O que é um sistema de controlo de tensão de banda?

Um sistema de controlo de tensão de banda é o circuito fechado que gera, mede e mantém a força de tração exercida sobre uma banda em movimento, desde a desbobinagem até à rebobinagem, passando pelo corte longitudinal, pela impressão, pelo revestimento ou pela laminação. Não se trata de um único aparelho. É uma fonte de binário, um ponto de medição, um controlador e o percurso mecânico entre eles, a funcionarem em conjunto para que o material se mantenha plano, com registo correto e enrolado com uma densidade repetível.

A maioria dos problemas de tensão não tem origem no controlador. Tem origem na arquitetura: a fonte de binário está no sítio errado, uma zona tem dois mestres de velocidade a disputar o comando, ou o sensor mede uma força que pouco tem a ver com a banda. Este artigo aborda o sistema enquanto sistema, para que consiga identificar primeiro o bloco defeituoso.

A tensão nasce do binário, não do controlador

Qualquer análise da tensão começa na mesma equação:

T (N·m) = F (N) × R (m)

Em que T é o binário aplicado no eixo da bobina, F é a tensão total da banda em toda a largura e R é o raio da bobina nesse instante. Invertendo a expressão, obtém-se a forma que realmente interessa a quem opera a linha: F = T ÷ R.

É essa inversão que explica a maior parte dos sintomas observados na prática. À medida que a bobina de desbobinagem se esvazia, R diminui: o mesmo binário de travagem passa a gerar mais tensão e a banda fica progressivamente mais esticada, a menos que o controlador reduza o binário em sintonia com o diâmetro. No sentido oposto, quando a bobina de rebobinagem ganha volume, R aumenta: o mesmo binário da embraiagem produz agora menos tensão e a bobina fica frouxa no centro, salvo se o binário for aumentado. O controlador não mudou nada; mudou apenas o raio.

O controlador não cria tensão. Limita-se a decidir quanta corrente chega ao atuador. A força real exercida sobre a banda provém de um travão, de uma embraiagem ou de um motor de acionamento. Quando alguém diz que «o controlador não aguenta a tensão», a primeira pergunta honesta é: o que está o atuador a fazer?

Os quatro blocos constituintes

1. O atuador — onde o binário é produzido. Na desbobinagem é normalmente um travão de pó magnético, que retém a bobina mãe e obriga a banda a ser puxada sob carga. Na rebobinagem é uma embraiagem de pó magnético, que recolhe a banda para o núcleo. Num rolo de arrasto motorizado, é um motor com redutor. Os equipamentos de pó magnético dominam as aplicações de tensão porque o binário acompanha a corrente da bobina de forma quase linear, sem desgaste de placas de atrito e sem efeito stick-slip a baixa velocidade.

2. O sensor — onde a tensão é medida. Uma célula de carga colocada sob um rolo converte a força da banda num sinal elétrico. Os sensores de tensão tipo chumaceira montam-se sob os mancais e medem a força total aplicada num rolo. As células de carga em consola instalam-se num eixo fixo, em estações onde o espaço é escasso. Um sensor de tensão de eixo passante transforma um rolo dedicado no próprio elemento de medição.

3. O controlador — onde a decisão é tomada. Compara o valor de referência com o valor medido e ajusta a corrente do atuador, habitualmente milhares de vezes por segundo. Um controlador de tensão compacto adequa-se a uma estação única de banda estreita, com visualização local. Um controlador de tensão de banda automático completo gere a rebobinagem em malha fechada, com conicidade de tensão, seguimento de diâmetro e múltiplas zonas.

4. O percurso mecânico — onde a tensão se ganha ou se perde. Rolamentos de rolos livres, ângulo de envolvimento, braços oscilantes, correias gastas e rolos desalinhados alteram a força que efetivamente chega à banda. O melhor controlador do mundo não compensa um rolo livre bloqueado. Este é o bloco mais vezes ignorado na resolução de problemas e é responsável pela maior parte das variações ditas «aleatórias».

Um mestre de velocidade e uma fonte de binário por zona

Esta é a regra que separa uma linha estável de outra que oscila, e é precisamente a parte que raramente é explicada a quem compra.

Uma zona de tensão é o troço de banda compreendido entre os dois pontos que a controlam. Entre essas fronteiras, um ponto tem de comandar a velocidade e o outro o binário. Nunca os dois da mesma forma.

• Dois pontos controlados em velocidade dentro da mesma zona disputam o comando. Cada um tenta impor a sua velocidade à banda. Um desfasamento de poucas décimas de por cento traduz-se numa oscilação violenta de tensão, porque a banda é rígida e o erro não tem por onde escapar.
• Dois pontos controlados em binário deixam a velocidade indefinida. Nada define a rapidez com que a banda avança, pelo que o material deriva, arranca aos solavancos ou pára por completo.
• Um ponto de velocidade mais um ponto de binário é uma configuração estável. A velocidade é definida de um lado, a tensão do outro, e os dois nunca entram em conflito.

Numa rebobinadora de corte longitudinal típica, isto resulta em duas zonas. A primeira zona estende-se do travão de desbobinagem até ao rolo de arrasto de alimentação: o travão é a fonte de binário e o acionamento do arrasto é o mestre de velocidade. A segunda zona vai do rolo de arrasto até à rebobinagem: o arrasto continua a ser o mestre de velocidade, enquanto a embraiagem de rebobinagem assume a função de fonte de binário. O arrasto de alimentação é a fronteira partilhada e o único mestre de velocidade da máquina.

