Controle para Automação

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1 Controle para Automação
Seminário: Atuadores Alunos: Luis Filipe

2 Introdução Definição: Atuadores são os elementos fundamentais que fornecem a fonte de força mecânica a um sistema. Assim, os atuadores são verificados sempre que se observa movimentações físicas no sistema.

3 Introdução Atuadores são utilizados para executar instruções vindas de um sistema de controle (CLP, FPGA, Microcontrolador, Computador, entre outros) Fig 1. - Esquemático de um Módulo de Saída de um CLP controlando um atuador. A saída ainda passa por uma etapa de potência, exemplificada pelo transistor.

4 Introdução Podemos, então, classificar os atuadores de acordo com sua função no sistema principal: Atuadores Primários Atuadores Secundários Atuadores de Ativação

5 leitura atuadores de ativação:
Existem ainda atuadores que são utilizados na ativação de uma gama de elementos que devem atuar sobre a planta principal do sistema. Podemos pegar como exemplo: solenóides, relés e seus derivados (Relé de estado sólido, temporizadores, e contatores...)

6 Atuadores Primários Atuadores Primários

7 Atuadores Primários Os atuadores primários são a fonte da primeira movimentação física do sistema. Estes atuadores, de certa forma, agem como verdadeiros transdutores, transformando uma fonte de energia em outra (geralmente, mecânica)

8 Atuadores Hidráulicos Atuadores Pneumáticos
Atuadores Primários Dessa forma, podemos classificar os atuadores primários de acordo com sua fonte de energia de ativação: Atuadores Elétricos Atuadores Hidráulicos Atuadores Pneumáticos Todos os três tipos de atuadores são amplamente utilizados. Cada um com suas vantagens e desvantagens.

9 Atuadores Elétricos Motores Elétricos:
O motor elétrico, que converte energia elétrica em movimentação rotacional, é, de longe, o atuador primário mais conhecido e utilizado. Os principais tipos de motores são: Motores de Corrente Contínua; Motores de Passo; Motores de Corrente Alternada.

10 Motores de Corrente Contínua
Atuadores Elétricos Motores de Corrente Contínua

11 Atuadores Elétricos Funcionamento do motor c.c. simples.
Fig 2. – Estrutura do motor c.c. simples. Verifica-se a armadura girando no sentido horário. Em (b) já houve uma rotação de 90º, que gera uma inversão na corrente nos fios A e B, causada pela rotação dos contatos do comutador que fazem contato, a partir de então, com lados opostos das escovas.

12 Atuadores Elétricos Armadura de um motor real .
Fig 3. – Estrutura da armadura em um motor prático. Verifica-se a existência de várias bobinas, com cada par de fio conectado a um par separado de segmentos de comutador, garantindo que a corrente nos fios mudará de sentido no momento adequado à cada bobina.

13 Atuadores Elétricos Principais Equações de Construção. Torque:
T = KT IAΦ (eq. 1) T = Torque do motor KT = Constante, baseada nas caract. de construção do motor IA = Corrente de Armadura Φ = Fluxo magnético * Verifica-se que o torque é proporcional a corrente de armadura.

14 Atuadores Elétricos Principais Equações de Construção. FEM:
FEM = KE Φ n (eq. 2) FEM = Tensão gerada pela rotação do motor. KE = Constante baseada na construção do motor Φ = Fluxo magnético n = Velocidade de rotação do motor Tensão sobre a Armadura:: VA = Vln - (FCEM + Vescovas) (eq. 3) VA = Tensão sobre a armadura. Vln = Tensão de linha fornecida ao motor. FCEM = Força Contra-Eletromotriz. Vescovas = Queda de tensão nas escovas.

15 Atuadores Elétricos Principais Equações de Construção.
Corrente de Armadura: Vln - (FCEM + Vescovas) IA = (eq. 4) RA IA = Corrente de armadura Vln = Tensão de linha fornecida ao motor. RA = Resistência de armadura FCEM = Força Contra-Eletromotriz. Vescovas = Queda de tensão nas escovas.

16 Leitura Principais Equações de Construção.
Esta equação explica, em parte, a limitação de velocidade encontrada nos motores dc. Verificamos que com o incremento da velocidade, a corrente de armadura é reduzida conseqüentemente, o motor possui menos torque. Assim, chega-se a um ponto em que o torque do motor não é capaz de fazê-lo rotacionar.

