3. Acionamentos
3
SUMÁRIO
1. transformadores.............................................................................................................4
AUTO-TRANSFORMADOR............................................................................................10
Leis de Movimento...........................................................................................................17
Constituição de um Motor de Corrente Contínua............................................................19
Tipos de motores de corrente continua...........................................................................21
Princípio de funcionamento.............................................................................................23
Quadro comparativo de motores de corrente contínua...................................................23
Avarias típicas de um motor de Corrente Contínua........................................................25
Manutenção.....................................................................................................................27
TIPOS DE MOTOR DE PASSO......................................................................................28
CONTROLE LÓGICO DE UM MOTOR DE PASSO.......................................................31
CONTATOR.....................................................................................................................38
Relé Bimetálico ...............................................................................................................40
Prática .............................................................................................................................42
CARGA TRIFÁSICA EM ESTRELA E TRIÂNGULO.......................................................44
MOTOR MONOFÁSICO..................................................................................................47
LIGAÇÃO SUBSEQUENTE AUTOMÁTICA DE MOTORES...........................................52
INVERSÃO DO SENTIDO DE ROTACÃO......................................................................54
LIGAÇÃO DE UM MOTOR TRIFÁSICO EM ESTRELA E TRIÂNGULO........................56
COMANDO AUTOMÁTICO PARA COMPENSADOR.....................................................64
COMANDO AUTOMÁTICO ESTRELA – TRIÂNGULO COM REVERSÃO....................65
COMANDO AUTOMÁTICO PARA DUAS VELOCIDADES COM REVERSÃO..............67
INVERSORES DE FREQÜÊNCIA..................................................................................67
I . Introdução....................................................................................................................73
SOCIESC
4. Acionamentos
4
1. TRANSFORMADORES
1.1 -
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Vimos anteriormente que a indução corresponde a geração de uma corrente elétrica a
partir do deslocamento de um campo magnético próximo a um condutor, ou vice-versa.
Figura 1.
Quando tem-se uma corrente elétrica circulando em uma bobina, um campo
magnétrico é gerado. Se a corrente elétrica for variável o campo magnético também
será variável. Sendo assim, existe um movimento do campo magnético em relação ao
condutor. Este movimento relativo provocará a indução de uma tensão/corrente elétrica
na própria bobina, pois as linhas de força estão “cortando” as espiras da bobina . Esta
tensão/corrente é conhecida como força contra-eletromotriz (fcem).
A fcem é de polaridade oposta a corrente elétrica que a criou (corrente indutora). Se a
corrente indutora está surgindo, a fcem irá se opor a este surgimento. Se a corrente
indutora está desaparecendo, a fcem tentará mante-la.
Se próxima a esta bobina (primeira bobina ou bobina indutora) houver uma segunda
bobina, esta também será cortada pelas linhas de força. Em consequência surgirá
nesta segunda bobina uma tensão (figura 2 e 3). Esta tensão é conhecida por tensão
induzida, e seu valor depende de:
Intensidade da tensão aplicada na bobina indutorra;
Número de espiras da bobina indutora (primeira bobina);
Número de espiras da segunda bobina.
Fig.1 – Indução eletromagnética.
Fig. 2 – Campo magnético devido a uma
corrente elétrica.
SOCIESC
5. Acionamentos
5
Fig. 3 – Indução de uma tensão na bobina
secundária devido a estar próxima de uma
bobina indutora.
Um transformador consiste em duas (ou mais) bobinas enroladas sobre um núcleo de
material magnétrico ou, então, próximas de modo que as linhas de fluxo de uma bobina
(bobina indutora ou bobina primária) cortem as espiras de outra bobina (bobina
induzida ou bobina secundária). Figura 4.
Bobina do primário –
Bobina do secundário –
Núcleo Fig. 4 – Construção simplificada de um transformador.
1.2 - RELAÇÃO DE ESPIRAS
A bobina do transformador à qual se aplica a tensão de entrada é denominada
enrolamento primário. A passagem de corrente por ela estabelece um campo
magnético que induz a tensão na outra bobina (enrolamento secundário).
Como a grandeza da tensão induzida depende do número de espiras do secundário,
em relação ao número de espiras do primário, a relação de espiras é uma
característica importante do transformador. É definida como a relação entre o número
de espiras do primário e o número de espiras do secundário.
relação de espiras = Np / Ns
[1]
Sendo:
Np o número de espiras do primário;
Ns o número de espiras do secundário;
EXEMPLO 1:
Cosidere um transformador com 345 espiras na bobina primária e 45 espiras na
bobina secundária. Qual a relação de espiras deste transformador?
Sol.:
Transformadores
SOCIESC
elevadores – A bobina
secundária tem mais
Transformadores
rebaixadores – A bobina
secundária tem menos
6. Acionamentos
6
- Uma relação de 1:3, por exemplo, indica que o secundário tem três vezes mais
espiras do que o primário. - Uma relação de espiras de 20:1, por exemplo, indica que o
primário tem vinte vezes mais espiras do que o secundário.
1.3 - RELAÇÃO DE TENSÕES
Como a tensão induzida no secundário de um transformador pode ser maior ou
menor do que a tensão do primário, o transformador pode ser considerado como um
dispositivo
que
muda
a
tensão.
Um transformador usado para alimentar um anúncio de néon, por exemplo, produz
milhares de volts de saída, elevando a tensão da linha ( 115V C.A.).
Como o valor da tensão induzida numa bobina depende do número de espiras cortadas
pelo campo magnético, um enrolamento secundário com muitas espiras, terá nele
induzida uma tensão maior do que em secundário com menos espiras. Se por exemplo,
o campo magnético induz um décimo de volt para cada espira do secundário, um
secundário de 2.000 espiras terá uma tensão induzida de 200 volts; um secundário de
3.000 espiras terá uma tensão induzida de 300 volts. Matematicamente, a relação de
tensões do primário para o secundário, é igual à relação de espiras:
Ep
----- =
Es
Np
----Ns
Sendo:
Np e Ns os números de espiras do primário e do secundário;
Ep e Es respectivamente, nas tensões do primário e do secundário;
EXEMPLO 2:
Um transformador recebe em sua entrada uma tensão de 380 V e “entrega” em
sua saída uma tensão de 15 V. De quanto é a relação de tensão deste transdormador?
Sol.:
EXEMPLO 3:
Para o transformador do exemplo acima, considere que o enrolamento pimário
tem 500 espiras. Quantas espiras possuiu o enrolamento secundário?
Sol.:
SOCIESC
[2]
7. Acionamentos
1.4 -
7
POTÊNCIA DO TRANSFORMADOR
A potência que um transformador “entrega” em seu enrolamento secundário é a mesma
potência que é recebida em seu enrolamento primário.
Pp = P s
[3]
Onde: Pp - Potência
absorvida pelo primário;
Ps – Potência entregue
pelo secundário.
EXEMPLO 4:
Um transformador recebe em seu primário uma potência de 5000 W. Qual a
potência etregue no secundário
deste transformador?
Sol.:
EXEMPLO 5:
O transformador do exemplo 4 recebe em seu primário uma tensão de 13800 V.
A relação de espiras é de 1:36. Qual é a tensão no secundário destre trafo?
EXEMPLO 6:
Qual a máxima corrente que este transformador poderá fornecer no secundário?
Qual a corrente absorvida pelo primário?
Sol:
1.5 -
APARÊNCIA E SÍMBOLO DO TRANSFORMADOR
As figuras a seguir ilustram alguns tipos de transformadores utilizados em
eletroeletrônica.
SOCIESC
8. Acionamentos
8
Fig. 5 – Símbolo do trafo
No exemplo ilustrado na Fig.1, a tensão induzida no secundário pode ser determinada
da seguinte maneira:
115
----Es
115
----Es
Es =
115
-------
500
= ----1500
500
= ----1500
x
----500
1500
-------
=
345 volts
Conforme se vê pelo cálculo do secundário é três vezes maior do que a tensão do
primário o secundário tem três vezes mais espiras do que o primário. Na prática, a
tensão do secundário é ligeiramente menor do que o valor calculado. Se uma carga for
ligada ao secundário, a corrente que circula produz uma queda IR na resistência do
enrolamento secundário. Por conseguinte, a tensão do secundário diminui quando é
ligada uma carga. Num transformador bem projetado, contudo, essa diminuição é
desprezível. O projetista do transformador pode calcular essa perda e compensá-la por
um pequeno aumento de espiras do secundário.
SOCIESC
9. Acionamentos
9
Um transformador rebaixador. O secundário tem apenas um quarto do número de
espiras do primário. A tensão do secundário, consequentemente, será igual a um
quarto da tensão do primário.
Ep
----Es
50
----Es
Es =
50
-------
Np
= ----Ns
1000
= ----250
x
----1000
250
-------
=
12,5 volts
Relação de correntes:
Embora um transformador possa elevar a tensão, é óbvio que ele não fornece nada
sem compensação. A elevação de tensão é acompanhada de uma diminuição de
corrente. A corrente do secundário será determinada pela carga e a ele ligada, mas a
corrente do primário será maior do que a corrente do secundário, na mesma relação
em que a tensão do secundário for maior do que a tensão do primário. Se, por
exemplo, a tensão do secundário for quatro vezes maior do que a tensão do primário, a
corrente do primário será quatro vezes maior do que a corrente do secundário. Um
transformador que tem uma relação de tensões elevadora, terá uma relação de
corrente rebaixadora.
SOCIESC
10. Acionamentos
10
No exemplo ilustrado na figura 3A, a tensão do secundário é três vezes a tensão do
primário. Se uma carga ligada ao secundário drenar 20 miliampères de corrente, a
corrente do primário será de 60 miliampères. Na figura 3B a tensão do secundário será
um quarto da tensão do primário. Se a carga liga ao secundário drenar 200
miliampères, a corrente do primário será de um quarto deste valor, ou 50 miliampères.
Matematicamente, a relação de corrente é ligada à relação de espiras da seguinte
maneira:
Ip
----Is
Ns
= ----Np
Sendo:
Np e Ns os números de espiras do primário e do secundário respectivamente, Ip e Is as
correntes do primário e do secundário respectivamente.
Na prática, a corrente do primário é ligeiramente maior do que o valor calculado,
porque o primário drena uma corrente adicional para compensar as perdas no núcleo.
Por esse motivo, a potência de saída do secundário (ES multiplicado por IS) é sempre
menor do que a potência de entrada do primário (EP multiplicado por IP). A relação
entre a potência de saída e a potência de entrada é o rendimento do transformador,
geralmente expresso sob a forma de porcentagem.
Pot. de saída
Es x Is
% rendimento = -----------------------x 100 = -------------------------x 100
Pot. de entrada
Ep x Ip
Em transformadores de núcleo de ferro o rendimento geralmente é superior 90%.
AUTO-TRANSFORMADOR
Um autotransformador é um transformador que não dispõe de um enrolamento
secundário propriamente dito, mas que utiliza o enrolamento primário como secundário.
SOCIESC
11. Acionamentos
11
A figura nos mostra um esquema de um autotransformador. Consta de um bobinado
dos extremos A e D, no qual se fez uma derivação no ponto B.
Chamaremos de primário o bobinado AD e secundário à porção BD para os
autotransformadores elevadores de tensão, esta denominação ficaria ao contrário.
Podemos observar que o autotransformador intervém somente para modificar a tensão
de entrada e isto significa que conduzirá uma potência tanto mais reduzida quanto
menor for a diferença entre as tensões de entrada (Ee) e saída (Es).
Chamando Pu a potência útil na saída do autotransofrmador, a potência transformada
Pt será dada por uma das seguintes fórmulas, conforme o aparelho trabalhe como
elevador
ou
redutor
da
tensão:
Ee
Elevador: Pt = Pu ( 1 - ------ )
Es
Es
Redutor: Pt = Pu ( 1 - ------ )
Ee
Esta potência Pt é a que servirá de base para fixar a seção do circuito magnético.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Suponhamos um transformador monofásico normal, de dois enrolamentos e de relação
de transformação 2:1, como é o da figura,
Se unirmos eletricamente os bornes P e S, não haverá nenhum inconveniente porque
estão constantemente ao mesmo potencial. Ao longo do enrolamento primário,
encontraremos outro ponto cuja voltagem coincida com o borne S do enrolamento
secundário. Este ponto terá exatamente, desde P, o mesmo n° de espiras que o
enrolamento secundário, ou seja, a metade do primário, já que a relação de
transformação é 2:1.
