COMPARAÇÃO DOS ACIONAMENTOS DE VELOCIDADE VARIÁVEL PARA
MOENDAS DE CANA DE AÇÚCAR
Gunnar Ivarsson, Tomas Kallin, Juliusz Lewinski – Bosch Rexroth, Suécia
Paulo Grassmann – Bosch Rexroth, Brasil
Resumo
O objeto deste trabalho é comparar as características dos acionamentos eletro-mecânicos de frequência
variável aos acionamentos eletro-hidráulicos diretos que se utilizam em moendas de cana de açúcar.
Comparam-se as características como a eficiência total, faixa de operação contínua, capacidade de
torque de partida, momento de inércia, limitação de torque, distribuição de carga, partidas e paradas
frequentes. Conclui-se que o princípio de funcionamento do acionamento eletro-hidráulico direto conta
com algumas vantagens em comparação ao acionamento eletro-mecânico. Exemplos das vantagens são:
economia de espaço (espaço livre ao redor da moenda), não requer fundações, pouco peso – portanto
fácil de manusear na entressafra, capacidade de alto torque em toda a faixa de operação da moenda
mesmo em rotações muito baixas, momento de inércia muito baixo, limitação instantânea do torque,
tempo de parada muito curto em caso de emergência, partidas/paradas e reversões ilimitadas e a
medição do torque muito exata.
Palavras chave: acionamentos, moendas, eletro-hidráulicos, eletro-mecânicos
Abstract
The objective of this paper is the comparison of the characteristics of the variable frequency electromechanical drives and electro-hydraulic direct drives as the most popular in sugar industry. The
comparison is made taking into account the total efficiency, continuous operation range, starting torque
capacity, moment of inertia, torque limitation, load sharing, frequent starts and stops. It is concluded
that the work principle of the electro-hydraulic drives has many advantages in comparison with the
electro-mechanical drives. The examples of the advantages are: space saving (free space around the
mill), no foundations, low weight – easy to handle at offseason, high torque-low speed capacity, very
low moment of inertia, instantaneous torque limitation, low stop time in case of emergency,
starts/stops and reverses without limits and a very precise torque reading.
Key words: drives, mills, electro-hydraulic, electro-mechanical
1. Introdução
Atualmente os acionamentos de moendas de cana de açúcar são de velocidade variável, onde a
máquina motriz primária é um motor elétrico. Em um acionamento eletro-mecânico de velocidade
variável (VSAC na sigla em inglês), utiliza-se um motor elétrico de indução trifásico de 4 ou mais polos,
em combinação com um redutor. Para a redução da velocidade, se usam redutores de eixos paralelos ou
redutores planetários. A velocidade variável do acionamento se consegue mediante um inversor de
frequência que controla o fluxo magnético e o torque mecânico do motor elétrico de corrente
alternada.
No caso de um acionamento electro-hidráulico direto (HDD na sigla em inglês), a máquina motriz
primária é um motor elétrico de indução trifásico de 4 polos. O motor elétrico está conectado a uma
bomba de deslocamento variável que fornece o fluxo de óleo a um motor hidráulico de baixa rotação e
alto torque, o qual está mecanicamente conectado ao eixo da moenda. Não se utilizam engrenagens. A
velocidade variável é obtida, controlando-se a vazão de óleo da bomba ao motor hidráulico.
2. Comparação dos acionamentos
A comparação dos acionamentos se baseia na literatura acadêmica, catálogos dos fabricantes dos
equipamentos correspondentes e na experiência dos autores. As características que estão sendo
comparadas são: eficiência total, faixa de operação, torque de partida, momento de inércia, distribuição
de carga, partidas e paradas frequentes.
2.1 Eficiência total
Um acionamento eletro-mecânico sempre estará sobredimensionado e nunca operará em sua condição
nominal. O quanto de sobredimensionamento o acionamento deve ter, dependerá dos requerimentos
da aplicação e da vida útil esperada. Devido ao sobredimensionamento, a eficiência do VSAC se reduzirá
ao operar com carga parcial, em comparação a carga total.
A figura 1 apresenta uma indicação da faixa de eficiências teóricas à potência nominal (100%) e à
potência de operação normal de 50% (sobredimensionado com um fator de serviço de 2).
