Controle para Automação Seminário: Atuadores Alunos: Luis Filipe

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.

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 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.

Motores de Corrente Contínua Atuadores Elétricos Motores de Corrente Contínua

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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

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.

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

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.

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.

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

Motores de Corrente Alternada Atuadores Elétricos Motores de Corrente Alternada

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.

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

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

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.

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

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

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

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.

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.

Atuadores Elétricos Motores de Passo

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

Atuadores Elétricos Motores de passo – íma permanente:

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

Single step (ou bidirecional): Atuadores Elétricos 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 Elétricos Motores de passo – íma permanente: Exemplo de modo de excitação bipolar:

Atuadores Elétricos Motores de passo – relutância variável:

Atuadores Elétricos Motores de passo – relutância variável:

Motores de passo – relutância variável: Atuadores Elétricos 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 Elétricos Motores de passo – híbrido:

Atuadores Hidráulicos

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

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

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

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

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

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

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

Atuadores Pneumáticos

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

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

Bibliografia Prof. Reinaldo Bianchi Centro Universitário da FEI 2007 [PDF - Engineering - ENG] Modern Control Technology--Components & Systems Apostilas de conversão eletromecanica de energia Engineer Manual - Process Industrial Instruments and Control Handbook Engenharia de Automação Industrial Cícero Couto de Moraes Plínio de Lauro Castrucci