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 Atuadores Primários Atuadores Primários

6 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)

7 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.

8 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.

9 Motores de Corrente Contínua
Atuadores Elétricos Motores de Corrente Contínua

10 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.

11 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.

12 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.

13 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.

14 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.

15 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).

16 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.

17 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.

18 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.

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

20 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.

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

22 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.

23 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.

24 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

25 Motores de Corrente Alternada
Atuadores Elétricos Motores de Corrente Alternada

26 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.

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

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

29 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.

30 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

31 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

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

33 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.

34 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.

35 Atuadores Elétricos Motores de Passo

36 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.

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

38 Atuadores Elétricos Motores de passo – íma permanente:

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

40 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

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

42 Atuadores Elétricos Motores de passo – relutância variável:

43 Atuadores Elétricos Motores de passo – relutância variável:

44 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.

45 Atuadores Elétricos Motores de passo – híbrido:

46 Atuadores Hidráulicos

47 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.

48 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

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

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

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

52 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.

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

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

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

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

57 Atuadores Pneumáticos

58 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.

59 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.

60 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.

61 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

62 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.

63 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

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

65 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