Fig. 1
A figura 2 mostra a faixa de eficiência do acionamento eltro-hidráulico direto (HDD). A eficiência ótima
para este tipo de acionamento normalmente se encontra em seu torque e sua velocidade de operação
normal.
Fig. 2
Comentários sobre a eficiência
Para o acionamento de uma moenda de cana de açúcar, os níveis de eficiência dos acionamentos
comparados são muito similares. A moenda é uma aplicação pesada que requer um acionamento eletromecânico bastante sobredimensionado. Este não é o caso do acionamento eletro-hidráulico direto, o
qual não requer sobre-dimensionamento.
Para realizar uma comparação mais precisa, deve-se analisar tanto a aplicação específica como os
acionamentos selecionados.
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A comparação deve realizar-se com os dados operacionais, não com os valores nominais.
A eficiência de um VSAC depende do quanto este acionamento está sobre-dimensionado (inversor,
motor elétrico, redutor).
Além da transmissão do acionamento principal do VSAC, devem-se incluir todos os consumos de
potência adicional, como por exemplo:
Refrigeração e lubrificação do redutor.
Refrigeração / ar condicionado da sala do inversor (caso exista).
Refrigeração do motor elétrico (caso exista).
Perdas devido à distorção harmônica.
A figura 3 mostra a comparação das eficiências e as condições para que elas possam ser atingidas. É
importante observar que a eficiência dos acionamentos eletro-mecânicos é maior para aplicações de
serviço leve, especialmente para acionamentos com uma faixa de velocidade de operação estreita. Para
uma aplicação pesada com uma ampla faixa de velocidade de operação e um redutor planetário de
múltiplos estágios, a eficiência se reduz consideravelmente.
Para um acionamento eletro-hidráulico direto, a eficiência global depende em boa medida do nível de
pressão de operação, da utilização da capacidade de fluxo da bomba e da forma como se realiza a
instalação da tubulação.
Fig. 3
2.2 Faixa de operação contínua
A figura 4 mostra a faixa de operação do acionamento eletro-mecânico e do acionamento eletrohidráulico direto.
O acionamento HDD pode operar de maneira contínua ao longo de toda faixa de velocidades, com
aproximadamente 200% do torque nominal, de zero à velocidade máxima. A única limitação é a
potência instalada (a mesma limitação que para um acionamento VSAC).
Um acionamento eletro-mecânico de velocidade variável pode operar com torque nominal de forma
contínua à velocidade nominal. À baixa velocidade, o torque contínuo admissível é menor quando se usa
um motor auto-ventilado. À rotações muito baixas, se permite no máximo 70% do torque nominal. Um
torque contínuo mais elevado pode ser alcançado com a instalação de uma ventilação forçada no motor
elétrico. Torque superior ao nominal é possível apenas de forma intermitente.
Fig. 4
2.3 Torque de partida
A Figura 5 mostra a capacidade do torque de partida dos acionamentos comparados.
O torque de partida de um acionamento eletro-hidráulico direto depende do dimensionamento do
acionamento, mas normalmente será de 200 a 300% do torque nominal. O acionamento pode operar a
uma velocidade zero e à torque máximo sem restrições de tempo. Não existe risco de
sobreaquecimento do acionamento.
O torque de partida de um acionamento eletro-mecânico é de aproximadamente 200% do torque
nominal. Este torque máximo se permite somente por poucos segundos, devido ao risco de
sobreaquecimento do motor elétrico. Para um tempo maior em torque alto, o conversor de frequência e
o motor de CA devem ser sobredimensionados.
Fig. 5
2.4 Momento de inércia
A figura 6 mostra o momento de inércia dos acionamentos.
Num acionamento eletro-hidráulico direto, apenas o motor hidráulico está conectado mecanicamente
ao eixo da moenda. Como não se utilizam redutores, este tipo de motor de baixa velocidade irá gerar
um momento de inércia muito baixo.
Num acionamento eletro-mecânico, tanto o motor elétrico como o redutor estão mecanicamente
conectados à moenda. Como o motor elétrico opera em alta velocidade, este tipo de acionamento gera
um momento de inércia muito alto. A inércia para um acionamento VSAC pode ser até 1000 vezes mais
alta, comparada ao acionamento HDD.
