BOSCH REXROTH LTDA

The Drive and Control Company

ANLISE DE ECONOMIA DE ENERGIA EM MQUINAS INJETORAS DE

PLSTICO APLICANDO-SE SERVOACIONAMENTO E BOMBA

HIDRULICA DE ENGRENAMENTO INTERNO

Autor

LEONARDO FALCO MACEDO LIMA

So Paulo

2013

Ab str a ct De m o nst r a t e t r o u gh t he ca se s tu d y o f a r ea l

ap p l i ca t io n t he p o s s ib i l i t y t o i ncr ea se t he e ne r g y e f f ic i e nc y o f a P l as t i c

In je c t io n M o ld in g M ac h i ne u s i ng d r ive s w it h va r iab le sp ee d pu mp . Wit h

t he e l ec t r o n i c co nt r o l o f t he s er vo d r i ve , t he s ys t em w i l l su pp l y t o t he

h yd r au l i c s ys t em, o n l y t he p o w er r eq u ir ed / d e ma nd e d a t e a c h s t ep o f t he

i n j ec t io n p ro c es s . T hu s , d ep e nd i ng up o n t he ma c h i ner y c yc l e , a nd

esp ec i a l l y t he co o l i ng t ime o f t h e mo l d ed p a r t , i t i s p o ss ib l e t o ob t a i n a

re d u ct io n i n p o we r c o nsu m p t io n o f t he h yd r a u l i c s ys t e m u p to 6 0 %

Ke y wo r d s : S er vo d r i ve , e f f ic i e nc y, c yc le a nd c o n t ro ls .

Re su mo D e mo ns t ra r a t r a v s d o es t u do d e c aso d e u ma ap l i ca o

re a l a p o s s ib i l id ad e d e ga n ho d e e f ic i nc i a e ner g t ic a em m q u i na s d e

i n j e o d e p l s t ic o In je t o ra s a p l i c a nd o - se u m co n ju n to mo t r i z

co mp o st o d e s er vo ac io n ame n to e b omb a h id ru l i ca d e e ngre n am e nto

i n t e r no . A t ra v s d o co nt r o le e le t r n i c o do ser vo a c io name nt o , o s i s t e ma

d isp o n ib i l i za r , ao s i s t e ma h id r u l ic o , so me nt e a e ne r g i a

nec es sr ia / d ema nd ad a em c ad a fa se d o p r o ces so d e i n j e o . D est a

fo rma , d ep e nd e nd o d o c ic lo d a m q u i na , p r i nc ip a lm e nt e d o t em p o d e

re s f r ia me nt o d a p ea i n j e t a d a , e x i s t e a p o ss ib i l id a d e d e r ed u o no

co nsu mo d e ener g ia e l t r ica d o s i s t em a h id r u l i co d a in j e t o r a d a o r d em

d e a t 6 0 %.

Pa l a vra s ch a ve : S er vo a c io name nt o , e f i c i nc ia , c i c lo e c o nt ro le .

Sumrio

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

2. Objetivo ............................................................................................................ 2

3. Objeto de Anlise ............................................................................................. 3

3.1 A Mquina Injetora e o Ciclo de Injeo........................................................ 3

4. Hipteses para Reduo do Consumo de Energia .............................................. 7

4.1 Utilizao de Elementos Eficientes ................................................................ 7

4.2 Fornecimento de energia sob demanda .......................................................... 8

5. testes realizados ................................................................................................ 9

6. Resultados Encontrados .................................................................................. 10

7. Concluso ....................................................................................................... 10

8. Referncias Bibliogrficas .............................................................................. 11

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1. INTRODUO

Um dos temas mais em voga atualmente, a melhoria da eficincia energtica nos

processos de produo pautada no aumento constante do consumo contra a dificuldade na

gerao de energia para sustent-lo. De acordo com Garcia (2003, p14) os motores eltricos,

que consomem um tero da eletricidade ofertada no Brasil, devem ser um foco importante

neste esforo. Por isso, foram o primeiro alvo da Lei de Eficincia Energtica. Se

restringirmos nossa anlise ao setor Industrial, essa participao chega a 50%.