Unindo-se também estes dois pontos, já que estão ao mesmo potencial não se
modificam as condições eletromagnéticas de transformação.
SOCIESC
12. Acionamentos
12
Dessa maneira, reunindo-se os dois enrolamentos, teríamos o esquema da figura 3,
que é o esquema de um autotransformador.
1.6 -
ECONOMIA DO AUTOTRANSFORMADOR COM RELAÇÃO AO
TRANSFORMADOR
Suponhamos que a potência do transformador da figura seja de 1000W. Sendo de 100
Volts a tensão de entrada, as correntes que circularão nos dois enrolamentos são 10 A
e 20 A, como mostra a figura.
Sobrepondo-se os dois enrolamentos, vemos que entre os pontos PS e S', circulam
duas correntes (10A e 20A) de sentido contrário e a corrente resultante, será a
diferença entre elas, conforme mostra a figura.
Isto significa que, ao convertermos um transformador em autotransformador, não só
economizaremos o cobre correspondente ao enrolamento secundário mas é preciso
aumentar o diâmetro do fio do primário, pois na parte comum circula a mesma corrente
de antes.
Ao suprimir-se um enrolamento, se reduz o núcleo magnético e portanto as perdas no
ferro e o tamanho físico. Além disso, o rendimento também melhora.
Frente a essas vantagens econômicas que acabamos de citar, os autrotransformadores
tem o inconveniente de manter eletricamente unidos os circuitos primário e secundário.
A utilização principal dos autotransformadores tem lugar quando possuímos um
determinado aparelho em uma tensão (por ex. 110 Volts) e a tensão da rede é diferente
(por ex. 220 Volts).
FATOR DE POTÊNCIA
DEFINIÇÃO: O fator de potência é a defasagem entre a corrente e a voltagem num
sistema
elétrico.
Sabemos que num sistema elétrico, existem dois tipos de energia:
SOCIESC
13. Acionamentos
13
- a energia ativa
- a energia negativa.
Qualquer equipamento que transforma a energia elétrica em outra forma de energia,
por exemplo: um ferro elétrico que transforma a energia ativa em energia térmica, não
necessita de energia intermediária fornecida pelo gerador é totalmente utilizada ou
consumida
pelo
ferro
elétrico.
Todos os equipamentos que possuem enrolamentos, tais como: transformadores,
reatores para iluminação fluorescente, reatores para iluminação a vapor de mercúrio,
etc. necessitam de energia magnetizante, como intermediária da energia ativa, e
passam a ser consumidor de energia ativa e reativa. Em outras palavras, a energia
reativa, que é aquela utilizada para criar o campo magnético do circuito, não é
propriamente consumida como energia ativa.
CARGAS: ÔHMICA - INDUTIVA – CAPACITIVA
A) CARGA ÔHMICA:
Ligando-se uma fonte de corrente alternada a um resistor ôhmico ( por exemplo, um
ferro elétrico), a voltagem (U) vai variar senoidalmente, como a voltagem que a
originou. Sendo o valor da voltagem, num determinado momento, igual a zero, então
também neste momento não circulará corrente. Quando a voltagem alcança o seu valor
máximo, o mesmo acontecerá com a corrente, isto faz com que se defina: voltagem e
corrente estão em igualdade de fase.
Quando a carga
simultaneamente.
(Fig.5.1)
é
ôhmica,
voltagem
e
corrente
crescem
e
decrescem
B) CARGA INDUTIVA:
Quando uma carga indutiva é ligada a uma fonte de corrente alternada, aparecerá uma
diferença de fase entre a voltagem e a corrente sofrer um atraso em seu deslocamento
pela ação da auto-indução. Esta diferença é indicada como ângulo em graus. Quando a
SOCIESC
14. Acionamentos
14
carga é indutiva pura, o que significa que o circuito de corrente não apresenta
resistência ôhmica, a diferença de fase alcança 90 graus.
No caso da resistência indutiva pura, a corrente está atrasada em 90 graus em relação
à voltagem. (Fig.5.2)
C) CARGA CAPACITATIVA:
Uma carga capacitativa motiva, num circuito de corrente alternada, um desfasamento
entre a voltagem e a corrente, no sentido contrário ao desfasamento da carga indutiva.
Isto é, a corrente está adiantada de 90 graus em relação à voltagem.
No caso da carga capacitiva pura, a corrente está adiantada, em relação à tensão, de
90 graus. (Fig.5.3)
1.7 -
OBJETIVOS DA MELHORIA DO FATOR DE POTÊNCIA
- Liberação da capacidade do sistema:
- Crescimento do nível de tensão por redução das perdas nos condutores elétricos.
As companhias concessionárias de energia elétrica acrescem uma taxa aos
consumidores que tiverem o fator de potência médio mensal menor que 0,85.
Por exemplo: Uma conta mensal de energia seria de CR$ 100.000,00, porém o fator de
potência médio mensal foi de 0,60, então a taxa a ser paga será:
100.000,00 x 0,85 = CR$ 141.666,66
SOCIESC
15. Acionamentos
15
0,60
MENOR DIMENSIONAMENTO DOS CONDUTORES COM ALTO FATOR DE
POTÊNCIA
O dimensionamento dos condutores, em qualquer circuito elétrico, é determinado pela
corrente (ampères) que circula pelos mesmos. No exemplo abaixo, podemos verificar
que num circuito de baixo fator de potência teremos menor corrente circulando que
num circuito de baixo fator de potência.
Exemplo: Num determinado circuito trifásico, com voltagem de 220V, serão ligados
10kW de potência. Calcular o consumo em ampères, com o fator de potência corrigido
(Alto Fator) 0,90 e com baixo fator de potência 0,50.
I= W / V. 1,73.cosϕ
onde V = Tensão da Rede
I = Corrente consumida em ampères
W = Potência do circuito em watts
1,73 = Constante.
cosϕ = Fator de potência do circuito.
CÁLCULO PARA BAIXO FATOR DE POTÊNCIA
I = 10000 / 220.1,73.0,50 = 52,5 Ampères
CÁLCULO PARA ALTO FATOR DE POTÊNCIA
I = 10000 / 220.1,73.0,90 = 29,1 Ampères
Concluímos que em circuitos de alto fator de potência teremos uma corrente circulante
menor que em circuitos de baixo fator de potência. Naturalmente isto não implica em
que o consumo de potência (W) seja menor, porém teremos oportunidade de reduzir o
dimensionamento dos condutores. Podemos aumentar o fator de potência, nas
instalações elétricas, utilizando banco de capacitores. No caso de haver a necessidade
de ampliar a iluminação aconselhamos a utilização de reatores com fator de potência
corrigida.
MOTORES ELÉTRICOS:
1) Tipos de motores elétricos
SOCIESC
16. Acionamentos
16
2) Fatores de seleção
Na seleção do motor vários fatores vão ser determinantes.
A importância destes fatores depende da utilização a que o motor vai ser sujeito e das possibilidades do
investidor.
Tipo de fonte de alimentação (DC ou AC, monofásico ou polifásico).
Condições ambientais (limitações à poluição produzida pelo motor: principalmente sonora)
- Relação Binário/Velocidade; conseqüência direta das características da carga.
Consumo e Manutenção; varia com os interesses econômicos, perspectiva a curto ou longo prazo.
Controlabilidade: Posição, Binário, Velocidade, Corrente de arranque; depende das exigências da carga.
Um aspecto importante na seleção do motor é o tipo de carga mecânica a que vai estar sujeito. Assim,
convêm referir e caracterizar os diversos tipos, que são apresentados na figura seguinte acompanhada com
exemplos ilustrativos.
-
SOCIESC
17. Acionamentos
17
Conceitos Básicos
Uma máquina elétrica pode ser definida como uma máquina que transforma
energia elétrica numa outra forma de energia, ou que transforma a energia elétrica com
determinadas características, em outra forma de energia com outras características.
As máquinas elétricas podem ser agrupadas em dois grandes grupos. Máquinas
estáticas, nas quais não se encontra qualquer peça em movimento, é o caso dos
transformadores. O outro grupo é denominado por grupo de máquinas rotativas. As
máquinas deste grupo são constituídas por duas partes, a parte fixa à qual se chama
estator e a parte móvel que tem o nome de rotor. Todas as máquinas elétricas, são
constituídas por um enrolamento (bobina) onde é criado o campo magnético, este
fenômeno surge na parte fixa da máquina, esta parte fixa quando sujeita a campo
magnético criado pela corrente elétrica toma o nome de indutor. Ao mesmo fenômeno,
mas que surge na parte móvel que é o local onde vão surgir as forças eletromotrizes
(f.e.m.) induzidas tem o nome de induzido.
O dínamo é uma máquina que pode ser utilizada, para a obtenção de corrente
contínua e utilizado em locais onde seja fundamental a utilização deste tipo de tensão
para o funcionamento de determinados equipamentos. Esta é uma máquina que requer
grande delicadeza na sua construção, dai advém o seu elevado custo.
O motor de corrente contínua é utilizado quando se pretender um motor com fortes
apetências para obter uma grande variação de velocidade ou onde se disponha de uma
tensão contínua para alimentar o motor.
A Manutenção tem cada vez mais um papel importante a desempenhar nas nossas
empresas. Esta manutenção é um dos fatores importantes para melhorar a
produtividade e economizar muitos cifrões nas empresas, pode vir a ser um setor a
afirmar-se em qualquer empresa quando bem organizada e programada.
LEIS DE MOVIMENTO
Leis de Movimento : Lenz, Faraday e Laplace
No essencial as leis de Lenz e Faraday dizem que: Sempre que um condutor ou
espira se movimenta dentro de campo magnético, cortando as linhas de força, surge
nos seus terminais uma força eletromagnética (f.e.m.) induzida, que tende a opor-se à
causa que lhe deu origem. Se os condutores ou espira forem ligados a uma carga , o
circuito será percorrido por uma corrente elétrica induzida.
SOCIESC
18. Acionamentos
18
A causa que origina a f.e.m. é obviamente a variação do fluxo através do condutor ou
espira provocada pelo seu movimento no compro magnético.
Esquema de funcionamento
A Lei de Laplace diz-nos que : Se um condutor ou espira, alimentado por uma fonte de energia elétrica, é colocado no
meio de um campo magnético, exerce-se sobre ele uma eletromagnética, que o faz deslocar com um determinado sentido.
A força eletromagnética exercida sobre o condutor ou espira é proporcional:
À intensidade de corrente o condutor ou espira.
Ao valor da indução magnética.
Ao comprimento do condutor ou espira submetido ao
campo.
Ao seno do ângulo formado pela indução e pelo
condutor ou espira.
No caso das máquinas rotativas, existem várias espiras (bobinas), apoiadas num eixo
(rotor), entrando o conjunto em movimento.
Esquema de funcionamento de um motor
Resumindo, quando uma corrente elétrica atravessa um condutor é criado em redor do
mesmo um campo magnético. Se colocarmos esse condutor no seio de um campo
magnético fixo aquele ficará submetido a uma força eletromagnética que terá como
SOCIESC
19. Acionamentos
19
efeito fazer com que o condutor se desloque. Assim surge o princípio de funcionamento
de uma máquina elétrica elementar.
CONSTITUIÇÃO DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA
As máquinas de corrente continua, quer geradores, quer motores são constituídos por:
Indutor, induzido, coletor, escovas.
INDUTOR - Tem como finalidade produzir o campo magnético, em que a carcaça (estator) faz parte do circuito
magnético. Este campo tanto pode ser produzido por um ímã permanente como por um eletroímã, sendo estes
últimos os mais utilizados , pois podem produzir campos magnéticos reguláveis e mais intensos.
