UNIVERSIDADE POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
EDER GODOY
LEONARDO FRANCISCO SANTOS
SISTEMA DE TESTE DE MOTORES DE INDUÇÃO TRAFÁSICO DE 1 HP
CURITIBA
2010
EDER GODOY
LEONARDO FRANCISCO SANTOS
SISTEMA DE TESTE DE MOTORES DE INDUÇÃO TRAFÁSICO DE 1 HP
Trabalho apresentado ao curso de graduação em
Engenharia Elétrica da Universidade Positivo, para
fins de avaliação parcial na disciplina de Trabalho
de Conclusão de Curso (TCC), como requisito à
obtenção do grau de Engenheiro Eletricista, sob a
orientação da Profa. Ana Cristina Fermino
Deschamps.
CURITIBA
2010
Dedicamos este trabalho a nossas famílias e a
todos os colegas que nos acompanharam nesta
grande jornada rumo ao sucesso.
RESUMO
GODOY, Eder; SANTOS, Leonardo Francisco. Sistema de Teste de Motores de Indução
Trifásicos de 1 HP. 2010. 55 p. Curso superior de Engenharia Elétrica - Departamento de
Engenharia Elétrica – Universidade Positivo.
Este projeto tem como objetivo mostrar detalhadamente como foi desenvolvido uma
bancada para teste de motores de indução trifásico de 1 HP. Para tanto, foram desenvolvidos
um hardware e um software para medição de corrente, tensão, velocidade de rotação, torque e
potência mecânica. O software, além de controlar a alimentação do freio eletromagnético e a
partida do motor, permite a representação em gráfico das grandezas medidas, o
armazenamento dos resultados obtidos em banco de dados e o registro dos mesmos em
relatório para cada teste de motores.
Palavras-Chave
Bancada de testes, Freio eletromagnético, Motores de indução
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – CURVA DO TORQUE (CONJUGADO) DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO................... 13 FIGURA 2 – REPRESENTAÇÃO FÍSICA DO FREIO ELETROMAGNÉTICO ............................................... 14 FIGURA 3 – VISÃO GERAL DO PROJETO DIVIDIDA EM BLOCOS ........................................................... 17 FIGURA 4 – DIAGRAMA DE PARTIDA DIRETA DO MOTOR ..................................................................... 19 FIGURA 5 – ESQUEMA DE LIGAÇÃO DO MICROCONTROLADOR .......................................................... 20 FIGURA 6 – DIAGRAMA DO CIRCUITO DE MEDIÇÃO DE CORRENTE ................................................... 21 FIGURA 7 – DIAGRAMA DO CIRCUITO DE MEDIÇÃO DA TENSÃO........................................................ 22 FIGURA 8 – DIAGRAMA DO CIRCUITO DE MEDIÇÃO DE VELOCIDADE................................................ 23 FIGURA 9 – DIAGRAMA DO FREIO ELETROMAGNÉTICO ........................................................................ 24 FIGURA 10 – DIAGRAMA DO CIRCUITO DE CÉLULA DE CARGA ............................................................ 26 FIGURA 11 – FLUXOGRAMA DO FUNCIONAMENTO DO SOFTWARE ...................................................... 28 FIGURA 12 – FLUXOGRAMA DO FUNCIONAMENTO DO FIRMWARE ...................................................... 29 FIGURA 13 – DIAGRAMA EM BLOCOS DA MONTAGEM DAS PLACAS ................................................... 30 FIGURA 14 – LAYOUT DA PCI DO CIRCUITO DE MEDIÇÃO DA TENSÃO ................................................. 31 FIGURA 15 – LAYOUT DA PCI DO CIRCUITO DO AMPLIFICADOR DA CÉLULA DE CARGA................. 32 FIGURA 16 – LAYOUT DA PCI DO CIRCUITO AUXILIAR ............................................................................. 33 FIGURA 17 – FITA ADESIVA COM LISTRAS PRETAS E PRATEADAS ....................................................... 34 FIGURA 18 – CIRCUITO PARA PARTIDA DIRETA DO MOTOR................................................................... 34 FIGURA 19 – ESQUEMA DE ALIMENTAÇÃO DO FREIO.............................................................................. 35 FIGURA 20 – CIRCUITO DE CONTROLE DA INTENSIDADE DO FREIO ELETROMAGNÉTICO............. 35 FIGURA 21 – LAYOUT DA PCI DO CIRCUITO DO MICROCONTROLADOR ............................................... 36 FIGURA 22 – LAYOUT DA PCI DO CIRCUITO DA FONTE SIMÉTRICA DE ALIMENTAÇÃO ................... 37 FIGURA 23 – BLOCOS DE DESENVOLVIMENTO DO FIRMWARE............................................................... 37 FIGURA 24 – JANELA INICIAL ......................................................................................................................... 40 FIGURA 25 – JANELA DE TESTES.................................................................................................................... 40 FIGURA 26 – JANELA DO BANCO DE DADOS............................................................................................... 41 FIGURA 27 – JANELA DE LOCALIZAÇÃO DE REGISTROS ......................................................................... 41 FIGURA 28 – JANELA DE RELATÓRIO ........................................................................................................... 42 FIGURA 29 – JANELA DE TESTE MOSTRANDO RESULTADOS DE UM TESTE SEM CARGA................ 49 FIGURA 30 - COMPARAÇÃO DOS VALORES DO SISTEMA E OS VALORES MEDIDOS ......................... 49 FIGURA 31 – JANELA DE TESTE MOSTRANDO TESTE REALIZADO COM CARGA (UMA FASE) ........ 50 FIGURA 32 – COMPARAÇÃO DOS VALORES DO SISTEMA E OS VALORES MEDIDOS, TESTE COM
CARGA (UMA FASE) ................................................................................................................................ 50 FIGURA 33 – JANELA DE TESTE MOSTRANDO TESTE REALIZADO COM CARGA (UMA FASE) ........ 51 FIGURA 34 – COMPARAÇÃO DOS VALORES DO SISTEMA E OS VALORES MEDIDOS, TESTE COM
CARGA (DUAS FASES) ............................................................................................................................ 51 FIGURA 35 – DEMONSTRAÇÃO DE UM TESTE COMPLETO ...................................................................... 52 FIGURA 36 – VALORES OBTIDOS ARMAZENADOS NO BANCO DE DADOS .......................................... 52 LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 – VALORES OBTIDOS PARA A TENSÃO DE ENTRADA E DE SAÍDA.................................... 31 QUADRO 2 – DESCRIÇÃO DOS CUSTOS ........................................................................................................ 43 QUADRO 3 – RELAÇÃO ENTRE OS VALORES DO ADC E OS VALORES DE TENSÃO............................ 45 QUADRO 4 – RELAÇÃO ENTRE OS VALORES ADC E OS VALORES DE TORQUE.................................. 47 LISTA DE GRÁFICOS
GRÁFICO 1 – VALORES ADC VERSUS TENSÃO ............................................................................................ 46 GRÁFICO 2 – VALORES ADC VERSUS TORQUE............................................................................................ 47 GRÁFICO 3 – GRÁFICO DO CONJUGADO DO MOTOR TESTADO ............................................................. 48 LISTA DE SÍMBOLOS / ABREVIATURAS / SIGLAS
A
C
CI
F
fem
Ganho
HP
ℓ
PWM
R
- Ampére
- Capacitância
- Circuito Integrado
- Força
- Força eletro-motriz
- Fator multiplicativo sobre tensão lida da célula de carga;
- Horse Power
- Distância
- Modulação por Largura de Pulso
- Resistência
RGANHO - Resistência de Ganho
SSENSB
T
- Sensibilidade da célula de carga
- Transistor
TAPLI
TC
TP
USB
- Tensão aplicada na célula de carga
- Transformador de Corrente
- Transformador de Potência
- Universal Serial Bus
VCA
- Tensão de Corrente Alternada
VCC
- Tensão de Corrente Contínua
VIN
- Tensão de Entrada
VMAX
- Tensão máxima retornada pela célula à carga total
VOUT
- Tensão de Saída
VREF
Τ
- Tensão de referência usada pelo circuito analógico nas conversões
- Torque
