Um atuador de válvula é um componente essencial que desempenha o papel de gerar a força necessária para abrir ou fechar uma válvula, fazendo uso de diferentes fontes de energia disponíveis. Estas fontes de energia podem incluir métodos manuais, como operação manual direta, volantes, alavancas, entre outros, ou sistemas elétricos, hidráulicos ou pneumáticos.
Noções básicas de atuadores
Atuadores básicos realizam a operação de rotação das válvulas, posicionando-as completamente abertas ou fechadas. Entretanto, os atuadores modernos apresentam funcionalidades notavelmente mais sofisticadas. Além de sua função primordial de controlar a abertura e o fechamento das válvulas, esses atuadores oferecem a capacidade de posicionar as válvulas de forma precisa em pontos intermediários, geralmente por meio de dispositivos inteligentes chamados posicionadores. Além disso, eles podem ser integrados com sistemas de controle lógico e recursos de comunicação digital, permitindo operação remota e fornecimento de dados para manutenção preditiva.
Tipos de Atuadores: Uma Visão Geral
Existem dois tipos principais de atuadores que são comumente utilizados na automação industrial: os atuadores pneumáticos e os atuadores elétricos.
Pneumático/Hidráulico
Os atuadores pneumáticos utilizam um sinal de ar de um dispositivo externo para poduzir seu movimento permitindo assimo uma ação de controle por meio de um solenóide, ou transdutores tipo I/P.Já os atuadores hidraulicos utilizam um fluido hidráulico para produzir seu movimento, este por sua vez pode acionar sistemas que exigem maior torque.
Os tipos mais comuns de atuadores são: atuadores de pistão e diafragma.
Atuadores de Pistão: Funcionamento e Aplicações
Em sistemas de automação industrial, a precisão de movimento e a aplicação de força são elementos críticos para o desempenho eficiente de tarefas específicas. É neste contexto que os atuadores de pistão desempenham um papel fundamental. Estes dispositivos são especialmente recomendados quando é necessário controlar com exatidão o deslocamento em espaços limitados ou quando se faz necessária a aplicação de força considerável.
O princípio de funcionamento desses atuadores é notavelmente engenhoso. Eles operam através do direcionamento de ar comprimido ou fluido hidráulico para um pistão alojado dentro de um cilindro. Quando a pressão do ar ou do fluido é aplicada sobre o pistão, ele é impulsionado ao longo do interior do cilindro, gerando um movimento mecânico controlado. Esse movimento pode ser unidirecional, caracterizando um atuador de ação simples, ou bidirecional, conhecido como atuador de ação dupla.
Uma característica que distingue os atuadores de pistão é sua capacidade de suportar pressões de entrada significativamente elevadas em comparação com os atuadores de diafragma, o que amplia suas possibilidades de aplicação. Além disso, a versatilidade desses atuadores se estende à utilização de fluido hidráulico, o que os torna ideais para situações que demandam torque considerável.
Devido a essa combinação única de precisão, força e adaptabilidade, os atuadores de pistão encontram ampla aplicação em diversos setores industriais. São utilizados desde a automação de linhas de produção, onde a precisão do movimento é essencial, até a movimentação de equipamentos robustos, onde a aplicação de força é crítica. Como resultado, esses dispositivos desempenham um papel vital na otimização de processos industriais em todo o mundo.
Atuadores de Diafragma: Funcionamento e Aplicações
Os atuadores de diafragma, chamados assim devido à sua característica essencial de utilizar uma membrana flexível denominada diafragma, representam uma parte fundamental dos sistemas de automação industrial. Similar aos atuadores de pistão, esses dispositivos oferecem flexibilidade na escolha entre operações de simples ou dupla ação, dependendo das necessidades da aplicação em questão.
Em atuadores de simples ação, o ar comprimido é direcionado para uma das câmaras do atuador, promovendo o deslocamento em um único sentido. À medida que o diafragma se move, ele pode comprimir uma mola, que pode ser de ação direta (mola para retrair) ou de ação reversa (mola para estender). Em caso de falha na alimentação de ar, a mola entra em ação, direcionando a válvula para uma posição de falha segura. Essa característica é especialmente vantajosa em aplicações onde a segurança é crucial ou em situações em que a energia motora possa falhar.
Por outro lado, a operação em dupla ação implica que o ar comprimido seja aplicado nos dois sentidos, permitindo maior controle sobre o movimento da válvula. Nesse modo de operação, mesmo em caso de falta de ar ou de comando, a válvula permanece na posição desejada, garantindo uma maior estabilidade operacional.
Uma vantagem adicional dos atuadores de diafragma é a sua capacidade de proporcionar um torque significativo, mesmo em tamanhos compactos. Isso torna esses atuadores uma escolha popular em aplicações que demandam um torque elevado em espaços restritos.
Essa capacidade dos atuadores de diafragma de fornecer um torque significativo em tamanhos compactos é possível devido à maneira como o diafragma é projetado e como o sistema de atuação funciona.