O indutor é constituído por três partes: A parte externa, denominada por carcaça, pelos núcleos onde são
implantadas as bobinas indutoras e pelas peças polares, por entre as quais se desloca o induzido.
Os pólos são aparafusados ao estator e as bobinas são colocadas nas peças polares de forma circular,
sendo estas enroladas de forma a terem polaridades opostas. Os eletroímãs das bobinas são excitados por corrente
continua, que passa nas bobinas que envolvem os pólos. Há dois tipos de bobinas indutoras ou de excitação:
Bobinas shunt ou paralelo, que contem um grande número de espiras de fio fino, e a sua resistência é de
centenas de ohms. Bobinas série, são constituídas por um pequeno número de espiras de fio grosso, e tem uma
resistência da ordem das décimas de ohms.
INDUZIDO - Está sujeito a movimento, é constituído por um certo número de bobinas, bobinas estas que se
encontram encaixadas em ranhuras existentes na periferia do cilindro, que resultam da junção de várias chapas
magnéticas, de pequena espessura devidamente isoladas entre si de forma a reduzir as perdas por correntes de
Foucault.
COLECTOR - Este elemento é formado por um conjunto de lâminas de cobre que são dispostas lado a lado ficando
permeio folhas de mica que as isolam entre si. A sua disposição, depois de apertadas formam um cilindro, ficando
solidárias com o veio. O coletor permite captar as correntes estabelecidas nos condutores do induzido, fazendo-as
passar para o circuito exterior sob a forma de corrente unidimensional, isto é, corrente contínua.
SOCIESC
20. Acionamentos
20
ESCOVAS - São peças com o formato de um paralelepípedo, sendo fabricadas em grafite, estas peças encontramse incorporadas, numa outra peça denominada por porta escovas, onde existe um mola que comprime a escova
sobre o coletor. Existem vários fatores que influenciam a escolha da grafite como material para a produção de
escovas de máquinas rotativas. A grafite tem como propriedade de lubrificar, reduzindo assim o atrito com o coletor.
Resumidamente :
As máquinas rotativas são constituídas por duas partes distintas; a parte fixa ou estator e a parte móvel ou
rotor. No estator nós encontramos um indutor, as tampas laterais, onde se encontram fixas nesta as chumaceiras, os
porta escovas onde estão alojadas as respectivas escovas. O rotor é constituído pelo induzido e pelo coletor.
SOCIESC
21. Acionamentos
21
TIPOS DE MOTORES DE CORRENTE CONTINUA
Neste capítulo, iremos estudar mais aprofundadamente o motor auto excitado de
excitação em série um vez que é o caso particular a que nos predispomos a estudar
como caso pratico. Contudo apresentaremos os aspectos principais dos restantes de
uma forma mais sucinta.
Quando a corrente de excitação provem de uma fonte de corrente continua independente, por exemplo
uma bateria de acumuladores ou de um gerador, temos neste caso um motor de excitação separada ou
independente. Contudo o processo de excitação mais utilizado é quando a corrente que irá produzir o campo
magnético indutor é obtido através da mesma fonte de alimentação ligada ao induzido, diz-se que o motor é de auto
excitação ou de excitação própria.
A classificação dos motores de corrente continua é efetuada quanto ao modo como é feita a excitação da
máquina, ou seja a forma como é feito o fornecimento da corrente que vai alimentar as bobinas indutoras. Assim
sendo temos:
Motor Série;
Este tipo de motor tem a bobina indutor ligado em série com o induzido, por este motivo às bobinas
indutoras são constituídas por fio grosso e com poucas espiras, o que faz com este motor seja bastante robusto.
O binário de arranque é bastante elevado, o que lhe permite atingir rapidamente a
velocidade normal de funcionamento, podendo arrancar a plena carga sem quaisquer
dificuldades. Há cuidados que se devem ter em atenção na utilização deste tipo de
motor, pois quando a carga é nula ou muito reduzida à intensidade pedida à rede è
baixa e a velocidade atingirá valores muito elevados que poderão destruí-lo, diz-se que
o motor desarvora. Quando tal situação acontecer deve-se desligar imediatamente o
motor, porque com velocidades muito elevadas a estrutura do motor pode ser
SOCIESC
22. Acionamentos
22
danificada, ou destruir-se por completo, o que pode trazer problemas econômicos para
os utilizadores. Contudo é um motor que reagem muito bem ás variações de carga,
permitindo regular a velocidade com grande facilidade.
Quanto à variação do sentido de rotação deste motor também tem de se ter especial
atenção, porque não se deve inverter o sentido de rotação do motor série invertendo a
polaridade da fonte de alimentação, visto que se inverte simultaneamente o sentido da
corrente no induzido e no indutor. Deve-se deixar parar completamente o motor e só
depois se executa o processo de inversão do sentido da corrente que consta, em se
inverter o sentido da corrente apenas num dos enrolamentos através de um inversor.
Resumidamente pode-se concluir que o motor de excitação em série tem um elevado binário de arranque, pode
arrancar a plena carga, é de fácil regulação de velocidade, tem como inconveniente principal, o fato de que é
necessário ter muito cuidado para que ele não arranque em vazio, visto que ao embalar pode atingir velocidades
muito elevadas o que o pode destruir.
Este tipo de motor é utilizado em locais onde não exista o perigo de arrancar em vazio ou em locais onde
seja necessário um grande binário de arranque, como é o caso de gruas de elevação de cargas e motores de tração
elétrica.
Nota:
Este pode também funcionar em corrente alterna como motor assíncrono monofásico.
Motor de Excitação Separada;
O enrolamento indutor é alimentado por uma fonte de alimentação exterior ao motor.
Os enrolamentos do indutor e do induzido formam circuitos elétricos distintos .
O motor apresenta uma velocidade constante para qualquer valor de carga.
Apresenta um inconveniente que é de ser necessária uma fonte de alimentação
exterior.
Para se poder inverter o sentido de rotação deste tipo de motor basta inverter a
polaridade de um das fontes de alimentação.
Utilização:
Este tipo de motor é o mais indicado e o mais usado em locais onde se necessite de
variar freqüentemente o sentido de rotação, mantendo uma velocidade constante. É
utilizado por exemplo nas antenas parabólicas dos radares.
Motor shunt:
Tem o indutor ligado em paralelo com o induzido.
Bobina indutora com elevado resistência devido a ser composta por um número muito
elevado de espiras de fio fino. Isto porque necessitas-se que a intensidade de corrente
no indutor seja muito baixa.
Tem uma velocidade quase constante desde vazio até plena carga.
Tem um binário de arranque inferior ao motor de excitação em série.
Para que o arranque deste motor seja rápido é necessário que inicialmente a
intensidade de corrente no induzido seja baixa e no indutor a intensidade de corrente
seja máxima.
Para se inverter o sentido de rotação deve-se inverter o sentido da corrente no induzido
ou no indutor.
Usualmente, inverte-se o sentido de corrente no induzido.
Utilização:
SOCIESC
23. Acionamentos
23
Normalmente é utilizado para acionar equipamentos em que o arranque não seja a
plena carga e em que se necessite de uma velocidade quase constante. É muito
utilizado em máquinas de ferramentas.
Motor Compound;
No motor compound existe dois tipos de excitação, a excitação em série e a excitação em shunt, podendo estes
enrolamentos ser ligados em longa ou curta derivação.
Motor compound adicional;
Quando o campo magnético criado nos enrolamentos série e derivação tiverem o
mesmo sentido, denominando-se por campos adicionais.
Para além de possuir as mesmas características do motor série, este motor possui um
binário de arranque maior e nunca embala em vazio.
Motor compound diferencial;
Quando os campos magnéticos tiverem sentidos opostos. Para além das
características já mencionadas anteriormente para o motor shunt, este apresenta uma
velocidade mais constante e um binário de arranque menor.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Nos motores de corrente continua a parte móvel , portanto o rotor, encontra-se no meio dum campo
magnético que pode ser produzido por um íman permanente ou por um eletroímã.
Ao aplicarmos uma tensão continua entre as escovas do coletor, as bobinas do induzido serão percorridas
por uma corrente continua que criará um campo magnético. Isto provocará uma interação entre os dos campos
magnéticos criados, o campo do indutor e o campo do induzido, o que irão produzir um binário de forças na periferia
do rotor que fará com que este apresente um movimento giratório. Com este movimento surge-nos um pergunta que
é inevitável colocar: Se este movimento representa uma velocidade giratória do rotor, essa velocidade depende de
quê, quais os fatores que a influenciam ? A resposta pode ser bastante complexa, contudo vamos tentar dar uma
resposta resumida.
A velocidade que um motor de corrente contínua apresenta-se dependente sempre da intensidade de
corrente que atravessa o induzido, variando a tensão aplicada nos terminais do induzido a velocidade pode
aumentar ou diminuir consoante o caso, o número de espiras das bobinas do induzido também é outro fato a ter em
atenção, porque faz variar o campo magnético e por conseqüência a velocidade, para além deste três fatores a
velocidade ainda depende, do fluxo do pólo e do número de pólos do indutor.
Esta velocidade por vezes tem de ser ajustada ao sistema a que o motor está relacionado.
Tendo-se em conta o que foi dito anteriormente, verifica-se que podemos variar, ou melhor regular, a
velocidade do motor se variarmos a tensão a que está sujeito, ou então se o fluxo magnético indutor for variado, a
velocidade por arrastamento/conseqüência varia também.
Segundo consulta bibliográfica, alguns autores apresentam duas formas de se fazer variar a velocidade, a
maneira mais prática que consiste em fazer variar o fluxo magnético do indutor através de um reostato de campo,
que permite aos operadores variar a intensidade de corrente que atravessa as bobinas indutoras.
A outra maneira, embora menos prática consistem em adicionar ao sistema uma resistência variável em
série com o induzido, que terá com finalidade fazer variar a tensão aplicada aos terminais do motor.
QUADRO COMPARATIVO DE MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA
Tipo
Excitação separada
Série
Shunt
Compound Adicional
SOCIESC
Binário de arranque Velocidade
Fraco
Constante
Variável
Elevado
(embala em vazio)
Fraco
Constante
Elevado
Pouco variável
Utilização
Rodar
Aparelhos elevatórios
Tração mecânica
Máquinas ferramentas
Aparelhos elevatórios
25. Acionamentos
25
AVARIAS TÍPICAS DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA
Qualquer máquina de corrente contínua quando em funcionamento permanente ou não, fica sujeita a que
surjam algumas avarias. Estes defeitos de funcionamento podem ser agrupados do seguinte modo:
Produção de faíscas entre o coletor e as escovas.
Aquecimento anormal dos órgãos dum motor.
O motor não arranca.
Funcionamento ruidoso.
Produção de faíscas entre o coletor e as escovas
As escovas podem estar em má posição ou o contacto com o coletor pode ser defeituoso; a sua qualidade
pode ser má ou a montagem no porta escovas pode não ser a mais correta, podendo também ser um problema da
mola que pressionar a escova contra o coletor. Como o coletor necessita de um ajuste perfeito com as escovas, se
existir neste um mau estado de conservação, por exemplo sujo e com irregularidades ou com micas salientes.
Para além disto uma outra situação que pode influenciar as faíscas é o caso das bobinas indutoras se
encontrarem em curto-circuito, também pode acontecer que as bobinas dos pólos auxiliares estejam com defeito na
ligação, portanto mal ligados ou em curto-circuito.
O curto-circuito no indutor e a inadequada ligação das bobinas do induzido às lâminas do coletor podem
também provocar faíscas. Se houver falta de isolamento entre as lâminas do coletor pode-se provocar um curtocircuito que mais uma vez pode ser a causa das ditas faíscas que surgem no coletor. A sobrecarga e a velocidade
excessiva também influenciam o aparecimento deste fenômeno.
