Seminário : Atuadores

1. ControleparaAutomação Seminário:Atuadores Alunos: Luis Filipe

2. Introdução • 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. Definição:

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

4. Introdução • Podemos, então, classificar os atuadores de acordo com sua função no sistema principal: • Atuadores Primários • Atuadores Secundários • Atuadores de Ativação

5. AtuadoresPrimários AtuadoresPrimários

6. AtuadoresPrimários 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. AtuadoresPrimários • 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. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos Motores de CorrenteContínua

10. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • Subdivisão dos Motores c.c.: • Motores de Excitação de Campo; • Motores a Imã-Permanente; • Motores Brushless (sem escovas).

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

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

22. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos Motores de CorrenteAlternada

26. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • Os principais tipos de motores c.a. são: • Motores de Corrente Alternada: • Motores de Indução; • Motores Síncronos.

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

29. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • Motores de Indução: Fig 15. – Onda c.a. de 2-fases gerando um campo magnético rotativo

31. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • Motores de Indução: • Velocidade [rpm]: Aonde, Ss = velocidade síncrona [rpm] f = frequencia da linha AC P = número de pólos

33. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • Motores Síncronos: Fig 17. – Rotor de um motor síncrono, mostrando os anéis deslizantes.

35. AtuadoresElétricos Motores de Passo

36. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • Motores de passo - tipos: • Ímã-permanente; • Relutância variável; • Híbrido.

38. AtuadoresElétricos • Motores de passo – íma permanente:

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

40. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • Motores de passo – íma permanente: • Exemplo de modo de excitação bipolar:

42. AtuadoresElétricos • Motores de passo – relutância variável:

43. AtuadoresElétricos • Motores de passo – relutância variável:

44. AtuadoresElétricos • 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. AtuadoresElétricos • Motores de passo – híbrido:

46. AtuadoresHidráulicos AtuadoresHidráulicos

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

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