O diafragma é uma membrana flexível que pode ser projetada de forma eficiente para converter a pressão do ar ou do fluido em um movimento de torção. Quando a pressão é aplicada a uma superfície maior do diafragma, ela cria um momento de torção em torno do eixo central do atuador. Este momento de torção é transmitido para a haste da válvula ou outro dispositivo de saída, que então executa o movimento de rotação necessário para controlar o fluxo do fluido ou realizar outras tarefas.
Essa eficiência de design permite que os atuadores de diafragma gerem um torque substancial com relativamente pouco esforço. Isso é particularmente benéfico em aplicações onde o espaço físico é limitado, pois significa que um atuador compacto pode fornecer a força necessária para operar uma válvula ou outro mecanismo de controle com eficácia.
Portanto, a capacidade de produzir um torque significativo em tamanhos compactos é uma característica intrínseca dos atuadores de diafragma devido à sua engenhosidade de projeto e funcionamento eficiente. Essa é uma das razões pelas quais eles são tão amplamente utilizados em aplicações que exigem um alto torque em espaços restritos.
Devido a essa versatilidade e capacidade de atender a uma ampla gama de requisitos operacionais, os atuadores de diafragma são amplamente empregados na indústria, desempenhando um papel essencial na automação de processos que variam desde o controle de fluxo em linhas de produção até sistemas de segurança críticos.
Atuadores Elétricos: Funcionamento e Aplicações
Os atuadores elétricos representam uma classe essencial de dispositivos na automação industrial, operando com base em sinais elétricos para gerar movimento controlado. A peculiaridade desses atuadores reside na transformação da energia elétrica em movimento mecânico, tornando-os uma escolha versátil e amplamente utilizada.
Em seu funcionamento, um atuador elétrico é acionado por um motor que converte o sinal elétrico de entrada em rotação do eixo do motor. Esta rotação é então traduzida, através de mecanismos de transmissão, em um movimento linear. Esse movimento linear é crucial para acionar a haste e o bujão de uma válvula, permitindo a modulação precisa do fluxo.
Uma característica notável dos atuadores elétricos é a sua capacidade de manter a posição em caso de falha no sinal elétrico. Isso pode ser especificado de várias maneiras, como posicionando o atuador na posição final ou na posição inicial do curso, e pode ser alcançado por meio do uso de baterias ou sistemas de backup. Essa funcionalidade de segurança é particularmente importante em aplicações críticas onde a interrupção do fluxo ou a mudança de posição podem ter consequências adversas.
Os motores mais comumente utilizados em atuadores elétricos incluem os “steppers” (motores de passo) e os servos. Os motores de passo são conhecidos por seu controle de posição preciso, movendo-se em incrementos discretos. Por outro lado, os servos oferecem um controle mais dinâmico, adaptando-se continuamente para atingir e manter a posição desejada.
Nos sistemas de automação industrial, a operação precisa das válvulas é essencial para o controle eficaz do fluxo de fluidos. Como discutido anteriormente, os atuadores elétricos desempenham um papel crítico nesse cenário, permitindo que as válvulas sejam acionadas eletronicamente em resposta aos comandos de controle. Enquanto os motores de passo e servos foram destacados por seu controle de posição preciso e movimento em incrementos discretos, é importante notar que muitos fabricantes optam por utilizar motores de indução em atuadores elétricos, especialmente em aplicações que exigem facilidade de implementação e versatilidade.
Os motores de indução são amplamente reconhecidos por sua confiabilidade e capacidade de proporcionar movimento robusto. Sua operação é gerenciada por eletrônica dedicada, que recebe sinais de comando do PLC (Controlador Lógico Programável) para posicionar o atuador e, consequentemente, a válvula, na posição desejada. A eletrônica específica para motores de indução permite um controle eficaz do torque e da velocidade, tornando esses motores adequados para uma variedade de aplicações industriais.
Enquanto os motores de passo são altamente precisos em termos de controle de posição, os motores de indução oferecem um equilíbrio notável entre precisão e versatilidade. Isso os torna ideais para situações onde a simplicidade de operação é fundamental e quando é necessária uma resposta confiável e rápida aos comandos do sistema. Assim, os motores de indução têm um amplo campo de aplicação em atuadores elétricos utilizados em válvulas industriais, fornecendo um desempenho sólido e confiável em ambientes industriais desafiadores.
A versatilidade e a confiabilidade dos atuadores elétricos os tornam uma escolha essencial em uma ampla gama de aplicações industriais, desde o controle de válvulas em sistemas de processo até a automação de robôs industriais, onde a precisão e a repetibilidade são cruciais. O uso de energia elétrica como fonte de alimentação confere a esses atuadores uma eficácia notável em ambientes industriais diversificados.
O uso de diferentes tipos de motores em atuadores elétricos desempenha um papel crucial na automação industrial, permitindo uma ampla gama de aplicações em que o posicionamento preciso é essencial.