Aquecimento anormal dos órgãos dum motor
Aquecimento do induzido
Este aquecimento pode ser provocado pela sobrecarga ou pelo curto circuito, sendo também de considerar
as perdas exageradas por histerese e pelas correntes “parasitas" ou correntes de Foucoult ou ainda defeitos de
fabrico. Como a máquina quando está em funcionamento é considerada um todo, se houver aquecimento de outros
órgãos da máquina este aquece, como conseqüência. O defeito de isolamento em relação à carcaça devido à
umidade ou o curto circuito entre espiras ou entre as extremidades das espiras provoca uma redução brusca da
resistência do circuito fazendo elevar a temperatura do mesmo.
Aquecimento do indutor
A corrente de excitação que passa nas bobinas indutoras quando excessivas provoca um aquecimento. Devido a
este aquecimento quando a temperatura começa a ser preocupante pode provocar quebras no isolamento
(derretendo o verniz que isola espiras entre elas) provocando um curto-circuito.
Aquecimento do coletor
O aquecimento do coletor pode ser provocado pela pressão exagerada das escovas ou pela defeituosa
colocação das mesmas em relação ao coletor ou um mau dimensionamento das escovas para o coletor em questão.
A sobrecarga e o mau isolamento entre as lâminas do coletor devido à sujidade também são fatores que influenciam
o aumento de temperatura.
Aquecimento dos apoios
Se a máquina tiver em funcionamento e lubrificação não for efetuada regularmente e de uma forma eficaz,
ou por qualquer motivo o óleo que se destinava à lubrificação estiver em falta ou ainda se estiver em mau estado ou
impróprio, ou também é possível que os anéis de lubrificação estejam em mau funcionamento ou defeituosos, assim
a máquina começa a girar comprimindo "ferro com ferro" provocando um aquecimento. Se o sistema a que o motor
está ligada não for adequado para as suas características este fica sujeito a uma tensão excessiva tendo também
como conseqüência um aquecimento exagerado.
Motor não arranca
Caso o motor não arranque deve-se verificar se existe falta de tensão e se o circuito elétrico até ao motor
se encontra em pleno estado de conservação e de funcionamento. No entanto, deve-se verificar se o reostato de
arranque está em perfeito estado de funcionamento e senão possui nenhuma interrupção no seu circuito elétrico,
podendo também existir erros de ligação do reostato. Um outro motivo pelo qual o motor pode não arrancar deve-se
à interrupção ou curto-circuito nos enrolamentos indutores ou à má posição das escovas. No caso de existir um
defeituoso isolamento do motor este poderá também não funcionar.
Funcionamento ruidoso
SOCIESC
26. Acionamentos
26
O funcionamento ruidoso do motor pode dever-se a um curto-circuito ou à falta
de carga que poderá levar o motor a atingir velocidades muito elevadas. A sobrecarga,
o mau estado do coletor e das escovas, o choque do induzido contra as peças polares,
o induzido desequilibrado, defeitos nos apoios do veio, parafusos desapertados,
rolamentos mal lubrificados e defeitos no acoplamento da correia de transmissão são
fatores que farão certamente com que o motor funcione de uma forma ruidosa.
Diagnóstico para detecção de avarias, sintomas e prováveis causas
Sintomas e causas prováveis
Soluções
Motor de arranque não arranca ou roda
devagar
Bateria
Terminais da bateria defeituosos
Limpar os terminais e reapertá-los após
limpeza.
Limpar e corrigir
Carregar bateria
Substituir bateria
Cabo de massa defeituoso
Baixa tensão devido à descarga da bateria
Baixa voltagem devido à bateria estragada
.
Interruptor de arranque
Ponto de contacto do interruptor defeituoso Substituir interruptor
Ligação de interruptor defeituosa
Corrigir
.
Interruptor
Terminais
de
ligação
do
interruptor
Corrigir
defeituosos
Placa de contacto queimada ou contacto
Substituir interruptor
defeituoso
Circuito de puxar bobine aberto
Substituir interruptor
Circuito de segurar bobine aberto
Substituir interruptor
.
Acoplamento
Escovas defeituosas
Revestir ou substituir
Molas de escovas fracas
Substituir molas
Bobine em curto-circuito
Substituir bobina
Pontas da bobine defeituosas
Corrigir
coletor queimado
Corrigir
Mica mais alta que as laminas do coletor
Cotar a mica
Armadura ligada a terra
Substituir armadura
Outras partes gastas
Substituir
.
Motor de arranque roda continuamente e não
pára
SOCIESC
27. Acionamentos
27
Interruptor de arranque
Contacto de interruptor defeituoso
Substituir
Interior de interruptor em Curto-circuito
Substituir
.
Reostato de arranque
Pontos de reostato relê derretidos
Substituir
Pontos de reostato em curto-circuito
Substituir
.
Interruptor magnético
Placas de contacto derretidas
Substituir
Espiras da bobine em curto-circuito
Substituir
.
Motor de arranque roda suficiente mas o
arranque é difícil
Circuito indutor
Contacto defeituoso
Corrigir
Desalinhamento de contactos
Ajustar
Circuito magnético aberto
Substituir
.
Interruptor de arranque
Contacto defeituoso entre interruptor e
Substituir
termina
Contacto do interruptor defeituoso
Corrigir
MANUTENÇÃO
1º Caso o motor não funcione, verificar o estado energético da bateria.
2ª Evitar um funcionamento prolongado, a fim de evitar um aquecimento nas bobinas que pode provocar um curto
circuito devido ao verniz que serve como isolante entre espiras derreter com o calor.
3ª A lubrificação dos rolamentos e chumaceiras, bem como, a do bendix deve ser constante e adequada evitando
assim o aquecimento destas peças.
4º A limpeza e a verificação do estado do coletor também se deve fazer pelo menos uma vez por ano.
5ª A inspeção das escovas, bem como, as das molas dos porta escovas deve ser feita cuidadosamente a fim de
manter estas em ótimo estado
6ª Devem-se manter toadas as peças do motor bem limpas, evitando a acumulação de pó que juntamente com a
umidade poderia provocar um possível curto circuito.
Observações
Todo o material isolante exterior é em alumínio tendo como grande vantagem à dissipação do calor. Todas as peças
são substituíveis, o que quando realizada uma manutenção planejada e eficaz poderá prolongar em muitos anos a
vida deste motor.
Motor de Passo
SOCIESC
28. Acionamentos
28
TIPOS DE MOTOR DE PASSO
Os motores de passo são encontrados em 2 tipos: Magnético Permanente (permanent magnet) e
Relutância Variável (variable reluctance) (existe também os motores híbridos, que são indistinguíveis de magnético
permanente ou relutância variável de ponto de vista de controle). Motores magnéticos permanente possuem a
tendência a "agarrar" quando se gira o seu eixo com os dedos (com o motor desligado) e os motores de relutância
variáveis giram livremente (às vezes eles podem "agarrar" levemente por causa do resíduo magnético no rotor).
Você geralmente pode identificá-los também com um ohmímetro. Motores de relutância variáveis geralmente
possuem 3 enrolamentos (às vezes 4), com um retorno comum, enquanto motores magnético permanentes
possuem 2 enrolamentos independentes, com ou sem fio centrais (center taps). Enrolamentos com fios centrais são
usados por motores de passo do tipo unipolar.
Motores de passo vêm em vários escalar de ângulos diferentes. Os motores menos precisos giram
tipicamente 90° por passo, enquanto os motores de maior precisão são capazes de girar entre 1.8 e 0.72° por
passo!. Com um controle apropriado, a maioria dos motores de passo de magnético permanente e híbridos podem
girar em meio-passo (half-steps), e alguns controles podem trabalhar com pequenas frações de passos e
micropassos.
Para ambos motores do tipo magnético permanente e relutância variável, se somente um enrolamento for
energizado, o eixo irá parar num determinado ângulo e assim ficará "preso" até que o torque exceda o torque do
motor, nesse ponto, o eixo irá girar, tentando manter sucessivamente a posição de equilíbrio.
1.8 -
MOTORES DE RELUTÂNCIA VARIÁVEL
Figura 1.1
Se o motor possuir 3 enrolamentos, tipicamente conectados como mostra a figura acima(figura 1.1), com
um terminal comum para todos os enrolamentos, este é o tipo mais comum de motores de passo de relutância
variáveis. Em uso, o fio comum tipicamente vai para o pólo positivo da bateria e os enrolamentos são energizados
em seqüência.
O motor exemplo da figura 1.1 é de 30° por passo. O eixo desse motor possui 4 dentes e os enrolamentos
ficam em volta formando 6 pólos enrolados em volta de dois pólos opostos. Com o enrolamento número 1
energizado, o dente do eixo marcado com X é atraído para o pólo desse enrolamento. Se a corrente através do
enrolamento 1 for cortada e o enrolamento 2 for ligado, o motor irá rodar 30° (sentido horário) até que o pólo
marcado com Y se alinhe com o pólo 2.
Para rodar esse motor continuamente, nós simplesmente aplicamos energia nos 3 enrolamentos em
seqüência. Usando lógica positiva, onde for 1 significa passando corrente através do enrolamento do motor, a
seqüência a seguir irá girar o motor ilustrado na figura 1.1 no sentido horário, 24 passos ou 2 revoluções.
Enrolamento 1 1001001001001001001001001
Enrolamento 2 0100100100100100100100100
Enrolamento 3 0010010010010010010010010
tempo --->·
Há ainda motores de passo de relutância variáveis com 4 e 5 enrolamentos, possuindo 5 ou 6 fios. O
princípio de controle desses motores são os mesmos dos de 3 enrolamentos, mas fica importante trabalhar com a
ordem correta de energizamento dos enrolamentos para fazer o motor girar satisfatoriamente.
MOTORES DE PASSO UNIPOLARES
SOCIESC
29. Acionamentos
29
Figura 1.2
Motores de passo, tanto magnético permanente quanto híbridos com 5 ou 6 fios são geralmente
esquematizados como mostra a figura 1.2, com um fio central em cada um dos enrolamentos. Na prática,
usualmente o fio central é ligado ao pólo positivo da bateria, e os dois finais de cada enrolamento são levados ao
pólo negativo alternadamente para reverter a direção do campo magnético proveniente dos enrolamentos.
A seção do motor mostrada na figura 1.2 é de 30° por passo, magnético permanente ou híbrido -- a
diferença entre esses dois tipos de motores é irrelevante neste nível de complexidade. O enrolamento número 1 do
motor é distribuído entre a parte de cima e a de baixo do pólo do estator, enquanto o enrolamento 2 é distribuído
entre a esquerda e a direita dos pólos do motor. O eixo é um magnético permanente com 6 pólos, 3 suls e 3 nortes,
colocados em volta da circunferência.
Para uma faixa angular alta, o eixo provavelmente tem que ter mais pólos. O motor de passo de 30° por
passo na figura é um dos tipos mais comuns de motores de magnético permanente, entretanto motores com 15 e
7.5° por passo são facilmente encontrados. Motores de passo de magnético permanente com alta precisão como
1.8° por passo também são fabricados, motores híbridos são construídos em série de 3.6 e 1.8° por passo, com
capacidade de até 0.72° por passo.
Como mostrado na figura, a corrente circulando do fio central do enrolamento 1 até o terminal a causa a
parte superior do pólo do estator ser pólo Norte enquanto a parte inferior ser pólo Sul. Isso atrai o eixo na posição
mostrada na figura. Se a energia do enrolamento 1 for desligada e o enrolamento 2 for energizado, o eixo irá girar
30°, ou um passo.
Exemplo animado do motor da figura 1.2
Para girar o motor continuamente, nós simplesmente aplicamos corrente nos dois enrolamentos em
seqüência. Assumindo 1 como lógico positivo, isto é energizando o enrolamento do motor, as seguintes seqüências
de controle irão girar o motor da ilustração 1.2 no sentido horário, 24 passos ou 4 revoluções.
Enrolamento 1a 1000100010001000100010001
Enrolamento 1b 0010001000100010001000100
Enrolamento 2a 0100010001000100010001000
Enrolamento 2b 0001000100010001000100010
tempo --->
Enrolamento 1a 1100110011001100110011001
Enrolamento 1b 0011001100110011001100110
Enrolamento 2a 0110011001100110011001100
Enrolamento 2b 1001100110011001100110011
tempo --->
SOCIESC
30. Acionamentos
30
Note que os dois lados do mesmo enrolamento nunca são energizados ao mesmo tempo. As duas
seqüências acima irão girar o motor em um passo de cada vez. A seqüência superior apenas energiza um
enrolamento por vez, como ilustrado na figura acima; isso gasta menos energia. A seqüência inferior energiza 2
enrolamentos por vez e geralmente produz um torque 1.4 vezes maior do que a seqüência superior gastando o
dobro de energia.