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..........................................................................................................10 1.1 PROBLEMA ...............................................................................................................10 1.2 JUSTIFICATIVA ....................................................................................................... 10 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.................................................................................... 11 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.............................................................................12 2.1 MOTORES DE INDUÇÃO .......................................................................................12 2.2 2.3 2.4 MEDIÇÃO DE VELOCIDADE................................................................................ 12 TORQUE E POTÊNCIA DE MOTORES ...................................................................13 FREIO ELETROMAGNÉTICO ..................................................................................14 2.5 MEDIÇÃO DE CORRENTE E TENSÃO ............................................................... 15 2.6 BANCO DE DADOS .................................................................................................. 15 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.4 3.4.1 ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS ............................................................................. 16 VISÃO GERAL DO PROJETO...................................................................................16 descrição funcional dos blocos ..................................................................................... 17 Bloco A – Motor de Indução ........................................................................................ 17 Bloco B – Controle ....................................................................................................... 17 Bloco C – Sensoriamento ............................................................................................. 18 Bloco D – Acionamento do Freio................................................................................. 18 Bloco E – Acionamento da Célula de Carga ................................................................ 18 Bloco F – Software ....................................................................................................... 18 DIMENSIONAMENTO E MEMORIAL DE CÁLCULO .......................................... 18 Circuito para o Acionamento do Motor........................................................................ 19 Bloco de Controle (Microcontrolador) ......................................................................... 19 Circuito de Medição de Corrente.................................................................................. 20 Circuito para Medição de Tensão................................................................................. 22 Circuito para Medição de Velocidade .......................................................................... 22 Circuito de Acionamento do Freio Eletromagnético....................................................23 Circuito da Célula de Carga.......................................................................................... 24 programação ................................................................................................................. 27 Planejamento ................................................................................................................ 27 4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.1.8 4.1.9 IMPLEMENTAÇÃO .................................................................................................30 MONTAGEM DO HARDWARE ................................................................................. 30 Placa de Medição da Tensão ........................................................................................ 31 Placa do Amplificador da Célula de Carga .................................................................. 32 Placa do Circuito Auxiliar ............................................................................................ 32 Medição de Velocidade ................................................................................................ 33 Medição de Corrente .................................................................................................... 34 Acionamento do Motor................................................................................................. 34 Acionamento do Freio Eletromagnético.......................................................................35 Placa do Microntrolador ............................................................................................... 36 Placa da Fonte de Alimentação ....................................................................................37 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.4 DESENVOLVIMENTO DO FIRMWARE................................................................... 37 Leitura de Dados........................................................................................................... 38 Comunicação e Envio de Dados................................................................................... 38 Acionamentos ............................................................................................................... 39 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE................................................................... 39 Janelas........................................................................................................................... 39 Leitura de Dados........................................................................................................... 42 Envio de Dados............................................................................................................. 42 Banco de Dados ............................................................................................................ 43 CUSTOS DO PROJETO .............................................................................................. 43 5 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 RESULTADOS E VALIDAÇÃO..............................................................................45 VALIDAÇÃO .............................................................................................................. 45 Relação entre os Valores do ADC e os Valores de Tensão.......................................... 45 Relação entre os Valores do ADC e os Valores de Corrente .......................................46 Relação entre os Valores ADC e os Valores de Torque...............................................47 resultados OBTIDOS.................................................................................................... 48 Teste Realizado sem Carga .......................................................................................... 48 Teste Realizado com Carga Alimentada por uma Fase................................................50 Teste Realizado com Carga Alimentada por duas Fases..............................................51 Resultado Geral ............................................................................................................ 52 6 CONCLUSÃO............................................................................................................. 53 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 54 10
1
INTRODUÇÃO
Este capítulo apresenta a proposta do trabalho de conclusão de curso de
Engenharia Elétrica, contendo o problema a ser solucionada, a justificativa para a realização
do trabalho e os objetivos a serem alcançados.
