Automação Industrial
INDÍCE
Introdução a automação e CLP...........................02-42
Soft starter......................................................43-79
Inversor de freqüência.......................................80-98
Sensores aplicados na automação.......................99-108
AUTOMAÇÃO
INDUSTRIAL
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Automação Industrial
Introdução a Automação industrial
A palavra automação está diretamente ligada ao controle automático,
ou seja, ações que não dependem da intervenção humana. Isso é discutível,
pois a “mão do homem” é necessária indiscutivelmente, pois sem ela não
seria possível a implantação de tais processos automáticos. No âmbito fabril,
para realizar na prática a “Automação Industrial” é necessário conhecer uma
grande quantidade de conceitos e técnicas, e por isso os grandes projetos
neste campo envolvem uma infinidade de profissionais e os custos são
suportados geralmente por grandes empresas.
Para começar a entender os conceitos aqui apresentados, o primeiro
passo é o de entender o que é um controle, quais são seus elementos
básicos e quais são os seus principais tipos. De uma forma geral um
processo sob controle tem o diagrama semelhante ao mostrado na figura
abaixo:
Diagrama simplificado de um sistema de controle automático
Existem vários exemplos de processos que podem ser controlados,
dentre eles o acionamento de motores de forma seqüencial, a dosagem de
componentes químicos, a medição de uma peça, entre outros. Neste
contexto os sensores são dispositivos sensíveis a um fenômeno físico, tal
como temperatura, umidade, luz, pressão, etc.
Eles são responsáveis pelo monitoramento do processo, enviando um sinal
ao controlador que pode ser discreto (abertura ou fechamento de contatos),
ou analógico. Caso o sinal seja transformado em uma corrente elétrica, temse o caso dos transdutores.
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Automação Industrial
Os atuadores são os dispositivos responsáveis pela realização de trabalho no
processo ao qual está se aplicando a automação. Podem ser magnéticos,
hidráulicos, pneumáticos, elétricos, ou de acionamento misto.
E finalmente o controlador é responsável pelo acionamento dos atuadores,
segundo um programa inserido pelo usuário do sistema de controle.
CONTROLES ANALÓGICOS E DISCRETOS
Ainda referindo-se a figura anterior nota-se que toda a comunicação
entre os diferentes sistemas é feita através de variáveis físicas. Para efeito
de controle, estas variáveis podem ser dividas em analógica e digital.
As variáveis analógicas são aquelas que variam continuamente com o
tempo, conforme mostra a figura (a). Elas são comumente encontradas em
processos químicos advindas de sensores de pressão, temperatura e outras
variáveis físicas. As variáveis discretas, ou digitais, são aquelas que variam
discretamente com o tempo, como pode ser visto na figura (b).
Variáveis analógicas e digitais
DIFERENTES TIPOS DE ENTRADAS E SAÍDAS
Entradas discretas: são aquelas que fornecem apenas um pulso ao
controlador, ou seja, elas têm apenas um estado ligado ou desligado,
nível alto ou nível baixo, remontando a álgebra boolena que trabalha
com uns e zeros. Alguns exemplos são mostrados na figura abaixo
dentre elas: as botoeiras (a), válvulas eletro-pneumáticas (b), os
pressostatos (c).
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Entradas analógicas: como o próprio nome já diz elas medem as
grandezas de forma analógica. Para trabalhar com este tipo de entrada
os controladores tem conversores analógico-digitais (A/D). Atualmente
no mercado os conversores de 10 bits são os mais populares. As
principais medidas feitas de forma analógica são a temperatura e
pressão. Na figura abaixo mostra-se o exemplo de sensores de pressão
ou termopares.
Saídas discretas: são aquelas que exigem do controlador apenas um
pulso que determinará o seu acionamento ou desacionamento.
Como exemplo têm-se elementos mostrados na figura abaixo:
Contatores (a), que acionam os Motores de Indução (b), e as Válvulas
Eletro-pneumáticas (c).
Saídas analógicas: como dito anteriormente, de forma similar o
controlador necessita de um conversor digital para analógico (D/A),
para trabalhar com este tipo de saída. Os exemplos mais comuns são:
válvula proporcional, acionamento de motores DC, displays gráficos,
entre outros.
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Introdução aos Controladores Lógicos Programáveis
Controladores Lógico Programáveis, mais conhecidos com CLPs, podem
ser definidos, segundo a norma ABNT, como um equipamento eletrônicodigital compatível com aplicações industriais. Os CPLs também são
conhecidos como PLCs, do inglês: Programmable Logic Controller.
O primeiro CLP data de 1968 na divisão de hidramáticos da General
Motors. Surgiu como evolução aos antigos painéis elétricos, cuja lógica fixa
tornava impraticável qualquer mudança extra do processo.
A tecnologia dos CLPs só foi possível com o advento dos chamados
Circuitos Integrados e da evolução da lógica digital. Este equipamento trouxe
consigo as principais vantagens:
a) fácil diagnóstico durante o projeto
b) economia de espaço devido ao seu tamanho reduzido
c) não produzem faíscas
d) podem ser programados sem interromper o processo produtivo
e) possibilidade de criar um banco de armazenamento de programas
f) baixo consumo de energia
g) necessita de uma reduzida equipe de manutenção
h) tem a flexibilidade para expansão do número de entradas e saídas
i) capacidade de comunicação com diversos outros equipamentos, entre
outras.
CLP é o componente que substitui a parte lógica tradicional de uma
instalação, o
chamado circuito de comando, onde há contatos auxiliares, temporizadores,
intertravamentos etc., e faz isso via software; quase sempre é possível sua
interação com um microcomputador.
Fisicamente o CLP é formado por um circuito eletrônico, por entradas
e por saídas. As entradas são os terminais onde se ligam todos os
componentes que dão instruções ao circuito, determinando o que deve ser
feito com base em uma programação pré-realizada (software). Incluem-se os
interruptores, fim-de-curso, pedaleiras, sensores, contatos do relé térmico
de sobrecarga etc. Nas saídas são ligados os componentes que seriam
acionados em um circuito de comando tradicional, como, por exemplo,
contatores, lâmpadas, solenóides etc. As entradas e saídas podem ser
analógicas (valores variáveis) ou digitais (valores não variáveis, ou seja,
ligado ou desligado, tudo ou nada).
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Estrutura básica de um comando com CLP
Os CLPs trazem a vantagem de reduzir e facilitar a instalação física,
excluindo os componentes da parte de comando, como os temporizadores e
relés de comando (ou contator auxiliar). Além disso, qualquer mudança da
parte lógica não implicará
em mudança das ligações, sendo alterada somente a programação do CLP
(software).
Ligação básica das entradas e saídas (digitais) em um CLP
CLASSIFICAÇÃO DOS CLPs:
Os CLPs podem ser classificados segundo a sua capacidade:
Nano e micro CLPs: possuem até 16 entradas e saídas. Normalmente
são compostos por um único módulo com capacidade de memória máxima
de 512 passos. CLPs de médio porte: capacidade de entrada e saída em
até 256 pontos, digitais e analógicas.
Permitem até 2048 passos de memória. CLPs de grande porte:
construção modular com CPU principal e auxiliares. Módulos de entrada e
saída digitais e analógicas, módulos especializados, módulos para redes
locais.
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Permitem a utilização de até 4096 pontos. A memória pode ser otimizada
para o tamanho requerido pelo usuário.
PROGRAMAÇÃO DE CLPs EM LADDER
A flexibilidade dos controladores lógicos programáveis se deve a
possibilidade de programação dos mesmos através de um software dedicado.
A primeira linguagem de programação, que surgiu no mercado foi a
linguagem Ladder , denominada assim por sua semelhança com uma escada.
O diagrama de contatos (Ladder) consiste em um desenho formado
por duas linhas verticais, que representam os pólos positivo e negativo de
uma bateria, ou fonte de alimentação genérica. Entre as duas linhas verticais
são desenhados ramais horizontais que possuem chaves. Estas podem ser
normalmente abertas, ou fechadas e representam os estados das entradas
do CLP. Dessa forma fica muito fácil passar um diagrama elétrico para
linguagem Ladder. Basta transformar as colunas em linhas.
O primeiro e mais simples programa a ser feito, é o programa para
partida direta de um motor de indução trifásico, que tem o formato mostrado
na figura abaixo :
Programa em Ladder para partida direta de um motor
Diagrama elétrico de uma partida direta
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Não se deve esquecer de ligar as botoeiras e contatores, que são os
elementos de comando, externamente ao CLP. Para o caso deste comando as
ligações elétricas são mostradas na figura abaixo. É importante observar que
o relé foi colocado para permitir a existência de dois circuitos diferentes, o de
comando composto por uma tensão contínua de 24 V, e o circuito de
potência, composto por uma tensão alternada de 220 V.
Ainda no CLP a letra “I” significa entrada (Input) e a letra ”O” significa
saída (Output). Deve-se lembrar sempre que em painéis elétricos o CLP está
inserido na parte de comando do mesmo. Deve-se lembrar sempre que em
painéis elétricos o CLP está inserido na parte de comando do mesmo.
Exemplo de ligação para acionamento de um contator, como no caso do
comando direto de um motor de indução trifásico
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Pode-se definir os elementos essenciais em uma programação Ladder
acordo com a tabela a seguir:
de
MICRO CONTROLADOR PROGRAMÁVEL CLIC WEG
INTRODUÇÃO
Os MICROS CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS linha CLIC WEG,
caracterizam – se pelo seu tamanho compacto, fácil programação e
excelente custo – benefício. Este micro controlador é utilizado em automação
de pequeno porte em tarefas de intertravamento, temporização, contagem e
comandos tradicionais. Por isso podem ser utilizados em varias aplicações
como, por exemplo:
Sistemas de iluminação;
Comandos de portas e cancelas;
Sistemas de energia;
Sistemas de refrigeração e ar condicionado;
Sistemas de ventilação;
Sistemas de transporte;
Controle de silos e elevadores;
Comando de bombas e compressores;
Sistemas de alarme;
Comando de semáforos;
Sistemas de irrigação;
Outras aplicações.
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INFORMAÇÕES GERAIS (CLIC-02)
O CLIC-02 é um PLC pequeno e inteligente contendo até 44 pontos de
E/S, possui programa gráfico em ladder e FBD, é aplicável á operação
automática de pequena escala. O CLIC-02 pode expandir em até 3 grupos de
módulo de 4 entradas - 4 saídas.A mobilidade inteligente e supremacia do
CLIC-02 são de grande valia para você economizar consideravelmente tempo
e custo na operação.
