

o diagrama de blocos proposto.

O controlo em malha fechada realizado com base no erro do volume presente no acumulador.

O bloco C(s), representa a funo transferncia correspondente ao controlador. O erro, isto , a

diferena entre o volume de referncia do acumulador e o volume correspondente a presso no

circuito, serve como entrada do controlador, que converte na rotao desejada do motor e

consequentemente da bomba.

A funo transferncia T(s), converte a tenso eltrica, (baseada na posio de um

potencimetro), que reflete a presso desejada para o circuito hidrulico, no volume de

referncia do acumulador, correspondente presso desejada.

O sensor S(s), responsvel pela leitura da presso do circuito hidrulico, tal como se apresenta

na figura 3.2. A tenso eltrica, u(s), ento convertida para volume, de acordo com a

especificao de T(s).

O motor e o driver que lhe est associado, est representado na forma da funo transferncia

M(s). Como se pode observar, a entrada desta funo transferncia modelada por uma tenso

Figura 3.2 Esquema de blocos do processo

P [Pa] P [Pa] - u(s)

(ref.)

erro

+ - (s) *(s)

V(s)

Vr(s)

u(s)



eltrica que reflete a velocidade desejvel do motor, tendo como sada a mesma velocidade sob

a forma de uma rotao mecnica.

A funo G(s), representa o comportamento do circuito hidrulico, tendo como entrada a

velocidade do eixo da bomba, *(s), e na sada, a presso na linha do circuito hidrulico

provocada pela presso do gs no acumulador.

O caudal do acumulador resultado do equilbrio entre o caudal de sada do circuito e do caudal

proporcionado pela bomba.

Podemos escrever a uma equao de equilbrio do sistema tendo como base o equilbrio dos

caudais:

q = q + q ( 3.1 )

Caudal de entrada ou da bomba = [/]; Caudal na entrada do acumulador =" [/]; Caudal de retorno ao tanque ou de sada = [/].

O caudal de entrada ou da bomba resultado da rotao, rendimento e deslocamento da bomba.

De acordo com as equaes utilizadas no modelo da bomba do Matlab Simulink, calcula-se a

seguir o caudal fornecido pela bomba em funo da sua rotao, tendo em conta as perdas

volumtricas relacionadas com a presso e propriedades do fluido.

= # $ %&"' ( ( 3.2 )

%&"' = %)*+ , ( 3.3 )

%)* = # $-./. 1 12 +-./. ,-./.(-./. ( 3.4 )

Em que:

Deslocamento de bamba = D [m. 4567];


32

Captulo 3 Modelao

Rotao da bomba = $ [456 1]; Rendimento volumtrico = 12; Coeficiente de perda = %&"'; Presso da linha = P [Pa];

Coeficiente Hagen Poiseuille = %)*; Viscosidade cinemtica = + [mm27]; Densidade do fluido = , [kg.];

O caudal de retorno ao tanque o somatrio dos caudais de todos os atuadores.

= 9 :-

;

( 3.5 )

De acordo com a lei de Hagen-Poiseuille3, o caudal de sada pode ser calculado em funo da

presso e da resistncia hidrulica,



P;. V; = P7. V7 ( 3.7 )

Onde:

(; A (7= Presso do gs inicial e final respetivamente; B; A B7 = Volume do gs inicial e final respetivamente. Nas condies da equao anterior, assume-se que a transformao ocorre num sistema

fechado, em que h troca de energia com os sistemas na sua vizinhana.

A troca de energia referida tpica de um reservatrio sujeito a mudanas de presso e volume,

suficientemente lentas, que permitem que todo o sistema se ajuste continuamente.

No processo adiabtico no h troca de energia trmica entre o reservatrio e os sistemas na

sua vizinhana. Toda a energia trmica produzida transformada no processo de

compresso/expanso do nitrognio no interior do acumulador.

A equao matemtica que descreve um processo adiabtico de um gs a seguinte:

P VC= Constante ( 3.8 ) Onde:

P = Presso do gs no acumulador; V= Volume do gs no acumulador;

= EFEG Razo entre os calores especficos molares presso constante. O gs utilizado nos acumuladores o nitrognio em que H = IJ = 1,4. Podemos assim, rescrever (3.7) na seguinte forma:

P;. V;C = P7. V7C ( 3.9 )

De acordo com a Bosch Rexroth AG, o acumulador segue a lei isomtrica e a descarga a lei

adiabtica.


