Acionamentos Eltricos Curso de Automao em Hidrulica e Pneumtica Introduo ao acionamento eltrico. Componentes para acionamento eltrico. Mquinas eltricas girantes (motores). Conceitos eletromecnicos. 1. Introduo para a Automao com acionamento eltrico. Definio geral: Acionamento eltrico um sistema industrial para realizar a converso de energia eltrica para energia mecnica (movimento) permitindo executar diferentes processos industriais, tais como: produes contnuas, transportao de pessoas ou alimentos, aplicaes domsticas, bombas, compressores de ar, acionamento de discos nos computadores, movimentao de robs, trabalho de aparelhos de som ou vdeo, etc. 1.1. Acionamento eltrico na automao industrial moderna O grande desenvolvimento dos sistemas eletrnicos, microeletrnicos e nanotecnolgicos aplicados na automao industrial permitem desenvolver sistemas de controle para aplicaes de acionamento eltrico industrial em todos os campos da industria moderna. Na seguinte figura so apresentados diferentes tipos de aplicaes industriais distribudas de acordo a seu consumo de potncia (eixo y) e seu incremento de funcionalidade (maior espectro de velocidades, maior rapidez e preciso na resposta de posio e velocidade)

Fig. 1. Campos de aplicao do acionamento eltrico. [Boldea-Nassar]

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Na figura d para compreender de que as bombas, ventiladores e transportadores no precisam de um alto grau de funcionalidade como se precisam os robs e mquinas ferramentas. Alem disso os acionamentos de mquinas empacotadoras, ou da industria txtil tem um nvel meio de funcionalidade, mas um nvel muito mais baixo de consumo de potencia que na industria metalrgica, gruas ou que na indstria produtora de cimento. No entanto todos eles mantm o nvel intermdio em preciso e rapidez entre as bombas e ventiladores e os robs e CNCs. As mquinas e processos industriais so construdos para cumprir objetivos de produo de peas, embalagem de produtos, preparao de alimentos, etc, onde so requeridos movimentos lineares ou rotativos que podem ser desenvolvidos com atuadores eltricos em igualdade competitiva com atuadores pneumticos e hidrulicos. A seleo de uma delas depende de vrios aspectos como custo, condies ambientais, mantenabilidade, confiabilidade e fora e velocidade requeridos. A seguinte figura apresenta os domnios de utilizao de sistemas hidrulicos (H), conjunto motor-eltrico-fuso (M), pneumtica (P), e motor de passo (S), em funo dos dois ltimos aspectos.

Fig. 2. Seleo de atuadores em funo da fora e velocidade requeridos para uma dada aplicao. [2] Nesta figura d para entender que os acionamentos eltricos so, maiormente utilizado para aplicaes de velocidades pequenas e meias, s superados em fora pelos sistemas hidrulicos e em velocidade pelos pneumticos. So apresentados dois tipos principais de acionamentos eltricos segundo se requer ou no o controle da velocidade nas seguintes figuras. Os acionamentos eltricos de velocidade constante constituem hoje o 75 ou 80% de todos os acionamentos eltricos. Em eles o motor eltrico (maiormente CA) com seu acoplamento e carga mecnica (Processo), so 2

controlados por sistemas eletromecnicos ou eletrnicos de Start/Stop (Partida/Parada) y protees eltricas.

Acionamento eltrico de velocidade constante. [Boldea-Nassar]. Quando os sistemas de acionamento eltrico precisam de controle de velocidade os circuitos de controle incrementam sua complexidade e se diferenciam para atingir motores de corrente direta ou alterna. Os acionamentos de CA precisam de conversores eletrnicos de potencia (PEC) para produzir uma converso de energia a traves de um sistema eletromecnico de controle de movimento com preciso, rapidez e robustez. Muitos exemplos disto esto nos robs, mquinas ferramentas, acionamentos de discos em computadores, mdios de transporte, etc.

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Acionamento eltrico de velocidade varivel. [Boldea-Nassar] Anterior aos anos 80 no teriam desenvolvido sistemas para controle de motores de AC, por enquanto o uso de eles foi muito pequeno no acionamento, porem depois do desenvolvimento dos diferentes PEC (Power Electrical Controller) isto se foi incrementando. A utilizao de acionamentos com motores DC ou AC tem o seguinte comportamento nos ltimos anos:

Aplicao de acionamento eltrico AC e DC nos ltimos anos. [Boldea-Nassar] Os motores eltricos de qualquer tipo esto formados por duas partes principais: 1. Estator: Parte fixa. O estator o conjunto de elementos fixados carcaa da mquina.

