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Seminário : Atuadores

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Controle para Automação. Seminário : Atuadores. Alunos : Luis Filipe. 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:.

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Presentation Transcript
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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:

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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)
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Introdução

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

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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.

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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.
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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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AtuadoresElétricos

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

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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.

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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.

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AtuadoresElétricos

  • Motor Compostos.

Fig 8. – Circuito equivalente de um motor composto.

Fig 9. – Curva de velocidade-torque para o motor shunt.

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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.

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AtuadoresElétricos

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

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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.
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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

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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.

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AtuadoresElétricos

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

  • Motores de Indução:

Fig 13. – Componentes do motor de indução

Fig 14. – Motor de indução montado

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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.

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AtuadoresElétricos

  • Motores de Indução:

Fig 15. – Onda c.a. de 2-fases gerando um campo magnético rotativo

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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

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AtuadoresElétricos

  • Motores de Indução:
  • Velocidade [rpm]:

Aonde,

Ss = velocidade síncrona [rpm]

f = frequencia da linha AC

P = número de pólos

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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.
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AtuadoresElétricos

  • Motores Síncronos:

Fig 17. – Rotor de um motor síncrono, mostrando os anéis deslizantes.

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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.
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AtuadoresElétricos

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

  • Motores de passo – íma permanente:
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AtuadoresElétricos

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

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AtuadoresElétricos

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

  • Motores de passo – relutância variável:
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AtuadoresElétricos

  • Motores de passo – relutância variável:
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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.
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AtuadoresElétricos

  • Motores de passo – híbrido:
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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.

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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
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AtuadoresHidráulicos

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

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

Bomba de engrenagens

Bomba de

palhetas

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AtuadoresHidráulicos

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

Pistão hidráulico

Motor hidráulico

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AtuadoresHidráulicos

  • Atuadores hidráulicos – elementos:
  • Válvulas de controle de pressão: permitem o funcionamento contínuo da bomba e impede que o sistema atinja pressões muito altas.
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AtuadoresHidráulicos

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

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

Válvula no centro

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AtuadoresHidráulicos

  • Atuadores hidráulicos – elementos:
  • Válvulas direcionais

Válvula favorecendo movimento

do pistão para a esquerda

Válvula favorecendo movimento

do pistão para a direita

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AtuadoresHidráulicos

  • Atuadores hidráulicos – exemplo:
  • Diagrama de um exemplo de um atuador

hidráulico completo.

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AtuadoresPneumáticos

  • 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.

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AtuadoresPneumáticos

  • 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.

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AtuadoresPneumáticos

  • 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.
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AtuadoresPneumáticos

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

Exemplo de compressor tipo pistão, um dos mais utilizados

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AtuadoresPneumáticos

  • 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.
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AtuadoresPneumáticos

  • 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

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AtuadoresPneumáticos

  • Atuadores pneumáticos - elementos:
  • Atuadores pneumáticos:

Pistão de dupla-ação

Motor pneumático de palhetas

Pistão de ação simples

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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