CLIC-02 (MODULO PRINCIPAL)
1 - Terminais de alimentação
2 - Display LCD
3 - Terminais de entradas digitais
4 - Fixador retrátil
5 - Tecla delete (apagar)
6 - Tecla selection (selecionar)
7 - Teclas direcionais
8 - Tecla Ok (confirma)
9 - Tecla escape (cancelar)
10 - Conector para programação ou cartão de eeprom
11 - Terminais de saídas digitais
3.3
TABELAS DE DESCRIÇÃO PARA INSTRUÇÃO LADDER
Instrução básica
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Função de instrução básica
- Função D (d) Instrução
1: I1-D---[ Q1
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2: i1-d---[ Q1
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Aplicações:
Partida Direta
Partida Direta com Reversão
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TEMPORIZADORES
Representação dos parâmetros que devem ser configurados
quando é utilizado um temporizador do CLIC :
Modo de seleção do temporizador
Modo 1 - Retardo na energização : quando a entrada é acionada, conta
o tempo e acíona o contato do temporizador, ficando acionado enquanto
a entrada estiver acionada. O gráfico a seguir é um exemplo do
funcionamento:
Modo 2 - Retardo na energização memorizando o estado da saída:
quando a entrada é acionada, conta o tempo e aciona o contato do
temporizador, ficando acionado após atingir o tempo até o acionamento
da entrada de reset. O gráfico a seguir é um exemplo do
funcionamento:
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Modo 3 - Retardo na desenergização com entrada de reset: aciona a
saída quando a entrada for acionada, temporiza após a entrada ser
desacionada e desliga a saída no final da temporização. O gráfico a
seguir é um exemplo do funcionamento:
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Modo 4 - Retardo na desenergização após flanco de descida: aciona a
saída quando a entrada for desacionada e começa a temporização,
desliga no final da temporização. O gráfico a seguir é um exemplo do
funcionamento:
Modo 5 - Modo Oscilador: Aciona a saída quando a entrada é acionada
e começa a temporização, no final da temporização desaciona a saída e
começa a contagem novamente, assim que termina a contagem aciona
novamente a saída, e continua fazendo esse ciclo enquanto a entrada do
temporizador estiver acionada. O gráfico a seguir é um exemplo do
funcionamento:
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Modo 6 - Modo Oscilador com reset: Aciona a saída quando a entrada é
acionada e começa a temporização, no final da temporização desaciona
a saída e começa a contagem novamente, assim que termina a
contagem aciona novamente a saída, e continua fazendo esse
ciclo.Aentrada do bloco do temporizador pode ficar aberta que continua
fazendo a temporização só
Desligando a saída quando o reset for acionado. O gráfico a seguir é um
exemplo do funcionamento:
Modo 7 - Modo Oscilador com tempos diferentes de aciona e desaciona
(TON ¹ TOFF).
Para utilizar esse modo precisa programar:
• A bobina do temporizador para bobina de pulso.
• Assim que programado o temporizador Modo 7, o Clic02 programa
automaticamente o endereço do temporizador programado para
temporização ON e o endereço seguinte para temporização Off.
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O gráfico a seguir é um exemplo do funcionamento:
Aplicações:
Controle de Iluminação para Escadaria
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CONTADORES
Representação dos parâmetros que devem ser configurados
quando é utilizado um contador do CLIC:
Modo de seleção do contador
Contador Modo 1- Ao atingir o valor ajustado, aciona a saída,
permanecendo esta ligada até ser acionado o reset, ou invertido o
sentido de contagem.Quando atingir o valor ajustado, a contagem pára.
Quando o sentido de contagem for decrescente, a saída irá acionar ao
atingir o valor zero, se o sentido da contagem for invertido antes de
chegar ao valor setado vai decrementar do valor que estava. Não
mantém o valor da contagem, quando desenergizado. O gráfico a seguir
é um exemplo do funcionamento sem a utilização do sentido de
contagem:
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Contador Modo 2 - Ao atingir o valor ajustado, aciona a saída
permanecendo esta ligada até ser acionado o reset, ou invertido o
sentido de contagem. Quando atingir o valor ajustado, a contagem não
pára, continua a contar os pulsos. Quando o sentido de contagem for
invertido, a contagem será decrementada do valor atual, nessa condição
a saída irá acionar ao atingir o valor zero. Não mantém o valor da
contagem, quando desenergizado. O gráfico a seguir é um exemplo do
funcionamento sem a utilização do sentido de contagem:
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O contador modo 3 - Funcionamento é o mesmo do Contador Modo 1
porém após desenergização mantém o valor da contagem, ou seja, ao
atingir o valor ajustado, aciona a saída, permanecendo esta ligada até
ser acionado o reset, ou invertido o sentido de contagem. Quando
atingir o valor ajustado, a contagem pára. Quando o sentido de
contagem for decrescente, a saída irá acionar ao atingir o valor zero, se
o sentido da contagem for invertido antes de chegar ao valor setado vai
decrementar do valor que estava.
O contador modo 4 - Funcionamento é o mesmo do Contador Modo 2
porém após desenergização mantém o valor da contagem, ou seja, ao
atingir o valor ajustado, aciona a saída permanecendo esta liqada até
ser acionado o reset, ou invertido o sentido de contagem. Quando
atingir o valor ajustado a contagem não pára, continua a contar os
pulsos. Quando o sentido de contagem for invertido, a contagem será
decrementada do valor atual, nessa condição a saída ira acionar ao
atingir o valor zero.
Contador modo 5 - Ao atingir o valor ajustado, aciona a saída
permanecendo esta ligada até ser acionado o reset. Quando atingir o
valor ajustado, a contagem não pára, continuando a contar os pulsos.
Quando o sentido de contagem for invertido, a contagem será
decrementada do valor atual, nessa condição a saída continuará
acionada, desacionando quando chegar novamente ao valor ajustado.
Não mantém o valor da contagem, quando desenergizado.
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O gráfico a seguir é um exemplo do funcionamento sem a utilização do
sentido de contagem:
O contador modo 6 - Funcionamento é o mesmo do Contador Modo 5
porém após desenergização mantém o valor da contagem, ou seja, ao
atingir o valor ajustado, aciona a saída permanecendo esta ligada até
ser acionado o reset. Quando atingir o valor ajustado, a contagem não
pára, continuando a contar os pulsos. Quando o sentido de contagem for
invertido, a contagem será decrementada do valor atual, nessa condição
a saída continuará acionada, desacionando quando chegar novamente
ao valor ajustado.
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Aplicação:
4.1
Contador para Máquinas de Embalagens
Requisitos
1) O ciclo de empacotamento inicia com a contagem dos produtos no
final da linha de produção. Quando o valor da contagem atingir 12
unidades, a máquina procede a operação de empacotamento que leva 5
segundos.
Após finalizada, inicia-se um novo ciclo.
2) Deve-se simultaneamente contar a quantidade final de pacotes de
produto.
3) No caso de falta de energia, o contador permanece inalterado.
Análise:
1) Um sensor é utilizado para gerar um pulso quando ele detectar a
chegada de um produto. Um contador aciona a saída quando o valor de
contagem atingir 12, e um temporizador é utilizado para se obter o
atraso de 5 s.
2) O contador será utilizado no modo 3 ou modo 4, no esforço em
manter precisa a contagem mesmo no caso de falta de energia.
Componentes utilizados:
- I1 Sensor de contagem;
- S1 Reset do contador para zero;
- MC1 empacotamento.
Circuito elétrico e Programa com o CLIC sendo utilizado:
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RELÓGIO EM TEMPO REAL
RTC Instrução (Relógio em Tempo Real)
O bloco RTC aciona/desaciona saída conforme relógio de tempo real ou
calendário perpétuo dependendo qual modo ajustado no bloco RTC.
Representação dos parâmetros que devem ser configurados
quando é utilizado um contador do CLIC:
- Modo semanal
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- Modo ano-mês-dia
RTC Modo 1 - Função Every Day (Todo dia)
O contato do bloco RTC vai atuar todos os dias conforme a hora que for
setada em Set RTC hora ON, e vai desacionar a saída conforme setado
em Set hora OFF.
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Nota:
Se o Habilita falhar, saída está OFF.
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RTC Modo 2 (Intervalo de Tempo)
A saída atua conforme dia da semana setado e hora, ficando atuada até
o dia da semana ajustado para desatuar seguindo a hora de Set RTC
OFF.
Nota: Quando o Habilita estiver indisponível, a saída está OFF.
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RTC Modo 3 (Dia-mês-ano)
A saída atua no dia/mês/ano ajustado em Set Ano On e Set
mês e dia On;
A saída desatua no dia/mês/ano ajustado em Set ano Off e
Set mês e dia Off;
Se a entrada de habilitação for aberta durante o período que a
saída estivar atuada, a saída será desligada.
Nota: Se o Habilita falhar, a saída será desligada.
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Aplicações
i. Partida Direta Automática
ii. Partida Direta com Reversão Automática
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APÊNDICE -APLICAÇÕES ILUSTRADAS
CONTROLE DE ILUMINAÇÃO PARA ESCADARIAS
Requisitos
- Quando alguém sobe ou desce a escadaria, as lâmpadas precisam ser
energizadas para fornecer iluminação.
- Após a saída da pessoa, o sistema de iluminação precisa ser desligado
em cinco minutos automaticamente ou manualmente.
Sistema de Iluminação Tradicional
Existem dois tipos de controle tradicionais:
- Utilização de reles.
- Utilização de temporizador automático dedicado.
Componentes utilizados:
- Interruptores
- Temporizador automático ou reles
Utilizando reles como controlador do sistema:
- A iluminação fica ligada enquanto qualquer interruptor estiver ligado.
- Pressione qualquer interruptor para desligar a iluminação.
- Desvantagem: O usuário normalmente esquece de desligar a
iluminação.
Utilizando temporizador automático dedicado como controlador do
sistema:
- A iluminação fica ligada enquanto qualquer interruptor estiver ligado.
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- A iluminação poderá ser desligada em alguns minutos
automaticamente ou manualmente.
- Desvantagem: O usuário não tem como cancelar o tempo de
desligamento.
Utilizando o CLIC como controlador do sistema
Componentes utilizados
- Q1 Lâmpada H1
- I1 Interruptor B1
- I2 Sensor de presença infravermelho
Esquema de ligação do controle de iluminação:
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Programa para o controle de iluminação utilizando o CLIC:
CONTROLE DE PORTA AUTOMÁTICA
As portas automáticas são geralmente instaladas na entrada de
supermercados, bancos e hospitais.
Requisitos
- A porta deve abrir automaticamente quando uma pessoa está se
aproximando.
-Aporta permanece aberta durante um determinado tempo e então
fecha, se não houver alguma pessoa presente.
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Solução Tradicional
Quando quaisquer sensores B1 ou B2 detectarem a presença de algum
visitante, a porta será aberta. Após um determinado tempo sem
detectar ninguém, o relê MC4 irá comandar o fechamento da Porta.
Utilizando o CLIC como controlador do sistema
A utilização do CLIC como controlador do sistema pode simplificar o
circuito. Tudo o que precisa ser feito é conectar ao CLIC os sensores de
presença, fins de curso e o contator.
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Componentes utilizados:
- MC1 contator de abertura da porta
- MC2 contator de fechamento da porta
- S1 (contato NF) fim de curso de fechamento
- S2 (contato NF) fim de curso de abertura
- B1 (contato NA) sensor infravermelho externo
- B2 (contato NA) sensor infravermelho interno
Circuito elétrico e Programa com o CLIC sendo utilizado:
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CONTROLE DE VENTILAÇÃO
Requisitos
A função principal do sistema de ventilação é colocar ar fresco e
retirar ar contaminado conforme exibido na figura abaixo.
- A sala é equipada com o exaustor para ar contaminado e insuflador
para ar fresco.
- Sensores de fluxo monitoram a entrada e a saída de ar.
- Pressão positiva não será permitida em qualquer momento.
- O insuflador de ar irá funcionar apenas se o sensor de fluxo de ar
contaminado estiver funcionando.
- Se qualquer irregularidade na entrada ou saída de ar for detectada, a
lâmpada de alarme será acesa.
O circuito de controle do sistema de ventilação tradicional é mostrado
abaixo:
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O sistema de ventilação é completamente controlado pelo fluxo de
ar. Se não há fluxo de ar na sala após um determinado período de
tempo, o sistema irá ativar o alarme e o operador deverá desligar o
sistema.
Componentes utilizados:
- MC1 contator principal
- MC2 contator principal
- S0 (contato NF) botão desliga
- S1 (contato NA) botão liga
- S2 (contato NA) sensor de fluxo de ar
- S3 (contato NA) sensor de fluxo de ar
- H1lânpada de operação
- H2 lâmpada de alarme
Circuito elétrico e Programa com o CLIC sendo utilizado
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CONTROLE DE PORTÃO DE FÁBRICA
Requisitos
O objetivo principal de um portão de fábrica é controlar o acesso de
caminhões, o qual é operado manualmente pelo vigia do portão.
- O vigia controla a abertura e o fechamento do portão.
- A chave de parada (emergência) pode ser ativada a qualquer
momento, desconsiderando a posição do portão.
