Como as válvulas de controle de ar automatizadas podem substituir os VFDs

Você está aqui:

27/09/2018

Sistemas de faca de ar controlados por válvulas automatizadas oferecem benefícios significativos em relação a controles de motor VFD complexos e caros.

Unidades de frequência variável para motores elétricos se tornaram uma adição bem-vinda a uma ampla variedade de máquinas para uma longa lista de aplicações do século XXI, mas não são mais a única opção quando se trata de controle preciso da velocidade do ar para sistemas de facas pneumáticas. Muitas vezes, válvulas de controle de ar muito mais simples podem oferecer desempenho comparável a um custo significativamente menor.

Noções básicas de VFD

Sonic-VFD

Circuito típico VFD

Os inversores de frequência são conhecidos por muitos nomes, entre eles: inversores de frequência, controladores de frequência variável, inversores, controladores de velocidade e inversores de frequência. A maioria das pessoas simplesmente os chama de “VFDs”. Em uma configuração básica, um VFD conecta-se em linha entre a fonte de alimentação e o motor que, por sua vez, aciona um dispositivo rotativo como uma bomba ou um ventilador. O propósito final de um VFD é ajustar a velocidade do motor para garantir que o dispositivo rotativo ofereça desempenho ideal com base na rpm requerida e na menor demanda de energia.

O VFD recebe energia de corrente alternada (ac) a uma frequência de 50 ou 60 Hz, converte a energia ac para cc e, em seguida, modula a tensão cc de acordo com um sinal de comando externo para alterar a velocidade do motor acionado. Em seguida, ele converte a voltagem dc modulada de volta para ac em uma voltagem diferente e Hz para fazer o motor acionado operar na rpm necessária.

Os dispositivos rotineiramente controlam motores de 1 a 500 hp e ajustam o desempenho de sopradores, ventiladores, bombas, compressores, misturadores, transportadores, centros de usinagem e muitos outros dispositivos rotativos.

VFDs para facas de ar com ventilador

Sonic-Air-Knife-Family

Família Sonic Air Knife

As facas de ar são dispositivos que direcionam um fluxo rigidamente controlado de ar pressurizado para limpar, secar ou resfriar produtos que geralmente se movem ao longo de um transportador. Um benefício comum dos sistemas de faca de ar do soprador é o seu consumo elétrico 75% menor em comparação com a maioria dos dispositivos de sopro com compressor.

Atualmente, a maioria dos sistemas usa ventiladores centrífugos compactos e de alta rotação de 3 a 50 cv com fluxos de ar de 200 a 3.000 pcm a pressões de faca de ar de 1 a 3 psig. Estão disponíveis com acionamentos de correia e polia de alta velocidade acionados por motores de dois pólos, 60 Hz, 3.600 rpm; ou com conjuntos de motores de ventoinha de acionamento direto usando sistemas VFD de frequência ultra alta para operar motores CA em velocidades de até 20.000 rpm.

Sonic-350-com-Y-Verter

As combinações de soprador e faca de ar controladas por válvulas automatizadas são muito mais simples e significativamente mais baratas do que aquelas com controles de motor VFD.

Embora as facas de ar sejam agora usadas em praticamente todos os setores, as instalações de envase e embalagem de alimentos e bebidas de alto volume representam o maior mercado para esses sistemas. A maioria das fábricas de alimentos e bebidas tem sistemas baseados em computador para monitorar, controlar e ajustar todos os aspectos de cada linha de produção, com vários VFDs que desempenham várias funções importantes para uma ampla gama de máquinas acionadas por motor. No entanto, os VFDs com a maior demanda de potência são, com freqüência, aqueles que operam sistemas de facas pneumáticas acionadas por sopradores usados ​​após os processos de lavagem, resfriamento ou aquecimento; ou antes da rotulagem, codificação por jacto de tinta e embalagem.

Algumas linhas de produção permitem trocas para lidar com vários tipos de produtos. Eles geralmente têm um PLC que faz interface direta com o VFD do soprador para fornecer automaticamente o controle de velocidade de facas de ar em tempo real, com base nas taxas de produção e tamanhos de pacotes específicos, enquanto otimiza o custo operacional elétrico do motor de acionamento. Quando os VFDs se combinam com sistemas de faca de ar movidos a ventilador nesses casos, a velocidade do ar de saída pode ser ajustada para usar apenas a quantidade precisa de força aérea necessária para a descarga, maximizando a eficiência total do sistema para cada condição em cada linha de produção. Estes são considerados um uso adequado dos controladores de VFD.