1.1 PROBLEMA
Os motores de indução trifásicos são definidos, assim como os demais motores
elétricos, como máquinas que recebem energia elétrica e produzem energia mecânica. Suas
aplicações abrangem ambientes industriais, comerciais, residenciais e processos específicos
de automação. Uma placa, fixada em sua carcaça, contém informações sobre suas
características e desse modo é possível definir o tipo ideal de motor para cada aplicação
(FILIPPO FILHO, p. 03, 2000).
De um motor para outro, mesmo tendo as mesmas especificações, podem existir
pequenas variações nas características de funcionamento, como não se trata de um sistema
ideal, essas variações provem de processos de fabricação/recondicionamento ou por desgastes
naturais de utilização. Para verificar as variações das características de funcionamento, é
necessário realizar testes para levantar os dados reais do motor. Se estes testes forem
realizados periodicamente, é possível criar um histórico de acompanhamento e,
conseqüentemente, detectar falhas.
1.2 JUSTIFICATIVA
No setor de manutenção industrial existem três tipos de manutenção de equipamentos:
preditiva, preventiva, e corretiva. Essas manutenções são realizadas para garantir o bom
funcionamento dos equipamentos e a qualidade no processo produtivo. Testar motores
elétricos é uma ação fundamental na manutenção de equipamentos, a fim de verificar-se se as
grandezas aferidas apresentam os valores esperados.
Para acompanhar o desempenho de um motor elétrico e garantir que o mesmo atenda
às exigências de um projeto são necessárias manutenções preditivas, ou seja, testes periódicos
para verificar se há alguma alteração nas características de funcionamento do motor. Os dados
levantados nos testes podem ser documentados, manualmente ou através de planilhas
11
eletrônicas, e posteriormente são armazenados em sistemas de controle de manutenção, em
arquivos digitais ou físicos, para que haja um histórico dos testes realizados.
A proposta deste trabalho está no contexto de teste de motores elétricos, que
contempla o desenvolvimento de um sistema capaz de monitorar a velocidade, tensão,
corrente, torque e potência do motor. Com as informações levantadas no teste será possível
verificar se ocorreu alguma alteração funcional do motor, e então, comparar os dados com
testes anteriores. O trabalho, também, contemplará o desenvolvimento de um software que
mostrará todos os dados coletados no ensaio. Assim, será criado um banco de dados com as
informações de cada teste realizado, gerando um histórico para cada motor testado. Desta
forma, serão evitadas as inconsistências que ocorrem no preenchimento manual de
formulários.
Devido ao alto custo de um sistema de teste para motores, a proposta é criar um
sistema próprio e de baixo custo, utilizando tecnologias e dispositivos estudados no curso de
Engenharia Elétrica, da Universidade Positivo. O projeto desenvolvido tem características
didáticas, podendo assim ser utilizado no laboratório de Eletrotécnica/Automação da
instituição.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
O principal objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema de testes com a
finalidade de levantar os dados de placa de motores de indução de 1 HP, comparando-se os
valores medidos com os valores informados pelo fabricante. Para tanto, será necessário
desenvolver:
a) os circuitos de aquisição e condicionamento de tensão e de corrente;
b) um circuito para monitorar a velocidade do motor;
c) um circuito de condicionamento dos valores de força, obtidos através da célula de carga;
d) um circuito de acionamento do sistema de freio acoplado ao motor;
e) o firmware para controlar o sistema e enviar informações para um computador;
f) o software para exibir os valores obtidos, criar relatórios e armazenar dados.
12
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo é apresentado o referencial teórico de todos os temas abordados
necessários ao desenvolvimento do projeto, de modo que o projeto seja realizado a partir de
fontes de pesquisa confiáveis.
2.1 MOTORES DE INDUÇÃO
A troca de energia entre um sistema elétrico e um sistema mecânico é feita por uma
conversão eletromecânica, através de um campo magnético de acoplamento. Este processo de
conversão pode ocorrer de um sistema mecânico para um sistema elétrico, então o dispositivo
conversor é chamado de gerador, e quanto ocorre o inverso, um sistema elétrico converte em
energia mecânica, o dispositivo é chamado de motor (DEL TORO, p. 107, 1994).
No universo dos motores elétricos, os motores de indução monofásicos e trifásicos são
os mais utilizados, respondendo por mais de 95% do total de motores instalados nos setores
industrial, comercial e rural. Robustez, menor custo, facilidade de instalação e manutenção
são fatores que aliados com as características operacionais permitem que os motores de
indução realizem o acionamento de praticamente todos os tipos de máquinas e equipamentos,
conseguindo assim uma empregabilidade unânime (FILIPPO FILHO, p. 03, 2000).
O sistema de testes proposto tem como finalidade levantar grandezas fundamentais de
motores de indução de 1 HP. Segundo Del Toro (p. 108, 1994), “as grandezas fundamentais
no sistema mecânico são torque e a velocidade, ao passo que as grandezas análogas nos
sistema elétrico são a corrente e a tensão, respectivamente”.
2.2 MEDIÇÃO DE VELOCIDADE
Existem várias formas de se medir velocidade de peças ou eixos, mas o método mais
simples é a partir de um sinal de posição, que pode ser emitido por qualquer transdutor de
posição. Para este tipo de medição de velocidade, é necessário um gerador de pulsos que
emita um número conhecido de pulsos em uma volta completa do eixo. Um sistema lógico
determina o tempo de amostragem, que conta os pulsos durante um determinado tempo. Para
medir a velocidade de rotação da peça primeiramente se obtém o número de pulsos contados
13
no período de amostragem e, então, esse número é divido pelos números de pulsos por volta
completa do eixo e o tempo de amostragem (WERNECK, p.121, 1996).
2.3 TORQUE E POTÊNCIA DE MOTORES
A medição de torque e potência do motor de indução, no do sistema de testes
proposto, envolve o cálculo de grandezas da física, conforme descrito a seguir.
O torque (τ) é o produto entre a força (F) e a distância perpendicular entre a linha de
ação da força e o eixo de rotação (ℓ), distância essa que também é chamada de braço de
alavanca, conforme a equação (1) (TIPLER, p. 241, 1999).
τ = F.ℓ
(Equação 1)
Baseado nesta equação é possível determinar o valor do torque ou conjugado de um
motor, onde este pode ser descrito conforme a figura 1.