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- O alarme ficará ativo por 5 segundos antes que o portão inicie o
movimento.
- Um sensor de pressão está instalado no portão. Em qualquer instante
que o sensor atuar, a operação de fechamento do portão é parada.
Circuito de controle tradicional
Componentes utilizados:
- MC1 Contator principal
- MC2 Contator principal
- S0 (contato NF) Botão de emergência
- S1 (contato NA) Botão de abertura
- S2 (contato NA) Botão de fechamento
- S3 (contato NF) sensor de pressão de abertura
- S4 (contato NF) sensor de pressão de fechamento
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Circuito elétrico e Programa com o CLIC-02 sendo utilizado:
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SOFT – STARTER
INTRODUÇÃO
Com a crescente necessidade na otimização de sistemas e
processos
industriais,
algumas
técnicas
foram
desenvolvidas,
principalmente levando-se em consideração conceitos e tendências
voltados à automação industrial. Olhando para o passado podemos
claramente perceber o quanto estas técnicas tem contribuído para este
fim. Um dos mais claros exemplos são os sistemas de acionamento para
motores de indução, largamente utilizado em praticamente todos os
segmentos, seja ele residencial ou industrial. Em particular nós iremos
analisar e avaliar, uma técnica que se tornou muito utilizada na
atualidade, as chaves de partida soft-starters. Estes equipamentos
eletrônicos vêm assumindo significativamente o lugar de sistemas
previamente desenvolvidos, em grande parte representados por
sistemas eletromecânicos. Em nosso estudo faremos uma comparação
entre estes vários sistemas e os que utilizam as soft-starters.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
O funcionamento das soft-starters está baseado na utilização de
tiristores (SCR´s), ou melhor, de uma ponte tiristorizada na
configuração antiparalelo, que é comandada através de uma placa
eletrônica de controle, a fim de ajustar a tensão de saída, conforme uma
programação feita anteriormente pelo usuário. Esta estrutura é
apresentada na figura abaixo.
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Automação Industrial
Como podemos ver a soft-starter controla a tensão da rede
através do circuito depotência, constituído por seis ou quatro SCRs,
dependendo do modelo, onde variando o ângulo de disparo dos
mesmos, variamos o valor eficaz de tensão aplicada ao motor. A seguir
faremos uma análise mais atenciosa de cada uma das partes individuais
desta estrutura, já que notamos nitidamente que podemos dividir a
estrutura acima em duas partes, o circuito de potência e o circuito de
controle.
TIPOS DE CIRCUITOS:
CIRCUITO DE POTÊNCIA
Este circuito é por onde circula a corrente que é fornecida para o motor.
É constituída basicamente pelos SCRs e suas proteções, e os TCs
(transformadores de corrente).
· O circuito RC representado no
diagrama é conhecido como circuito snubber, e tem como função fazer a
proteção dos SCRs contra dv/dt. Os transformadores de corrente fazem
a monitoração da corrente de saída permitindo que o controle eletrônico
efetue a proteção e manutenção do valor de corrente em níveis prédefinidos (função limitação de corrente ativada).
CIRCUITO DE CONTROLE
Onde estão contidos os circuitos responsáveis pelo comando,
monitoração e proteção dos componentes do circuito de potência, bem
como os circuitos utilizados para comando, sinalização e interface
homem-máquina que serão configurados pelo usuário em função da
aplicação. Atualmente a maioria das chaves soft-starters disponíveis no
mercado são microprocessadas, sendo assim, totalmente digitais.
Alguns fabricantes ainda produzem alguns modelos com controle
analógico, mais no sentido de oferecer uma opção mais barata para
aplicações onde não sejam necessárias funções mais sofisticadas.
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS:
PRINCIPAIS FUNÇÕES
Além das características mostradas anteriormente as soft-starters
também apresentam funções programáveis que permitirão configurar o
sistema de acionamento de acordo com as necessidades do usuário.
Rampa de tensão na aceleração
As chaves soft-starters tem uma função muito simples, que é através do
controle da variação do ângulo de disparo da ponte de tiristores, gerar
na saída da mesma, uma tensão eficaz gradual e
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Automação Industrial
Continuamente crescente até que seja atingida a tensão nominal da
rede. Graficamente podemos observar isto através da figura.
Atentem ao fato de que quando ajustamos um valor de tempo de
rampa, e de tensão de partida (pedestal), isto não significa que o motor
irá acelerar de zero até a sua rotação nominal no tempo definido por ta.
Isto na realidade dependerá das características dinâmicas do sistema
motor/carga, como por exemplo : sistema de acoplamento, momento de
inércia da carga refletida ao eixo do motor, atuação da função de
limitação de corrente, etc .
Tanto o valor do pedestal de tensão, quanto o de tempo de rampa são
valores ajustáveis dentro de uma faixa que pode variar de fabricante
para fabricante.
Não existe uma regra prática que possa ser aplicada para definir qual
deve ser o valor de tempo a ser ajustado, e qual o melhor valor de
tensão de pedestal para que o motor possa garantir a aceleração da
carga.
Rampa de tensão na desaceleração
Existem duas possibilidades para que seja executada a parada do
motor, por inércia ou controlada, respectivamente. Na parada por
inércia, a soft-starter leva a tensão de saída instantaneamente a zero,
implicando que o motor não produz nenhum conjugado na carga que por
sua irá perdendo velocidade, até que toda energia cinética seja
dissipada.
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45
Automação Industrial
Na parada controlada a soft-starter vai gradualmente reduzindo a
tensão de saída até um valor mínimo em um tempo pré definido.
Graficamente podemos ver observar a figura abaixo.
O que ocorre neste caso pode ser explicado da seguinte maneira :
Reduzindo-se a tensão aplicada ao motor, este irá perder conjugado; A
perda de conjugado reflete no aumento do escorregamento; O aumento
do escorregamento faz com que o motor perca velocidade. Se o motor
perde velocidade a carga acionada também perderá. Este tipo de
recurso é muito importante para aplicações que devem ter uma parada
suave do ponto de vista mecânico.
Podemos citar como exemplo bombas centrífugas, transportadores, etc.
No caso particular das bombas centrífugas é importantíssimo minimizarse o efeito do “golpe de aríete”, que pode provocar sérios danos a todo
o sistema hidráulico, comprometendo componentes como válvulas e
tubulações além da própria bomba.
Kick Start
Existem cargas que no momento da partida exigem um esforço extra do
acionamento em função do alto conjugado resistente. Nestes casos,
normalmente a soft-starter precisa aplicar no motor uma tensão maior
que aquela ajustada na rampa de tensão na aceleração, isto é possível
utilizando uma função chamada “Kick Start”. Como podemos ver na
representação gráfica abaixo, esta função faz com que seja aplicado no
motor um pulso de tensão com amplitude e duração programáveis para
que o motor possa desenvolver um conjugado de partida, suficiente
para vencer o atrito, e assim acelerar a carga. Deve-se ter muito
cuidado com esta função, pois ela somente deverá ser usada nos casos
onde ela seja estritamente necessária.
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46
Automação Industrial
Devemos observar alguns aspectos importantes relacionados com esta
função, já que ela poderá ser mal interpretada e desta forma
comprometer a definição com relação ao seu uso, inclusive o do próprio
sistema de acionamento: Como a tensão de partida poderá ser ajustada
próximo da tensão nominal, mesmo que
por um pequeno intervalo de tempo, a corrente de partida irá atingir
valores muito próximos daqueles registrados no catálogo ou folha de
dados do motor. Isto é claramente indesejável, pois a utilização da softstarter nestes casos advém danecessidade de garantir-se uma partida
suave, seja eletricamente, seja mecanicamente. Desta forma podemos
considerar este recurso como sendo aquele que deverá ser usado em
última instância, ou quando realmente ficar óbvia a condição severa de
partida.
Limitação de corrente
Na maioria dos casos onde a carga apresenta uma inércia elevada, é
utilizada uma função denominada de limitação de corrente. Esta função
faz com que o sistema rede/soft-starter forneça ao motor somente a
corrente necessária para que seja executada a aceleração da carga.
Abaixo podemos observar graficamente como esta função é executada.
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47
Automação Industrial
Este recurso é sempre muito útil pois garante um acionamento
realmente suave e melhor ainda, viabiliza a partida de motores em
locais onde a rede se encontra no limite de sua capacidade.
Normalmente nestes casos a condição de corrente na partida faz com
que o sistema de proteção da instalação atue, impedindo assim o
funcionamento normal de toda a instalação. Ocorre então a necessidade
de ser impor um valor limite de corrente de partida de forma a permitir
o acionamento do equipamento bem como de toda a indústria. A
limitação de corrente também é muito utilizada na partida de motores
cuja carga apresenta um valor mais elevado de momento de inércia. Em
termos práticos podemos dizer que esta função é a que deverá ser
utilizada após não obter-se sucesso com a rampa de tensão simples, ou
mesmo quando para que o motor acelere a carga, seja necessário
ajustar uma rampa de tensão de tal forma que a tensão de partida
(pedestal) próximo aos níveis de outros sistemas de partida como por
exemplo, as chaves compensadoras, não sendo isto de forma alguma
um fator proibitivo na escolha do sistema de partida.
Pump control
Esta função é utilizada especialmente para a aplicação de partida softstarter em
sistemas de bombeamento. Trata-se na realidade de uma configuração
específica (pré definida) para atender este tipo de aplicação, onde
normalmente é necessário estabelecer uma rampa de tensão na
aceleração, uma rampa de tensão na desaceleração e a habilitação de
proteções. A rampa de tensão na desaceleração é ativada para
minimizar o golpe de aríete, prejudicial ao sistema como um todo. São
habilitadas também as proteções de seqüência de fase e subcorrente
imediata (para evitar o escorvamento).
Economia de energia
Uma soft-starter que inclua características de otimização de energia
simplesmente altera o ponto de operação do motor. Esta função,
quando ativada, reduz a tensão aplicada aos terminais do motor de
modo que a energia necessária para suprir o campo seja proporcional à
demanda da carga.
Quando a tensão no motor está em seu valor nominal e a carga exige o
máximo conjugado para o qual o motor foi especificado, o ponto de
operação será definido pelo ponto A, conforme a figura abaixo. Se carga
diminui e o motor for alimentado por uma tensão constante, a
velocidade (rotação) aumentará ligeiramente, a demanda de corrente
reduzirá e o ponto de operação se moverá junto à curva para o ponto
B.
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48
Automação Industrial
Por ser um motor onde o conjugado desenvolvido é proporcional ao
quadrado da tensão aplicada, haverá uma redução do conjugado com
uma redução de tensão. Caso esta tensão seja devidamente reduzida, o
ponto de operação passará a ser o ponto A½.
Em termos práticos pode-se observar uma otimização com
resultados significativos somente quando o motor está operando com
cargas inferiores a 50% da carga nominal. Isto, diga-se de passagem, é
muito difícil de encontrar-se, pois estaríamos falando de motores muito
sobre dimensionados, o que atualmente em virtude da crescente
preocupação com o desperdício de energia e fator de potência, vem
sendo evitado a todo custo. Cabe destacar que este tipo de otimização
de energia possui alguns inconvenientes, principalmente, a geração de
tensões e correntes harmônicas e variações no fator de potência. No
caso as harmônicas podem ocasionar problemas relativos a danos e
redução da vida útil de capacitores para correção de fator de potência,
sobreaquecimento
de
transformadores
e
interferências
em
equipamentos eletrônicos.
PROTEÇÔES
A utilização das soft-starters não fica restrita exclusivamente a
partida de motores de indução, pois estas também podem garantir ao
motor toda a proteção necessária (dependendo o modelo).
Normalmente quando uma proteção atua é emitida uma mensagem de
erro específica para permitir ao usuário reconhecer o que exatamente
ocorreu. A seguir estão relacionadas as principais proteções que as softstarters oferecem.
