Controle para Automação Seminário: Atuadores

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.

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.

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

Atuadores Primários Atuadores Primários

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)

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.

Atuadores Primários Motores Elétricos: O motor elétrico, que converte energia elétrica em movimentação rotacional, é, de longe, o atuador primário mais conhecido e utilizado.

Atuadores Primários Funcionamento do motor dc simples. Fig 2. – Estrutura do motor dc 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.

Atuadores Primários 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.

Atuadores Primários 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.

Atuadores Primários Principais Equações de Construção. FEM: EMF = KE Φ V (eq. 2) FEM = Tensão gerada pela rotação do motor. KE = Constante baseada na construção do motor Φ = Fluxo magnético V = Velocidade do motor Tensão sobre a Armadura:: VA = Vln - EMF (eq. 3) VA = Tensão sobre a armadura. Vln = Tensão de linha fornecida ao motor. FCEM = Força Contra-Eletromotriz.

Atuadores Primários Principais Equações de Construção. Corrente de Armadura: Vln - FCEM IA = (eq. 1) RA IA = Corrente de armadura Vln = Tensão de linha fornecida ao motor. RA = Resistência de armadura FCEM = Força Contra-Eletromotriz. 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 e, 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.

Subdivisão dos Motores Elétricos: Atuadores Primários Subdivisão dos Motores Elétricos: Motores de Excitação de Campo Motores a Imã-Permanente Motores Brushless (sem escovas)

Atuadores Primários Motores de Excitação de Campo. Os motores de excitação de campo, são divididos em Excitação em série, Excitação shunt, e Excitação Composta. Neles o campo magnético é gerado por uma excitação de campo.

Atuadores Primários Motores de Excitação de Campo.

Atuadores Primários Motores de Excitação de Campo.

Atuadores Primários Motores de Excitação de Campo.

Atuadores Primários Motores a Imã-Permanente.

Atuadores Primários Motores de passo: Tipo específico de motor DC que gira em quantidades discretas de passos com número de graus definidos; Pode-se saber a posição exata do motor sem o auxílio de sensores (basta contar os passos), e não há erro acumulativo.

Motores de passo - tipos: Atuadores Primários Motores de passo - tipos: Ímã-permanente; Relutância variável; Híbrido.

Atuadores Primários Motores de passo – íma permanente:

Motores de passo – íma permanente: Atuadores Primários Motores de passo – íma permanente: Stalling – efeito da carga sobre o motor de passo com ímã permanente.

Single step (ou bidirecional): Atuadores Primários Motores de passo – íma permanente: Modos de operação: Single step (ou bidirecional): Há tempo do rotor parar antes de avançar para o próximo passo. Permite precisa, e é possível parar e mudar o sentido imediatamente Slew mode: O movimento é mais contínuo, semelhante a motores DC. Entretanto, perde um pouco a precisão e habilidade de mudar o sentido

Motores de passo – íma permanente: Atuadores Primários Motores de passo – íma permanente: Exemplo de modo de excitação bipolar:

Atuadores Primários Motores de passo – relutância variável:

Atuadores Primários Motores de passo – relutância variável:

Motores de passo – relutância variável: Atuadores Primários Motores de passo – relutância variável: O valor em graus do passo é dado pela diferença entre os ângulos do estator e os ângulos do rotor; Devido a isso, o ângulo do passo pode ser até menor que 1°; Pelo fato do rotor não ser energizado, o torque deste motor de passo é menor.

Atuadores Primários Motores de passo – híbrido:

Atuadores hidráulicos: Atuadores Primários Atuadores hidráulicos: São compostos por sistemas hidráulicos, onde é utilizado um fluido (normalmente óleos) para transferir energia para pistões, fazendo-os executar um movimento específico.

Atuadores hidráulicos - características: Atuadores Primários Atuadores hidráulicos - características: Fluido utilizado é incompressível; Seguem o Princípio de Pascal: um fluido sob pressão hidrostática exerce a mesma pressão uniformemente nas paredes do recipiente que o contém

Atuadores hidráulicos - características: Atuadores Primários Atuadores hidráulicos - características: Isso propicia a transferência de força diferenciada, analogamente às engrenagens.

Atuadores hidráulicos – elementos: Atuadores Primários Atuadores hidráulicos – elementos: Bombas: fornecem a pressão hidrostática para que os atuadores executem os movimentos. Bomba de engrenagens Bomba de palhetas

Atuadores hidráulicos – elementos: Atuadores Primários Atuadores hidráulicos – elementos: Atuadores: convertem a energia transmitida pelo fluido em movimento. Pistão hidráulico Motor hidráulico

Atuadores hidráulicos – elementos: Atuadores Primários Atuadores hidráulicos – elementos: Válvulas de controle de pressão: permitem o funcionamento contínuo da bomba e impede que o sistema atinja pressões muito altas.

Atuadores hidráulicos – elementos: Atuadores Primários Atuadores hidráulicos – elementos: Acumuladores: atuam como filtros passa-baixa para variações de pressão e fornecem vazão extra.

Atuadores hidráulicos – elementos: Atuadores Primários Atuadores hidráulicos – elementos: Válvulas direcionais: controle de fluxo para movimenta o pistão em sentidos diferentes. Válvula no centro

Atuadores hidráulicos – elementos: Atuadores Primários Atuadores hidráulicos – elementos: Válvulas direcionais Válvula favorecendo movimento do pistão para a esquerda Válvula favorecendo movimento do pistão para a direita

Atuadores hidráulicos – exemplo: Atuadores Primários Atuadores hidráulicos – exemplo: Diagrama de um exemplo de um atuador hidráulico completo.

Atuadores pneumáticos: Atuadores Primários Atuadores pneumáticos: São compostos por sistemas pneumáticos, onde é utilizado um gás (normalmente o ar) para transferir energia para pistões, fazendo-os executar um movimento específico, analogamente aos atuadores hidráulicos.

Atuadores pneumáticos - desvantagens: Atuadores Primários Atuadores pneumáticos - desvantagens: Os atuadores pneumáticos possuem as seguintes desvantagens com relação aos hidráulicos: Não são incompressíveis; Não são apropriados para trabalhos nos quais é necessário precisão na movimentação do atuador.

Atuadores pneumáticos - vantagens: Atuadores Primários Atuadores pneumáticos - vantagens: Os atuadores pneumáticos possuem as seguintes vantagens com relação aos hidráulicos: Não há necessidade de retorno para tanques; Se houver vazamentos, não há sujeira.

Exemplo de compressor tipo pistão, um dos mais utilizados Atuadores Primários Atuadores pneumáticos - elementos: Compressor: é o equivalente das bombas para sistemas pneumáticos. Exemplo de compressor tipo pistão, um dos mais utilizados

Atuadores pneumáticos - elementos: Atuadores Primários Atuadores pneumáticos - elementos: Filtro: retira partículas que podem danificar o sistema; Secador: retira a umidade excessiva do ar; Tanque receptor: recebe o ar do compressor, atuando como uma fonte de alta pressão.

Exemplo de regulador pneumático de pressão Atuadores Primários Atuadores pneumáticos - elementos: Os sistemas pneumáticos também possuem válvulas de controle de fluxo e reguladoras de pressão, que atuam de forma análoga aos sistemas hidráulicos. Exemplo de regulador pneumático de pressão

Motor pneumático de palhetas Atuadores Primários Atuadores pneumáticos - elementos: Atuadores pneumáticos: Pistão de dupla-ação Motor pneumático de palhetas Pistão de ação simples