FIGURA 1 – CURVA DO TORQUE (CONJUGADO) DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
FONTE: FILIPPO FILHO, 2000
A célula de carga conectada ao motor sofrerá uma força F e utilizando-se a Lei de
Hooke (TIPLER, p. 84, 1999) “um pequeno deslocamento em relação à posição de equilíbrio
provoca o aparecimento de uma força restauradora líquida que tende a fazer o corpo retornar à
posição de equilíbrio. Já o braço de alavanca (ℓ) é uma distância fixa do equipamento.
A potência (P) pode ser definida como o produto entre força (F) e velocidade (v), mas
como se trata de um corpo rígido girando com uma velocidade angular (ω) e sob a ação do
torque (τ), então, a potência pode ser medida conforme a equação (2) (BEER; JOHNSTON
JUNIOR, p. 632, 1991).
14
P = τ. ω
(Equação 2)
Para que ocorra este processo de medição de torque e potência o sistema proposto
precisará de um sistema de frenagem para que possa originar a força (F), a fim de simular a
carga no motor.
2.4 FREIO ELETROMAGNÉTICO
O freio eletromagnético apresentado na figura 2 é um sistema que realiza a frenagem
sem qualquer tipo de contato físico, tendo o seu funcionamento baseado na criação de
correntes parasitas, originadas por uma massa metálica (disco) que gira numa região na qual
existe um campo magnético produzido por eletroímãs. Neste processo, ocorre um
aquecimento do disco devido às correntes parasitas como consequência das forças
eletromotrizes (fem) induzidas, sendo essas correntes também chamadas de correntes de
Focault (MIODUSKI, p. 278, 1982).
FIGURA 2 – REPRESENTAÇÃO FÍSICA DO FREIO ELETROMAGNÉTICO
FONTE: SANTANA, 2010
O disco metálico girando próximo das bobinas induz uma fem no próprio disco,
conforme a lei de Faraday. A fem induzida originará uma corrente induzida, ou corrente
parasita, gerando um novo campo magnético que se oporá ao campo magnético indutor, de
acordo com a lei de Lenz. Essa lei, conforme Bogart Junior (1999, p.377), afirma que a
direção da corrente induzida por um condutor que se desloca através de um campo magnético
é tal que ela sempre cria oposição ao movimento que a produziu. A força que freia o disco é a
interação dos campos magnéticos criado pela bobina e pela corrente parasita.
15
2.5 MEDIÇÃO DE CORRENTE E TENSÃO
Para que o sistema de testes proposto obtenha os valores tensão e corrente, será
necessário empregar dispositivos que meçam essas grandezas. Segundo Mioduski (p. 24,
1982), “para se medir uma grandeza, é necessário um elemento sensível a sua variação e que
possa visualizá-la, esse elemento é chamado de sensor.”
Transformadores de Potencial (TP) e de Corrente (TC) realizam a redução de tensão e
corrente, respectivamente, assumindo a função de instrumentos de medição, além de proteger
circuitos de diferentes escalas (MEDEIROS FILHO, p. 29).
Após a aquisição dos dados, através dos transformadores, será necessário condicionar
as grandezas para que sejam lidas pelo sistema de controle do equipamento.
2.6 BANCO DE DADOS
A proposta do trabalho é realizar o levantamento das informações do motor e
armazenar os dados para consultas posteriores, para isso é necessário criar um banco de
dados. Segundo Mateus (p. 181, 2000), “Podemos encarar um banco de dados como uma
tabela na qual temos os dados classificados por linhas e colunas. As colunas representam os
campos em um banco de dados e as linhas representam os registros.”
A inclusão, exclusão e consulta dos registros devem ser feitas através do software a ser
desenvolvido que gerenciará as informações referentes a cada teste realizado no motor.
16
3
ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS
Este capítulo descreve as especificações técnicas do projeto proposto. Para tanto, são
apresentadas a visão geral e o detalhamento de cada bloco do projeto, bem como as
especificações dos componentes utilizados, as características do software e o memorial de
cálculo.
3.1 VISÃO GERAL DO PROJETO
O objetivo do projeto é desenvolver um sistema de testes que medirá o torque, a
corrente, a tensão e a potência mecânica, informações estas que constam na placa de dados do
motor de 1 HP. Para tanto, o microcontrolador, PIC 16F877A, será responsável pelo controle
de todo o processo. Considerando que o microcontrolador trabalha com tensões contínuas que
variam de 0 a 5 Volts, torna-se necessário desenvolver circuitos de condicionamento de sinais,
pois cada uma das medições será realizada de forma particular, cada qual com um
componente específico para determinada grandeza. A potência mecânica, segundo princípios
físicos, será medida através de um sistema de frenagem e aquisição de sinal de uma célula de
carga. Já para o acionamento deste freio, o microcontrolador, recebendo informação do
software, envia um sinal para o circuito de acionamento que define a intensidade de carga a
ser aplicada no motor.
Todos os dados coletados pelo microcontrolador serão enviados para um computador
via comunicação USB e no mesmo, o software apresentará os valores medidos. Além de
apresentar estes valores, o software armazenará os valores lidos em um banco de dados,
emitirá relatórios e verificará os testes realizados anteriormente.
O hardware será composto pelos seguintes estágios de:
a) acionamento do freio eletromagnético;
b) aquisição da velocidade;
c) aquisição do sinal da célula de carga;
d) monitoramento da tensão e corrente;
e) comunicação com o computador.
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3.2 DESCRIÇÃO FUNCIONAL DOS BLOCOS
A função dos blocos mostrados na figura 1 é apresentada nos itens a seguir.
FIGURA 3 – VISÃO GERAL DO PROJETO DIVIDIDA EM BLOCOS
FONTE: PRÓPRIA, 2010
3.2.1 Bloco A – Motor de Indução
Este bloco contém o motor de indução que é acionado, através de um circuito
específico, por um sinal enviado pelo microcontrolador.
3.2.2 Bloco B – Controle
Este é o bloco que controlará todo o sistema, recebendo sinais analógicos de tensões e
correntes emitidas pelos circuitos contidos nos blocos C, E e enviando sinais do freio, descrito
no bloco D.