Em caso de sobrecargas repentinas, o momento de inércia irá gerar um torque adicional ao eixo da
moenda. Este torque adicional pode ser maior que o torque do acionamento e pode provocar muitos
problemas e custos elevados de manutenção, se o acionamento e os eixos da moenda não estão
adequadamente sobredimensionados.
Como o acionamento eletro-hidráulico direto tem um momento de inércia baixo e um sistema
hidráulico de reação rápida, as sobrecargas são evitadas de maneira eficiente. Outra vantagem é que em
caso de paradas de emergência, o acionamento reage imediatamente, muito mais rápido que um
acionamento eletro-mecânico. Isto aumenta a segurança do pessoal que trabalha ao redor da moenda.
A leitura da pressão de operação permite uma medição direta do torque entregue aos eixos da moenda.
Esta leitura direta e instantânea pode ser usada para um controle mais eficiente da moagem e também
como indicação do desgaste dos picotes de solda dos rolos.
Fig. 6
2.5 Divisão de carga
A figura 7 mostra como se dá a distribuição de carga. Isto se aplica em acionamentos do rolo superior,
quando são usados dois acionamentos de mesmo tamanho em ambos lados do eixo superior. O
princípio de operação dos acionamentos HDD permite uma divisão exata da carga sem necessidade
qualquer equipamento adicional. No caso dos acionamentos VSAC, a sincronização dos movimentos é
bem mais complexa.
Fig. 7
2.6 Partidas e paradas frequentes
Como o motor elétrico opera continuamente em velocidade síncrona e a velocidade é controlada pelo
fluxo de óleo da bomba, o acionamento eletro-hidráulico pode partir e parar tantas vezes quanto
desejado, sem restrições. Não existe risco algum de sobreaquecimento do motor elétrico.
Em um acionamento eletro-mecânico, o motor elétrico precisa partir e parar. Por este motivo, existe
risco de sobreaquecimento do motor elétrico. O número de partidas e paradas será restrito dependendo
do tempo entre estas partidas e paradas. Esta é uma desvantagem que deverá ser considerada ao
dimensionar este tipo de acionamento.
Fig. 8
Na tabela I se apresentam as comparações das características dos acionamentos analisados.
3. Conclusões
Para acionamentos de moendas de cana de açúcar o acionamento eletro-hidráulico direto apresenta
diversas vantagens em comparação com o acionamento eletro-mecânico. Exemplos de vantagens são:
economia de espaço (espaço livre ao redor da moenda), não requer fundações, pouco peso - portanto
fácil de manusear na entressafra, capacidade de alto torque em toda a faixa de operação da moenda
mesmo em rotações muito baixas, momento de inércia muito baixo, limitação instantânea do torque,
tempo de parada muito curto em caso de emergência, partidas/paradas e reversões ilimitadas e a
medição do torque muito exata.
A economia de custos com obras civis, como fundações, largura do barracão e da ponte rolante, além
das salas com ar condicionado também devem ser tomadas em consideração ao comparar os
acionamentos.
Tabela I
Características
Torque de partida
Acionamento
HDD
200-300%
Acionamento VSAC
200% por tempo limitado
Torque pleno com eixo parada Sem limitação
Limitado, sobreaquecimento do motorelétrico
Capacidade de torque em toda
Torque total
faixa de velocidade
Reduzido em velocidades mais baixas
Momento de inércia
1
100-1000
Sensibilidade à sobrecargas
Não sensível
Muito sensível
Acoplamento de segurança
devido a sobrecargas
Não requerido
Sim, a não ser que se use um acionamento
sobredimensionado
Velocidade variável
Sim
Sim
Acionamento bi-direcional
Sim
Sim, com sobredimensionado do redutor
Acionamento de 4 quadrantes
Sim
Equipamento especial
Necessita de redutor
Não
Sim
Fundações
Não
Sim, a não ser que se use redutor com
braço de torque
Peso
Baixo
Mais alto, dependendo do tamanho do
acionamento, da fundação, etc.
Requesitos de espaço
Muito compacto Volumoso, sobre tudo em potências maiores
Sensibilidade a ambientes
agressivos
Não sensível
O inversor deve ser isolado ou ser instalado
em sala com ar condicionado
Distorção harmônica
Não
Sim, deve se usar inversores com filtros de
harmônicos