Tecnologia de Acionamento sem Eixo em Prensas de Impressão: Motores, Sincronismo e Controle de Velocidade
Todo movimento mecânico precisa de uma fonte de potência, e o acionamento em uma prensa de impressão tem de fazer mais do que girar um eixo. Ele deve manter velocidade constante, responder ao operador e oferecer ajuste contínuo de velocidade conforme o trabalho muda. Antes do surgimento dos acionamentos sem eixo, as prensas de jornal passaram por duas gerações de controle elétrico de velocidade. Motores CA com anéis coletores dominaram até a década de 1970 e podem ser chamados de primeira geração. A partir dos anos 1970, o avanço no controle de velocidade CC trouxe os acionamentos CC e os motores de anéis para uso amplo, a segunda geração. O cenário mudou em 1992, quando a Rexroth construiu o SYNAX, o primeiro sistema de acionamento sem eixo projetado para uma prensa de impressão. Em uma década, o controle de velocidade sem eixo substituiu os métodos mais antigos nas prensas de jornal.
Acionamentos sem eixo como novo conceito de prensa
A transmissão sem eixo tornou-se um conceito novo na engenharia de prensas. Ela rompe os limites que um eixo mecânico comum impõe ao layout da máquina e abre espaço para novos projetos tanto no desenvolvimento quanto na fabricação de prensas. A tecnologia data daquele sistema SYNAX de 1992 e desde então se espalhou para diversos especialistas em acionamentos no mundo.
Padrões de comunicação dentro de um acionamento sem eixo
O sistema é construído sobre inteligência distribuída e segue o SERCOS, Serial Real time Communication System, um padrão internacional de comunicação para acionamentos. As informações de controle trafegam digitalmente em tempo real por fibra óptica. Cada grupo de motores usa uma placa inteligente distribuída que pode gerenciar 40 posições de motor, e as placas podem ser interligadas por fibra para formar um grupo de controle que abrange até 1000 posições a partir de 32 placas conectadas.
Como as unidades permanecem sincronizadas
A sincronização baseia-se em três partes: um conversor de frequência digital inteligente, motores CA e um encoder digital de 32 bits com realimentação em malha fechada. O sistema de encoder corrige a posição do motor 4000 vezes por segundo, enquanto o conversor de frequência aciona o motor CA em incrementos que somam dois milhões. A transmissão digital por fibra óptica através de uma interface Ethernet carrega esses dados com a resolução e a precisão de registro que a qualidade de impressão exige.
O que o acionamento sem eixo traz para o controle da prensa
Projeto de acionamento distribuído e modular. Configurações com múltiplas bobinas podem usar unidades de acionamento menores. Em uma prensa torre de oito cores Roland de circunferência simples e diâmetro duplo, por exemplo, os motores de acionamento passaram de um único motor de 90 kW ou mais para motores individuais de 27 kW ou menos, e o choque na rede elétrica na partida caiu mais de três vezes.
O erro de registro por transmissão mecânica desaparece. Números publicados para uma prensa com oito unidades de impressão mostram que a variação entre a unidade 1 e a unidade 8 pode ser sete vezes maior que a variação entre a unidade 1 e a unidade 2, porque cada peça sincronizada mecanicamente carrega sua própria tolerância. Esse erro só diminui quando engrenagens e eixos atingem rotação contínua.
O tempo de preparação cai. Cada unidade de cor pode ser acionada de forma independente, então várias pessoas podem preparar a prensa ao mesmo tempo. Uma prensa torre de oito cores Roland usa quatro motores de acionamento, e uma prensa torre de oito cores KBA usa oito.
O controle torna-se intercambiável. Como o sistema usa um padrão internacional de comunicação para acionamentos, nenhuma prensa sem eixo carrega restrição de patente sobre a transferência de informações.
O diagnóstico de falhas é confiável. Com o SERCOS, o fabricante pode armazenar os parâmetros operacionais padrão no sistema, coletar parâmetros em tempo real da prensa e comparar os dois para localizar uma falha.