18
3.2.3 Bloco C – Sensoriamento
É responsável pelo sensoriamento das grandezas que são constantemente monitoradas
pelo sistema, ou seja, contém os circuitos que realizam a leitura e o condicionamento dos
sinais dos sensores de velocidade, de corrente e da tensão do motor.
3.2.4 Bloco D – Acionamento do Freio
É composto pelo circuito que recebe um sinal, que define a intensidade de carga a ser
aplicada, do bloco B e adequa o mesmo para o acionamento do freio eletromagnético, que por
sua vez funciona com uma carga variável no motor.
3.2.5 Bloco E – Acionamento da Célula de Carga
Contém o circuito de leitura e condicionamento do sinal analógico da célula de carga,
que tem a função de medir o deslocamento do motor ocasionado pelo freio eletromagnético.
3.2.6 Bloco F – Software
Mostra
as
grandezas
medidas
numérica
e
graficamente,
possibilitando
o
armazenamento dos dados dos testes, a emissão de relatórios e a verificação dos testes
realizados anteriormente.
3.3 DIMENSIONAMENTO E MEMORIAL DE CÁLCULO
O dimensionamento e os cálculos realizados para cada bloco são demonstrados nos
itens a seguir.
19
3.3.1 Circuito para o Acionamento do Motor
Para o acionamento de motores de indução trifásica de até 2 HP, recomenda-se a
utilização de partida direta. Para tanto, será utilizado o circuito apresentado na figura 2.
FIGURA 4 – DIAGRAMA DE PARTIDA DIRETA DO MOTOR
FONTE: PRÓPRIA, 2010
No circuito de acionamento apresentado, um disjuntor tripolar D01 (5SX1-3) de 6 A
será usado para a proteção do motor contra curto-circuito e sobrecarga. Além disso, há um
contator Q1 (100-M09N3) para ligar/desligar o motor que é acionado por um relé R1
(AT1RC2-24VDC). O relé por sua vez é acionado, enquanto uma saída digital do
microcontrolador forçar um sinal de 5 VCC na base do transistor BC548. Com a saturação
deste, a corrente acionará a bobina do relé. Este circuito torna-se necessário porque o relé
deve ser alimentado em 24 VCC, mas a saída do microcontrolador é limitada em 5 VCC. Desta
maneira, será possível acionar o motor via software.
3.3.2 Bloco de Controle (Microcontrolador)
O microcontrolador definido para o projeto é o PIC 16F877A, da Microchip, sendo
utilizado o módulo didático da Universidade Positivo para simulações do firmware, testes e
20
para transferência do programa do firmware para o componente. Este microcontrolador foi
escolhido devido aos seguintes fatores:
a) conhecimento das características e da maneira de programação;
b) existência de um módulo didático para a simulação e testes das funções do firmware e
transferência do programa do firmware para o microcontrolador;
c) atende às necessidades de portas analógicas e digitais do projeto;
d) fácil aquisição do componente.
No Anexo 1 são descritas as características do microcontrolador PIC 16F877A e na
figura 3, é apresentada a conexão de cada um dos circuitos do projeto ao microcontrolador.
FIGURA 5 – ESQUEMA DE LIGAÇÃO DO MICROCONTROLADOR
FONTE: PRÓPRIA, 2010
3.3.3 Circuito de Medição de Corrente
Para que o microcontrolador meça a corrente consumida pelo motor, será necessário
desenvolver um circuito capaz de converter o sinal de corrente alternada em um sinal de
tensão. Desta maneira, será usado um transdutor de corrente da Weidmüller que é muito
empregado na indústria para a realização desta conversão.
Este transdutor simplifica o desenvolvimento do projeto, pois oferece uma resposta
linear para a medição de corrente. Como principais características destacam-se a alimentação
em 24 VCC e as saídas analógicas de 0 – 20 mA, 4 – 20 mA e 0 – 10 V. Neste projeto será
21
usada a saída em tensão (0 – 10VCC), pois a entrada analógica do microcontrolador trabalha
com níveis de tensão entre 0 – 5 VCC.
No circuito apresentado na figura 4, o sinal da saída do transdutor de corrente será
aplicado em um divisor de tensão, no qual os dois resistores têm valores iguais (R1 = R2= 10
kΩ). A partir da equação 3, pode-se definir o máximo valor de tensão admitida pelo
microcontrolador.
VOUT ( MAX ) = (R2 / (R1 + R2 )) × V IN
(Equação 3)
VOUT ( MAX ) = (10kΩ / (10kΩ + 10kΩ )) × 10VCC
VOUT ( MAX ) = 5VCC
Onde:
VOUT(MAX) é a tensão de saída do circuito divisor de tensão [V];
VIN é a tensão de entrada do circuito divisor de tensão [V];
R1 é a resistência aplicada na entrada do circuito divisor de tensão [Ω];
R2 é a resistência aplicada entre R1 e o terra do circuito divisor de tensão [Ω].
FIGURA 6 – DIAGRAMA DO CIRCUITO DE MEDIÇÃO DE CORRENTE
FONTE: PRÓPRIA, 2010
Levando-se em conta que o motor é um sistema equilibrado será medida a corrente de
apenas uma fase do motor, reduzindo-se o custo e a complexidade do projeto.
22
3.3.4 Circuito para Medição de Tensão
Empregado para monitorar a tensão de rede que alimenta o motor, tem por função
adequar a tensão da rede elétrica ao microcontrolador, para que o mesmo possa interpretar a
intensidade do sinal medido.
No circuito mostrado na figura 5, um transformador com derivação central construído
para esta aplicação, será alimentado pela rede elétrica em 127 VCA, fornecendo na saída de 9
+ 9 VCA. A seguir, o sinal é retificado a fim de gerar um sinal em onda completa. Desta
maneira, o sinal terá somente valores positivos, em formato de onda completa e variando de 0
a 5 VCC.
FIGURA 7 – DIAGRAMA DO CIRCUITO DE MEDIÇÃO DA TENSÃO.
FONTE: PRÓPRIA, 2010.
