Seminário:

Atuadores

Controle para Automação

• 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

Definição:

• Atuadores são utilizados para executar instruções vindas de um sistema de controle (CLP, FPGA, Microcontrolador, Computador, entre outros)

Introdução

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.

• Podemos, então, classificar os atuadores de acordo com sua função no sistema principal:

Introdução

Atuadores Primários

Atuadores

Secundários

Atuadores de Ativação

Controle para Automação

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)

• Dessa forma, podemos classificar os atuadores primários de acordo com sua fonte de energia de ativação:

Atuadores Elétricos

Atuadores Hidráulicos

Atuadores

Pneumáticos

Atuadores Primários

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

Torque:

Principais Equações de Construção.

T = KT IAΦ (eq. 1)

T = Torque do motorKT = Constante, baseada nas caract. de construção do motorIA = Corrente de ArmaduraΦ = Fluxo magnético

* Verifica-se que o torque é proporcional a corrente de armadura.

Atuadores Primários

FEM:

Principais Equações de Construção.

EMF = KE Φ V (eq. 2)

FEM = Tensão gerada pela rotação do motor.KE = Constante baseada na construção do motorΦ = Fluxo magnéticoV = 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

Corrente de Armadura:

Principais Equações de Construção.

IA = (eq. 1)

IA = Corrente de armaduraVln = Tensão de linha fornecida ao motor.RA = Resistência de armaduraFCEM = 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.

Vln - FCEMRA

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.

Atuadores Primários

• Motores de passo - tipos:

Ímã-permanente;

Relutância variável;

Híbrido.

Atuadores Primários

• Motores de passo – íma permanente:

Atuadores Primários

• Motores de passo – íma permanente:

Stalling – efeito da carga sobre o motor de passo com ímã permanente.

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

habilidadede mudar o sentido

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:

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 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 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 Primários

• Atuadores hidráulicos - características:

Isso propicia a transferência de força diferenciada, analogamente às engrenagens.

Atuadores Primários

• Atuadores hidráulicos – elementos: Bombas: fornecem a pressão hidrostática para que os atuadores executem os movimentos.

Bomba de engrenagens

Bomba depalhetas

Atuadores Primários

• Atuadores hidráulicos – elementos: Atuadores: convertem a energia transmitida pelo fluido em movimento.

Pistão hidráulico Motor hidráulico

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 Primários

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

Atuadores Primários

• Atuadores hidráulicos – elementos: Válvulas direcionais: controle de fluxo para movimenta o pistão em sentidos diferentes.

Válvula no centro

Atuadores Primários

• Atuadores hidráulicos – elementos: Válvulas direcionais

Válvula favorecendo movimento

do pistão para a esquerda

Válvula favorecendo movimento

do pistão para a direita

Atuadores Primários

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

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 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 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.

Atuadores Primários

• Atuadores pneumáticos - elementos: Compressor: é o equivalente das bombas

para sistemas pneumáticos.

Exemplo de compressor tipo pistão, um dos mais utilizados

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.

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

Atuadores Primários

• Atuadores pneumáticos - elementos: Atuadores pneumáticos:

Pistão de dupla-ação

Pistão de ação simples

Motor pneumático de palhetas