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2. Rotor: Parte mvel. O rotor o conjunto de elementos fixados em torno do eixo de rotao, internamente ao estator.

Representao esquemtica de um motor de CD [Gauze Bonacorso Valdir Noll] A figura anterior mostra esquematicamente a representao de um motor de corrente contnua. O estator, neste caso, formado pelas bobinas de campo e pelas escovas, enquanto que o rotor constitudo pelas bobinas da armadura e pelo comutador. O princpio de funcionamento deste motor baseia-se na ao de foras magnticas sobre o rotor, geradas pela interao do campo magntico do estator com o do rotor. As aplicaes de acionamento eltrico podem precisar de movimento direto e inverso com rpida transformao de um para o outro. Neste caso considerada a operao multiquadrante dos motores porque mudam os signos dos parmetros principais do motor. O torque oposto ao movimento nos processos de transformao de um para outro (regenerative braking). Alm disso, o fluxo de potencia eltrica do PEC (conversor de potencia eltrica) ao motor inverso (negativo) nestes processos de transformao.

Tabela de operao multi-quadrante. [Boldea-Nassar]

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Diagrama de operao multiquadrante [Boldea-Nassar]. Nota: braking = freado Os PEC (controladores eletrnicos de potencia) tem que ser desenvolvidos para trabalhar com fluxo de potencia bidirecional. Nos processos de freado a potencia gerada tem que ser dissipada em potentes filtros capacitivos, resistncia de freado ou outros mtodos. As reas tpicas de mais amplia aplicao industrial dos acionamentos eltricos so: 1. Sistemas de bombas (bombas dinmicas ou turbobombas, bombas de deslocamento positivo ou volumtricas). 2. Ventiladores. 3. Sistemas de refrigerao e ar condicionado. 4. Torno de superfcie/ Laminador desfolhador 5. Sistemas de transporte. 6. Misturadores 7. Sistemas de elevao 8. Bobinadores/Desbobinadores 9. Fresadoras 10. Sistemas de dosagem 11. Centrfugas 12. Moinhos a tambor.

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Por enquanto, de acordo com a importncia e complexidade destes sistemas e bom lembrar alguns conceitos gerais de eletromagnetismo. 1.2. Princpios fsicos bsicos do acionamento eltrico para automao As mquinas eltricas giram acima de um eixo chamado eixo da mquina. Pela natureza rotatria delas importante ter conhecimentos bsicos do movimento rotatrio em campos magnticos. Em geral se precisa de um vetor tridimensional para descrever a rotao de um objeto no espao. Neste caso, as mquinas eltricas giram acima de um eixo fixo, por enquanto sua rotao fica s restrita a uma dimenso angular e os conceitos analisados se reduzem a grandezas escalares. O sentido horrio de rotao considerado positivo e em sentido contrario negativo. Conceitos gerais de Mquinas Eltricas: Posio angular (radiais ou graus): ngulo em que situamos um objeto a partir de uma referencia arbitraria. Velocidade Angular (radiais por segundo ou revolues por segundo): Relao de variao da posio angular com respeito ao tempo. Positiva contraria do movimento horrio. Acelerao angular: (radiais por segundo quadrado) Relao de mudana na velocidade angular no tempo. Positiva se a velocidade angular incrementa-se no sentido algbrico. Conjugado ou Par (newton/metro ou libra/pie): a fora de toro (fora aplicada ao objeto de forma que sua linha de ao fique ao lado do eixo de rotao) aplicada no objeto. Depende da fora e da distancia da linha de ao ao eixo de rotao, por enquanto define-se como o produto da fora aplicada e a distancia mnima da linha de ao ao eixo de rotao. Lei de rotao de Newton: relao entre o conjugado aplicado acima de um objeto e sua acelerao angular resultante: T=Ja J momento de inrcia (Kg/m2 slug/pie2) Trabalho (Joule ou libra/pie) Aplicao de um conjugado atravs de um ngulo. Campo magntico o mecanismo fundamental no funcionamento das mquinas eltricas. Apresentam-se quatro princpios bsicos em sua utilizao: 1. Um condutor que conduze corrente produza um campo magntico em seu ao redor. 2. Um campo magntico varivel no tempo induza uma voltagem em uma bobina de fio se passa atravs dela. (principio do transformador). 3. Um condutor que conduze corrente na presencia de um campo magntico experimenta uma fora induzida nele. (principio do motor) 4. Um condutor eltrico que se mova na presencia de um campo magntico ter uma voltagem induzida nele (principio do gerador). Circuito magntico similar ao circuito eltrico s que a corrente o fluxo magntico. Por enquanto da mesma forma que a voltagem aplicada num circuito eltrico cria um fluxo de corrente, num circuito magntico a fora magneto-motriz aplicada cria um fluxo. Similar a lei de ohm a relao entre elas fica definida pela relutncia (amperes volta x weber). Permencia o inverso da relutncia, por enquanto similar a condutncia.