Após a retificação, o sinal passará por um divisor resistivo, com valores de R1 e R2
definidos em testes realizados em laboratórios, para que o sinal seja reduzido, a fim de
garantir que este não ultrapasse 5 VCC. Após esta etapa, o sinal será filtrado no circuito
composto por dois resistores (R3 e R4) e dois capacitores (C1 e C2) com valores definidos
conforme datasheet (LM7905 Datasheet), com o objetivo de eliminar o ripple no sinal de
saída do circuito.
3.3.5 Circuito para Medição de Velocidade
A velocidade do motor será medida por um sensor fotoelétrico (D12SN6FPH), que
junto com uma fibra óptica, altera o nível lógico da saída quando passa por uma superfície
refletora. Será colada uma pequena fita adesiva espelhada no disco do motor, que auxiliará a
lente da fibra óptica a transportar o sinal luminoso do emissor para o receptor do sensor
fotoelétrico instalado no painel de comando.
23
No circuito apresentado na figura 6, o sensor será alimentado em 24 VCC. Desta
maneira, é necessário aplicar um divisor de tensão, no qual os dois resistores correspondem a
R1 = 10 kΩ e R2 = 2,2 kΩ. Estes valores são propostos pelo projeto, por serem comerciais e
oferecem uma condição satisfatória para detectar o nível lógico do sensor, de acordo com a
equação 4.
FIGURA 8 – DIAGRAMA DO CIRCUITO DE MEDIÇÃO DE VELOCIDADE
FONTE: PRÓPRIA, 2010
VOUT ( MAX ) = (R2 / (R1 + R2 )) × V IN
(Equação 4)
VOUT ( MAX ) = (2,2kΩ / (10kΩ + 2,2kΩ )) × 24VCC
VOUT ( MAX ) = 4,32VCC
Onde:
VOUT(MAX) é a tensão de saída do circuito divisor de tensão [V];
VIN é a tensão de entrada do circuito divisor de tensão [V];
R1 é a resistência aplicada na entrada do circuito divisor de tensão [Ω];
R2 é a resistência aplicada entre R1 e o terra do circuito divisor de tensão [Ω].
3.3.6 Circuito de Acionamento do Freio Eletromagnético
Para que seja simulada uma carga no eixo do motor, empregou-se um freio
eletromagnético, acionado quando da energização de um par de bobinas, pertencente à
bancada de teste de motores da Universidade. Estas bobinas estão ligadas em paralelo,
podendo ser alimentadas com uma tensão entre fase e neutro de 127 VCA ou entre fase e fase
de 220 VCA. A figura 7 mostra o diagrama do circuito.
24
FIGURA 9 – DIAGRAMA DO FREIO ELETROMAGNÉTICO
FONTE: PRÓPRIA, 2010
Para alimentar o circuito do freio os relés RL1 e RL2, conectados às fases que são
usadas para energizar as bobinas, devem operar conforme descrito a seguir:
a) para desligar bobinas, os dois relés devem ser desligados;
b) para ligar bobinas em 127 VCA, apenas um dos relés ligado;
c) para ligar bobinas em 220 VCA, os dois relés devem ser ligados.
Estes relés devem ser acionados, enquanto as saídas digitais do microcontrolador
emitem um sinal de 5 VCC para a base dos transistores BC547 (T1 e T2). Com a saturação
destes a corrente acionará a bobina do relé. Este circuito torna-se necessário porque os relés
devem ser alimentados em 24 VCC, mas a saída do microcontrolador é limitada em 5 VCC.
Desta maneira, será possível controlar a alimentação das bobinas via software.
3.3.7 Circuito da Célula de Carga
A célula de carga utilizada, pertencente ao Laboratório de Automação do Curso de
Engenharia Elétrica da Universidade Positivo, é sensibilizada quando uma carga é aplicada
em sua superfície e a compressão sofrida altera a sua resistência, no extensômetro, de forma
linear.
O circuito de aquisição desse sinal consiste na excitação e amplificação do sinal de
saída da célula de carga. Para tanto, o amplificador a ser usado é o INA125 por ser um
componente dedicado para esta aplicação.
A partir de alguns dados do fabricante da célula de carga, apresentados no datasheet
do Anexo 2, observa-se que os quatros extensômetros da mesma são de 350 Ω, a sensibilidade
25
é de 2 mV/V e a tensão máxima admitida na excitação é de 15 VCC. Desta maneira, é possível
determinar alguns parâmetros de montagem do amplificador que será responsável pela
excitação da célula.
Neste projeto, com uma tensão de excitação de 10 VCC e sabendo-se a sensibilidade da
célula de carga pode-se encontrar a tensão máxima retornada pela célula, conforme equação 5
extraída de (GIORDANI, p. 48, 2008).
VMAX = S SENSB × T APLI
(Equação 5)
VMAX = 5 × 2 x10 −3
VMAX = 0,02V
Onde:
VMAX é a tensão máxima retornada pela célula à carga total [V];
SSENSB é a sensibilidade da célula de carga [mV/V];
TAPLI é a tensão aplicada na célula de carga [V].
A partir da tensão máxima da saída de célula de carga é possível determinar um ganho
para o amplificador, conforme equação 6 extraída de (GIORDANI, pg 49, 2008).
Ganho = VREF / VMAX
(Equação 6)
Ganho =10 / 0,02
Ganho = 500
Onde:
Ganho é o fator multiplicativo sobre tensão lida da célula de carga;
VREF é a tensão de referência usada pelo circuito analógico nas conversões [V];
VMAX é a tensão máxima gerada pela célula à carga total [V].
Com a equação 7 extraída de (GIORDANI, p. 51, 2008), além o valor do ganho obtido
anteriormente, é possível determinar o valor do resistor que deve ser usado para dimensionar
o circuito mostrado na figura 8.
26
RGanho = 6000 / (Ganho − 4 )
(Equação 7)
RGanho = 6000 / (500 − 4)
RGanho =120,96Ω
Onde:
RGanho é o resistor responsável por determinar o ganho do circuito [Ω];
Ganho é o fator multiplicativo sobre tensão lida da célula de carga.