As posições dos eixos do motor nas duas seqüências acima não são as mesmas, como resultado se
combinarmos as duas seqüências conseguiremos girar o motor em Meio-Passo(half-step). A seqüência combinada
é:
Enrolamento 1a 11000001110000011100000111
Enrolamento 1b 00011100000111000001110000
Enrolamento 2a 01110000011100000111000001
Enrolamento 2b 00000111000001110000011100
tempo --->
1.9 -
MOTORES DE PASSO BIPOLARES
Figura 1.3
Motores de passo bipolares tanto magnético permanente quanto híbridos são construídos com exatamente
os mesmo mecanismos usados nos motores unipolares, mas os dois enrolamentos são mais simples, sem fio
central. Isto significa que, o motor é mais simples, mas o circuito eletrônico precisa controlar a reversão da corrente
para cada enrolamento, isso o torna muito mais complexo. O esquema da figura 1.3 mostra como o motor é
configurado, enquanto a seção mostrada aqui é exatamente a mesma da seção da figura 1.2.
O circuito eletrônico para esses tipos de motores são do tipo H-Bridge (pontes com 4 transistores). O motor
precisa de uma h-bridge para cada enrolamento, isso é discutido com mais detalhes em Controle Eletrônico de um
Motor de Passo. Basicamente, uma h-bridge permite que a polaridade da energia aplicada em cada ponta de cada
enrolamento seja controlado independentemente. A seqüência de controle para um passo simples é mostrada
abaixo usando os símbolos + e - para indicar a polaridade da força aplicada em cada terminal do motor.
Terminal 1a +---+---+---+--Terminal 1b --+---+---+---+Terminal 2a -+---+---+---+-Terminal 2b ---+---+---+---+
tempo --->
++--++--++--++---++--++--++--++
-++--++--++--+++--++--++--++--+
Note que essas seqüências são idênticas as do motor unipolar, num nível representativo.
Para distinguir um motor bipolar de um unipolar de 4 fios, meça a resistência entre os terminais. É
importante observar que alguns motores permanente magnético possuem 4 enrolamentos independentes,
organizados em uma dupla com 2 cada. Em cada uma, se os enrolamentos são conectados em série, o resultado
pode ser um motor de passo bipolar de alta voltagem. Se eles estiverem conectados em paralela, o resultado pode
ser usado como um motor de passo bipolar de baixa voltagem. Se eles forem conectados em série com um fio
central, o resultado pode ser usado como um motor de passo unipolar de baixa voltagem.
1.10 -
MOTORES MULTIFASES
SOCIESC
31. Acionamentos
31
Figura 1.4
Um tipo menos comum de motores de passo magnético permanente possui seus enrolamentos ligados de
uma forma cíclica, com um pequeno enrolamento ligando o centro de cada par de enrolamentos formando um
círculo. O modelo mais comum nessa categoria usa cabeamento de 3-fase e 5-fase. O controle eletrônico requer 1/2
de um H-bridge para cada terminal do motor, mas esses motores podem gerar mais torque do que um outro motor
do mesmo tamanho porque todos ou todos exceto um dos enrolamentos são energizados a cada turno de passos.
Alguns motores de 5-fase possuem resoluções altas na ordem de 0.72° por passo (500 passos por revolução).
Com um motor de 5-fase, existe 10 passos básicos que se repetem em cada ciclo, como é mostrado
abaixo:
Terminal 1 +++-----+++++-----++
Terminal 2 --+++++-----+++++--Terminal 3 +-----+++++-----++++
Terminal 4 +++++-----+++++----Terminal 5 ----+++++-----+++++tempo --->
Aqui, como no caso dos motores bipolares, cada terminal é conectado hora no positivo hora no negativo da
bateria. Repare que, a cada passo, somente um terminal muda de polaridade. Essa mudança remove a força de um
enrolamento anexado no terminal (porque ambos terminais do enrolamento em questão estão na mesma polaridade)
e aplica força para um enrolamento que estava previamente sem força. Um motor com a geometria da figura 1.4,
essa seqüência de controle irá girar o motor por 2 revoluções.
Para distinguir um motor de 5-fase de outro motor com 5 fios, repare que, se a resistência entre 2 terminais
consecutivos do motor de 5-fase é R, a resistência entre terminais não-consecutivos será 1.5R.
Repare que alguns motores 5-fase possuem 5 enrolamentos separados, num total de 10 comandos. Esse
pode ser conectado na configuração estrela mostrada na figura, usando 5 metades de um h-bridge, ou cada
enrolamento pode ser controlado pelo seu próprio H-bridge.
CONTROLE LÓGICO DE UM MOTOR DE PASSO
Os motores de passo se comportam diferente de outros motores DC. Primeiramente ele não pode girar
livremente quando alimentado "classicamente", eles fazem como os seus próprios nomes sugerem: usam passos.
Um circuito responsável de converter sinais de passo e de direção em comandos para os enrolamentos do motor é o
controle lógico. Ele recebe os sinais de passos e a direção e gera os sinais para que o motor gire.
Após esta fase de controle lógico, é preciso o Controle Eletrônico que se encarrega de fornecer a corrente elétrica
requerida pelos enrolamentos do motor.
Um exemplo básico do bloco lógico + eletrônico pode ser visto na figura abaixo:
SOCIESC
32. Acionamentos
32
Nela, VLOGIC é a fonte de alimentação do controle lógico, TRANSLATOR é o controle lógico, POWER
DRIVERS é o controle eletrônico, e VMOTOR é a tensão requerida pelo motor.
1.11 -
GERANDO OS SINAIS
Pode-se gerar os sinais lógicos de 2 maneiras distintas: Por Hardware e por Software. Observe que se
forem usados microcontroladores, a geração será feita tanto pelo Software(o programa) tanto quanto pelo
Hardware(o próprio microcontrolador).
CONTROLE POR HARDWARE
O controle lógico dos motores de passo servem para qualquer tipo de motor: Unipolar, Bipolar, Magnético
Permanente, etc... O que se diferencia são os tipos de passo. O tipo de passo mais simples é esse:
E para gerá-lo é mais simples ainda. Basta usar um circuito integrado contador como o CD4017 (esse
circuito integrado é muito fácil de se encontrar e é barato), basta montá-lo como na figura abaixo e ligar os seus
terminais 1A, 1B, 2A, 2B no controle eletrônico.
Uma forma de passo alternativo, que consome mais energia mais fornece muito mais torque é esse:
SOCIESC
33. Acionamentos
33
Observe que este tipo de passo trabalha alimentando 2 bobinas de cada vez. Para gerar esse sinais pode
ser usado vários circuitos, os mais comuns usam 2 flip-flops como na figura abaixo:
Mas esse tipo de controle não oferece o controle de direção, para resolver este problema são colocados
portas lógicas que controlam a direção:
Com isso, fica fácil definir a direção e os passos do motor.
Tente utilizar esse tipo de passo, pois ele é melhor que o outro em vários aspectos, tanto em torque quanto
em controle. Abaixo segue dois esquemas práticos para se gerar esses sinais, observe que nenhum deles foi
testado. Monte-os primeiro num Proto-Board antes de soldar qualquer coisa.
SOCIESC
35. Acionamentos
35
Esse primeiro exemplo trabalha com alimentação de 12 Volts, usando tecnologia CMOS.
Já esse segundo exemplo usa tecnologia TTL, isto é, só trabalha com no máximo 5 Volts.
Os motores de passo podem girar basicamente em 2 modos distintos: Passo-completo e Meio-passo.
Esses dois modos possuem muitas diferenças, por exemplo:
SOCIESC
36. Acionamentos
36
Passo-completo
Gasta menos energia
Gira mais rápido
É mais simples
Possui menos torque
Possui menos precisão
Meio-passo
Gasta o triplo de energia
Gira mais devagar
É mais complexo
Possui 1.4 vezes mais torque
Possui o dobro da precisão
LABORATÓRIO – MOTOR CC
1) Circuito para inversão de um MOTOR CC.
Monte o circuito abaixo.
SOCIESC
37. Acionamentos
37
Para o TIP 31 ou 41, acionar com
12 V+.
Para o TIP 32 acionar com 0V ou
GND.
2) Circuito para controle de velocidade do MOTOR CC.
Monte o circuito abaixo.
SOCIESC
38. Acionamentos
38
CONTATOR
OBJETIVO
- Comandos através do contator;
- Diagrama de Comando.
1.12 -
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Contator é um dispositivo eletromagnético que liga e desliga o circuito do motor. Usado
de preferência para comandos elétricos automáticos à distância. É constituído de uma
bobina que quando alimenta cria um campo magnético no núcleo fixo que por sua vez
atrai o núcleo móvel que fecha o circuito. Cessando alimentação da bobina,
desaparece o campo magnético, provocando o retorno do núcleo através de molas,
conforme figura 01.
Fig. 01 – Diagrama interno do contator
1.13 -
CONTATOS
No contator temos os contatos principais e auxiliares. Os principais do contator são
mais robustos e suportam maiores correntes que depende da carga que esse motor irá
acionar, quanto maior a carga acionada, maior será a corrente nos contatos. (figura 02).
SOCIESC
39. Acionamentos
39
Fig. 02 – Contatos Principais do Contator
Os contatos auxiliares, utilizados para sinalização e comandos de vários motores,
existem o contato NF (normalmente fechado) e NA (normalmente aberto). (figura 03).
Fig. 03 – Contatos Auxiliares do Contator
SOCIESC
40. Acionamentos
1.14 -
40
BOTOEIRA - BOTÃO LIGA E DESLIGA
Fig. 04 – Contatos da Botoeira
RELÉ BIMETÁLICO
São construídos para proteção de motores contra sobrecarga, falta de fase e tensão.
Seu funcionamento é baseado em dois elementos metálicos, que se dilatam
diferentemente provocando modificações no comprimento e forma das lâminas quando
aquecidas.
1.15 -
FUNCIONAMENTO
Colocação em funcionamento e indicações para operação:
1-Ajustar a escala à corrente nominal da carga.
2-Botão de destravamento (azul):
Antes de por o relé em funcionamento, pressionar o botão de destravamento. O contato
auxiliar é ajustado pela fábrica para religamento manual (com bloqueio contra
religamento automático). Comutação para religamento automático: pressionar o botão
de destravamento e girá-lo no sentido anti-horário, até o encosto, da posição H
(manual) para A (automático).
3-Botão "Desliga" (vermelho). O contato auxiliar será aberto manualmente, se for
apertado este botão.
4-Indicador Lig./Desl - (verde). Se o relé estiver ajustado para religamento manual, um
indicador verde sobressairá da capa frontal se ocorrer o disparo (desligamento) do relé.
Para religar o relé, pressionar o botão de destravamento. Na posição "automático", não
há indicação.
SOCIESC
41. Acionamentos
5-Terminal para bobina do contator, A2.
6-Dimensões em mm.
- com contato auxiliar 1F ou 1A;
- com contatos auxiliares 1F + 1A ou 2F + 2A;
- para fixação rápida sobre trilhos suporte conforme DINEN 50022;
- neste lado do relé, distância mínima de partes aterradas.
Fig. 05 – Relé Bimetálico
SOCIESC
41
43. Acionamentos
1.18 -
1.19 -
1.20 -
DIAGRAMA MULTIFILAR
DIAGRAMA UNIFILAR
SIMBOLOGIA ELÉTRICA
Denominação para os aparelhos nos esquemas elétricos:
SOCIESC
43
44. Acionamentos
44
DENOMINACÃO
APARELHOS
b0
Botão de comando - desliga
b1
Botão de comando - liga
b2 – b22
Botão de comando - esquerda/direita
K1 – K2 - K3 - K4 - K5
Contator principal
d1 – d2 - d3
Contator auxiliar-relé de tempo relé aux.
