Seleção De Motor Para Atuadores De Válvula De Gás Para HVAC

O objetivo deste documento é destacar e comparar as tecnologias de motor disponíveis para o acionamento de válvulas de gás usadas em sistemas de HVAC (aquecimento, ventilação e ar-condicionado). Os sistemas de HVAC incluem válvulas de baixo custo controladas de maneira eletrônica para modulação do fluxo de fluido e para fins de fechamento, exigindo normalmente torques medianos em baixa velocidade. As tecnologias de motor disponíveis para o acionamento dessas válvulas têm diferentes características inerentes que podem ser vantajosas, dependendo das necessidades específicas de aplicação.

INTRODUÇÃO

Os sistemas de HVAC são usados para regular a temperatura e a qualidade do ar em áreas confinadas, mantendo as pessoas aquecidas no inverno e fresquinhas no verão. O sistema de aquecimento pode incluir caldeiras, bombas, radiadores, medidores e outros componentes que são geralmente acionados pela combustão de gás natural, aquecendo a água ou o ar, que então circula pelo ambiente a ser condicionado.

A operação de um sistema de HVAC abrange o controle e a medição precisos do fluxo de gás/líquido através de elementos sensores e moduladores. O elemento de modulação pode ser alcançado de várias formas, normalmente usando algumas formas de válvulas de controle de fluido e/ou válvulas de isolamento (fechamento).

PRINCÍPIO BÁSICO DE TRABALHO DAS VÁLVULAS DE CONTROLE DE FLUXO DE FLUIDO

No exemplo de válvula de controle de fluido, a haste da válvula se move para cima ou para baixo dentro da válvula. Isso faz com que a agulha, ou elemento de vedação na extremidade da haste, restrinja o fluxo de fluido ao nível desejado. Em uma válvula com design de haste e esfera, a esfera, que gira em torno do eixo da válvula, tem interruptor que permite fluido total em uma posição, e fluido variável à medida que a haste gira para a posição de fechamento.(Figura 1)

O movimento da haste da válvula pode ser projetado para ter operação manual (o operador ajusta a posição de parafuso-agulha) ou em uma versão com acionamento eletrônico, na qual o atuador move a haste controlada por um sistema de motor e acionador.

TIPOS DE SISTEMA DE MOVIMENTO ELETRÔNICO PARA ATUADORES DE VÁLVULA DE GÁS

As tecnologias de movimento disponíveis e que atendem aos requisitos de desempenho e custo para atuadores da válvula de gás se limitam a motores DC de escova ou motores de passo. Embora ambas as tecnologias tenham as funcionalidades de torque e velocidade necessárias para a aplicação, o designer precisa determinar a configuração do sistema geral para desenvolver uma solução completa de movimento. Em um nível mais amplo, o sistema de movimento elétrico é composto por um motor e um sistema de posição. A seguir estão as opções que precisam ser selecionadas com base no objetivo do design do sistema.

Opções disponíveis para configuração geral do sistema

Tecnologia do motor DC com escova
Passo
Tipo de movimento do atuador Rotativo
Linear
Sistema de posição Controle de circuito fechado
Controle de circuito aberto

Para o atuador de válvula de gás, a combinação de tecnologia de motor, tipo de movimento e sistema de posição dentre as opções da tabela anterior determinam a complexidade e o custo da solução completa de movimento. As várias opções do sistema elétrico de movimento são:

Os motores DC com escova fornecem movimento rotativo ou linear através da adição de um parafuso de avanço externo (para conversão de movimento rotativo para linear). Em ambos os casos, quaisquer requisitos de posicionamento precisariam de um encoder para fornecer operação de circuito fechado.
Os motores de passo fornecem movimento rotativo ou linear através da adição de um parafuso de avanço externo. Em ambos os casos, o controle de circuito aberto é possível diretamente pelo acionador. Caso seja necessário um controle de circuito fechado, então também é necessário um codificador.
Os motores de passo lineares fornecem um parafuso de avanço integrado em um pacote único e robusto para saída de movimento linear direto, com controle de circuito aberto com acionador.