17 Subdivisão dos Motores c.c.:
Atuadores Elétricos Subdivisão dos Motores c.c.: Motores de Excitação de Campo; Motores a Imã-Permanente; Motores Brushless (sem escovas).

18 Atuadores Elétricos Motores de Excitação de Campo. Motor Série;
Motor Shunt; Motor Composto. A divisão destes motores é feita de acordo com a maneira pela qual é produzida a excitação de campo polar.

19 Leitura Motores de Excitação de Campo.
Os motores de excitação de campo são o tipo mais comum de motores de corrente contínua. Neles o campo magnético no entreferro é gerado pela excitação nos enrolamentos de campo polar, localizados no estator (parte fixa) do motor c.c.

20 Fig 5. – Curva de velocidade-torque para o motor série.
Atuadores Elétricos Motor Série. Fig 4. – Circuito equivalente de um motor série. À direita com polarização reversa. Fig 5. – Curva de velocidade-torque para o motor série.

21 Leitura Motor Série. Os enrolamentos de campo estão em série com os enrolamentos de armadura. As correntes de armadura e de campo são iguais. Portanto (IA ≈ Φ)  Fluxo proporcional a corrente de armadura Assim T = KT IA²  T baixo para cargas leves mas cresce rapidamente para cargas maiores AUMENTO da carga (e da necessidade de torque) = Veloc. cae rapidamente.

22 Fig 7. – Curva de velocidade-torque para o motor shunt.
Atuadores Elétricos Motor Shunt. Fig 6. – Circuito equivalente de um motor shunt. À direita com polarização reversa. Fig 7. – Curva de velocidade-torque para o motor shunt.

23 Leitura Motor Shunt. Os enrolamentos de campo estão em paralelo com os enrolamentos de armadura. A corrente de campo é independente de IA e praticamente constante. Assim, o Φ=cnst  Fluxo é praticamente constante T linear visto que Φ = cnst AUMENTO da carga (e da necessidade de torque) = Veloc. cae quase linear em alguns pontos.

24 Atuadores Elétricos Motor Compostos.
Fig 8. – Circuito equivalente de um motor composto. Fig 9. – Curva de velocidade-torque para o motor shunt.

25 Leitura Motores de Excitação de Campo.
O motor composto  possui tanto enrolamentos de série como shunt. Os enrolamentos em série dão ao motor um torque de partida maior, enquanto que no motor rodando a FCEM reduz a força do enrolamento em série Assim o enrolamento shunt se torna a principal fonte de fluxo de campo. Forncecendo alguma regulação de velocidade. A combinação destes dois enrolamentos tende a linearizar uma porção da curva de velocidade-torque. Composto Cumulativo : Estudado (enrolamentos na mesma direção)  Composto diferencial: Possui baixo torque de inicio mas possui otima regulação de velocidade .

26 leitura Motores de Excitação de Campo.
Os motores apresentados são do tipo auto-excitados Existem ainda motores do tipo excitação independente, no qual os enrolamentos de campo são ligados a uma fonte de tensão independente.

27 Fig 10. – Corte transversal de um motor a Imã-Permanente.
Atuadores Elétricos Motores a Imã-Permanente. Os motores a Imã-Permanente utilizam elementos magnéticos permanentes para gerar o fluxo magnético. Fig 10. – Corte transversal de um motor a Imã-Permanente.

28 Atuadores Elétricos Motores a Imã-Permanente.
Os principais tipos de elementos magnéticos utilizados são: Alnico; Ferrite (cerâmico); Samarium-Cobalto ou Neodímium-Cobalto.

29 Leitura Motores a Imã-Permanente.
(1) The Alnico magnet  A base de ferro e alumínio. Possue alta densidade de fluxo Perde magnetização sobre correntes de armadura altas (2) ferrite (ceramic)  Baixa densidade de fluxo, portanto costumam ser grandes São dificeis para desmagnetizar (3) samarium-cobalt or neodymium-cobalt  São também chamados de elem. Raros magnéticos Combinam alta densidade de fluxo e alta resistência para desmagnetização

30 Atuadores Elétricos Motores a Imã-Permanente.
Fig 11. – Esquemático do circuito equivalente de um motor a Imã-Permanente (ideal). À direita, a sua curva de velocidade-torque.