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49
Automação Industrial
Sobrecorrente imediata na saída
Ajusta o máximo valor de corrente que a soft-starter permite fluir para o
motor por período de tempo pré ajustado (via parametrização);
Subcorrente imediata
Ajusta o mínimo valor de corrente que a soft-starter permite fluir para o
motor por período de tempo pré ajustado (via parametrização); Esta
função é muito utilizada para proteção de cargas que não possam
operar em vazio como por exemplo, sistemas de bombeamento.
Sobrecarga na saída ( I x t)
Supervisiona as condições de sobrecarga conforme a classe térmica
selecionada,protegendo o motor térmicamente contra sobrecargas
aplicadas ao seu eixo.
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Sobretemperatura nos tiristores (medida no dissipador)
Monitora a temperatura no circuito de potência através de um
termostato montado sobre o dissipador de alumínio, onde também estão
montados os tiristores. Caso a temperatura do dissipador superar 90°C,
o termostato irá comutar fazendo com que a CPU bloqueie
imediatamente os pulsos de disparo dos tiristores, enviando uma
mensagem de erro que será mostrada no display.
Seqüência de fase invertida
Alguns modelos de soft-starters irão operar somente se a seqüência de
fase estiver correta. Esta proteção pode ser habilitada para assegurar
que cargas sensíveis a inversão do sentido de giro não sejam
danificadas, como exemplo, podemos citar o acionamento para bombas.
Uma desvantagem dos modelos que são sensíveis a mudança da
seqüência de fase, é que qualquer operação de reversão deverá ser feita
na saída da chave.
Falta de fase na rede
Detecta a falta de uma fase na alimentação da soft-starter e bloqueia os
pulsos de
disparo dos tiristores.
Falta de fase no motor
Detecta a falta de uma fase na saída da soft-starter e bloqueia os pulsos
de disparo dos tiristores.
Falha nos tiristores
Detecta se algum dos tiristores está danificado. Caso exista, bloqueia os
pulsos de
disparo e envia uma mensagem de erro através do display.
Erro na CPU (watchdog)
Ao energizar-se, a CPU executa uma rotina de auto diagnose e verifica
os circuitos essenciais. Caso haja alguma irregularidade, serão
bloqueados os pulsos de disparo dos tiristores e será enviada uma
mensagem de erro através do display. Interferência eletromagnética
também pode causar a atuação desta proteção.
Erro de programação
Não permite que um valor que tenha sido alterado incorretamente seja
aceito. Normalmente ocorre quando se altera algum parâmetro com o
motor desligado e nas condições de incompatibilidade.
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Automação Industrial
Erro de comunicação serial
Impede que um valor alterado ou transmitido incorretamente através da
porta de comunicação serial, seja aceito.
Defeito externo
Atua através de uma entrada digital programada. São associados
dispositivo proteção externos para atuarem sobre esta entrada, como
por exemplo, sondas térmicas, pressostatos, relês auxiliares, etc.
ACIONAMENTOS TÍPICOS (MODELOS SSW 03 E SSW 04)
Veremos a seguir os acionamentos tipicamente configuráveis nas chaves
soft-starters, sendo alguns deles utilizados em sistemas um pouco mais
sofisticados.
Básico / Convencional
Todos os comandos, leituras e monitoração de status feitos via I.H.M.
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Automação Industrial
PRINCIPAIS APLICAÇÕES PARA SOFT-STARTERS
Nos últimos anos as chaves soft-starters vêm sendo amplamente
utilizadas em vários segmentos industriais, destacando-se em algumas
aplicações como, por exemplo, sistemas de bombeamento, ventiladores,
exaustores, misturadores (pulpers), compressores, moinhos, etc.
CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES
É importante salientarmos alguns aspectos importantes relacionados a
sistemas de acionamento com soft-starters, principalmente o que está
relacionado a proteção da chave .
Fusíveis
Recomenda-se a utilização de fusíveis de ação ultra-rápida para
proteção da chave contra curto-circuitos. No caso de usar-se fusíveis de
ação retardada, os mesmos não garantirão a integridade dos
semicondutores, já que os mesmos com certeza irão danificar-se. Visto
que a chave é constituída basicamente de uma placa eletrônica de
controle e de módulos de semicondutores de potência, estaremos
comprometendo de maneira muito severa o sistema como um todo.
Correção de fator de potência
Devemos atentar aos casos onde é necessária a correção de fator de
potência, principalmente nos casos onde a correção é feita
individualmente, onde normalmente temos os capacitores de correção já
conectados junto ao motor. Para a aplicação de soft-starters neste tipo
de situação devemos garantir que durante a execução das rampas os
capacitores estejam desconectados do circuito de saída entre a chave e
o motor. De maneira geral, podemos utilizar uma das saídas digitais
programáveis da própria chave para comandar o religamento dos
capacitores. Isto sem dúvidas é o mais seguro e correto em termos de
garantias. Caso, a opção seja a de usar-se um circuito de comando
independente da soft-starter, os cuidados deverão ser redobrados já que
se os capacitores forem acidetalmente conectados antes do final de
execução da rampa de aceleração, por exemplo, serão gerados
transitórios indesejáveis de corrente, que poderão seguramente
danificar de forma irreversível os semicondutores.
Contator de entrada
Alguns modelos de chaves encontrados no mercado, em sua maioria
modelos analógicos, exigem a colocação de um contator no circuito de
entrada da chave.
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55
Automação Industrial
Os modelos analógicos são distribuídos em função de terem um custo
menor do que as chaves digitais que por sua vez não tem esta
obrigatoriedade. O importante é lembrar que nos modelos digitais estes
contatores são colocados em conformidade às normas, no aspecto de
segurança. As normas exigem que seja colocado um dispositivo de
seccionamento do circuito de força (contator, disjuntor, chave
seccionadora, etc.), pois no caso de uma falha na soft-starter (placa de
controle) e a queima de um ou mais módulos de tiristores, os mesmos
por serem semicondutores, terão como característica entrarem em curto
quando danificados, ficando assim claro, que se não tivermos um
elemento de seccionamento no circuito de força, não será possível
desligar o motor sem que se tome uma atitude mais drástica e com
certeza mais perigosa, do ponto de vista relacionado a segurança do
usuário.
Dispositivos de seccionamento na saída
Evite comutar dispositivos como contatores, seccionadoras, etc. ,
conectados na saída da chave, com a mesma ainda acionando o motor
ou habilitada.
Proteção de sobrecarga
Não esqueça de ajustar corretamente os parâmetros relacionados com a
proteção de sobrecarga. Sempre ajustar de acordo com o motor
utilizado e a corrente de operação do mesmo.
Acionamentos multi-motores
Quando utilizar-se uma única soft-starter para o acionamento de vários
motores (ao mesmo tempo), providenciar a utilização de relés de
sobrecarga individuais para cada um dos motores. Não esqueça que
neste caso a soft-starter deverá ser dimensionada pela soma das
correntes individuais de cada motor.
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Automação Industrial
SOFT-STARTER SSW-05
Soft-Starters são chaves de partida estática, projetadas para a
aceleração, desaceleração e proteção de motores elétricos de indução
trifásicos, através do controle da tensão aplicada ao motor. As SoftStarters WEG SSW-05, com controle DSP (Digital Signal Processor)
foram projetadas para fornecer ótima performance na partida e parada
de motores com excelente relação custo-belefício. Permitindo fácil
ajuste, simplifica as atividades de Posta-em Marcha e operação do diaa-dia. As chaves Soft-Starters SSW-05 são compactas, contribuindo
para a otimização de espaços em painéis elétricos. A Soft-Starter SSW05 Plus já incorpora todas as proteções para seu motor elétrico.
BENEFÍCIOS
Redução acentuada dos esforços sobre os acoplamentos e
dispositivos de transmissão (redutores, polias, engrenagens,
correias, etc);
· Aumento da vida útil do motor e equipamentos mecânicos da
máquina acionada;
· Facilidade de operação, programação e manutenção;
· Simplificação da instalação elétrica;
· Operação em ambientes de até 55 0C.
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57
Automação Industrial
Se observarmos o comparativo entre métodos de partidas, logo abaixo,
iremos identificar outros benefícios do sistema de partida via softstarter.
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Automação Industrial
IDENTIFICAÇÃO DA SOFT-STARTER , ATRAVES DO CODIGO DO
FABRICANTE
CRITÉRIOS PARA DIMENSIONAMENTO
Devemos garantir que o motor ao ser acionado por uma chave softstarter tenha condições de acelerar a carga da rotação zero até sua
rotação nominal (ou próximo disto) onde haverá então o equilíbrio.
Fisicamente, o motor deverá ser capaz de produzir um conjugado
dinâmico tal, que seja este o suficiente para vencer o conjugado
resistente da carga e a inércia refletida em seu eixo.
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Automação Industrial
O motor sofre algumas alterações nas suas características de
conjugado em virtude de aplicarmos a ele uma tensão reduzida,
trazendo como principais benefícios a redução da corrente e do
conjugado de partida respectivamente.
Para podermos especificar uma soft-starter é muito importante
obtermos algumas nformações relacionadas principalmente com as
características do motor, da carga, do ambiente, condições de operação,
rede de alimentação, acoplamento entre o motor e a carga. Desta forma
trataremos de verificar estes pontos e definir critérios que nos
possibilitem especificar o modelo ideal de chave estática. Em relação aos
aspectos acima expostos devemos levantar os seguintes dados:
· Motor
- Corrente nominal
- Potência nominal
- Tensão de alimentação
- Número de pólos
- Fator de serviço
- Tempo de rotor bloqueado
- Momento de inércia
-Curva característica de conjugado em função da rotação
· Carga
- Curva característica de conjugado em função da rotação
- Tipo de acoplamento
- Apresenta sobrecarga na partida ou em regime
- Número de partidas por hora
-Momento de inércia ou GD2
· Observações
- Para montagem em painel definir : grau de proteção, tensão de
comando,
refrigeração ;
- Característica do ambiente : temperatura, altitude, umidade,
agressividade (se existe a presença de líquidos, sólidos ou gases
inflamáveis, corrosivos, poeira, sólidos em suspensão, maresia, etc ...)
Devemos frisar com relação ao dados do motor que a mais importante
informação é a corrente nominal, pois a corrente da soft-starter será
dimensionada em relação a ela. Desta forma podemos estabelecer o
primeiro critério de dimensionamento como a seguir :
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DIAGRAMAS DE INSTALAÇÃO E CONEXÃO DA SSW 05 – PLUS :
PARTIDA E PARADA SIMPLIFICADA
PARTIDA E PARADA UTILIZANDO CONTATOR E BOTOEIRAS
PARTIDA E PARADA UTILIZANDO
OPERAÇÃO DA SSW-05 PLUS
BOTOEIRAS
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E
RELÉ
DE
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AJUSTE DE PARÂMETROS DA SSW-05 PLUS
Ajuste da Tensão Inicial: Ajuste o valor de tensão inicial para o
valor que comece a girar o motor acionado pela SSW-05 Plus tão
logo esta receba o comando de aciona.
Ajuste da Rampa do Tempo de Aceleração: Ajuste o valor
necessário para que o motor consiga chegar a sua rotação
nominal.
Nota: Tomar cuidado para que nos casos em que a relação da Corrente
da SSW-05 Plus e da Corrente nominal do Motor é 1,00 o tempo
máximo que a SSW-05 Plus pode funcionar com 3 x IN é de 10
segundos.
Ajuste da Rampa do Tempo de Desaceleração: Este ajuste
deve ser utilizado apenas em desaceleração de Bombas, para
amenizar o golpe de aríete. Este ajuste deve ser feito para
conseguir o melhor resultado prático.
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Automação Industrial
Ajuste da Corrente do Motor: Este ajuste irá definir a relação
de corrente da SSW-05 Plus e do Motor por ela acionado. Este
valor é muito importante, pois irá definir as proteções do Motor
acionado pela SSW-05 Plus. O ajuste desta função tem
importância direta nas seguintes proteções do Motor: Sobrecarga,
Sobrecorrente, Rotor Bloqueado, Falta de Fase.