34

Captulo 3 Modelao

No grfico da figura 3.3, comparam-se as curvas isomtrica e adiabtica para uma gama de

presses. Como se pode observar, a aproximao da curva adiabtica reta linear apresentada

introduz um erro negligencivel para o processo de controlo uma vez que se deseja uma

pequena variao de presso no sistema.

Assim, podemos escrever:

B( = 5 + M (

( 3.10 )

Em que a e b so constantes a determinar aps a escolha do acumulador e V o volume do

fluido no acumulador.

Substituindo em (3.6), obtm-se:

1



Substituindo em (3.1) pelas equaes (3.2), (3.10), (3.11) e (3.12), obtemos a equao

diferencial que relaciona o volume do acumulador com a velocidade do motor:

6N(O)6P +

1


36

Captulo 3 Modelao

Figura 3.5 Resposta da bomba solicitao de caudal.

O modelo da figura 3.4, o equivalente funo transferncia G(s), apresentada na figura 3.2. Pela anlise de H(s), verifica-se a existncia de um polo com valor sempre negativo e nenhum zero, o que nos garante a estabilidade do sistema. Sendo que: # #



A rea sombreada a cinzento na figura representa o volume do fluido a ser fornecido pelo

acumulador no processo de arranque do motor.

Consideremos um movimento uniformemente acelerado como apresentado na figura 3.6.

O volume de entrada calculado em como se segue:

N ` # 1B a P 6PO7O; ( 3.19 )

Em que:

a = Acelerao angular [rad.Z]; O volume de sada o integral do caudal de sada no intervalo de tempo de arranque do motor.

N = ` 6PO7O; ( 3.20 )

O volume mximo transferido do acumulador para o circuito hidrulico calculado como a

diferena entre o volume de sada menos o volume de entrada.

N = N N

( 3.21 )

O passo seguinte ser calcular a capacidade do acumulador que proporcione uma queda de

presso no circuito hidrulico aceitvel para o equipamento. A equao (3.22) relaciona a

Figura 3.6 Rampa de arranque do motor.


38

Captulo 3 Modelao

capacidade do acumulador com o volume a compensar pelo acumulador, presso do gs e a

presso mnima e mxima do circuito.

B" N(*b*c)

cV d1 e*c*fg

cVh

( 3.22 )

Em que;

(; 0,9 (7, Presso do gs no acumulador [Pa]; (7= Presso mnima de trabalho [Pa]; (Z= Presso mxima de trabalho [Pa]; k = constante adiabtica = 1,4;

B" = Capacidade do acumulador [].

Algumas regras prticas devem ser observadas de forma a garantir os melhores resultados e a

preservar a vida til do acumulador. As equaes (3.23) e (3.24) estabelecem os critrios a

observar no processo de clculo de acordo o datasheet do acumulador que se reproduz

parcialmente no anexo VI.

(Z 4 (;

( 3.23 )

B" = 1,5 3 N

( 3.24 )

3.3- Clculo da bomba

Neste trabalho utiliza-se uma bomba de engrenagens internas que satisfaz os requisitos

anteriores, atendendo aos produtos existentes no mercado e s consideraes anteriormente

discutidas.

Considerando a eficincia volumtrica constante, podemos calcular o dbito da bomba da

seguinte forma:



m # 12 $

( 3.25 )

m = 9 :

:

;

( 3.26 )

Em que:

Q = Caudal mximo da central [. 7]; w = velocidade mxima do motor [456. 7]; D = volume deslocado. [. 4567]; : = Caudal requerido para o atuador i [. 7]. O binrio mximo da bomba importante para o clculo do motor e calculado como se segue:

Y = # (1=/

( 3.27 )

Em que:

( = Diferana de presso entre a aspirao e a linha de presso [Pa]; 1=/ = Rendimento hidrulico/mecnico. A seguir apresenta-se o mtodo de clculo da potncia de acionamento da bomba. De referir

que se trata de potncia mecnica. Para a determinao da potncia do motor deve ser levado

em conta o rendimento deste, as perdas mecnicas e eltricas associadas ao controlador.

("n =o*pq1000

( 3.28 )

Em que:

("n = Potncia mecnica de acionamento [kW]; 1r = 12 1=/, Rendimento total. 3.4- Clculo do motor


40

Captulo 3 Modelao

O controlo do sistema hidrulico proposto pressupe que o motor possa operar grandes

velocidades e aceleraes.