Potenciais erros de aplicação

Instalação Sonic-Coca-Cola

Os sistemas de faca de ar projetados são freqüentemente usados ​​em transportadores de bebidas de alta velocidade para remover a umidade antes da rotulagem ou da codificação por jato de tinta.

Um VFD pode ser o método mais eficiente para o controle de velocidade de faca de ar, mas há muitas situações em que o VFD é mal aplicado ou, no mínimo, serve apenas como um motor de arranque caro. Os resultados podem ser uma série de conseqüências não intencionais ou apenas um retorno do investimento muito mais longo do que o utilizado para justificar sua compra original. Isto é particularmente verdadeiro se o VFD for escolhido simplesmente como uma alternativa para uma partida de motor magnético, mesmo que a linha de produção funcione quase em regime permanente e o motor acionado opere a ≥80% da velocidade total na maioria das vezes.

Assim, os especialistas sempre recomendam que um engenheiro elétrico revise todo o local de trabalho antes de se comprometer com a integração de um VFD, especialmente para alimentar um ventilador com um motor de 10 hp ou maior, ou com vários ventiladores e VFDs. Isso inclui instalação, cabeamento, plano de operação e fornecimento de energia elétrica para garantir a compatibilidade e a mais alta confiabilidade de cada VFD, motor e todos os outros equipamentos associados da planta.

Embora existam muitas instalações bem-sucedidas em que o VFD e o motor são de fabricantes diferentes, ter o fabricante do VFD fornecido - ou pelo menos recomendar o motor específico para cada instalação - pode eliminar qualquer dúvida de compatibilidade em caso de problemas.

Mesmo com um VFD e um motor “combinados”, no entanto, falhas podem ocorrer. Por exemplo:

A descarga eletrostática (ESD) afeta principalmente as superfícies internas dos rolamentos do motor, pois a energia elétrica no rotor passa pelos rolamentos até a carcaça aterrada do motor. Este arco elétrico de alta freqüência através das superfícies dos mancais causa “congelamento” e “fluting”, o que diminui significativamente a vida útil normal dos mancais do motor. Cuidados extras devem ser tomados com procedimentos de aterramento e blindagem de cabos adequada para minimizar essas condições.

Dano com Rolamento Sônico

Um exemplo de dano ao rolamento

A interferência eletromagnética (EMI) , reforçada pela modulação de tensão CC interna de alta velocidade do VFD, pode interromper os sinais de equipamentos de baixa tensão, sensores ou dispositivos de comunicação móvel próximos. Um sinal revelador é um ruído "choramingar" do VFD. Instale VFDs com cabos e gabinetes adequadamente blindados ou com a distância adicional entre outros equipamentos sensíveis para resolver esse problema.

Harmônicos elétricos, ondas senoidais elétricas que viajam de e para o VFD, interferem com o funcionamento de computadores, PLCs e outros sistemas sensíveis dentro do mesmo circuito elétrico. Pode exigir equipamento de condicionamento de energia, um circuito elétrico dedicado ou aderência estrita ao tipo e ao comprimento do cabeamento necessário dentro e fora do VFD.

O superaquecimento do VFD ou do motor acionado pode ter várias causas. Independentemente disso, o calor excessivo sempre encurtará a vida útil dos componentes do inversor de frequência ou do motor, portanto, um engenheiro elétrico deve diagnosticar cada situação e recomendar ações corretivas.

Vibrações de freqüência ressonantepode se desenvolver a certas rpm abaixo da velocidade nominal de operação do motor, já que as configurações de Hz no VFD são reduzidas. Embora as vibrações de freqüência de ressonância ocorram nas unidades de ventilador / motor de acionamento direto, elas são geralmente muito menos severas do que aquelas em acionamentos por correia em V. Conjuntos de sopradores / motores acionados por correia em V envolvem múltiplos componentes girando em velocidades diferentes, criando assim picos de vibração em velocidades específicas de componentes críticos. As correias trapezoidais do ventilador podem atuar como um amortecedor para essas freqüências ressonantes, mas, em seguida, as correias de absorção de choque precisarão ser substituídas com muito mais frequência. É extremamente difícil determinar as configurações de Hz em um VFD que causam vibrações de freqüência de ressonância. Muitas vezes, o pico de frequência de ressonância ocorre apenas quando o ventilador desacelera ou acelera com o comando do VFD,

A linha inferior: antes de adicionar VFDs a qualquer ventilador / motor para sistemas de faca de ar, o usuário deve estar ciente de uma ampla gama de fatores que podem resultar em conseqüências não intencionais, maiores despesas de reparo e manutenção e um aumento correspondente no custo total. propriedade a longo prazo.