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TABELAS UTEIS, NA OPERAÇÃO E PARAMETRIZAÇÃO DA SOFTSTARTER SSW – 05 PLUS
PROTEÇÕES E SINALIZAÇÕES:
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ERROS E POSSIVEIS CAUSAS
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SOLUÇÃO DE PROBLEMAS MAIS FREQUENTES
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VISUALIZAÇÃO /ALTERAÇÃO DE PARÂMETROS:
TABELA DE PARÂMETROS (PARA COMUNICAÇÃO SERIAL / HMISSW05-RS):
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(1) Parâmetros alteráveis somente com motor parado
(2) Parâmetros não alterados através da função “carrega parâmetros
com padrão de fábrica (P204)
CÓDIGO E DESCRIÇÃO DOS
SERIAL / HMI-SSW05-RS):
ERROS
(PARA
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COMUNICAÇÃO
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DESCRIÇÃO
DETALHADA
DOS
PARÂMETROS
COMUNICAÇÃO SERIAL / HMI-SSW05-RS):
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(PARA
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8.6.7 TABELA DE PARÂMETROS
Parâm
etro
P000
(2)
Função dos Parâmetros
(Leitura)
Parâmetro de acesso
P023
Indicação da corrente do
motor (%)
Indicação da corrente do
motor (A)
Versão do Sotware
P030
Corrente da Fase R
P031
Corrente da Fase S
P032
Corrente da Fase T
P050
Indicação do estado da
proteção
térmica do motor
P002
P003
Parâm
etro
P101
P102
P104
P105
(1)
P106
(1)
Função dos Parâmetros
(Leitura e Escrita)
Tensão inicial
Tempo de rampa de
aceleração
Tempo de rampa de
desaceleração
Faixa de Valores
Internos
0 ... 4, 6... 9999
= Leitura
5 = Escrita
000,0 ... 999,9
(% In)
000,0 ... 999,9
(A)
0
000,0 ... 999,9
(A)
000,0 ... 999,9
(A)
000,0 ... 999,9
(A)
0 ... 250
250 = Erro
Ajuste Ajuste
de
do
Pág.
Fábrica Usuário
30 ... 80 (% Un)
30
Faixa de Valores
Internos
1 ... 20 (s)
10
0 ... 20 (s)
0 = off
Ajuste da corrente do motor 30 ... 100 (%)
Configuração das proteções
Ajuste Ajuste
de
do
Pág.
Fábrica Usuário
0 ... 3F
Hexadecimal
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100
1F
Hex.
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P204
(1)
P206
P215
(1)
P220
(1)
P264
(1)
P277
(1)
P295
(1) (2)
P308
(1)
0 = Sem função
1 = Sem função
2 = Sem função
Carrega parâmetros com
3 = Sem função
padrão de fábrica
4 = Sem função
5 = Carrega
Weg
Tempo Auto-Reset
1 ... 1200 (s)
0 = Sem função
1 = SSW ->
Função Copy
HMI
2 = HMI ->
SSW
0 = Trimpots e
Parametrização via HMI /
Dip Switch
(Trimpots e Dip Switch)
1 = HMI
0 = Sem função
1 = Aciona /
Entrada digital programável
desaciona
DI 1
2 = Erro
externo
1 = Tensão
Saída a relé programável
Plana
(14/23 - 24)
2 = Erro
3 = Com. Serial
0=3A
Corrente nominal da chave
SSW-05
Endereço na rede
P313
Ação da verificação da
comunicação serial
P314
Tempo de verificação da
comunicação serial
1
2
3
4
5
6
7
=
=
=
=
=
=
=
10
16
23
30
45
60
85
A
A
A
A
A
A
A
1 ... 30
1 = só Erro
2 = desabilita
rampa
3 = desabilita
geral
0 ... 5 (s)
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0
900
0
0
1
1
Confor
me o
modelo
1
1
0=
oFF
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Automação Industrial
TABELA DE DESCRIÇÃO DE ERROS
Indica
ção
E03
E05
E06
E10
E2x
E22
E24
E25
E26
E27
E29
E31
E63
E64
E66
E67
E70
E71
E72
E73
E75
Significado
Falta de fase
Sobrecarga na saída (função Ixt)
Erro externo
Erro da função Copy
Erros da comunicação serial
Erro de paridade longitudinal (BCC)
Erro de programação
Variável inexistente
Valor fora de faixa
Tentativa de escrita em variável de leitura ou comando
lógico desabilitado
Erro de comunicação serial cíclica interrompida
Falha de conexão da HMI remota
Rotor bloqueado
Sobrecarga nos tiristores
Sobrecorrente imediata
Seqüência de fase invertida
Subtensão na alimentação da eletrônica
Contato do relé de By-pass interno aberto
Sobrecorrente antes do By-pass
Sobrecorrente imediata do relé de By-pass
Freqüência fora da faixa
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TABELA COM FUSÍVEIS E CONTATOR
TABELA DE POTÊNCIAS / CORRENTES / FIAÇÃO DE POTÊNCIA
(COBRE 70°C):
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INVERSOR DE FREQÜÊNCIA
Variação de velocidade com inversor de freqüência
Um acionamento elétrico é um sistema capaz de converter energia
elétrica em energia mecânica (movimento), mantendo sob controle tal
processo de conversão.
Estes são normalmente utilizados para acionar máquinas ou
equipamentos que requerem algum tipo de movimento controlado,
como por exemplo a velocidade de rotação de uma bomba.
Um acionamento elétrico moderno é formado normalmente pela
combinação dos seguintes elementos:
Motor: converte energia elétrica em energia mecânica
Dispositivo eletrônico: comanda e/ou controla a potência
elétrica entregue ao motor
Transmissão mecânica: adapta a velocidade e inércia entre
motor e máquina (carga)
Os motores mais amplamente utilizados nos acionamentos
elétricos são os motores de indução monofásicos e trifásicos.
Estes motores, quando alimentados com tensão e freqüência
constantes, sempre que não estejam operando a plena carga (potência
da carga igual a potência nominal do motor) estarão desperdiçando
energia.
É importante ressaltar também o fato de que um motor de
indução transforma em energia mecânica aproximadamente 85% de
toda a energia elétrica que recebe e que os 15% restantes são
desperdiçados, sendo assim o acionamento elétrico de máquinas um
assunto de extraordinária importância no que se refere a economia de
energia.
Métodos de variação de velocidade de motores elétricos
Durante muitos anos, as aplicações industriais de velocidade variável
foram ditadas pelos requisitos dos processos e limitadas pela
tecnologia, pelo custo, pela eficiência e pelos requisitos de
manutenção dos componentes empregados. Os sistemas mais
utilizados para variação de velocidade foram por muito tempo
implementados com motores de indução de velocidade fixa, como
primeiro dispositivo de conversão de energia elétrica para energia
mecânica.
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80
Automação Industrial
Para a obtenção de velocidade variável o sistema necessitava de um
segundo dispositivo de conversão de energia que utilizava
componentes
mecânicos,
hidráulicos
ou
elétricos.
Com
a
disponibilidade no mercado dos semicondutores a partir dos anos 60
este quadro mudou completamente. Mas foi mesmo na década do 80
que, com o desenvolvimento de semicondutores de potência com
excelentes características de desempenho e confiabilidade, foi
possível a implementação de sistemas de variação de velocidade
eletrônicos. O dispositivo de conversão de energia elétrica para
mecânica continuou sendo o motor de indução, mas agora sem a
utilização de dispositivos secundários mecânicos, hidráulicos ou
elétricos. Em muitos casos a eficiência das instalações equipadas com
estes novos dispositivos chegou a ser duplicada quando comparada
com os sistemas antigos.
Estes sistemas de variação contínua de velocidade eletrônica
proporcionam, entre outras, as seguintes vantagens:
Economia de energia
Melhoramento do desempenho de máquinas e equipamentos,
devido a adaptação da velocidade a os requisitos do processo.
Elimina o pico de corrente na partida do motor.
Reduz a freqüência de manutenção dos equipamentos, etc.
Estes novos dispositivos eletrônicos para variação de velocidade
de motores de indução são conhecidos como Inversores de
Freqüência. Trataremos neste guia de descrever o funcionamento e
aplicações dos inversores de freqüência. Com este Guia, a WEG não tem
a pretensão de esgotar o assunto, pois ele se renova a cada dia que
passa. Temos como objetivo maior fornecermos maiores conhecimentos
em comando e proteção de motores elétricos de indução utilizando-se
inversores de freqüência. A aplicação de motores de indução tem se
regido historicamente pelas características descritas na placa de
identificação do motor.
Inversor
O inversor de freqüência ou conversor de freqüência é um
dispositivo de acionamento e controle de velocidade de motores de
corrente alternada.
Este dispositivo é um dos dispositivos mais utilizados em sistemas
onde seja necessário variar a velocidade de máquinas em geral.
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81
Automação Industrial
Princípios básicos para controle de velocidade: Inversor PWM
Um conversor de freqüência (inversor de freqüência), com
modulação por largura de pulsos consiste basicamente dos seguintes
blocos, conforme mostra a figura a seguir:
I - Fonte de tensão contínua elaborada a partir de uma ponte
retificadora (diodos)
Alimentada, por uma rede monofásica ou trifásica;
II - Filtro capacitivo (link DC);
III - Inversor constituído de transistores de potência;
Figura - Diagrama de blocos de conversor tipo PWM
A ponte retificadora de diodos transforma a tensão alternada de
entrada em uma tensão contínua que é filtrada por um banco de
capacitores. O circuito de corrente contínua é chamado de CIRCUITO
INTERMEDIÁRIO. Esta tensão contínua alimenta uma ponte inversora
formada por transistores de potência (BJT, IGBT ou MOSFET) e diodos
de roda livre. O comando das bases dos transistores, feito pelo circuito
de comando (que utiliza um microcontrolador), permite a geração de
pulsos para o motor com tensão e freqüência controladas. O formato
dos pulsos obedece ao princípio de modulação denominado PWM
Senoidal, que permite um acionamento com corrente praticamente
senoidal no motor.
A configuração do módulo é composta de transistores de potência.
Usando transistores, ao invés de tiristores, evitamos a utilização de
elementos de comutação para o desligamento dos tiristores, bastando
remover a corrente de base dos transistores. Para formar um sistema de
tensões trifásicas com um conversor, os transistores são chaveados com
sinais gerados externamente, por um microcontrolador digital numa
seqüência pré-estabelecida, gerando uma forma de onda retangular ou
escalonada de um sistema trifásico, nos terminais de saída CA.
Aumentando-se ou diminuindo-se a taxa de variação do chaveamento,
pode-se alterar a freqüência do sistema trifásico gerado, inclusive
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82
Automação Industrial
aumentando a freqüência acima do valor da rede, uma vez que a
conversão CC desacopla a saída da entrada. O circuito de controle é
responsável pela geração dos pulsos de disparo dos transistores,
monitoração e proteção dos componentes da potência, interpretação dos
comandos, proteção e segurança. Comparados com tiristores, os
transistores podem chavear muito mais rapidamente. Portanto, possuem
uma vasta área de aplicação em inversores de alta freqüência que
empregam modulação por largura de pulsos. A maior desvantagem é
que os transistores necessitam de corrente contínua na base durante o
estado de condução, mas o custo do circuito necessário para tal é
compensado pela dispensa de elementos de comutação. A figura a
seguir mostra os componentes de potência do circuito inversor básicos
para um inversor trifásico, com diodos de circulação (roda livre) e com
carga trifásica (indutiva).
a) Circuito inversor trifásico com transistores de potência.
b) Forma de onda da tensão de saída
c) Forma de onda da corrente de saída
A variação U/f é feita linearmente até a freqüência nominal do
motor (50/60 Hz), acima desta, a tensão que já é a nominal permanece
constante e há então apenas a variação da freqüência que é aplicada ao
enrolamento do estator.