Uma vez que a acelerao mxima do motor s pode ser conhecida aps a seleo do motor, e

o binrio mximo de trabalho em geral menor que o binrio de bloqueio, necessrio

considerar um processo de seleo interativo.

Na primeira interao, selecionado um motor com base no binrio mximo de trabalho. Com

o motor assim considerado, segue-se o processo de clculo do momento de inrcia do rotor,

acoplamento e bomba. Com base no motor selecionado, o binrio devido acelerao

provocada pelo momento de inrcia, pode agora ser calculado. A seleo prossegue com o

clculo do binrio mximo, considerando agora o binrio devido a acelerao.

A validao da seleo anterior verifica-se se o binrio de bloqueio for superior ao binrio

calculado.

O fluxograma apresentado na figura 3.7 ilustra o processo de seleo de uma forma resumida.

Figura 3.7 Fluxograma para a seleo do motor.

Seleo do motor com base no binrio mximo da bomba.

Clculo do binrio devido acelerao.

Clculo do binrio mximo requerido.

Seleo de um motor com um binrio maior.

No

Motor selecionado!

Sim

O motor seleciondo cumpre os requisitos?



O binrio mximo requerido pela bomba est calculado na equao (3.27).

O binrio mximo requerido para a determinao do motor, calculado da seguinte forma:

s/"t ur a + Y + " ( 3.30 ) Em que:

u= Momento de inrcia do motor, bomba e acoplamento [N.m]; a= Acelerao angular do motor [rad/s"vwf]; M= Binrio mximo da bomba [N.m]; 5= Binrio de atrito esttico [N.m];

Em geral, o binrio devido ao momento de inrcia juntamente com o binrio mximo da bomba,

representa a parte mais significativa no clculo do motor.

As curvas, binrio versus velocidade, fornecidas pelos fabricantes, referem diversas zonas de

trabalho para as quais necessrio ter em conta o fator de trabalho. A ttulo de exemplo,

apresenta-se na figura 3.8, um grfico com as curvas de velocidade versus binrio do motor

MSK071D-0450.

De acordo com a norma IEC 60034-1;2004, so classificados dez tipos de ciclos de trabalho

para os motores eltricos, (S1 a S10). Na figura 3.8, pode observar-se as curvas referentes aos

ciclos de trabalho S1 e S3. O ciclo S1 est ainda classificado de acordo com o tipo de

arrefecimento do motor.

Figura 3.8 Curvas de carga do motorMSK071D-0450. Reproduzido de Bosch Rexroth AG 2006


42

Captulo 3 Modelao

A percentagem do ciclo de trabalho ou duty cycle calculada de acordo com a seguinte

expresso:

x# Pyn 100% ( 3.31 )

Em que:

P{, Tempo de trabalho com carga constante [s]; |, Tempo de ciclo [s].


Captulo 4 Exemplo de aplicao e simulao 43

4 Exemplo de aplicao e simulao Aps a exposio dos conceitos tericos em torno do modelo apresentado no captulo 3,

apresenta-se a seguir, o clculo e simulao de dois exemplos comparativos, dos quais se

pretende inferir sobre a aplicabilidade e benefcios do processo em estudo.

O primeiro exemplo refere-se a uma central hidrulica tradicional, isto , constituda por uma

bomba de dbito constante e um motor de induo trifsico. A presso de trabalho estabelecida

por uma vlvula reguladora de presso.

O segundo exemplo ser constitudo por um servo motor, uma bomba de engrenagens internas

e um acumulador. O controlo volumtrico baseado no erro entre o volume do acumulador e o

volume de referncia para a presso desejada. Os dados de carga da central so comuns aos dois

projetos. Na tabela 4.1, podem observar-se as caractersticas consideradas elementares para o

clculo das duas centrais.

Tabela 4.1 Caractersticas base para o projeto das centrais hidrulicas.

Caracterstica Valor Unidades

Caudal mximo de sada 0,0001 m/s

Presso de trabalho 20 MPa

Tolerncia da presso 2%

Para simplificar o processo de desenho, anlise e simulao das centrais hidrulicas em estudo,

substituiu-se os atuadores por uma vlvula proporcional com descarga direta para o

reservatrio.


44

Captulo 4 Exemplo de aplicao e simulao

Figura 4.1 Central hidrulica com vlvula reguladora de presso e vlvula proporcional.