Os motores de passo, por exemplo, são notáveis por sua capacidade de movimentar-se em incrementos altamente precisos na faixa de 5.000 a 10.000 passos por rotação de 90 graus. Isso os torna ideais para situações em que é necessário um posicionamento extremamente preciso em velocidades mais baixas. No entanto, uma desvantagem dos motores de passo é que eles podem perder a sincronização com o controlador, especialmente quando operados em um loop aberto sem feedback de posição de um codificador. Além disso, se forem subdimensionados para uma aplicação específica, podem não fornecer o torque necessário.
Os servos, por outro lado, operam em um circuito fechado e oferecem um desempenho superior, particularmente em altas velocidades. Eles são capazes de fornecer precisões excepcionais, chegando a dez milésimos de polegada. Isso os torna ideais para aplicações que exigem alta precisão em velocidades mais elevadas. No entanto, seu custo é geralmente mais alto do que o dos motores de passo.
Em sistemas de automação industrial que envolvem o controle de válvulas, a escolha do tipo de motor é fundamental para atender às necessidades específicas da aplicação. Os motores de corrente contínua (CC) e de corrente alternada (CA) desempenham um papel crucial, especialmente em cenários em que a precisão de posicionamento não é tão crítica quanto em outros casos.
Esses motores são frequentemente empregados em conjunto com dispositivos complementares para garantir o funcionamento seguro e eficiente das válvulas:
- Chave de fim de curso(Limite de curso): Os interruptores de limite são componentes importantes em sistemas de controle de válvulas. Eles são utilizados para indicar a posição exata das válvulas, indicando se estão completamente abertas ou fechadas. Esses interruptores fornecem feedback crucial para o sistema de controle, permitindo que ele saiba a posição atual da válvula.
- Mecanismo de Detecção de Torque: Um mecanismo de detecção de torque é incorporado ao atuador elétrico para monitorar o nível de força aplicado durante a operação. Se o torque exceder um nível seguro, esse mecanismo desliga o motor elétrico imediatamente. Essa funcionalidade de segurança é vital para proteger tanto a válvula quanto o sistema, evitando danos causados por excesso de força.
- Mecanismos de Desengate e Volante: Em situações de falha de energia, é essencial que as válvulas possam ser operadas manualmente para garantir a continuidade das operações ou para garantir uma posição segura. Portanto, muitos atuadores incluem mecanismos de desengate e volante que permitem que um operador humano acione manualmente a válvula, independentemente da falta de energia elétrica.
A combinação desses elementos – motores de CC ou CA, interruptores de limite, mecanismos de detecção de torque e mecanismos de desengate – cria um sistema robusto de controle de válvulas. Embora a precisão de posicionamento possa não ser tão crítica em comparação com outros tipos de motores, esses motores são fundamentais para garantir a operação segura e confiável das válvulas industriais em diversas aplicações.
Atuadores elétricos X pneumáticos
A principal diferença entre atuadores pneumáticos e eletrônicos é a velocidade de operação. As duas tecnologias são tão diferentes que uma não pode ser um substituto para a outra.Cada um tem vantagens e desvantagens inerentes.
Vantagens dos atuadores pneumáticos
- A maior vantagem dos atuadores pneumáticos é sua ação à prova de falhas . Por projeto da mola compactada, o engenheiro de procesos pode determinar se a válvula falhará fechada ou aberta, dependendo da segurança do processo.
- Forneça alta força e velocidade, que são facilmente ajustáveis e são independentes entre si
- Tenha uma resposta atrasada, o que os torna ideais para serem resistentes a pequenas perturbações nas mudanças de pressão da fonte.
- Mais econômico quando a escala de implantação corresponde à capacidade do compressor.
- Fornece segurança inerente e são ideais para ambientes perigosos e explosivos.
- Baixo custo de componentes e menor área útil.
Limitações dos atuadores pneumáticos
Os custos de manutenção e operação podem ser altos, especialmente se não houver um esforço sério para quantificar e minimizar os custos.Os custos de manutenção incluem custos de substituição do cilindro e obstrução de vazamentos na linha de ar, enquanto os custos operacionais incluem o custo do ar comprimido, ou seja, eletricidade para o compressor.
Atuadores elétricos:
Vantagens
- Forneça controle e posicionamento precisos em comparação com atuadores pneumáticos.
- O tempo de resposta é essencialmente instantâneo.
- Alto grau de estabilidade.
- Ajude a adaptar as máquinas a processos flexíveis.
- Baixo custo operacional. Controladores e controladores de circuito de baixa tensão consomem energia em um grau muito menor.
Desvantagens
- A principal desvantagem de um atuador elétrico é que, se ocorrer uma falha de energia, a válvula permanecerá na última posição e a posição à prova de falhas não poderá ser obtida facilmente, a menos que haja uma fonte conveniente de energia elétrica armazenada.
- Custo mais alto que os atuadores pneumáticos. Os altos custos dos componentes muitas vezes impedem o uso de atuadores elétricos, porque as economias nos custos operacionais, em comparação com a pneumática, muitas vezes não são consideradas adequadamente ou são totalmente ignoradas.
- O atuador precisa estar em um ambiente que seja tornado seguro. Geralmente não recomendado para atmosferas inflamáveis.