Sempre que uma linha oscila a uma frequência constante, verifique primeiro esta regra. Um segundo variador de frequência acrescentado mais tarde «para ajudar a puxar» é a violação clássica, e nenhuma afinação do controlador a resolve.

As três formas de gerar tensão numa linha

Método	Onde atua	Atuador habitual	Mais indicado para
Contra-tensão na desbobinagem	Trava a bobina mãe	Travão de pó magnético	Corte longitudinal, impressão, laminação
Tração na rebobinagem	Aciona a bobina acabada	Embraiagem de pó magnético	Rebobinagem, bobinagem
Diferencial de velocidade (draw)	Entre dois arrastos motorizados	Dois acionamentos servo ou vetoriais	Revestimento, fornos de secagem, linhas multizona

A maior parte das máquinas combina métodos. Uma rebobinadora de corte longitudinal recorre à contra-tensão de desbobinagem em simultâneo com a tração de rebobinagem. Uma linha de revestimento com secador longo utiliza frequentemente controlo por diferencial ao longo do forno e um travão na desbobinagem.

Malha aberta, malha fechada e controlo por rolo dançarino

• Malha aberta define a corrente do atuador a partir de um cálculo do diâmetro da bobina e nunca mede a tensão real. É económica e suficiente para papel, cartão e materiais tolerantes a velocidade moderada.
• Malha fechada mede a força efetiva da banda e corrige-a continuamente. É praticamente obrigatória para filmes abaixo de cerca de 25 µm, folha de alumínio, elétrodos e separadores de lítio, e para qualquer linha em que poucos newtons decidam se uma bobina segue para o cliente.
• Controlo por rolo dançarino utiliza um rolo móvel apoiado num cilindro pneumático ou num peso, funcionando simultaneamente como sensor e como acumulador. Absorve bem perturbações curtas, mas introduz inércia e exige uma montagem mecânica cuidada.

Onde se mede é tão importante como o que se mede

A banda entre dois rolos não é um corpo rígido; comporta-se como uma mola longa e leve. Cada metro de vão livre acrescenta flexibilidade e atraso. Um sensor colocado três metros a jusante do travão deteta a alteração de tensão mais tarde do que outro instalado a meio metro, e quando o sinal chega o controlador já corrigiu em excesso. O sintoma é uma oscilação lenta e crescente que nenhuma redução de ganho resolve por completo.

Regras práticas: meça tão perto do processo que lhe interessa quanto a mecânica permita, mantenha o rolo de medição livre de atrito nos rolamentos e de tração lateral das correias, e tare o peso do rolo e a geometria de envolvimento antes de confiar numa leitura.

Os cinco valores a especificar antes de comprar

1. Gama de tensão, em newtons totais ou N/mm de largura, com mínimo e máximo.
2. Gama de diâmetros da bobina, do núcleo ao cheio, na desbobinagem e na rebobinagem. É este valor que define a relação de redução de binário que o atuador tem de assegurar.
3. Velocidade máxima da linha, que em conjunto com a tensão determina a potência de deslizamento que o atuador tem de dissipar sob a forma de calor.
4. Material da banda e largura, que estabelecem a estreiteza da banda de tolerância exigida.
5. Número de zonas de tensão, que decide se um único controlador chega ou se cada estação precisa do seu.

Perguntas frequentes

P: Um controlador de tensão é o mesmo que um sistema de controlo de tensão? R: Não. O controlador é o bloco de decisão. O sistema inclui ainda o atuador, o sensor e o percurso mecânico, e uma falha em qualquer um dos quatro produz o mesmo sintoma.

P: Por que razão a tensão sobe à medida que a bobina de desbobinagem se esvazia? R: Porque o raio diminui e F = T ÷ R. Sem compensação de diâmetro, o mesmo binário de travagem gera uma tensão progressivamente superior.

P: Preciso de uma célula de carga se já tenho um travão de pó magnético? R: Apenas para trabalhar em malha fechada. Um travão isolado é uma fonte de binário em malha aberta e desvia-se à medida que o diâmetro da bobina muda.

Conclusão e próximo passo

Um sistema de controlo de tensão de banda é feito de quatro blocos e uma regra. Os blocos são o atuador que produz binário, o sensor que mede, o controlador que decide e o percurso mecânico que transporta a força. A regra é: um mestre de velocidade e uma fonte de binário por zona. Acertando nestes pontos, as falhas de tensão passam a meras avarias de componentes, localizáveis numa tarde. Falhando nestes pontos, nenhum parâmetro do controlador salva a linha.

Envie à XW Machinery o material da banda, a largura, a gama de tensão, os diâmetros das bobinas e a velocidade da linha. Mapeamos as suas zonas de tensão, dimensionamos o atuador e o sensor e apresentamos orçamento para o controlador correspondente — sem qualquer custo.

Passo seguinte: especificar os valores

Para transformar o conceito numa encomenda, indique a gama de binário, o método de controlo, o sinal de entrada do sensor e o tipo de comunicação: 6 N.m a 400 N.m nos conjuntos standard de pó magnético, 1 N.m a 5 N.m nos microconjuntos, controlo PI em malha fechada com amostragem de 50 ms, entrada de sensor de 30 mV ou 300 mV e RS485 / Modbus-RTU opcional. Consulte Controlo de tensão de banda: gama de tensão e métodos de controlo e depois percorra a coleção de sistemas de controlo de tensão de banda.