4.1- Central hidrulica com vlvula reguladora de presso

Com base nos dados da tabela 4.1, calcula-se os componentes referentes ao esquema da figura

4.1.

Considerando um motor de induo trifsico com velocidade sncrona de 157 rad/s,

escorregamento mximo de 5% e rendimento volumtrico da bomba 0,92, calcula-se o

deslocamento de acordo com a equao (3.2):

# 7,;}~7JI;,J;,Z =72,9A /"v

( 4.1 )

Consultando o catlogo de bombas comercialmente disponveis, verifica-se que a bomba com

deslocamento mais aproximado de 87,535x /456. A potncia de acionamento mecnica, calculada de acordo com (3.28).

("n =7,;}~Z;}R

;,J1000 = 3,07 %Q ( 4.2 )



Considerando o rendimento do motor em plena carga de 85%, calcula-se a potncia para o

acionamento da bomba.

(/ 3,070,85 3,61 %Q

( 4.3 )

O motor com a potncia nominal mais aproximada comercialmente de 4 kW, anexo I.

Na figura 4.2 pode observar-se o modelo do motor assncrono construdo em MATLAB

Simulink. A fonte de alimentao est programada para fornecer ao circuito 400 Vrms, em trs

fases. A corrente e a tenso so medidas pelo bloco, VI Measurement, e posteriormente

calculada a potncia ativa pelo bloco Power. O motor de induo controlado pelo binrio

solicitado pela bomba, tem como sada o rotor, que por sua vez, medido em velocidade e

binrio, por dois sensores que disponibilizam as respetivas medies na sada do bloco.

Como se pode observar pelo grfico da figura 4.3, a energia consumida pelo motor constante,

ainda que o caudal de sada seja nulo. A presso e o caudal de entrada permanecem constantes,

como est implcito na equao (3.28), o restante caudal derivado para o tanque atravs da

vlvula reguladora de presso.

Figura 4.2 Motor de induo 4 kW 4 polos.

Figura 4.3 Potncia ativa consumida pelo motor do circuito hidrulico


46


No grfico da figura 4.4 pode verifica-se que o motor continua a consumir energia, ainda que a

presso no circuito hidrulico seja nula. O valor apresentado pelo grfico deve-se apenas s

perdas no motor. Na prtica, existem presses no circuito hidrulico, (necessrias para a

abertura das vlvulas e inrcia do fluido), e binrio de atrito, que provocam binrio do motor.

De forma a caracterizar a energia trmica que flui no circuito hidrulico, simulou-se um circuito

do ponto de vista trmico que se apresenta na figura 4.5. Os valores utilizados para a construo

do modelo apresentado, so meramente indicativos, uma vez que no so fornecidos pelos

fabricantes de componentes hidrulicos, elementos que permitam uma simulao mais

fundamentada.

Figura 4.5 Circuito trmico correspondente ao circuito hidrulico da figura 4.1.

Figura 4.4 Potncia ativa consumida pelo motor com descarga ao tanque do circuito hidrulico.



Para o clculo do modelo em anlise, considerou-se apenas a bomba como fonte de energia

trmica. Ainda que esta seja gerada em todo o circuito hidrulico pela ao mecnica do fluido

nos componentes hidrulicos, considerou-se negligencivel para efeitos do modelo em anlise.

A perda de energia na bomba foi calculada da seguinte forma:

(AY./Y" (/ () ( 4.4 )

(/ / ( 4.5 )

() = ( m ( 4.6 ) Em que:

(AY./Y" = Perda de energia na bomba, (trmica e sonora) [W]; (/ = Potncia mecnica [W]; () = Potncia hidrulica [W]; / = Binrio no eixo da bomba [N.m]; = Velocidade angular [rad]; ( = Presso diferencia na bomba [Pa]; m = Caudal na bomba [m3/s]. O modelo em MATLAB Simulink referente equao (4.4) est apresentado na figura 4.6.

O reservatrio desempenha diversas funes, das quais se destacam:

Figura 4.6 Clculo das perdas de energia na bomba em MATLAB Simulink.


48


Reteno do fluido que circula no sistema hidrulico.

Dissipao trmica.

Remoo de ar do fluido.

Decantao de partculas contaminantes.

Separao de gua condensada.

Suporte de componentes hidrulicos, em especial filtros e bomba.

A

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