F1 – F2 - F3
Fusível principal
F7 – F8 - F9
Relé bimetálico
F21 - F22
Fusível para comando
h1
Armação de sinalização - liga
h2
Armação de sinalização direita/esquerda
M1
Motor, trafo - principal
M2
Auto - trafo
RST
Circuito de medição-corrente alternada
CARGA TRIFÁSICA EM ESTRELA E TRIÂNGULO
1.21 -
OBJETIVO
- Sistema trifásico
- Potência trifásico
1.22 -
INTRODUÇÃO TEÓRICA:
Um sistema trifásico é uma combinação de três sistemas monofásicos.
O gerador ou alternador produz três tensões iguais, mas defasadas 120º com as
demais.
As três fases de um sistema trifásico podem ser ligados de duas formas: em estrela (Y)
ou triângulo (T).
Uma carga equilibrada tem a mesma impedância em cada enrolamento.
No sistema trifásico equilibrado o fasor soma as tensões das linhas é zero e o fasor da
soma das correntes das três linhas é zero. A corrente IN não será nula, quando as
cargas não forem iguais entre si.
Material Utilizado
- 3 soquetes
- 3 lâmpadas 150W - 220V
- 1 amperímetro AC - 0 - 5A
- 1 voltímetro AC - 0 - 250V
- caixa de ferramentas
Parte Prática:
Carga trifásica Triângulo
SOCIESC
45. Acionamentos
VL = VF
PT = 3 . VF . IF . COSϕ
PT=3 . VL . IL . COSϕ
VF = R . IF
R = V²/P
1.23 -
CARGA TRIFÁSICA ESTRELA
IL = IF
PY = 3 . VF . IF . COSϕ
PY = 3 . VL . IL . COSϕ
VF = R . IF
R = V2 / P
Tabela
SOCIESC
45
46. Acionamentos
46
ESTRELA Y
MED.
VL
TRIÂNGULO T
CALC.
MED.
220V
CALC.
220V
VF
IL
IF
POTÊNCIA Y
1.24 -
POTÊNCIA T
TRIÂNGULO
No sistema trifásico temos o triângulo de potência e determinamos a potência aparente,
potência reativa e potência total real.
P = 3 . VL . IL . COSϕ
S = 3 . VL . IL
Q = 3 . VL . IL . SENϕ
P = potência total real W
S = potência total aparente , VA
Q = potência total reativa, VAR
VL = tensão da linha
SOCIESC
47. Acionamentos
VF = tensão de fase
IL = corrente da linha
IF = corrente da fase
ϕ = ângulo de fase da carga
1.25 -
ESQUEMA DO WATTÍMETRO MONOFÁSICO
P total = Prs + Pst
MOTOR MONOFÁSICO
Objetivo
Aplicação do motor monofásico.
SOCIESC
47
48. Acionamentos
1.26 -
48
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Devido ao baixo preço e a robustez de um motor de indução, sua aplicação faz
necessário onde há uma rede elétrica trifásica, para produzir um campo magnético
rotativo são motores de pequenas potência com ligação monofásica a dois fios. A
partida é dada por meio de um enrolamento auxiliar ao qual é ligado um capacitor em
série, que provoca uma defasagem da corrente, fazendo o motor funcionar como
bifásico. Um dispositivo centrífugo desliga o enrolamento auxiliar após ter atingido uma
certa velocidade.
A inversão do sentido de rotação do motor monofásico ocorre quando as ligações do
enrolamento auxiliar são invertidas, trocando o terminal número 6 pelo número 5,
conforme esquema.
Esquema Motor Monofásico em 110 volts
SOCIESC
52. Acionamentos
1.32 -
52
DIAGRAMA DE COMANDO
LIGAÇÃO SUBSEQUENTE AUTOMÁTICA DE MOTORES
Objetivo
Ligar o motor M1 e após um determinado tempo, acionar o motor M2 utilizando um relé
temporizado.
SOCIESC
53. Acionamentos
1.33 -
53
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Na ligação subseqüente de motores, podemos acionar uma esteira, ponte rolante ou
um sistema automático industrial, a fim de desenvolver um produto determinado.
No caso de uma esteira o acionamento é dado por três motores M1, M2, M3. Se um
dos motores é desligado, por exemplo, devido à sobrecarga, todos motores à frente
deste, no sentido de condução, serão desligados; é interrompido o fornecimento de
carga à esteira, enquanto os motores montados anteriormente continuam a funcionar,
transportando a carga até o descarregamento desta esteira.
1.34 1.35 -
PRÁTICA
DIAGRAMA PRINCIPAL
SOCIESC
54. Acionamentos
1.36 -
54
DIAGRAMA DE COMANDO
INVERSÃO DO SENTIDO DE ROTACÃO
Objetivo
Comando de um motor nos dois sentidos de rotação.
1.37 -
INTRODUÇÃO TEÓRICA
A reversão automática utilizada para motores acoplados à máquina que partem em
vazio ou com carga, esta reversão pode-se dar dentro e fora do regime de partida. A
sua finalidade dentro de determinados processos industriais tem-se necessidade da
reversão do sentido de rotação dos motores para retrocesso do ciclo de operação,
como o caso de esteira transportadora.
Os contatos para o movimento a direita e para a esquerda, estão intertravados entre si,
através de seus contatos auxiliares (abridores) evitando assim curto - circuitos.
SOCIESC
56. Acionamentos
56
LIGAÇÃO DE UM MOTOR TRIFÁSICO EM ESTRELA E TRIÂNGULO
Objetivo
Ligação em estrela e triângulo.
1.41 -
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Sempre que possível, a partida de um motor trifásico de gaiola, deverá ser direita, por
meio de contatores. Deve ter-se em conta que para um determinado motor, as curvas
de conjugados e corrente são fixas, independente da dificuldade da partida, para uma
tensão constante.
Nos casos em que a corrente de partida do motor é elevada podem ocorrer as
seguintes conseqüências prejudiciais: elevada queda de tensão no sistema da
alimentação da rede. Em função disto provoca a interferência em equipamentos
instalados no sistema.
O sistema de proteção (cabos, contatores) deverá ser superdimensionada ocasionando
um custo elevado. A imposição das concessionárias de energia elétrica que limitam a
queda da tensão da rede.
Caso a partida direta não seja possível devido aos problemas citados acima, pode-se
usar sistema de partida indireta para reduzir a corrente de partida.
Em alguns casos ainda, pode-se necessitar de um conjugado de partida alto, com
corrente de partida baixa, deve-se neste caso escolher um motor de anéis.
1.42 -
PARTIDA DE MOTORES COM CHAVE ESTRELA - TRIÂNGULO.
É fundamental para a partida com a chave estrela - triângulo que o motor tenho a
possibilidade de ligação em dupla tensão, ou seja, em 220 / 380V , em 380/660V ou
440/760V . Os motores deverão ter no mínimo 6 bornes de ligação. A partida estrelatriângulo poderá ser usada quando a curva de conjugados do motor é suficientemente
elevada para poder garantir a aceleração da máquina com a corrente de partida na
ligação - triângulo. Também a curva do conjugado é reduzida na mesma proporção.
Por este motivo, sempre que for necessário uma partida estrela - triângulo, deverá ser
usado um motor com curva de conjugado elevado. Os motores WEG têm alto
conjugado máximo de partida, sendo, portanto, ideais para a maioria dos caso, para
uma partida estrela - triângulo.
Antes de se decidir por uma partida estrela- triângulo, será necessário verificar se o
conjugado de partida será suficiente para operar máquina. O conjugado resistente da
carga não poderá ultrapassar o conjugado de partida do motor, nem a corrente no
instante da mudança para triângulos poderá ser de valor inaceitável. Existem casos
onde este sistema de partida não pode ser usado, conforme demonstra a figura 2.5.
Na figura 2.5. temos um alto conjugado resistente Cr. Se a partida for em estrela, o
motor acelera a carga até a velocidade, ou aproximadamente até 85% da rotação
nominal. Neste ponto, a chave deverá ser ligada em triângulo. Neste caso, a corrente,
que era de aproximadamente a nominal, ou seja, 100%, salta repentinamente para
320%, o que não é nenhuma vantagem, uma vez que na partida era de somente 190%.
Na figura 2.6. temos o motor com as mesmas características, porem o conjugado
resistente CR é bem menor. Na ligação Y, o motor acelera a carga até 95% da rotação
nominal. Quando a chave é ligada em triângulo, a corrente que era de
aproximadamente 50%, sobe para 170%, ou seja, praticamente igual a da partida Y.
SOCIESC
57. Acionamentos
57
Neste caso a ligação estrela - triângulo apresenta vantagem, porque se fosse ligado
direto, absorveria da rede 600% da corrente nominal. A chave estrela - triângulo em
geral só pode ser empregada em partidas da máquina em vazio, isto é, sem carga.
Somente depois de ter atingido a rotação nominal, a carga poderá ser aplicada.
Esquematicamente, a ligação estrela - triângulo num meter para uma rede de 220V é
feita de maneira indicada na figura acima notando-se que a tensão por fase, durante a
partida é reduzida para 127V.
1.43 1.44 -
PRÁTICA
DIAGRAMA PRINCIPAL
SOCIESC
58. Acionamentos
1.45 -
DIAGRAMA DE COMANDO
1.46 -
58
DIAGRAMA DE COMANDO
1.47 -
COMANDO AUTOMÁTICO POR CHAVE COMPENSADORA (AUTO TRANSFORMADOR)
Objetivo
- comando por chave compensadora.
1.48 -
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Partida por autotransformador
Este modo de partida se aplica igualmente aos motores de forte potência, aos quais ele
permite dar a partida com características mais favoráveis que obtidas com partida por
SOCIESC
59. Acionamentos
59
resistência, isto devido ao fato de proporcionar um conjugado de partida mais elevado,
com um pico de corrente mais fraco (reduzido).
A partida se efetua geralmente em dois tempos:
1º tempo: Alimentação do motor sob tensão reduzida, por intermédio de um
autotransformador.
Desprezando-se o valor da corrente magnetizante, o pico e o conjugado na partida são
reduzidos, ambos proporcionalmente ao quadrado da relação de transformação
(enquanto que, na partida por resistências, o pico de corrente só é reduzido na simples
relação de redução da tensão). As chaves compensadoras (partida por
autotransformadores) são previstas para um pico de corrente e um conjugado na
partida, representando 0,42 ou 0,64 dos valores em partida direta, conforme o tap de
ligação do autotransformador dor 65% ou 80%, respectivamente. O conjugado motor
permite atingir assim um regime elevado.
2º tempo: Abertura do ponto neutro do autotransformador e conexão do motor sob
plena tensão o qual retoma suas características naturais (fig. 03). Curvas
características velocidade - conjugado e velocidade - corrente (valores indicado em
múltiplos valores nominais).
Corrente de Partida:
Se, por exemplo, um motor na partida direta consome 100A , com o auto transformador ligado no tap de 60% (0,6), a tensão aplicada nos bornes do motor é
60% da tensão da rede.
Com a tensão reduzida a 60%, a corrente nominal (In) nos bornes do motor, também é
apenas 60%, ou seja, 0,60 x 100 = 60A .
A corrente de linha (IL), (antes do autotransformador) é dada por:
U - tensão da linha (rede)
IL - corrente da linha
0,6xU - tensão no tap do auto - transformador
IN - corrente reduzida nos bornes do motor
SOCIESC
60. Acionamentos
60
O momento de partida é proporcional ao quadrado da tensão aplicada aos bornes do
motor, no caso do exemplo ele é 0,6 x 0,6 = 0,36, ou seja, aproximadamente 1/3 do
momento nominal, como na chave estrela - triângulo.