Figura - Curva representativa da variação U/f.
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83
Automação Industrial
Com isto determinamos uma área acima da freqüência nominal
que chamamos região de enfraquecimento de campo, ou seja, uma
região onde o fluxo começa a decrescer e, portanto, o torque também
começa a diminuir.
Assim a curva característica conjugado x velocidade do motor
acionado com conversor de freqüência pode ser colocada da seguinte
maneira:
Figura - Curva característica conjugado x velocidade
Podemos notar então, que o conjugado permanece constante até a
freqüência nominal e, acima desta, começa a decrescer. A potência de
saída do conversor de freqüência comporta-se da mesma forma que a
variação U/f, ou seja, cresce linearmente até a freqüência nominal e
permanece constante acima desta.
Figura - Curva característica da potência de saída do conversor.
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84
Automação Industrial
Teoricamente existem duas faixas de atuação: uma com o fluxo
constante, até a freqüência nominal, e outra, com enfraquecimento de
campo, correspondente àquela acima da freqüência nominal, ou seja:
fs = 0 Hz até fnom : U/f = constante = fluxo constante
fs maior do que fnom : U/f = enfraquecimento de campo.
Entretanto, na realidade, para que essas duas faixas possam ser
possíveis, há necessidade de se considerar os seguintes fatores:
1) Se um motor autoventilado trabalha com velocidade menor do
que a nominal, terá sua capacidade de refrigeração diminuída.
2) A corrente de saída dos conversores apresenta uma forma não
perfeitamente senoidal, o que implica em harmônicas de ordem
superior, que provocam um aumento de perdas no motor.
Devido a isso, em caso de cargas com característica de conjugado
constante (para maiores detalhes vide item capítulo V), é necessário
reduzir-se o conjugado e potências admissíveis no motor. Aconselha-se
normalmente seguir a seguinte curva:
Figura 3.32 - Curva de conjugado x freqüência para uso de motor com
conversor de freqüência.
Controle escalar
Entende-se por controle escalar o sistema de controle de
velocidade feito por conversores de freqüência convencionais, onde é
necessária apenas a variação de velocidade em aplicações normais e
que não requerem elevadas dinâmicas e precisões, nem controle de
torque (corrente). O circuito de potência do conversor é igual para os
dois sistemas (escalar ou vetorial) conforme visto anteriormente, sendo
que o que difere entre os dois é a forma com que é executado o controle
de velocidade do motor.
Em um sistema com controle escalar, é possível uma precisão de
velocidade de até 0,5% da rotação nominal sem variação de carga, e de
3% a 5% com variação de carga de 0 a 100% do torque nominal.
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85
Automação Industrial
Pelo princípio de funcionamento e aplicação, são utilizados na
maioria das vezes motores de indução convencionais sem nenhum
sistema de realimentação de velocidade (tacogerador acoplado ao
motor) em malha fechada. A faixa de variação de velocidade é pequena
e da ordem de 1:10 (Ex: 6 a 60 Hz).
Com estas características, o conversor de freqüência convencional
(escalar), é utilizado em maior escala, pois apresenta um custo relativo
menor que o conversor com controle vetorial, como também em relação
a um acionamento por motor CC e conversor CA/CC.
A fim de estabelecer um comparativo da precisão de regulação de
velocidade, apresentamos a seguir uma tabela com valores
característicos para um motor de 3 CV, 4 pólos, com variação de
velocidade feita através de conversor de freqüência em quatro situações
distintas: conversor direto, conversor com ajuste de compensação de
escorregamento nominal, conversor com ajuste de compensação de
escorregamento otimizado e conversor realimentado por tacogerador de
pulsos acoplado ao motor.
Tabela 3.1 - Conversor sem e com compensação de escorregamento
nominal
Tabela 3.2 - Conversor com compensação de escorregamento otimizado
e realimentação por tacogerador de pulsos.
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86
Automação Industrial
Controle vetorial
Em aplicações onde se faz necessário uma alta performance
dinâmica (resposta rápidas e alta precisão), o motor elétrico deverá
fornecer essencialmente um controle preciso de torque para uma faixa
extensa de condições de operações. Para tais aplicações os
acionamentos de corrente contínua sempre representaram uma solução
ideal, pois, a proporcionalidade da corrente de armadura, do fluxo e do
torque num motor de corrente continua proporciona um meio para o
controle de torque.
Contudo, a busca por avanços tecnológicos significativos, tem
diminuído esta hegemonia, e gradativamente, estão crescendo as
opções por novas alternativas como o uso de acionamentos em corrente
alternada do tipo controle vetorial.
Principio do Controle Vetorial
Para que se tenha um controle vetorial bom é necessário que o
inversor tenha a capacidade de suprir a corrente desejada pelo controle,
neste caso tem se que usar um inversor PWM em alta freqüência com
uma tensão adequada em relação a tensão do motor. Neste caso como
podemos impor a corrente pelos reguladores de corrente a
equação que descreve a tensão do motor em relação as suas
características é resolvida pelo inversor e portanto pode ser suprimida
do modelo matemático do motor.
O fluxo rotórico, de modo semelhante ao acionamento da máquina
de corrente continua e mantido no valor nominal em velocidade abaixo
da velocidade nominal e trabalha reduzido em velocidade acima da
nominal ( enfraquecimento de campo).
A diferença de velocidade (erro) é aplicado ao regulador de
velocidade que atua sobre o valor de referencia de corrente isq, que é a
responsável pelo torque do motor, variando este de modo a zerar o erro
de velocidade.
O encoder incremental acoplado ao eixo do motor fornece a
referencia da velocidade real.
Controle
Vetorial
(sensorless)
Orientado
ao
Fluxo
Estatórico
No controle sensorless (sem encoder, ou seja sem medida direta da
velocidade) o valor da velocidade necessário para a regulação em malha
fechada é estimado a partir dos parâmetros do motor e das variáveis
disponíveis como: corrente e tensão do estator.
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87
Automação Industrial
Com estes valores pode ser calculado o fluxo estatórico através de
ls=ò(Vs-Rs.Is)dt, desta forma estima-se o fluxo rotórico a partir do fluxo
estatórico. Embora isto envolva o calculo das indutâncias do motor,
tornando desta forma a orientação de campo sensível a variação deste
parâmetro.
Desta forma o controle pelo fluxo estatórico é mais conveniente,
resultando num sistema mais robusto. O principio de controle é igual ao
do controle com encoder.
Controle Vetorial
encoder)
Orientado
ao
Fluxo
Rotórico
(com
Princípio da Orientação de campo
Se a posição do fluxo rotórico for conhecida pode se encontrar a
direção das correntes no estator. Podemos decompor do vetor de fluxo
rotórico as correntes isd e isq que definem o torque como:
Temos para o torque uma relação semelhante ao de uma máquina
CC. Onde imr=corrente de magnetização. A corrente de
magnetização é controlada pela componente isd que pode ser
comparada com a tensão de campo do motor CC.
Neste caso controlando a amplitude do vetor da corrente
estatórica e sua fase e relação ao fluxo rotórico é possível controlar o
torque do motor de indução semelhante a uma máquina CC. Tendo
então o controle do torque, pode ser adicionado uma malha fechada de
velocidade desta forma obtendo um acionamento completo.
SELF-COMMISSIONING
O controle vetorial tem uma maior performance no acionamento
do motor de indução do que o controle escalar.
Nos diagramas de blocos vemos a existência de vários reguladores
PI que precisam ter seus valores de controle adequados para cada
acionamento para melhorar a estabilidade e boa resposta dinâmica. Para
isto é preciso estimar algumas variáveis. Neste caso precisa se ter um
bom conhecimento dos parâmetros do motor.
Com o sistema self-commissioning o próprio inversor mede os
parâmetros do motor. Para o ajuste dos reguladores, desta forma
facilitando a colocação em operação.
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88
Automação Industrial
As medições feitas pelo inversor vetorial são:
Medição da resistência estatórica;
Medição da indutância de dispersão total;
Ajuste dos reguladores de corrente;
Medição da corrente de magnetização;
Medição da constante rotórica;
Medição da constante mecânica.
Operação
Ajuste do regulador de velocidade
Embora o inversor com encoder através do self-commisioning é
necessário o ajuste dos parâmetros do regulador de velocidade em
função da aplicação.
Para o sistema com controle sensorless também é preciso um
ajuste fino, pois o inversor não estima a constante mecânica da carga.
Estes ajustes dos parâmetros P e I geram uma melhor estabilidade e
resposta dinâmica.
Operação Abaixo de 3Hz
O motor pode operar nesta freqüência desde que por um tempo
pequeno caso contrario o inversor perde a orientação.
Precisão Estática de Velocidade
Depende apenas do método de medição e da precisão da
referencia de velocidade.
Ajuste Fluxo/Corrente de Magnetização/Enfraquecimento de
Campo
Quando o motor trabalha abaixo da rotação nominal com torque
constante deve se manter o fluxo do motor no seu valor máximo de
modo a manter uma boa relação entre torque e corrente estatórica.
Neste caso tem se que analisar a capacidade do inversor em impor as
correntes necessárias para que a orientação de campo não fique
prejudicada e tem-se como resultado uma oscilação de velocidade e a
impossibilidade de atingir a velocidade desejada. Neste ponto tem se
que o inversor deva ter uma margem de tensão suficiente para a
imposição das correntes mesmo na condição de tensão de rede baixa,
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89
Automação Industrial
para isso pode ser necessário reduzir o ponto de inicio do
enfraquecimento de campo.
Como vimos, o controle vetorial representa, sem duvida, um
avanço tecnológico significativo, aliado as performances dinâmicas de
um acionamento CC e as vantagens de um motor CA, porem, em alguns
sistemas que utilizam controle vetorial é necessário o uso de
tacogerador de pulsos acoplado ao motor para que se tenha uma melhor
dinâmica, o que torna o motor especial. Além disso, a função de
regeneração é mais complicada, pois requer circuitos
adicionais tais como ponte retificadora antiparalela na entrada e
hardware adicional para regeneração, em comparação a um
acionamento por motor CC e conversor CA/CC.
OBSERVAÇÕES E CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES
1) Quanto menor a tensão e a freqüência do estator, mais significativa é
a queda de tensão no estator, de modo que para baixas freqüências,
mantendo-se a proporcionalidade entre a freqüência e a tensão, o fluxo
e consequentemente o conjugado da máquina diminui bastante. Para
que isto seja evitado, a tensão do estator para baixas freqüências deve
ser aumentada, através da compensação IxR, conforme figura a seguir:
Figura - Curva característica U/f com compensação IxR
Para a faixa compreendida entre 0 a aproximadamente 10 Hz, a
relação entre U1 e F não é determinada facilmente, pois dependem
tanto de f1 (freqüência estatórica) como de f2 (freqüência rotórica).
Portanto, a elevação da tensão em baixas freqüências depende também
da freqüência do escorregamento e consequentemente da carga.
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Automação Industrial
2) Relações U1/f1 acima dos valores nominais estão limitadas em
função de que para altos valores de tensão ocorre a saturação e o
conseqüente enfraquecimento do campo. Combinando as equações já
apresentadas e com a consideração de pequenos valores de
escorregamento e supondo f2 proporcional a f1, podemos dizer que:
O conjugado máximo decresce com o quadrado da velocidade
(1/n2);
O conjugado nominal decresce hiperbólicamente com a velocidade
(1/n), e decresce aproximadamente com o quadrado do fluxo
(F2);
Aproximadamente, a velocidade máxima com potência constante
é:
ø
Figura - Enfraquecimento de campo para valores de tensão e freqüência
acima dos nominais.