Tabela 1 - Participao dos motores no consumo de eletricidade do Brasil

Energia consumida em 2001 [GWh] Total Participao dos motores SETOR ENERGTICO 10.979 30% 3.294 RESIDENCIAL 73.770 40% 29.508 COMERCIAL 44.517 40% 17.807 PBLICO 28.452 40% 11.381 AGROPECURIO 13.171 20% 2.634 TRANSPORTES 1.257 0% - INDUSTRIAL 137.774 50% 68.887 CONSUMO TOTAL 309.920 133.511 43% Fonte: GARCIA, A. G. P. Impacto da Lei de Eficincia energtica para motores eltricos no potencial de conservao de energia na indstria 2003, 139p. Tese (Mestrado em Planejamento Energtico) UFRJ, Rio de Janeiro

O motor de induo, trifsico, rotor em gaiola de esquilo representa 75% dos motores

existentes no Brasil (AMERICO, 2003). Uma das principais causas de baixa eficincia em

aplicaes deste tipo de acionamento o sobredimensionamento. Ao analisar a Figura 1

Curvas de desempenho de um motor eltrico, percebe-se que acima de 50% de sua carga

nominal, os motores apresentam rendimentos entre 85% e 95%, porm abaixo de o mesmo se

degenera rapidamente chegando a menos de 70% abaixo de 20% da carga nominal. Em

aplicaes em regime de carga varivel isto pode resultar em uma perda na eficincia total.

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Figura 1 - Curvas de desempenho de um motor Fonte: Catlogo WEG. Disponvel em www.weg.net. Acesso em Fevereiro 2013

2. OBJETIVO

Este trabalho tem o objetivo de analisar a reduo do consumo de energia, e analisar o

impacto da utilizao de servomotores sncronos com variao de velocidade atravs de

inversores de freqncia vetorial em uma mquina injetora de plstico com fora de

fechamento de 70 toneladas.

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3. OBJETO DE ANLISE

3.1 A Mquina Injetora e o Ciclo de Injeo

O objeto de estudo deste trabalho ser a mquina injetora de plstico, e o primeiro

passo entender seu conceito, composio, distribuio do consumo de energia e o ciclo de

operao. A partir da possvel buscar pontos de melhoria de desempenho.

O processo de injeo consiste em derreter material termoplstico a fim de que ele seja

moldado em formatos complexos e arbitrrios (AMBS & FREKER). A maioria das injetoras

utiliza sistemas hidrulicos sofisticados para realizar o trabalho. A vazo e presso necessrias

variam durante o ciclo e em muitos casos o excesso de fludo retorna ao reservatrio, o que

gera calor e demanda mais energia para o resfriamento.

3.1.1 Composio

Figura 2 - Representao Grfica de uma Mquina Injetora Fonte: Google Images, disponvel em www.google.com.br. Acesso em Fevereiro 2013

A injetora pode ser dividida em duas partes, esquerda fica o Sistema do Fechamento,

composto pelo cilindro de fechamento, que movimenta a placa mvel, normalmente orientada

sobre as colunas, em direo placa fixa. neste lado que o molde fixado e onde a pea

estar disponvel ao fim do ciclo. Normalmente, h ainda um cilindro extrator, para fazer a

remoo do produto final. Algumas vezes, possvel encontrar cilindros auxiliares, utilizados

para movimentao de partes do mvel, como na insero de machos.

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direita, est situado o Sistema de Injeo, tambm conhecido como Unidade

Injetora. Aqui est situado o alimentador, onde depositado o material plstico granulado.