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Com estes conceitos j tem uma idia geral dos princpios bsicos dos motores eltricos, por enquanto, da para estudar a estrutura geral de um acionamento eltrico. 1.3. Estrutura global dos sistemas de automao com acionamento eltrico Um sistema de acionamento eltrico pode ser dividido em vrios nveis: 1.- Nvel de atuao: Inclui duas partes: Dispositivos de atuao: Inclui os atuadores, tais como as esteiras, braos mecnicos, e outros elementos da maquinaria industrial que realizam os movimentos requeridos no processo. Constitui a carga dos motores eltricos (Load Machine) Elementos finais de controle: conformados pelos diferentes tipos de motores eltricos (de Cd, de induo de passos, etc) diretamente ligados ao atuador. (Electric motors) 2.- Nvel de Elementos de processamento de sinais: Inclui duas partes que conformam o controlador de acionamento: controle eltrico e controle de movimento. 3.- Nvel de elementos de entrada: So sensores do circuito formados por os comandos de movimento (chaves, fins-de-curso, botoeiras, sensores de proximidade, etc) e os comandos de potencia (interruptores, protees eltricas, etc). 4.- Nvel da fonte de energia eltrica: Inclui a fonte de potencia eltrica e os sensores eltricos que enviam dados para o controle eltrico.

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Topologia bsica geral dos acionamentos eltricos. [Boldea-Nassar]. Para simplificar poderamos agrupar em dois domnios tecnolgicos distintos: 1.- rea de potencia eltrica. 2.- Circuitos de controle. 1.3.1 rea de potencia eltrica. Inclui as conexes de alimentao dos atuadores eltricos da corrente trifsica, ou monofsica alternada ou de corrente direta segundo seja o tipo de motor utilizado. Por enquanto sero estudados depois de conhecer os tipos de motores. 1.3.2. Circuitos de controle: Atuadores eltricos: motores eltricos de CD, CA, motores de passos e servomotores.MQUINAS ELTRICAS GIRANTES 1.- MOTOR AC SNCRONO Os motores sncronos so motores de velocidade constante e proporcional com a freqncia da rede. Os plos do rotor seguem o campo girante imposto ao estator pela rede de alimentao trifsica. Assim, a velocidade do motor a mesma do campo girante.

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Basicamente, o motor sncrono composto de um enrolamento estatrico trifsico,que produz o que se designa de campo girante, e de um rotor bobinado (de plos salientes ou de plos lisos) que excitado por uma tenso CC. Esta tenso CC de excitao gera um campo estacionrio no rotor que interagindo com o campo girante produzido pelo enrolamento estatrico, produz torque no eixo do motor com uma rotao igual ao prprio campo girante. Este tipo de motor tem a sua aplicao restrita a acionamentos especiais, que requerem velocidades invariveis em funo da carga (at o limite mximo de torque do motor). A sua utilizao com conversores de freqncia pode ser recomendada quando se necessita uma variao de velocidade aliada a uma preciso de velocidade mais apurada. 2.- MOTOR AC ASSNCRONO (De Induo) Os motores assncronos ou de induo, por serem robustos e mais baratos, so os motores mais largamente empregados na indstria. Nestes motores, o campo girante tem a velocidade sncrona, como nas mquinas sncronas. So desenvolvidos para trabalhar com corrente alternada monofsica (maior utilizao domstica) ou trifsica (maior utilizao industrial).