Possíveis configurações do sistema para qualquer tecnologia do motor

Tecnologia do motor DC com escova Passo/passo linear
Tipo de movimento Rotativo ou linear externo Rotativo, linear externo ou linear integrado
Sistema de posição Fechado Circuito aberto/ fechado
Torque/velocidade Variedade bem ampla Variedade limitada
Custo Médio a alto Baixa

SELEÇÃO DE MOTOR PARA ATUADORES DE VÁLVULA DE GÁS

Motor DC

Os motores DC são máquinas elétricas simples que giram quando a energia elétrica DC é aplicada. Eles não exigem componentes eletrônicos complexos para acionar o motor.(Figura 2) Entretanto, se for necessário movimento linear para a aplicação, uma solução de motor DC precisará de um sistema de parafuso de avanço e engrenagem adicional para converter o movimento rotativo em linear. A solução de DC também precisaria de um mecanismo de retorno na forma de um sensor óptico ou encoder para controlar precisamente a posição linear. Alguns designers também podem adicionar um sistema de freio para aprimorar a precisão do posicionamento devido à alta inércia do rotor do motor.

Normalmente, os motores DC (ideais para aplicações de válvula de gás) têm velocidades de saída de 1.000 a 10.000 rpm e fornecem torque de até 160 mNm. Dependendo do ponto da carga de trabalho da aplicação, uma caixa de engrenagem e/ou sistema de parafuso de avanço poderá ser adicionado.

Motor de passo
O motor de passo é um motor elétrico DC que gira através de incrementos pequenos, iguais e discretos, chamados passos.(Figura 3) Acionar um motor de passo requer uma unidade de controle dedicada. Os motores de passo têm características inerentes devido à construção e ao design, que podem ser vantajosas para a aplicação. O motor pode ser operado em circuito aberto com boa precisão, desde que o motor tenha o tamanho adequado, dando controle de posicionamento integrado aos motores de passo (passos discretos). Além disso, o design do motor de passo permite que ele use o torque de retenção para manter a posição, fornecendo excelente resposta para iniciar, parar e reverter a aplicação.

Se for necessário movimento linear para a aplicação, uma solução de motor de passo precisará de um parafuso de avanço e sistema de engrenagem adicionais para converter o movimento rotativo em movimento linear.

Normalmente, os motores de passo podem ser usados para velocidades de saída de até 1.000 rpm e fornecem torque de até 170 mNm. O torque e a velocidade reais também dependeriam do modo de acionamento (passo completo, meio passo ou micropasso). Dependendo do ponto da carga de trabalho da aplicação, uma caixa de engrenagem e um sistema de parafuso de avanço poderão ser adicionados.

Atuador de passo linear
Um atuador de passo linear é formado por um motor de passo can stack com um rotor de rosca e um fuso roscado integrado, que proporciona um movimento linear direto em tamanho compacto.(Figura 4) O fuso roscado do atuador de passo linear se move para cima e para baixo, em incrementos de passos discretos quando pulsos elétricos são aplicados. Uma das vantagens importantes de usar um atuador de passo linear é que ele pode ser controlado com precisão em um sistema de circuito aberto, o que elimina a necessidade de caros dispositivos de retorno ou sistemas de freio para o posicionamento.

Normalmente, os atuadores lineares podem ser usados para velocidades de saída de até 80 mm/s e geram força de até 100 N. A força e a velocidade reais também dependeriam da eficácia do parafuso de avanço e do modo de acionamento (passo completo, meio passo ou micropasso). Dependendo do ponto da carga de trabalho da aplicação, uma caixa de engrenagem poderá ser adicionada.

CONCLUSÃO

Comparação das soluções de motor

Parâmetros Solução de motor DC Solução de motor de passo
Velocidade *** **
Força/torque (em baixa velocidade) *** **
Temperatura operacional ** **
Vida útil ** ***
Economia * ***
Simplicidade de operação do motor *** **
Facilidade de controle da posição * ***
Eficiência *** *

Considerações principais sobre a seleção de motores para o acionamento de válvulas em aplicações HVAC:
As aplicações de válvula de gás variam conforme o tipo de haste da válvula, operação desejada e precisão. Os requisitos de aplicação que determinam a melhor solução são:

Torque/força de execução e máximo necessário
Requisito de velocidade: normalmente o requisito de torque/força é necessário em velocidades baixas para aplicações de válvula.
Preço da solução completa
Sistema de controle: normalmente não é necessário controle de circuito fechado
Temperatura operacional do ambiente de aplicação
Tipo de movimento necessário para acionamento (movimento rotativo ou linear)
Vida útil esperada da solução antes da substituição
Resolução linear ou rotativa necessária
Corrente e tensão máximas disponíveis

Com base nas soluções de movimento disponíveis e nos requisitos da aplicação de HVAC, a solução de motor de passo é mais adequada para uma aplicação rotativa, ou o motor de passo linear para a aplicação linear.

ENTRE EM CONTATO COM UM ENGENHEIRO

Figura 1 - Válvula de controle de fluxo tipo agulha
Figura 2 - Motor DC com escova
Figura 3 - Motor de passo can stack
Figura 4 - Atuador de passo linear