Este material desce ao canho graas gravidade e ao movimento de giro da rosca, acionada

por um motor hidrulico. Este depsito de material no canho causa o recuo da rosca e

consequentemente do cilindro de injeo. Ainda no canho, o material aquecido pelas

resistncias de aquecimento, podendo ento ser transferido para o molde pelo avano do

cilindro de injeo.

3.1.2 Distribuio do consumo de energia

Nem toda a energia utilizada por uma injetora para a realizao de movimentos, ou

seja, consumida pela bomba hidrulica. Boa parte dividida entre aquecimento do canho e

resfriamento da unidade, conforme pode ser verificado na Figura 4.

Figura 3 - Consumo de energia/potncia de uma clula de produo. Resina em

processamento: PC/ABS, temperatura do molde - 75C Fonte: Jarosch, Wortberg e Kamps (2005), Eltrico ou hidrulico: vantagens e desvantagens dos diferentes sistemas de acionamento de injetoras. Revista do Plstico, Dezembro 2005

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Ao analisarmos o consumo do motor eltrico da bomba, considerando um sistema de

bomba com load-sensing, comum nos depararmos com o seguinte grfico:

Figura 4 - Ciclo de Injeo Fonte: Jarosch, Wortberg e Kamps (2005), Eltrico ou hidrulico: vantagens e desvantagens dos diferentes sistemas de acionamento de injetoras. Revista do Plstico, Dezembro 2005

Nota-se que o interesse por este tipo de mquina deve-se justamente ao fato de que na

maior parte do tempo o motor est trabalhando com carga inferior a 50%, ou seja, na sua

regio de pior desempenho.

3.1.3 Ciclo de operao

O passo a passo do ciclo de operao de uma mquina injetora pode variar em funo

do nmero de auxiliares empregados, da existncia ou no de movimentos simultneos e do

material utilizado. O ciclo utilizado neste estudo pode ser encontrado na Figura 5 Ciclo de

Operao.

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Figura 5 - Ciclo de operao de Mquina Injetora

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4. HIPTESES PARA REDUO DO CONSUMO DE ENERGIA

A anlise que ser realizada baseia-se em 3 hipteses que visam a reduo do consumo

de energia e sero apresentadas a seguir:

4.1 Utilizao de Elementos Eficientes

Hiptese de comprovao mais intuitiva, pela qual que se forem utilizados elementos

mais eficientes ento o sistema final ter um grau maior de eficincia. De maneira geral, no

caso dos motores eltricos, esse princpio recebeu status de lei com a instituio da Norma

Brasileira Regulamentadora 17094-1, seguindo a tendncia europeia da IEC 60034-30.

De acordo com a NBR 17094-1, desde dezembro de 2008 todos os motores devem

seguir nveis mnimos de eficincia que variam conforme a potncia nominal e quantidade de

plos em equivalncia com a classe IE2 da IEC60034-30. Uma vantagem dos servomotores

sncronos j se situarem em nvel maior que aquele proposto em sua maioria os

servoacionamentos j so classificados como IE3.

Figura 6 - Classes de eficincia de acordo com IEC 60034-30

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4.2 Fornecimento de energia sob demanda

Os sistemas de fornecimento de energia, como os moto-bombas, por exemplo, so

projetados de acordo com o ponto de operao de maior demanda. Em situaes de carga

parcial, o fornecimento deve ser restringido, de forma a fornecer apenas a quantidade

realmente necessria.

Uma prtica comum em sistemas hidrulicos a ventagem, situao em que como

no h movimento de atuadores, o volume de leo deslocado pela bomba retornado para o

tanque. Embora a potncia envolvida em um estgio como este do ciclo seja pequena, ela

pode perdurar por grandes tempos, levando a um consumo considervel.

De acordo com hiptese de fornecimento de energia sob demanda, deveria ser possvel

reduzir a rotao do motor a um limite mnimo, at alcanar em um modo de stand by onde

a potncia consumida seria apenas aquela necessria para a lubrificao interna da bomba. Em

sistemas onde no h variao da rotao do motor, comum a aplicao de bombas com

deslocamento varivel, onde o volume nominal da bomba reduzido, visando um menor

deslocamento de leo, porm a potncia eltrica continua considervel, j que o motor se

mantm em sua rotao nominal. Uma conseqncia indesejada deste comportamento a

queda do fator de potncia.