3) Em função de que as formas de onda, tanto de tensão como de
corrente, produzidas pelos conversores de freqüência não são senoidais,
com um alto conteúdo de harmônicos de 5ª, 7ª, 11ª e 13ª ordem, as
perdas nos motores são maiores. Portanto, faz-se necessário uma
redução nas características nominais do motor de aproximadamente
10%.
4) O controle de velocidade de máquinas assíncronas, principalmente
em aplicações que exigem elevadas dinâmicas do acionamento, é mais
difícil do que nas máquinas de corrente contínua. Ao contrário do motor
CC, no qual as grandezas que resultam no conjugado motor, ou seja, a
corrente de armadura e corrente de campo podem ser controladas, no
motor assíncrono apenas a corrente do estator é acessível. A corrente
de magnetização e a corrente do rotor podem ser determinadas apenas
indiretamente.
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91
Automação Industrial
Entretanto, altas performances de acionamentos CA podem ser também
alcançadas quando, por processos de decomposição vetorial, a corrente
do estator é dividida em duas componentes, uma componente de fluxo e
outra de torque, onde ambas são controladas independentemente, de
forma análoga aos acionamentos com motores CC de excitação
independente.
CONSIDERAÇÕES
SOBRE
ACIONAMENTO
DE
MOTOR
MONOFÁSICO
O acionamento de motores monofásicos não pode ser feito através
da utilização de conversores de freqüência, devido aos princípios físicos
de funcionamento (partida) do motor.
Em motores monofásicos, a partida é efetuada através da
utilização de um enrolamento estatórico auxiliar e de um capacitor de
partida, que de uma forma genérica, causam uma deformação no campo
girante do motor, que por sua vez produz torque. Após o processo de
partida, quando o motor atinge uma determinada velocidade, um
contato auxiliar (centrífugo) desconecta o enrolamento auxiliar e o
capacitor da rede, operando o motor apenas com o enrolamento
principal conectado à rede.
Caso fosse utilizado um conversor de freqüência, o mesmo teria
de ter sua saída monofásica e haveria a necessidade da utilização do
enrolamento auxiliar e do capacitor para a partida (criação de campo
girante). Como a tensão de saída do conversor possui uma forma de
onda pulsante (PWM), a utilização do capacitor se torna proibitiva, pois
os pulsos de tensão causariam a destruição do capacitor.
Estrutura interna básica do inversor de freqüência
A estrutura básica de um inversor de freqüência pode ser vista na
figura abaixo:
O diagrama de blocos da figura acima mostra as partes componentes deste
dispositivo.
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Automação Industrial
O retificador da figura acima gera uma tensão contínua que é
posteriormente filtrada e introduzida no bloco seguinte, chamado de
Inversor.
O inversor é composto de seis chaves implementadas numa
configuração como mostrada na figura.
Dependendo da combinação de chaves abertas ou fechadas pode
se obter na saída do inversor formas de onda diferentes. Estas chaves
são implementadas nos inversores de freqüência com dispositivos
semicondutores chamados de transistores de potência. Existem várias
tecnologias de fabricação para este tipo de transistores.
Tipos de inversor de freqüência
Um conversor de freqüência converte a tensão da rede de
amplitude e freqüência constantes em uma tensão de amplitude e
freqüência variáveis. Esta conversão, pode ser obtida direta ou
indiretamente:
Conversão Direta: onde se enquadram os cicloconversores;
Conversão Indireta: onde se enquadram os conversores com
Circuito Intermediário.
Figura- a) Cicloconversor b) Formação da tensão
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Automação Industrial
CONVERSOR REGULADOR DIRETO – CICLOCONVERSORES
O cicloconversor é um conversor regulador direto comutado pela
rede, isto é, a tensão de comutação é fornecida diretamente pela rede
de alimentação.
Conforme a figura acima, ele consiste de 6 pontes trifásicas as
quais em pares alimentam cada uma das fases da carga. As duas
pontes, de cada fase, assim operam em um circuito antiparalelo, isto é,
uma ponte fornece a corrente positiva e a outra ponte fornece a
corrente negativa do meio ciclo de uma fase da carga (motor).
As tensões de saída são obtidas pelo controle dos pulsos da tensão
secundária do transformador do conversor. A freqüência de saída pode
ser determinada pela seleção dos intervalos de mudança da ponte direta
para a ponte reversa. Este tipo de conversor é usado principalmente
onde baixas freqüências (0 a 20Hz) são ajustadas continuamente e em
acionamentos de grandes potências. Isto se deve ao fato de que para
freqüências maiores que 20Hz, o intervalo de disparo dos tiristores para
geração de uma onda fundamental de tensão já não é mais possível,
pois ocorre uma distorção excessiva na forma de onda de saída, não
existindo o comportamento de uma senóide.
Exemplos de utilização:
Laminadores de Tubo, com motores síncronos a baixa velocidade
(12 a 20 rpm);
Refundição de Escórias, onde freqüências de 0 a 10 Hz são
requeridas;
Moinhos de cimento, com motores síncronos de baixa rotação
(velocidade até 15 rpm), com elevado número de pólos.
CONVERSOR REGULADOR INDIRETO - CONVERSORES COM
CIRCUITO INTERMEDIÁRIO
O conversor indireto é composto de um retificador (controlado ou
não) que produz uma tensão contínua, e um inversor que produz a
partir desta tensão contínua uma tensão alternada de freqüência
variável. O desacoplamento entre o retificador e o inversor é feito com
um circuito intermediário (link DC), de tal forma que a formação da
tensão de saída é completamente independente da rede em termos de
tensão e freqüência.
Os conversores indiretos podem ainda ser classificados quanto às
características de seu circuito intermediário :
Circuito Intermediário com Corrente Imposta;
Circuito Intermediário com Tensão Imposta;
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TÉCNICA DE CORRENTE IMPOSTA
Contrariamente ao conversor de freqüência de tensão imposta
(conversores convencionais - vide item 2.2.2), onde a tensão do circuito
intermediário CC é imposta ao motor e a amplitude e o ângulo de fase
da corrente do motor depende da carga, nos conversores de freqüência
de corrente imposta, a corrente é imposta ao motor e
consequentemente a amplitude e o ângulo de fase da tensão do motor é
que dependem das condições de carga do motor.
Basicamente, o conversor é composto de um retificador controlado
(tiristores), um circuito intermediário CC com uma indutância
responsável pela corrente imposta, e de um inversor com diodos de
bloqueio e capacitores de comutação, conforme descrito na figura:
Figura- a) Blocodiagrama de conversor por corrente imposta
b) Formas de onda de tensão e corrente.
Os diodos de bloqueio servem para desconectar os capacitores do
motor. Como este circuito a relação de fase entre a tensão e a corrente
do motor ajusta-se automaticamente de acordo com a carga este
conversor é capaz de devolver energia à rede. Isto acontece se o ângulo
de fase está acima de 90o elétricos para s<0 (máquina operando como
gerador). A polaridade da tensão do circuito intermediário inverte para
que o retificador de entrada (ponte de tiristores) opere como inversor e
devolva energia à rede. Portanto, este conversor está apto a operar nos
4 quadrantes sem custos adicionais.
Através do inversor, a corrente definida no circuito intermediário
resulta, em cada fase, em blocos de corrente (forma retangular) com
120º de duração e 60º de repouso. A tensão nos bornes da máquina é
quase senoidal.
Como o dispositivo de comutação opera em função da carga, este
conversor
é
mais
adequado
a
acionamentos
monomotores.
Comparando-se com os conversores de freqüência por tensão imposta,
ele apresenta as seguintes vantagens:
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Automação Industrial
a) Possibilidade de operação nos quatro quadrantes sem a necessidade
de incremento de equipamentos adicionais;
b) Circuito de comutação extremamente simples e de custo
relativamente pequeno;
c) Os tiristores do inversor tem aproveitamento otimizado quando a sua
capacidade em função da forma retangular da corrente.
E as seguintes desvantagens:
a) O conversor e o motor devem ser adaptados um ao outro, com a
corrente podendo variar dentro de certos limites;
b) Os capacitores de comutação tem que estar dimensionados de
acordo com as
reatâncias de dispersão do motor;
c) Adequado ao acionamento de um único motor (caracterizando-se
desvantagem quando a aplicação requer acionamento multimotor onde
não exista compromisso
de funcionamento sempre de todos os motores).
Para o controle de motores síncronos o conversor de freqüência de
corrente imposta possui no inversor pontes convencionais de tiristores,
uma vez que o motor síncrono pode fornecer a potência reativa exigida
pelo inversor para sua comutação e, portanto, sem os capacitores de
comutação e diodos de bloqueio necessários para o controle de
máquinas assíncronas.
Este conversor de freqüência tem aplicação garantida onde as
exigências da carga são atendidas de forma melhor pelos motores
síncronos. As razões principais para a escolha deste tipo de motor são :
Acionamento de grande potência aliada a uma alta velocidade;
Em motores de grande potência, estes dispõem de um rendimento
consideravelmente maior do que o de um motor de indução
(assíncrono);
Características torque-velocidade durante a partida sensivelmente
melhor do que nos motores de indução;
Possibilidade de geração de potência reativa.
TÉCNICA DE TENSÃO IMPOSTA
Através de um conversor de freqüência de tensão imposta, a
tensão do circuito intermediário CC (link DC) é imposta ao motor e a
amplitude e o ângulo de fase da corrente do motor dependerá da carga
a ser acionada.
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Automação Industrial
Sendo necessário para este tipo de conversor a característica de
se manter a relação U/f constante, para se manter o fluxo de
magnetização constante e consequentemente o torque disponível no
motor igual ao nominal para qualquer rotação (conforme visto
anteriormente), temos que a tensão deve variar proporcionalmente com
relação a freqüência.
Nos sistemas com tensão imposta existem várias formas de se
obter esta relação U/f (tensão/freqüência) proporcional. Entre elas
temos :
TENSÃO NO CIRCUITO INTERMEDIÁRIO VARIÁVEL
Neste sistema, o retificador de entrada é composto por tiristores
que são controlados de forma a fornecer uma tensão no circuito
intermediário variável em função da freqüência de saída fornecida ao
motor, freqüência esta que é determinada através da ponte de tiristores
que comutam (liga/desliga) em uma seqüência controlada, de forma a
se obter na saída um sistema trifásico com uma forma de onda de
tensão conforme descrito abaixo.
Com este sistema, é possível também utilizar-se uma ponte
retificadora controlada na entrada com tiristores ligados em antiparalelo,
podendo-se obter frenagem regenerativa com este conversor.
Figura- a) Retificador controlado direto b) Retificador controlado
antiparalelo
Figura- Forma de onda de tensão e de corrente de saída com circuito
intermediário variável
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97
Automação Industrial
Um outro sistema que utiliza circuito intermediário variável é o
descrito a seguir:
Figura - Conversor com circuito intermediário variável através de
"CHOPPER"
Através deste sistema, a entrada é formada por um retificador não
controlado com uma ponte de diodos, obtendo-se uma tensão Ud1 fixa.
Em seguida esta tensão é modificada em função da freqüência de saída
através do circuito CHOPPER, que é um conversor CC/CC, obtendo-se a
tensão intermediária variável Ud2, que é aplicada à saída com
freqüência variável através da ponte de transistores que comutam
(liga/desliga) em uma seqüência controlada, de forma a se obter na
saída um sistema trifásico com uma forma de onda de tensão conforme
descrito anteriormente.
Inversor de Freqüência
TENSÃO NO CIRCUITO INTERMEDIÁRIO CONSTANTE
Com este sistema, a tensão no circuito intermediário é constante e
obtida através de uma ponte de diodos e um banco de capacitores que
formam o circuito intermediário (link DC).
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Automação Industrial
Sensores Aplicados na Automação Industrial
O que são sensores?
São componentes que captam as informações necessárias no
decorrer do processo automatizado e enviam ao circuito elétrico de
controle.