31 O fluxo magnético se mantém constante independente da velocidade.
Leitura Motores a Imã-Permanente. O fluxo magnético se mantém constante independente da velocidade. Esta é uma característica muito desejada pois simplifica as equações de controle. Há ausencia de enrolamentos de campo é percebida no esquemático. E na curva torque-velocidade, verificamos a linearidade desejada.

32 Os motores sem escovas, como o próprio nome diz, não utilizam escovas.
Atuadores Elétricos Motores sem Escovas (Brushless). Os motores sem escovas, como o próprio nome diz, não utilizam escovas. Desvantagens das escovas: As escovas sofrem desgates, ficam sujas; Causam queda de tensão; Geram ruídos elétricos.

33 Leitura Motores sem Escovas (Brushless).
O motor c.c. sem escovas  utiliza modernas técnicas de switch para eliminar a necessidade de escovas. Os motores sem escovas  são extremamente confiáveis, eficientes e facilmente controláveis

34 Atuadores Elétricos Motores sem Escovas (Brushless).
Fig 12. – Motor sem Escovas de 3-Fases. À esquerda, o arranjo das bobinas de campo, e à direita, o sistema de sensores

35 Leitura Motores sem Escovas (Brushless).
diagrama de um motor sem escovas de três-fases. O rotor passa a ser um Imã-Permanente cercado por três bobinas de campo. Cada bobina de campo pode ser ligada/desligada independentemente. Quando uma bobina está ligada, como no caso da bobina A, o pólo norte do rotor magnético é atraído para a bobina. Dessa forma se ligarmos e desligarmos as bobinas na seqüência A-B-C, temos que o rotor (e, portanto o motor) será atraído no sentido horário. Como vocês verão, um motor sem escovas é muito similar a um motor de passo. E Dessa forma, não há necessidade de contatos elétricos entre o rotor e o campo.

36 Leitura Motores sem Escovas (Brushless).
O motor sem escovas possui um sistema de sensores, mostrado na figura X, para direcionar o acionamento de cada bobina de campo. (quando chega) Bobina C  P1 ativo  Bobina A (energizada) (quando chega) Bobina A  P2 ativo  Bobina B (energizada) (quando chega) Bobina B  P3 ativo  Bobina A (energizada)

37 Leitura Motores sem Escovas (Brushless).
Faixa: De pequenos Hps até modelos de 600Hps. Controle de Velocidade: Excelente. Inclusive alguns modelos vem com realimentação, utilizando um tacômetro, para garantir uma regulação quase perfeita. Velocidade Mínima: (usualmente 300rpm) Abaixo da qual pode-se sentir engasgos do motor.

38 Motores de Corrente Alternada
Atuadores Elétricos Motores de Corrente Alternada

39 Atuadores Elétricos Motores de Corrente Alternada:
São amplamente utilizados, pois possuem alta eficiência e confiabilidade, à baixo custo de manutenção e a, relativamente, baixo custo de produção. Desvantagens: A sua grande desvantagem é a necessidade de inversores de freqüência para seu controle de velocidade.

40 Atuadores Elétricos Motores de Corrente Alternada:
Os principais tipos de motores c.a. são: Motores de Indução; Motores Síncronos.

41 Atuadores Elétricos Motores de Indução:
Fig 13. – Componentes do motor de indução Fig 14. – Motor de indução montado

42 leitura Motores de Indução:
Os componentes básicos do motor de indução: A base, o estator e o rotor. O estator  consiste em bobinas de campo. O rotor  está posicionado dentro do estator e roda, como resultado da interação eletromagnética com o estator. VANTAGENS  Não possuem contatos entre o rotor e o estator

43 Atuadores Elétricos Motores de Indução: Funcionamento:
A operação do motor de indução é similar a operação do motor sem escovas e do motor de passo. Consiste em energizar as bobinas de campo em seqüência, no estator, gerando um campo magnético rotativo. No motor de indução, entretanto, esta seqüência de energização é feita naturalmente pela onda senoidal. O rotor sofre uma indução eletromagnética que faz com que haja torque na interação com o campo magnético rotativo.