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5. TESTES REALIZADOS

Para comprovao das hipteses apresentadas foi realizado um estudo de caso real

com a medio de consumo de energia do motor eltrico de duas mquinas injetoras de

plstico de 70 toneladas, ambas trabalhando com o mesmo molde e mesmas condies

operacionais. A cada ciclo foram produzidas 4 tampas de cosmtico, de polipropileno com

peso unitrio de aproximadamente 11g.

A primeira mquina utilizou como tecnologia de acionamento um motor eltrico

assncrono, com partida estrela tringulo acionando uma bomba de pistes com deslocamento

varivel. A segunda, um servomotor sncrono acionando uma bomba de engrenamento

externo de deslocamento fixo.

Em ambos os casos, foi realizada a leitura do consumo apenas do motor assncrono ou

do conversor, objetivo deste estudo. Desta forma, o consumo do sistema de aquecimento do

canho, trocador de calor da unidade hidrulica e sistemas de controle e instrumentao no

foram considerados.

As medies foram realizadas com o uso do Analisador de Energia, modelo 434 srie

II, fabricante Fluke.

Na figura abaixo, est apresentada a distribuio no tempo dos passos do ciclo

utilizado.

Figura 7 - Distribuio dos passos do ciclo no tempo

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6. RESULTADOS ENCONTRADOS

Tabela 2 - Comparativo de resultados - Motor assncrono x Servoacionamento

7. CONCLUSO

O resultado encontrado corrobora as hipteses propostas, uma diminuio de consumo

de 62% est de acordo com o observado em experimentos semelhantes.

Alm disto, outros ganhos foram observados. Como o sistema com servoacionamento

no realiza ventagem ou estrangulao do leo que devolvido ao tanque, percebeu-se que h

uma reduo do aquecimento do tanque. Aps 55 minutos de teste a mquina com motor

assncrono teve que ter o teste interrompido ao atingir 52C a fim de preservar as propriedades

do leo. A mquina com servoacionamento aps 3 horas de trabalho ainda estava com 44C e

poderia continuar trabalhando. Em ambos os casos, o trocador de calor no foi acionado.

MOTOR ASSNCRONO SERVOACIONAMENTO COMPARATIVOPESO CAVIDADE UNITARIO 11,5 11,2 0,26 GRSTEMPO DE CICLO 14,6 15 +0,36 SEGQT. CICLOS HORA 246,6 240,64 -2,40%CONSUMO ENERGIA MEDIDO [kW] 14,27 5,34 -62%CONSUMO MATERIAL PLASTICO [kg] 2,84 2,71CONSUMO REAL KW/KG 5 2

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8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

GARCIA, A. G. P. Impacto da Lei de Eficincia Energtica para Motores

Eltricos no Potencial de Conservao de Energia na Indstria 2003, 139p. Dissertao

(Mestrado em Planejamento Energtico) PPE/COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, 2003

AMBS, L. e FRERKER, M. M. The Use of Variable Speed Drives to Retrofit

Hydraulic Injection Molding Machines 10p University of Massachusetts at Amerst.

JAROSCH, P. e WORTBERG J. e KAMPS, T. Eltrico ou Hidrulico: vantagens e

desvantagens dos diferentes sistemas de acionamento de injetoras. Plstico Industrial, So

Paulo, p. 28-39, Dez 2005

WEG. Catlogo de Motores Eltricos. Jaragu do Sul SC: WEG, 2012. Disponvel

em www.weg.net Acesso em Fevereiro 2013

REXROTH. Rexroth IndraDyn S: MSK Synchronous Motors Special Product

SVP, Lohr am Main AG, REXROTH, 2009.