A regulação de velocidade nos rolos de tração atinge precisão de 0,01 por cento, o que permite controle preciso da velocidade do rolo puxador, deslocamento estável da bobina, tensão uniforme e corte consistente em múltiplas bobinas.
A precisão de posicionamento aumenta a confiabilidade da troca automática de chapas e reduz o tempo de resposta do registro de impressão e corte, o que diminui o desperdício.
Controle de velocidade por frequência variável e o motor trifásico
O acionamento sem eixo da impressora depende diretamente do controle de velocidade por frequência variável. Essa técnica funciona com as características principais de um motor assíncrono trifásico, cuja rotação segue n = 60f/p. A rotação n é definida pela frequência de corrente f e pelo número de pares de polos magnéticos p, e os pares de polos não podem ser alterados depois que o motor é construído. A rotação do motor é, portanto, proporcional à frequência, e um inversor de frequência usa exatamente essa relação para definir a velocidade de saída.
O inversor de frequência CA em uma impressora
No final da década de 1980, um novo transistor de efeito de campo, o IGBT, melhorou o comportamento dos motores de frequência variável, e as impressoras começaram a adotar o controle por inversor de frequência. O arranjo combina um inversor com um motor assíncrono trifásico e, na maioria das vezes, usa o tipo de tensão CA-CC-CA. Esse tipo é adequado ao controle de corrente constante, que corresponde à demanda de torque constante de uma impressora, e opera com baixa potência, por isso o controle industrial também o chama de controle servo CA. O ciclo tem duas etapas. Primeiro, a alimentação trifásica de frequência fixa é retificada em CC. Segundo, a CC é invertida de volta em CA, e o controle da frequência dessa saída invertida controla a rotação do motor. A ponte inversora em um acionamento sem eixo usa circuitos IGBT, que são dispositivos controlados por tensão, com baixa potência de controle e frequências de chaveamento de até 20 kHz. O resultado é uma forma de onda de corrente mais próxima da rede elétrica, um motor que mantém mais de seu comportamento trifásico, menos ruído eletromagnético, circuito mais simples, melhor autotratamento de falhas comuns, menor taxa de falhas e menos perdas no próprio inversor.
Três formas de controlar o inversor de frequência CA
A estrutura da impressora torna a carga irregular, mas a imprimibilidade exige funcionamento uniforme para qualidade consistente. Duas questões práticas decorrem disso: a mudança do acionamento CC para CA altera o resultado impresso, e como os motores são sincronizados quando alguns possuem encoder e outros não?
Controle vetorial. Um motor CC gira com dois campos magnéticos perpendiculares, e controlar um campo controla tanto a velocidade quanto o comportamento mecânico. Um motor assíncrono trifásico só mantém um campo perpendicular por um instante. O controle vetorial atua na ponte inversora para que o campo perpendicular instantâneo seja controlado. A primeira etapa divide o sinal de setpoint em dois componentes CC rotativos, o componente de campo magnético iM e o componente de torque iT. A segunda etapa transforma esses componentes, usando os parâmetros do motor, nos sinais de controle iA, iB e iC para a ponte inversora trifásica.
Controle vetorial sem realimentação. Um tipo comum de motor em impressoras sem eixo não possui encoder, mas não opera como controle em malha aberta sem regulação de velocidade. A sincronização vem da medição da tensão e da corrente nos terminais, do cálculo do fluxo do rotor e da velocidade angular do rotor, e do uso desses valores com os parâmetros do motor na mesma transformação. A resposta dinâmica é ligeiramente mais fraca, e uma impressora que usa esse controle em seus motores de registro de cor pode apresentar pequenas diferenças de registro conforme a velocidade muda.
Controle vetorial com realimentação. Onde a imprimibilidade exige controle exato de velocidade, como ao definir a velocidade de produção ou manter a velocidade do registro de cor, um encoder é instalado diretamente no motor. Ele informa a rotação do rotor para a transformação e mantém a rotação do motor firmemente alinhada ao setpoint. A resposta dinâmica é forte, e o registro não se desloca conforme a velocidade muda.