No tap de 80% teríamos um momento de 0,8 x 0,8 = 0,64, ou seja, aproximadamente
2/3 do momento do motor. Neste caso a corrente de linha seria:
1.49 - PRÁTICA – DIAGRAMA PRINCIPAL
SOCIESC
61. Acionamentos
1.50 -
61
DIAGRAMA DE COMANDO
1.51 -
COMANDO AUTOMÁTICO PARA DUAS VELOCIDADES ( DAHLANDER)
Objetivo
- diagrama de comando
- variação de velocidade
1.52 -
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Variação de velocidade do motor
Consegue-se variar a velocidade de rotação quando se trata de um motor de rotor
bobinado. Pode-se lançar mão de varias soluções para variar a velocidade do motor. As
mais comuns são :
Variação da intensidade rotórica da corrente, de modo a se obter variação no
desligamento. A energia correspondente ao deslizamento é recuperada e devolvida à
rede após retornarem as características de ondulação na freqüência da rede, o que é
conseguido com o emprego de uma ponte de tiristores;
- Variação da freqüência da corrente;
Introdução de resistências externas ao rotor (reostato divisor de tensão) para motores
de pequena potência.
Escolha do Motor
Para a escolha do motor pode-se observar o que indicam as tabelas 6.2. e 6.3.
SOCIESC
62. Acionamentos
62
TABELA 6.2. - Escolha do motor levando em conta a velocidade.
Corrente alternada
Corrente contínua
Velocidade aproximadamente Motor de Indução síncrono
Motor Shunt
constante, desde a carga zero
até a plena carga.
Velocidade semi-constante da Motor de indução com elevada Motor Compound
resistência do rotor
carga zero até a plena carga
Velocidade decrescente com o Motor de indução com a Motor Série
aumento de carga
resistência do rotor ajustável
TABELA 6.3 - Características a Aplicações de Vários Tipos de Motor
Tipo
Velocidade
Motor de Indução de Aproximadamente
Gaiola, Trifásico
constante
Conjugado de Partida
Emprego
Conjugado
baixo, Bombas, ventiladores,
corrente elevada
máquinas
e
ferramentas
Motor de Indução de Decresce rapidamente Conjugado maior do Pequenos
guinchos,
Gaiola com elevado com a carga
que o do caso anterior pontes rolantes, serras
Deslizamento
etc.
Motor Rotor Bobinado
SOCIESC
Com a resistência de Conjugado maior do
partida
desligada, que os dos casos
semelhante
ao anteriores
primeiro caso. Com a
resistência inserida, a
velocidade pode ser
ajustada a qualquer
valor, embora com
sacrifício
do
rendimento.
Compressores de ar,
guinchos,
pontes
rolantes,
elevadores
etc.
64. Acionamentos
64
COMANDO AUTOMÁTICO PARA COMPENSADOR
COM REVERSÃO
Objetivo
- ligação de uma chave compensadora com reversão.
1.56 -
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Sistema de comando elétrico que permite a partida de motores com tensão reduzida e
inversão do sentido de rotação. É utilizado para reduzir o pico da corrente nos motores
da partida.
1.57 1.58 -
PRÁTICA
DIAGRAMA PRINCIPAL
SOCIESC
65. Acionamentos
1.59 -
65
DIAGRAMA DE COMANDO E AUXILIAR
COMANDO AUTOMÁTICO ESTRELA – TRIÂNGULO COM REVERSÃO
Objetivo
- ligação estrela - triângulo com reversão.
1.60 -
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Sistema de comando elétrico que possibilite a comutação das ligações estrela para
triângulo, permitindo ainda a inversão dos sentidos de rotação do motor.
SOCIESC
67. Acionamentos
67
COMANDO AUTOMÁTICO PARA DUAS VELOCIDADES COM REVERSÃO
( DAHLANDER )
Objetivo
- ligação Dahlander com reversão.
1.63 -
INTRODUÇÃO TEÓRICA
É um sistema de comando elétrico aplicado a um motor com enrolamento único tipo
Dahlander. Suas pontas de saída permitem ligação em comum pólos, ou yy com n/2
pólos, possibilitando a obtenção de 2 velocidades diferentes, bem como duplo sentido
de rotação tanto para V1 como em V2 .
1.64 1.65 -
PRÁTICA
DIAGRAMA PRINCIPAL
INVERSORES DE FREQÜÊNCIA
São equipamentos utilizados para variar a velocidade de motores trifásicos. Para
isto, é necessário variar a freqüência sem, no entanto, mudar o ângulo de fase entre as
fases, o qual deve permanecer em 120°.
1.66 -
O CONTROLE ESCALAR
Baseada na performance dos acionamentos de corrente contínua, a tecnologia de
conversores de corrente alternada evoluiu proporcionando características de controle
de velocidade e de torque aos motores assíncronos trifásicos, usufruindo os benefícios
de custo e manutenção desses motores. Além disso, os motores assíncronos trifásicos
possuem vantagens de tamanho em relação aos motores de corrente contínua (tanto
no seu diâmetro quanto no seu comprimento) que, por conseqüência, proporciona uma
SOCIESC
68. Acionamentos
68
vantagem em relação a diminuição de seu peso total, além de ter um grau de proteção
maior (que garante uma maior proteção ao motor).
O primeiro passo dessa evolução foram os Conversores de Freqüência com controle
ESCALAR (ou V/f) e chaveamento PWM.
Circuito de blocos do Conversor de Freqüência Escalar com chaveamento PWM.
A tecnologia do modo de controle de velocidade escalar se baseia na utilização das
variáveis de controle: Tensão [V] e Freqüência [f].
Alimenta-se o Conversor de Freqüência com tensão trifásica senoidal e freqüência de
rede (60 Hz). Esta tensão de entrada é retificada no primeiro bloco do conversor, o
bloco Retificador (composto por um retificador trifásico), transformando a tensão
alternada trifásica senoidal de entrada em tensão contínua com intensidade igual a
1,35 x V entrada.
Essa tensão de corrente contínua alimenta diretamente o Circuito Intermediário do
conversor, que é constituído pelo barramento de corrente contínua, pelo banco de
capacitores e pelo Circuito Chopper de Frenagem, além do Circuito Intermediário. O
Retificador também fornece tensão de alimentação para o Circuito de Controle do
Conversor de Freqüência, circuito este que é o responsável pelo controle de velocidade
propriamente dito e pelo monitoramento das entradas e saídas do equipamento
(analógicas e digitais).
O Circuito Intermediário alimenta o terceiro bloco do Conversor de Freqüência, o bloco
Inversor. Isso mesmo, este é o bloco responsável pela inversão do sinal retificado de
corrente contínua em sinal alternado.
Composto por circuitos IGBT, é o bloco Inversor o responsável direto pelo fornecimento
da forma de onda PWM de saída do Conversor de Freqüência. Veja a figura abaixo.
Descrição do processo PWM Senoidal.
SOCIESC
69. Acionamentos
69
A forma de onda PWM é gerada através do chaveamento sincronizado dos circuitos
IGBT, os quais são compostos por transistores montados no mesmo sentido de
condução que, através de um sinal de gatilho, entram em condução. Esta condução é
controlada através deste gatilho e este controlado pelo Circuito de Controle do
conversor.
O sincronismo dos disparos nos gatilhos dos IGBTs, também é comandado através do
Circuito de Controle do conversor de freqüência. Sua intensidade e freqüência de
chaveamento determinam a característica e a qualidade da forma de onda de saída
fornecida ao motor.
No modo de controle Escalar (também conhecido por V/f ) são utilizadas, como
variáveis, a Tensão e a Freqüência, as quais são aplicadas diretamente à bobinagem
do estator do motor assíncrono trifásico fornecendo ao motor uma relação V/f
correspondente.
Esta relação de V/f, ou seja, tensão por freqüência, é fornecida de forma proporcional,
limitados até a freqüência de inflexão (freqüência da rede) e tensão de alimentação do
conversor (também tensão da rede).
Após a freqüência de inflexão (no caso do Brasil, igual a 60 Hz), os conversores de
freqüência têm a capacidade de elevar a freqüência de saída, porém a limitação fica
por conta da tensão (limitada à da rede).
Curva V/f ,onde: TN= Torque Nominal,Vnom= Tensão Nominal, fN= Freqüência
Nominal.
Como visto na figura acima, até a freqüência fN (freqüência nominal de rede = 60 Hz)
também chamada de freqüência de inflexão e tensão nominal (VN), o torque (TN) é
constante e, acima do valor de rede, ocorre a redução do torque do motor de forma
exponencial.
A queda do torque do motor assíncrono trifásico ocorre devido às características físicas
do motor e não do conversor, mas como através do modo de controle Escalar não é
possível efetuar o controle de torque, não há a possibilidade de corrigir esse efeito no
motor. Algo similar ao torque ocorre à potência do motor (PN): com o aumento da
relação tensão e freqüência, a potência aumenta proporcionalmente até a freqüência
fN (Freqüência Nominal = 60 Hz) chegando, nesse instante, à potência nominal do
motor e a partir daí, mesmo que se aumente a freqüência (desde que não se aumente
a tensão de rede - alimentação do conversor) a potência do motor permanece a
mesma.
Há a possibilidade de ajustes de otimização da curva através de parâmetros. Os
parâmetros Boost, IxR e Escorregamento (compensação), são alguns destes
parâmetros de otimização. Esta otimização tem por objetivo garantir alto torque em
baixas freqüências de saída. São responsáveis respectivamente por:
SOCIESC
70. Acionamentos
70
1.66.1 - BOOST
Aumento da tensão de saída na faixa de freqüência abaixo da freqüência de inflexão
para aumentar o torque de partida.
1.66.2 - IXR
Alteração da curva característica V/f em função da carga.
1.66.3 - ESCORREGAMENTO
O ajuste do escorregamento do motor é feito de acordo com a rotação nominal do
motor utilizado e sua compensação é inserida em rotações por minuto ou num
comparativo em freqüência.
A maioria dos conversores de freqüência são pré-ajustados de fábrica, normalmente
são ajustes com valores médios para atender a uma gama de motores. Há também a
possibilidade de se otimizar alguns ajustes e estes podem ser alterados através de
software de comunicação PC-Conversor ou por meio de um controle manual acoplado
ao conversor de freqüência.
Estes ajustes visam ajustar da melhor maneira possível, as características do motor e
sua aplicação ao Conversor de Freqüência.
Vamos imaginar uma situação hipotética onde haja um transportador simples cuja
característica é de conjugado exigido constante em toda a faixa de rotação e acima da
freqüência de inflexão, lembrando que ainda não conhecemos o modo de controle
Vetorial. Por outro lado, a faixa de rotação exigida no eixo do motor é de 400 a 2000
rpm e o conjugado exigido nessa faixa é de 14 Nm.
1) Calcular a potência exigida.
P = M(Nm) x n(rpm) / 9550
P = 14 x 2000 / 9550
P = 2,93 kW
2) Selecionar o motor e o conversor de freqüência.
Motor
Potência (próxima à exigida, calculada anteriormente) 3,00[kW], número de pólos 4,
rotação 1720 [rpm] e tensão de alimentação 380[V]
Conversor de Freqüência Escalar
Potência do conversor compatível com a selecionada para o motor 3,00[kW], tensão de
alimentação de acordo com a rede de alimentação 380[V].
3) Escolher a curva de funcionamento do conversor de freqüência.
4) Determinar a faixa de freqüência de trabalho do motor.
Para 400 rpm:
(400 / 1720) x 60 = 13,9 Hz
Para 2000 rpm:
(2000 / 1720) x 60 = 69,8 Hz
Logo, a faixa de trabalho do motor será de 13,9 Hz a 69,8 Hz.
5) Determinar o conjugado fornecido pelo motor na faixa de 13,9 Hz a 69,8 Hz:
Cn = 9550 x Pn / nm
Cn / Cmax = 3
Cmax = 50 Nm
SOCIESC
71. Acionamentos
71
Cn = 3 x 9550 /1720
Cn = 16,7 Nm
Portanto, na faixa de 400 a 1720 rpm, o motor pode fornecer Cn = 16,7 Nm e Cmax =
50 Nm, satisfazendo a aplicação.
Para 60Hz:
Cn = 16,7 Nm e Cmax = 50 Nm
Para 69,8Hz:
Cn = Cn(60Hz) x 60 / 69,8 e Cmax = Cmax (60Hz) x (60 / 69,8)2
Cn = 16,7 x 0,86 e Cmax = 50 x 0,7389
Cn = 14,4 Nm
Cmax = 36,9 Nm
Por conseguinte, o conversor pode fornecer, na faixa de trabalho de 13,9 Hz a 60 Hz e
de 60 a 69,8Hz, o conjugado exigido pela carga que é de 14 Nm.