Motor de induo monofsico [Gauze Bonacorso Valdir Noll] Teoricamente, para o motor girando em vazio e sem perdas, o rotor teria tambm a velocidade sncrona. Entretanto ao ser aplicado o conjugado externo ao motor, o seu rotor diminuir a velocidade na justa proporo necessria para que a corrente induzida pela diferena de rotao entre o campo girante (sncrono) e o rotor, passe a produzir um conjugado eletromagntico igual e oposto ao conjugado externamente aplicado. Basicamente os motores assncronos se subdividem em dois tipos principais, os quais so: ROTOR GAIOLA Os motores deste tipo tambm so comumente chamados de motores de GAIOLA DE ESQUILO, pois seu enrolamento rotrico tem a caracterstica de ser curto-circuitado, assemelhando-se a tal. ROTOR BOBINADO (DE ANIS) O motor de anis possui a mesma caracterstica construtiva do motor de induo com relao ao estator, mas o seu rotor bobinado com um enrolamento trifsico, acessvel atravs de trs anis com escovas coletoras no eixo.

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3.- MOTOR DE CORRENTE CONTNUA As mquinas de corrente contnua, em funo do seu princpio de funcionamento, permitem variar a velocidade de zero at a velocidade nominal aliada com a possibilidade de se ter conjugado constante. Esta caracterstica de fundamental importncia, pois dessa forma torna-se possvel fazer o acionamento em vrias aplicaes que exigem ampla faixa de variao de velocidade com uma tima regulao e preciso de velocidade. Sendo um sistema especfico e direcionado a aplicaes dedicadas, os motores de corrente contnua so dimensionados de forma a ter as suas caractersticas definidas especialmente ao acionamento, vindo com isto a acarretar em uma elevao dos custos de produo e ser considerado como uma mquina diferenciada, onde na maior parte das situaes produzida sob encomenda.

4.- MOTOR DE PASSOS: O motor de passo constitudo por um rotor magntico (im permanente ou imantado) e um estator formado por conjuntos de bobinas denominadas fases. Os motores de passo mais comuns possuem quatro fases e seis terminais acessveis. A figura seguinte apresenta este tipo de motor juntamente com o circuito simplificado de acionamento.

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Motor de passos [Gauze Bonacorso Valdir Noll]Cada fase energizada quando a sua respectiva chave fechada. A figura mostra a seqncia de comandos do motor de passo para os dois sentidos de rotao. Se o motor permanecer num determinado passo, o rotor fica travado devido fora eletromagntica entre o rotor e o estator. Para liberar o rotor, ou seja, deix-lo em movimento livre, basta abrir todas as chaves do circuito de comando. A cada passo executado, o eixo do motor realiza um determinado deslocamento angular. Este deslocamento conhecido como ngulo de passo, sendo repetido precisamente em cada passo. Podemos, ainda, comandar um mesmo motor de passo de forma diferente, tal que produza um deslocamento angular de meio passo a cada passo.5.- SERVOMOTOR ELTRICO: O servomotor uma mquina sncrona composta por uma parte fixa (o estator) e outra mvel (o rotor) - at ento nenhuma novidade. O estator bobinado como no motor eltrico convencional, porm, apesar de utilizar alimentao trifsica, no pode ser ligado diretamente rede, pois utiliza uma bobinagem especialmente confeccionada para proporcionar alta dinmica ao sistema. O rotor composto por ms permanentes dispostos linearmente e um gerador de sinais (resolver) instalado para fornecer sinais de velocidade e posio. Caractersticas de um servomotor:

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De um servomotor so exigidos, entre outros, dinmica, controle de rotao, torque constante e preciso de posicionamento. As caractersticas mais desejadas nos servomotores so o torque constante em larga faixa de rotao (at 4.500 rpm), uma larga faixa de controle da rotao e variao (at 1:3000) e alta capacidade de sobrecarga (3 x Mo). Estas caractersticas so facilmente obtidas atravs do modo de controle CFC (Current Flux Control), especialmente desenvolvido para a otimizao de servomotores nos servoconversores da linha MOVIDRIVE, MOVIDRIVE compact e MOVIDYN

Circuitos de partida/parada e controle de velocidade: Eles desenvolvem o controle do funcionamento eficiente dos atuadores eltricos. Sero estudados depois de lembrar alguns conceitos importantes de eletrnica de potencia nas prximas aulas. Elementos de Comando: So os sistemas que controlam a movimentao dos atuadores eltricos. Elas so elementos de comando para desenvolver o controle de partida, parada, direo ou regulagem. Incluem chaves fins de cursos, sensores magnticos, indutivos, capacitivos, pticos, interruptores e reles auxiliares e outros equipamentos eltricos que sero estudados mais para frente.

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