Válvulas de controle de fluxo automatizadas
Uma alternativa aos VFDs é o uso de válvulas de controle de fluxo em projetos de faca de ar. Uma válvula automatizada de controle de fluxo de ar na saída de um sistema de faca a ar alimentado por ventilador responde aos sinais de PLC, muito parecido com um VFD. No entanto, é aí que as semelhanças terminam, pois as válvulas de ar podem oferecer alguns benefícios significativos sobre os controles de motor do VFD.

Sonic-Y-Verter-Desenho-Conceitual

Válvulas para controle de velocidade de faca de ar podem instantaneamente reduzir ou interromper o fluxo para a linha de produção. Eles são quase tão eficientes quanto os VFDs na maioria das condições operacionais.

Primeiro, o gerente de linha de produção deve definir todos os objetivos de desempenho do sistema de faca de ar, juntamente com as variáveis ​​no mix de produtos e nas velocidades do transportador. Isso permite que o projetista do sistema dimensione o desempenho da faca de ar para minimizar os requisitos e o custo de potência, mas ao mesmo tempo alcançar os resultados desejados para lidar com as mais altas taxas de produção e as geometrias de produto mais complexas.

O segundo requisito é ter um método efetivo e repetível para o controle da velocidade da faca de ar. Isso é necessário quando as variáveis ​​da linha de produção exigem uma velocidade reduzida da faca de ar; ou para que o ar seja completamente desligado, como durante paradas de produção planejadas ou não planejadas comuns em muitas linhas de transporte de alimentos e bebidas.

Sempre que o fluxo de produto é interrompido e a faca de ar precisa ser desligada, independentemente de ser apenas três ou até 20 vezes por hora, a válvula de controle de fluxo de ar automático pode desviar imediatamente todo o ar completamente da faca de ar. No modo de desvio de ar, o soprador continua a funcionar na velocidade normal, enquanto o fluxo total do soprador reduz para apenas 25% e o ar é descarregado através da saída do bypass para a atmosfera. Isso reduz a carga do amplificador do motor em 50%. Não há “tempo de atraso” do VFD, portanto o sinal do sensor de linha desliga instantaneamente a faca de ar e reinicia imediatamente a velocidade total da faca de ar no momento em que um sinal de reinicialização é recebido.

Outra condição que é mais adequada para uma válvula de controle de fluxo de ar, em vez de um VFD, é quando a linha de produção requer apenas duas configurações de velocidade de faca de ar. Nesses casos, é necessária uma alta velocidade do ar para os produtos maiores ou velocidades de linha mais rápidas e uma configuração de velocidade menor para produtos menores, mais simples ou mais delicados que passam pela zona da faca de ar.

Da mesma forma, o ponto de alta velocidade do ar não precisa ser o máximo possível, mas pode ser ajustado somente tão alto quanto necessário. Isso permite que o volume do soprador e o consumo de corrente do motor correspondente sejam reduzidos para obter a máxima eficiência no ponto operacional superior, semelhante aos benefícios de um inversor de frequência ajustado em 80 a 95% do máximo de Hz.

Não há disputa sobre um VFD sendo o sistema de controle de motor mais eficiente. Mas com a válvula de controle de ar sendo apenas alguns pontos percentuais menos eficiente para a maioria das condições operacionais, o baixo custo, facilidade de instalação, resposta rápida e custo de propriedade a longo prazo contribuem para uma forte justificativa para a opção de válvula de controle de ar. .