1.67 -
O MODO DE CONTROLE VETORIAL
No funcionamento dos Conversores de Freqüência Escalares (V/f) utiliza-se
basicamente da tensão de saída (V) e da freqüência de saída (f) para controle e
variação de velocidade.
Apesar de eficiente, o modo de controle Escalar (V/f) possui algumas limitações :
- Não usa a orientação do campo magnético.
- Ignora as características técnicas do motor.
- Não possui controle de torque.
- Possui baixa dinâmica .
Visando melhorar a performance e as condições de funcionamento dos Conversores de
Freqüência Escalares foi desenvolvido um novo modo de controle, o VFC - Voltage
Flux Control, ou seja, um modo de controle que, diferentemente do modo Escalar,
efetua a leitura da corrente do estator e do modelo matemático do motor e assim define
o escorregamento, que é corrigido através do controle da tensão do estator, por meio
de funções específicas já gravadas internamente no microprocessador MC do
conversor de freqüência. Observe a figura abaixo.
SOCIESC
72. Acionamentos
72
VFC - Voltage Control Flux.
Com o modo de controle por corrente (CFC), tanto sua dinâmica quanto sua
performance (motor assíncrono trifásico), com realimentação por encoder, ficam
similares às de servomotores síncronos.
Em um comparativo entre os dois modos de controle (Voltage Flux Control & Current
Flux Control), ambos vetoriais, em malha fechada (com realimentação através de
encoder), pode-se notar claramente a evolução em dinâmica proporcionada pelo modo
de controle por corrente.
Curva de Torque (M) x rotação (n).
Outro aspecto importantíssimo da nova geração de conversores de freqüência consiste
em sua metodologia de Colocação em Operação, bem simples e rápida, baseando-se
na utilização de softwares de parametrização que, além de possibilitarem a
comunicação com qualquer PC de modo elementar viabilizando a otimização perfeita
das características do motor de acordo com as reais necessidades da carga,
proporcionam ao motor dinâmica, estabilidade e precisão.
Nesses softwares já estão incluídos os modelos matemáticos dos motores assíncronos
trifásicos, não sendo necessário incluir nenhum dado, apenas selecionar seu modelo e
sua tensão de alimentação de acordo com os dados contidos na plaqueta do próprio
motor.
A dinâmica oferecida a esses motores é em função do seu modo de controle vetorial,
que é o responsável direto pelo modelamento do fluxo magnético do motor (F).
No ambiente de parametrização, são selecionados os motores utilizados, o modo de
operação desejado e são introduzidas as informações básicas como o tipo do motor,
tensão, freqüência e corrente. A partir desse ponto, são fornecidos ao sistema os dados
do modelamento matemático do motor e são calculados os parâmetros usuais e de
controle, resultando numa otimização da performance do motor.
Alguns softwares possibilitam efetuar a programação e controle de movimentos
seqüenciais através de programação em Assembler, Ladder, C++, entre outras, comuns
às utilizadas nos Controladores Lógicos Programáveis, inclusive com funções e blocos
lógicos.
1.68 -
CONCLUSÃO
Argumentos à parte, a evolução dos Conversores de Freqüência trouxe benefícios em
todos os segmentos, dentro e fora da indústria.
SOCIESC
73. Acionamentos
73
Equipamentos aprimorados tecnologicamente, que apresentam maior tecnologia
empregada, são mais confiáveis, proporcionando maior dinâmica, além de possuírem
precisão da ordem de minutos de grau (atendendo às mais rígidas solicitações de
tolerância) e são muito mais compactos, oferecendo inclusive níveis de segurança e
confiabilidade incríveis. Cabe ao profissional da área especificar o conversor que
melhor lhe atenda a relação de custo e benefício proporcionado.
O IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
I . INTRODUÇÃO
Desde a invenção do primeiro tiristor de junção PNPN, pelos laboratórios Bell em 1957,
houve um grande avanço nos dispositivos semicondutores de potência.
Para serem aplicados em sistemas de elevada potência e substituírem as rudimentares
válvulas ignitron, phanotron e thyratron, os dispositivos semicondutores devem ser capazes de
suportar grandes correntes e elevadas tensões reversas em seu chaveamento. Além disso, em várias
aplicações de eletrônica de potência, há necessidade de uma operação em elevadas freqüências de
chaveamento dos dispositivos semicondutores, como, por exemplo, os inversores de tensão,
necessários para a construção de filtros ativos de potência. Dessa forma, os dispositivos
semicondutores devem possuir baixas perdas de potência durante o chaveamento.
Até 1970, os tiristores convencionais foram exclusivamente usados para o controle de
potência em aplicações industriais. Desde 1970, vários tipos de dispositivos semicondutores de
potência foram desenvolvidos e se tornaram disponíveis comercialmente. Estes dispositivos podem
ser amplamente divididos em cinco tipos: os diodos de potência, os tiristores, os transistores
bipolares de junção de potência, os MOSFET’s de potência, os SIT’s (Static Induction Transistor)
e os IGBT’s (Insulated Gate Bipolar Transistor), assunto desta dissertação.
SOCIESC
74. Acionamentos
74
Reunindo as características de comutação dos transistores bipolares de potência à elevada
impedância de entrada dos MOSFET’s, o IGBT se torna cada vez mais popular nos circuitos de
controle de potência de uso industrial e até mesmo em eletrônica de consumo e embarcada.
Os transistores bipolares de potência possuem características que permitem sua utilização
no controle de elevadas correntes com muitas vantagens, como baixas perdas no estado de
condução. No entanto, as suas características de entrada, exigindo correntes elevadas de base, já
que operam como amplificadores de corrente, trazem certas desvantagens em algumas aplicações.
Por outro lado, os transistores de efeito de campo MOS de potência podem também
controlar potências elevadas com muitas vantagens pelo fato de exigirem tensão para o disparo,
pois, embora sejam dispositivos de alta impedância têm como desvantagem uma baixa velocidade
de comutação devida às capacitâncias de porta (Gate) que aumentam com a intensidade de corrente
(Largura do canal) que deve ser controlada. No entanto, para baixas correntes de condução através
do canal, o MOSFET pode operar com elevadas freqüências.
O IGBT reúne a facilidade de acionamento dos MOSFET’s e sua elevada impedância de
entrada com as pequenas perdas em condução dos TBP (Transistores Bipolares de Potência). Sua
velocidade de chaveamento é determinada, a princípio, pelas características mais lentas – as quais
são devidas às características do TBP. Assim, a velocidade dos IGBT’s é semelhante à dos TBP; no
entanto, nos últimos anos tem crescido gradativamente, permitindo a sua operação em freqüências
de dezenas de kHz, nos componentes para correntes na faixa de dezenas e até centenas de
Ampères.
Juntando o que há de bom nesses dois tipos de transistores, o IGBT é um
componente que se torna cada vez mais recomendado para comutação de carga de
alta corrente em regime de alta velocidade.
Abaixo, apresentamos um gráfico contendo uma comparação entre os principais
dispositivos semicondutores de potência quanto às suas características de tensão,
corrente e freqüência de operação. Nesta figura, vemos que os tiristores são os
dispositivos que conseguem suportar os maiores valores de corrente e tensão, mas
não podem operar em freqüências de chaveamento elevadas. Como podemos ver a
partir desta figura, os IGBT’s possuem uma capacidade de suportar maiores tensões e
podem operar em mais altas freqüências que os transistores bipolares de potência e
podem suportar maiores tensões e correntes que os MOSFET’s de potência. Como
podemos notar a partir deste gráfico, a região de operação segura do IGBT é maior que
as regiões reservadas ao MOSFET e ao transistor TBP, o que era desejado.
SOCIESC
75. Acionamentos
75
Apresentamos aqui nesta dissertação como operam fisicamente os IGBT’s e
apresentaremos o modelo para descrição do seu funcionamento. Serão também
mostradas as páginas do manual de um fabricante de IGBT para ilustrar as
características de operação deste dispositivo. Por fim, será apresentada uma aplicação
dos IGBT’s em eletrônica de potência para mostrar a utilidade do dispositivo.
1.69 - II . OPERAÇÃO FÍSICA DO IGBT
Na figura a seguir, apresentamos a estrutura de um típico IGBT de canal tipo N. Todas as
discussões apresentadas aqui estão relacionadas com o dispositivo de canal tipo N, pois o canal
tipo P é análogo e possui uma operação física dual àquela apresentada para o de canal tipo N.
Sua estrutura muito semelhante àquela apresentada por um transistor MOSFET. Onde, no
caso o IGBT, teremos uma dupla difusão de uma região do tipo P e uma do tipo N.
Abaixo da região da porta (Gate), uma camada de inversão pode ser formada a partir da
aplicação de uma certa tensão entre a porta e o emissor (emitter), tal como é feito em um MOSFET
para fazê-lo entrar em condução.
A principal diferença entre essa estrutura do IGBT e a de um MOSFET é a inclusão de um
substrato P+ (O símbolo “+” foi colocado para indicar que esta região é fortemente dopada,
enquanto que o símbolo “-” indica que a região é fracamente dopada) onde é conectado o terminal
de coletor (collector). Esta mudança tem como efeito a inclusão de características bipolares ao
dispositivo. Esta camada P+ tem como objetivo a inclusão de portadores positivos – lacunas – na
região de arrastamento (Drift region) como é feito em um transistor bipolar do tipo pnp.
SOCIESC
76. Acionamentos
76
Na estrutura do IGBT, é importante notar que o terminal de porta está conectado à duas
regiões – isoladas do material semicondutor através de uma camada isolante de óxido de silício
(SiO2) – ao invés de ser apenas uma região como costumamos ver em MOSFET’s. Assim, como
veremos, o IGBT apresenta formação de dois canais ao invés de apenas um.
O IGBT é freqüentemente utilizado como uma chave, alternando os estados de condução
(On-state) e corte (Off-state) os quais são controlados pela tensão de porta, assim como em um
MOSFET.
Se aplicarmos uma pequena tensão de porta positiva em relação ao emissor, a junção J1 da
figura anterior ficará reversamente polarizada e nenhuma corrente irá circular através dessa junção.
No entanto, a aplicação de uma tensão positiva no terminal de porta fará com que se forme um
campo elétrico na região de óxido de silício responsável pela repulsão das lacunas pertencentes ao
substrato tipo P e a atração de elétrons livres desse mesmo substrato para a região imediatamente
abaixo da porta.
Enquanto não houver condução de corrente na região abaixo dos terminais de porta, não
haverá condução de corrente entre o emissor e o coletor porque a junção J2 estará reversamente
polarizada, bloqueando a corrente. A única corrente que poderá fluir entre o coletor e o emissor
será a corrente de escape (leakage).
Uma característica desta região de operação é a tensão direta de breakdown, determinada
pela tensão breakdown da junção J2. Este é um fator extremamente importante, em particular para
dispositivos de potência onde grandes tensões e correntes estão envolvidas. A tensão de breakdown
da junção J2 é dependente da porção mais fracamente dopada da junção, isto é, a camada N- . Isto s
deve ao fato de que a camada mais fracamente dopada resulta em uma região de depleção desta
junção mais larga. Uma região de depleção mais larga implica em um valor máximo de campo
elétrico na região de depleção que o dispositivo poderá suportar sem entrar em breakdown mais
baixo, o que implica no fato de que o dispositivo poderá suportar altas tensões na região de corte.
Esta é a razão pela qual a região N- da região de arrastamento é mais levemente dopada que a
região tipo P da região de corpo (Body). Os dispositivos práticos geralmente são projetados para
possuírem uma tensão de breakdown entre 600 V e 1200 V.
SOCIESC