FIGURA 10 – DIAGRAMA DO CIRCUITO DE CÉLULA DE CARGA
FONTE: PRÓPRIA, 2010
De acordo com as instruções do fabricante, o ganho é controlado por um resistor
(POT) entre os pinos 8 e 9 do amplificador. Neste projeto, será usado um potenciômetro de 1
kΩ para que se obtenha um ajuste melhor do ganho. Após encontrar um o valor de um resistor
que atenda a necessidade do projeto, o potenciômetro será substituído por resistores
correspondentes para estabelecer um ganho fixo.
27
3.4 PROGRAMAÇÃO
O software desenvolvido contém a interface com o usuário, pois mostrará as medições
realizadas pelo sistema. Para exibir as informações dos testes na tela de um computador, o
programa adquirirá os dados a partir da comunicação USB com o firmware. Mas antes de
exibir as medidas, as grandezas serão determinadas pelo próprio software. A interface
disponibilizará ao usuário as opções de gerar gráficos, imprimir relatórios, salvar os
resultados dos testes e buscar resultados de testes anteriores. O programa foi desenvolvido
em Borland C++ Builder 5.0, sendo esta linguagem escolhida por ser disponibilizada nos
laboratórios do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Positivo e, também, por ser a
linguagem utilizada durante o período de graduação.
O firmware que controlará todo o sistema recebe em suas entradas analógicas os sinais
de tensão e corrente, a partir de sinais condicionados e envia os valores medidos para o
software. Os sinais previamente condicionados de tensão e corrente do motor que o firmware
recebe serão o sinal de tensão da célula de carga e os sinais dos sensores de velocidade, de
corrente e de tensão do motor. O firmware, também, se comunicará com um computador e
acionará o freio eletromagnético, sendo que a comunicação com o software realizada via
USB.
3.4.1 Planejamento
As partes do sistema que necessitam de programação são o firmware e o software,
sendo utilizados ambientes distintos para esta programação. Tanto o firmware quanto o
software, serão desenvolvidos em plataforma que utiliza a linguagem de programação C/C++.
Uma das plataformas é direcionada para o microcontrolador PIC16F877A e a outra, será um
ambiente de programação orientada a objetos.
Para a programação do microcontrolador PIC 16F877A, foram utilizadas as
ferramentas PCWHD Compiler, versão 4.083, para desenvolver e compilar as linhas de
programa. E o PIC Downloader, versão 1.08, foi utilizado para gravar o programa compilado
no microcontrolador. O software foi desenvolvido com o Borland C++ Builder, versão 5.0,
sendo esta uma ferramenta que trabalha com programação orientada a objetos e utiliza a
comunicação via USB com o microcontrolador.
O software mostra ao usuário todos os valores medidos, geram gráficos e relatórios
armazenam os resultados e cria um histórico dos testes realizados. Para tanto, foi necessário
28
primeiramente configurar a comunicação entre o software e firmware e depois, receber os
dados enviados pelo microcontrolador. A partir da aquisição dos valores de velocidade e
força, é determinada a potência mecânica e mostrado o seu valor. Com os valores na tela, é
possível gerar gráficos e relatórios impressos e salvar todas as informações do teste para
consultas posteriores. A figura 9 ilustra o fluxograma do software desenvolvido para o
projeto.
FIGURA 11 – FLUXOGRAMA DO FUNCIONAMENTO DO SOFTWARE
FONTE: PRÓPRIA, 2010
O firmware, então, faz a leitura dos dados dos sensores e envia as informações para o
software, além de realizar tarefas de acionamento do motor e freio eletromagnético. Para a
programação do firmware, é necessário configurar as bibliotecas e ajustar os timers e o modo
de comunicação com o software. Feito isso, são realizadas as medições de tensão, de corrente,
de velocidade e do sinal da célula de carga, lidos a partir das entradas analógicas do
29
microcontrolador. Para acionar o freio eletromagnético, o firmware utiliza duas saídas
digitais, podendo acionar o freio com a alimentação de uma ou duas fases do mesmo. O
fluxograma da figura 10 mostra o fluxograma do firmware desenvolvido para o projeto.
FIGURA 12 – FLUXOGRAMA DO FUNCIONAMENTO DO FIRMWARE
FONTE: PRÓPRIA, 2010
30
4
IMPLEMENTAÇÃO
Neste capítulo são apresentadas todas as etapas da implementação do hardware, do
firmware e do software, realizadas com base nos capítulos anteriores.
4.1 MONTAGEM DO HARDWARE
Para os testes iniciais, o hardware foi montado em matriz de contatos a fim de obter-se
o melhor desempenho dos sinais de medição e controle dos atuadores. Posteriormente, os
circuitos foram montados em placas de circuito impresso (PCI) para garantir que não fossem
alterados. As PCI foram instaladas em um uma caixa de montagem elétrica, junto ao circuito
de partida do motor, disjuntores, sensores e transdutores.
As PCI foram montadas em módulos, sendo que cada circuito foi montado em uma
placa a fim de facilitar qualquer correção na montagem. Caso ocorra alguma falha em algum
circuito, basta trocar apenas a placa correspondente, embora, uma das placas contivesse mais
de uma função, pois os circuitos eram muito simples para estarem em módulos.
A figura 11 apresenta o diagrama em blocos da montagem das placas, onde cada
retângulo colorido representa uma placa montada.
FIGURA 13 – DIAGRAMA EM BLOCOS DA MONTAGEM DAS PLACAS
FONTE: PRÓPRIA, 2010
Devido ao fato de os circuitos estarem conectados em módulos, foi necessário utilizar
chicotes para interligar as placas. Desta maneira, optou-se por bornes do tipo MT-6LPXX
31
(XX representa a quantidade de pinos), pois estes têm um apenas uma maneira de conexão,
evitando erros no momento em que forem ligados.
4.1.1 Placa de Medição da Tensão
A partir do diagrama esquemático apresentado do capítulo três, foi desenvolvido o
layout e montada uma placa para medição de tensão de uma das fases do motor, apresentada
na figura 12. Para isto, foi usado um transformador de 127 VCA/220 VCA para 9 + 9 VCA/200
mA para diminuir o nível da tensão. A saída deste alimenta a placa que contém circuitos de
retificação e de filtragem, composto de dois capacitores e dois resistores.