Os sensores podem ser:
Sensores
Proximidade
Óticos
Temperatura
Pressão
Nível
Encoder
SENSORES PROXIMIDADE
Sensores de proximidade são dispositivos eletrônicos utilizados
para detecção de objetos, corpos ou volumes, sem que haja contato
físico entre o objeto detectado e o sensor. Os sensores de proximidade
são divididos em três principais grupos, conforme características
construtivas e o tipo de material que são capazes de detectar:
1) Sensores de Proximidade Indutivos: utilizam o processo de
indução eletromagnética e são utilizados para detecção de corpos ou
materiais metálicos. existem no mercado sensores de 6,5 mm de
diâmetro até 150mm.
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99
Automação Industrial
2) Sensores de Proximidade Capacitivos: utilizam o processo
de acoplamento capacitivo e são utilizados para detecção de qualquer
tipo de substância ou material, metálico ou não-metálico, sólido ou
líquido. Hoje já existem no mercado sensores capacitivos a partir de
12mm de diâmetro.
SENSORES ÓTICOS
Utilizam o processo de emissão e recepção de raios infravermelhos,
podendo ser refletida ou interrompida ou refletida pelo objeto a ser
detectado e são utilizados para detecção de qualquer tipo de material.
Este tipo de sensor é composto por dois circuitos básicos: um
transmissor (Diodo emissor de Luz - LED), responsável pela emissão do
feixe de luz, e o receptor (fototransistor ou fotodiodo), responsável pela
recepção do feixe de luz.
Sistema de Barreira
Sistema de Difusão
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100
Automação Industrial
Principais vantagens
-
Acionamento sem contato físico;
Chaveamento eletrônico totalmente em estado sólido;
Alta durabilidade;
Baixíssima manutenção;
Alta velocidade de comutação.
TEMPERATURA
Os sensores de temperatura podem ser classificados, de um modo
geral, em mecânicos e eletrônicos. Os sensores mecânicos mais usados
são os seguintes:
1. bimetal
2. enchimento termal
3. haste de vidro
Os sensores elétricos mais usados são:
1. termopar
2. resistência metálica
3. termistores ou resistência a semicondutor
Há ainda os pirômetros ópticos e de radiação, para medição de
temperatura sem contato direto.
Faixas e métodos de medição
Método
Faixa de Medição oC
Termopares
-200 a 1700
Enchimento Termal
-195 a 760
Resistência Detectora
-250 a 650
Termistores
-195 a 450
Pirômetros Radiação
-40 a 3000
Característica dos Termopares
A escolha de um termopar
para um determinado serviço, deve
ser feita considerando todas as
possíveis
variáveis
e
normas
exigidas pelo processo, portanto
fornecemos alguns dados para
orientação na escolha correta dos
mesmos.
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101
Automação Industrial
A tabela abaixo relaciona os tipos de termopares e a faixa de
temperatura usual, com as vantagens e restrições.
Tipo
J
Elemento + Elemento Ferro (+)
Constantan()
Faixa de
Temperatura
0 à 760°C
Características
Restrições
Podem ser usados em atmosferas 1)Limite máximo de
oxidantes, redutores, inertes, e no utilização
em
vácuo. Não devem ser usados em atmosfera oxidante de
atmosferas sulforosas e não se 760°C devido à rápida
recomenda o uso em temperaturas oxidação
do
ferro.
abaixo de zero grau
2)Utilizar
tubo
de
proteção
acima
de
480°C
Tipo
K
Elemento + Elemento Chromel
(+)
Alumel(-)
Faixa de
Temperatura
-50 à 126°C
Características
Restrições
Recomendável
em
atmosferas
oxidantes ou inertes. Ocasionalmente
podem ser usados abaixo de zero
grau. Não devem ser utilizados em
atmosferas sulfurosas. Seu uso no
vácuo é por curto período de tempo.
1)Vulnerável
em
atmosfera sulfurosa e
gases como SO2 e
H2S1
requerendo
substancial
proteção
quando
utilizado
nessas condições.
Sensor de temperatura em fio de platina
Princípio de funcionamento
A resistividade dos metais varia com a temperatura. O coeficiente
de temperatura deste tipo de sensor é positivo.
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Automação Industrial
RT = Ro (1+aT+bT2)
A platina é um metal especialmente indicado para a construção de
sensores de temperatura, pois se pode refinar até atingir grande pureza.
Deste modo o valor da resistividade consta em tabelas universais
(que não dependem, portanto do fabricante do sensor).
ºC
/ ºC
0
100
0,391
100
138,51
0,374
200
175,86
0,368
Tc = (R100-Ro)/(100*Ro).
Termistor
De acordo com a IEC 751 o coeficiente de temperatura é de: Tc =
0.003850/°C.
Pressão
Pressão é força por unidade de área. Os sensores de pressão
eletrônicos podem ser de todos tipos distintos ativos e passivos. O
sensor ativo é aquele que gera uma milivoltagem sem necessitar de
nenhuma polarização ou alimentação. O sensor eletrônico passivo é
aquele que varia a resistência, capacitância ou indutância em função da
pressão aplicada. Ele necessita de uma tensão de alimentação para
funcionar.
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103
Automação Industrial
Os pressostatos são disponíveis para detectar pressão absoluta,
composta, manométrica ou diferencial, com precisões típicas de 0,5%
da amplitude de faixa.
O conjunto de chaveamento elétrico pode ser chaves a mercúrio
ou microchave, mecânica liga-desliga. As chaves de mercúrio não
contem partes mecânicas móveis e devem ser usadas em lugares livres
de vibrações e montadas em nível.
A faixa ajustável é a faixa de pressão dentro da qual o ponto de
ajuste pode ser referido. O ponto de ajuste é a pressão que atua a
chave para abrir ou fechar um circuito elétrico. O pressostato pode atuar
em seu ponto de ajuste pelo aumento da pressão ou pela sua
diminuição.
As características elétricas de um pressostato típico são: 115 V,
com correntes de 0,3 a 10A em corrente continua ou alternada.
Cristal piezoelétrico
O cristal piezoelétrico é um elemento sensor de pressão eletrônico
que gera uma milivoltagem em função da pressão mecânica aplicada.
Na prática, ele é pouco usado em medições industriais, por causa de seu
alto custo. Ele é tipicamente usado em agulhas de toca-discos.
Strain gage
O strain gage é elemento sensor de pressão eletrônico mais
usado. Ele varia sua resistência elétrica quando submetido à pressão
positiva (compressão) ou negativa (descompressão). O strain gauge
pode ser usado para medir torque, peso, velocidade, aceleração, além
da pressão. O strain gauge é ligado ao circuito detetor clássico da Ponte
de Wheatstone, que requer a tensão de polarização em corrente
contínua ou alternada.
(a) Esquema simplificado
(b) Montagem
NÍVEL
Os métodos de medição de nível também são numerosos. Há
dezenas de diferentes princípios de operação, alguns muito antigos e
outros recentes e ainda não comprovados.
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104
Automação Industrial
Comercialmente, os princípios básicos de medição de nível são os
seguintes:
1. visor
2. bóia
3. pressão diferencial
4. borbulhamento (pressão diferencial)
5. deslocador, (força de empuxo)
6. radiação nuclear
7. radar
8. ultra-sônico
9. capacitivo
10.laser
ENCODER
O encoder é transdutor que converte um movimento angular ou
linear em uma série de pulsos digitais elétricos. Esses pulsos gerados
podem ser usados para determinar velocidade, taxa de aceleração,
distância, rotação, posição ou direção.
As principais aplicações dos encoders são:
- em eixos de Máquinas Ferramentas NC e CNC;
- em eixos de Robôs;
- controle de velocidade e posicionamento de motores elétricos;
- posicionamento de antenas parabólicas, telescópios e radares;
- mesas rotativas; e
- medição das grandezas acima mencionadas de forma direta ou
indireta.
O sistema de leitura é baseado em um disco (encoder rotativo),
formado por janelas radiais transparentes e opacas alternadas. Este é
iluminado perpendicularmente por uma fonte de luz infravermelha,
quando então, as imagens das janelas transparentes são projetadas no
receptor. O receptor converte essas janelas de luz em pulsos elétricos.
Os encoders podem ser divididos em encoders incrementais e absolutos.
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Automação Industrial
ENCODERS INCREMENTAIS
O encoder incremental fornece normalmente dois pulsos
quadrados defasados em 90º, que são chamados usualmente de canal A
e canal B. A leitura de somente um canal fornece apenas a velocidade,
enquanto que a leitura dos dois canais fornece também o sentido do
movimento.
A resolução do encoder incremental é dada por pulsos/revolução
(normalmente chamado de PPR), isto é, o encoder gera uma certa
quantidade de pulsos elétricos por uma revolução dele próprio (no caso
de um encoder rotativo).
Encoder Incremental
ENCODERS ABSOLUTOS
O princípio de funcionamento de um encoder absoluto e de um encoder
incremental é bastante similar, isto é, ambos utilizam o princípio das
janelas transparentes e opacas, com estas interrompendo um feixe de
luz e transformando pulsos luminosos em pulsos elétricos.
Encoder Absoluto
O encoder absoluto possui um importante diferencial em relação
ao encoder incremental: a posição do encoder incremental é dada por
pulsos a partir do pulso zero, enquanto a posição do encoder absoluto é
determinada pela leitura de um código e este é único para cada posição
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106
Automação Industrial
do seu curso; conseqüentemente os encoders absolutos não perdem a
real posição no caso de uma eventual queda da tensão de alimentação
(até mesmo se deslocados). Quando voltar a energia ao sistema, a
posição é atualizada e disponibilizada para o mesmo (graças ao código
gravado no disco do encoder) e, com isso, não se precisa ir até a
posição zero do encoder para saber a sua localização como é o caso do
incremental.
TIPOS DE SAÍDAS DE SINAL
Independentemente do tipo de encoder a ser utilizado, este tem
que enviar os pulsos ou os valores de contagem através de um circuito
eletrônico de saída do sinal, para que a posterior interpretação dos
dados seja feita por uma placa de um PLC, CNC, Robô ou até mesmo
circuitos dedicados com microcontroladores.
A tendência hoje é a utilização de encoder com saída para rede Fieldbus
como, por exemplo:
-
Interbus;
Profibus;
Device Net;
CAN.
A escolha para essas redes de campo deve-se ao fato de que com
elas há uma economia de cabos circulando entre o campo e seu painel
elétrico.
ENCODER UTILIZANDO INTERFACE PADRÃO RUGGED PARA A REDE INTERBUS
Nos encoders absolutos existem uma grande quantidade de fios a serem
conectados, e com o uso do Fieldbus diretamente ao encoder não
precisamos de tais conexões.
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Automação Industrial
CHECK-LIST PARA A ESPECIFICAÇÃO DE UM ENCODER
1- Em uma eventual falha da alimentação do equipamento, o valor do
posicionamento poderá ser perdido ?
2- Sua máquina utiliza algum tipo de rede Fieldbus ? Qual ?
3- Resolução do encoder.
4- Precisão que o mesmo requer.
5- Repetitibilidade do encoder.
6- Diâmetro do eixo a ser acoplado ao encoder (caso encoder rotativo).
7- Velocidade máxima mecânica do acoplamento.
8- Índice de proteção da caixa do encoder (IP).
9- Temperatura de operação.
10- Fixação mecânica.
11- Conexão elétrica Radial ou Axial.
12- Alimentações do encoder e seu consumo (normalmente 5 V, 12 V e
24 V).
13 - Tipo de saída e a carga máxima.
14- Se o encoder for absoluto, qual o tipo de código de saída ? Gray ou
binário?
15- O encoder estará em área classificada?
Encoder com haste prolongada
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Automação Industrial
CENTEC – CENTRO DE ENSINO DE TECNOLOGIAS
Elaboração e diagramação: Robson Wagner
Finalização: Robson Wagner
“Sempre estudem e nunca abusem”
Robson Wagner – instrutor e diretor do Centec cursos
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