44 Fig 15. – Onda c.a. de 2-fases gerando um campo magnético rotativo
Atuadores Elétricos Motores de Indução: Fig 15. – Onda c.a. de 2-fases gerando um campo magnético rotativo

45 leitura Motores de Indução:
Explicação da seqüência de ativação das bobinas de campo através das ondas senoidais: A onda B está 90º atrasada em relação à onda A. O motor de 2-fases é tal que a onda A energiza os pólos de cima e de baixo, enquanto a onda B energiza os pólos laterais. A ação destas ondas, então, é gerar uma rotação do campo magnético do estator. (neste caso horário) * [Para tal consideraremos a operação de um teórico motor de 2-fases]

46 Atuadores Elétricos Motores de Indução: Funcionamento Rotor:
Para haver movimento, o rotor deve agir como um elemento magnético para então ser puxado pelo campo rotacional do estator. Quando é aplicado uma tensão c.a. sobre os enrolamentos do estator, este gera o campo rotatório e o rotor começa a se magnetizar por indução. A corrente, circulando, força as barras a possuírem um campo magnético. Este campo interagindo com o campo rotatório do estator produz o torque. Fig 16. – Gaiola de Esquilo

47 leitura Motores de Indução:
FIGURA: mostra o diagrama do rotor, que consiste em um número de barras de cobre ou alumínio conectadas em anéis terminais. Quando o campo do estator passa sobre uma barra  a força do campo nesta barra é incrementada e logo depois decrementada. Essa mudança no campo magnético induz corrente sobre a barra, que chega até aos anéis que fazem a corrente re-circular sobre outras barras.

48 Atuadores Elétricos Motores de Indução: Velocidade [rpm]: Aonde,
Ss = velocidade síncrona [rpm] f = frequencia da linha AC P = número de pólos

49 leitura Motores de Indução: A velocidade nunca será a síncrona:
Para o motor funcionar é necessário que uma tensão seja induzida no rotor. Esta só ocorre na mudança de campo magnético. Portanto, o rotor nunca poderá estar rodando em conjunto com o campo rotatório do estator, senão não haveria mudança no campo magnético. Dessa forma a velocidade do rotor é sempre menor do que a do campo rotatório do estator.

50 Atuadores Elétricos Motores Síncronos: Distinções do motor síncrono:
O campo magnético no motor é gerado por uma fonte c.c. transmitida através de um conjunto de anéis deslizantes e escovas. Esta excitação energiza os pólos do rotor que tendem a travar e entrar em sincronismo com o campo magnético girante. É o chamado Engate Magnético Devido ao Engate Magnético, a velocidade de rotação do motor síncrono é exatamente igual à velocidade de rotação do campo giratório.

51 Fig 17. – Rotor de um motor síncrono, mostrando os anéis deslizantes.
Atuadores Elétricos Motores Síncronos: Fig 17. – Rotor de um motor síncrono, mostrando os anéis deslizantes.

52 leitura Motores Síncronos: Figura dos anéis deslizantes
*Estes anéis deslizantes são semelhantes aos comutadores no motor c.c., Entretanto, não devem ser comparados porque estes contatos são muito mais suaves, durando mais e causando muito menos ruídos do que um comutador no motor c.c.

53 leitura Motores Síncronos:
Unfortunately, the synchronous motor is not self-starting. When the power is switched on, the field starts rotating full speed, causing the magnetized rotor to be first tugged in one direction and then the other. Experiencing no sustained torque, the rotor just sits there. To start the motor, additional hardware is required. Any one of the following methods can be used: 1. Provide for the frequency to start slow and then speed up. As long as the rotating field does not get too far ahead of the rotor, the rotor will continue to be tugged in one direction. The problem is that it takes extra electronics to provide the variable frequency. However, the advantage of this system is that if you can control the frequency, you can control the speed. This approach is being used more and more, with the continuing advancement of high-power solid-state electronics. 2. Use another motor (called a pony motor) to bring the synchronous motor up to speed. This approach has the obvious drawback of requiring significant additional hardware. 3. Insert some squirrel cage rotor bars (as used in induction motors) in the rotor of the synchronous motor. This allows the motor to get started as if it were an induction motor. 4. Use hysteresis-synchronous motors (covered later in this chapter).