A válvula de controle de ar não tem atraso no tempo de resposta e pode ligar e desligar sem limitar o número de ciclos por hora ou por turno. O motor opera a uma velocidade constante de 50 ou 60 Hz e 3.000 ou 3.600 rpm enquanto os amplificadores operam para cima ou para baixo em resposta aos sinais de demanda de ar do soprador da linha de produção. Embora seja verdade que um VFD pode reduzir a demanda de energia em até 75% no modo “desligar”, esses modos de baixa vazão / sem fluxo de ar representam uma pequena porcentagem de ciclos de produção normais para a maioria das fábricas e o verdadeiro custo operacional a poupança é, portanto, muito menor.

Comparação de custos

A válvula automatizada de controle de fluxo Sonic Y-Verter é montada na saída de um sistema de faca pneumática com ventilador e responde aos sinais do PLC de forma semelhante a um VFD.

A válvula automatizada de controle de fluxo Sonic Y-Verter é montada na saída de um sistema de faca pneumática com ventilador e responde aos sinais do PLC de forma semelhante a um VFD.

Como exemplo, considere um motor de 20 hp, 60 Hz, 460 V com velocidade de faca cheia de ar a 28 A. Quando a válvula de desvio de ar desliga o fluxo da faca de ar, a carga do amplificador do motor cai em 50% para cerca de 14 A. Em comparação, um motor de 20 hp com controle VFD seria reduzido para aproximadamente 30 Hz, o que reduz a corrente do motor para aproximadamente 7 A. Assumindo que essa condição de operação de ar de baixa vazão representa 10% de um dia de produção típico, a economia elétrica aproximada de 4,2 kW / hr para cada turno de 8 horas, 5 dias por semana levariam de 10.000 a 15.000 dias de operação para pagar o preço extra de compra de US $ 5.000 para o VFD, em vez de válvulas de controle de ar.

Mesmo se a condição de fluxo baixo / derivação fosse de 90% do tempo de operação diário do sistema de facas de ar, a economia de 37 kW / h por turno de 8 horas ainda exigiria mais de três anos para recuperar o preço de compra (material e instalação) do VFD.

No final da revisão do aplicativo, e antes de adquirir o equipamento, peça ao fornecedor do sistema de soprador / faca de ar uma análise de ROI para cada sistema e, em seguida, proceda de acordo.

Uma breve história dos sistemas de faca de ar

Antes do histórico Protocolo de Montreal de 1987, em que quase 200 países ratificaram um acordo para a eliminação mundial de clorofluorcarbonos (CFCs) e outros compostos orgânicos voláteis comumente encontrados em refrigerantes, aerossóis, agentes de limpeza, tintas, revestimentos, adesivos e outros, o O termo faca de ar era quase completamente desconhecido. Apenas um pequeno número de aplicações de sopro de líquido em apenas alguns setores de manufatura tinha necessidade de usar ar para soprar água ou detritos de suas linhas de produção.

A indústria de fabricação de placas de circuito impresso (PCB) na década de 1980 estava tentando acompanhar o crescimento explosivo no início da era do novo computador pessoal. O padrão para a limpeza das placas após as máquinas de solda automática era o Freon líquido, um composto de CFC que era um agente de limpeza efetivo e de evaporação instantânea. Os cientistas logo perceberam que as quantidades massivas de Freon sendo usadas para limpeza estavam causando danos enormes na camada protetora de ozônio superior da Terra.

O Protocolo de Montreal abordou esse problema urgente de frente e as alternativas de limpeza à base de água e não CFC foram implementadas em todas as fábricas de PCBs e outras indústrias durante o final dos anos 80. À medida que crescia a necessidade de maneiras de eliminar as soluções de limpeza à base de água dos produtos manufaturados, a maioria das indústrias inicialmente escolheu os dispositivos de extração de água de menor custo e facilidade de instalação que puderam encontrar. Muitos desses primeiros usuários compraram ou fabricaram facas de ar e projetos de bicos de ar acionados pelos sistemas de ar comprimido de alta pressão existentes na fábrica. Posteriormente, as altas demandas de eletricidade da maioria dos equipamentos de sopro de ar comprimido tornaram-se mais amplamente compreendidas, e a busca por alternativas energeticamente eficientes começou.

Não demorou muito para que a maioria dos engenheiros percebesse que uma faca de ar de 1 a 3 psi poderia secar tão bem ou melhor do que um sistema de ar comprimido de 100 psi, que por sua vez criava a demanda pela atual indústria de sistemas de facas pneumáticas.

Fonte: https://www.pneumatictips.com/automated-air-control-valves-can-replace-vfds/