FIGURA 14 – LAYOUT DA PCI DO CIRCUITO DE MEDIÇÃO DA TENSÃO
FONTE: PRÓPRIA, 2010
O método de teste do circuito foi baseado em aplicar uma tensão elétrica, de 127 VCA e
220 VCA, e medir a saída do circuito, conforme apresentado no quadro 1. Para tanto, o valor
máximo da tensão de saída não poderia ultrapassar 5 VCC, pois o microcontrolador não
suporta um valor acima deste.
QUADRO 1 – VALORES OBTIDOS PARA A TENSÃO DE ENTRADA E DE SAÍDA
Tensão de entrada (VCA)
Valor Medido [V]
Tensão de saída (VCC)
Valor Medido [V]
124
1,18
217
2,12
FONTE: PRÓPRIA, 2010
32
4.1.2 Placa do Amplificador da Célula de Carga
O circuito da célula de carga é o mais simples do projeto, pois apenas o CI INA125 é
responsável pela excitação e amplificação do sinal. Na figura 13, além dos reguladores de
tensão, foram colocados por recomendação do fabricante dois capacitores para filtrar ruído na
alimentação e um resistor para o controle do ganho do amplificador.
FIGURA 15 – LAYOUT DA PCI DO CIRCUITO DO AMPLIFICADOR DA CÉLULA DE CARGA
FONTE: PRÓPRIA, 2010
Este circuito foi montado em matriz de contatos e realizando-se ensaios baseados em
equações apresentadas no capítulo três, foi possível estipular o valor do resistor de ganho e a
excitação necessária para a célula de carga.
Assim, a excitação fixa da célula de carga é de 5 VCC. E para determinar o ganho, foi
usado um potenciômetro de 1 kΩ para se definir qual o melhor ganho do sistema. Nos ensaios
observou-se que um resistor de 100 Ω seria o valor comercial adequado de resistência para se
obter o ganho desejado para o amplificador. Com isso, no processo de medição de torque o
sinal varia de 0,9 Volts até 2,3 Volts.
4.1.3 Placa do Circuito Auxiliar
A PCI apresentada na figura 14 contém os demais circuitos de condicionamento de
sinais do projeto, sendo responsável pelo acionamento do motor e dos freios e pela medição
33
da velocidade e da corrente do motor. Além disso, esta placa alimenta as placas de medição
de tensão e do amplificador da célula de carga.
FIGURA 16 – LAYOUT DA PCI DO CIRCUITO AUXILIAR
FONTE: PRÓPRIA, 2010
A seguir, é apresentada a descrição da implementação de cada um dos circuitos que
compõem a placa auxiliar desenvolvida para o projeto.
4.1.4 Medição de Velocidade
A velocidade do motor é medida através de um conjunto de circuitos constituído de
um sensor fotoelétrico (D12SP6FP), de uma fibra óptica (PBP46UCX) e de um circuito de
alimentação e condicionamento de sinal, entre sensor e microcontrolador.
Também, uma fita adesiva constituída por vinte listras pretas e vinte listras prateadas,
dispostas alternadamente, foi colada no eixo do motor como apresentado na figura 15. Com
isso, uma fibra óptica foi fixada para monitorar a contagem das transições entre as listras. A
luz emitida pelo sensor, através da fibra óptica, é refletida pelas listras prateadas. Desta
maneira, o sensor interpreta que cada transição corresponde a um pequeno deslocamento do
motor. Neste caso, cada volta completa do motor equivale a doze contagens.
34
FIGURA 17 – FITA ADESIVA COM LISTRAS PRETAS E PRATEADAS
FONTE: PRÓPRIA, 2010
A saída do sensor está ligada na placa auxiliar, onde é condicionado o sinal do sensor
à entrada do microcontrolador. Esta saída emite um sinal de 24 VCC que é aplicado a um
divisor resistivo, de forma que o mesmo chega ao pino de interrupção do microcontrolador
com 4,32 VCC, sendo suficiente para processar a contagem do número de voltas do motor.
4.1.5 Medição de Corrente
A corrente elétrica do motor sob ensaio é medida pelo transdutor modelo SMSI AC-N
10 A/25 A, que disponibiliza uma saída de 0 – 10 VCC. O sinal deste trandutor é aplicado a um
divisor resistivo que fornece um sinal que varia entre 0 – 5 VCC, correspondente à corrente
elétrica consumida por uma fase do motor trifásico.
4.1.6 Acionamento do Motor
O circuito apresentado na figura 16, montado de acordo com o proposto no capítulo
três, fornece um sinal de 24 VCC para a bobina de um relé que está fixo no trilho. Ao ser
acionado, o relé energiza a bobina do contator, partindo o motor diretamente.
FIGURA 18 – CIRCUITO PARA PARTIDA DIRETA DO MOTOR
FONTE: PRÓPRIA, 2010
35
4.1.7 Acionamento do Freio Eletromagnético
No início do desenvolvimento, o objetivo era alimentar as bobinas do freio com o
circuito proposto, sem o uso do circuito de intensidade do freio. Porém, para que não
houvesse nenhuma modificação neste circuito, optou-se por alimentar apenas o circuito de
intensidade do freio, conforme figura 17.
FIGURA 19 – ESQUEMA DE ALIMENTAÇÃO DO FREIO
FONTE: PRÓPRIA, 2010
O circuito de controle de intensidade do freio é constituído por uma ponte de tiristores,
do tipo KBPC2510, onde um circuito auxiliar realiza o controle do gatilho dos mesmos,
conforme a regulagem do potenciômetro. Este circuito, ilustrado na figura 18, é parte
integrante da bancada de teste de torque de motores do Laboratório de Automação, do Curso
de Engenharia Elétrica, da Universidade Positivo, sendo que o projeto não contempla o seu
desenvolvimento.
FIGURA 20 – CIRCUITO DE CONTROLE DA INTENSIDADE DO FREIO ELETROMAGNÉTICO
FONTE: PRÓPRIA, 2010
Na placa auxiliar foi inserido o circuito de alimentação do freio para alimentar o
circuito de intensidade do freio, sendo possível alimentá-lo em 127 VCA ou 220 VCA. Para os
testes deste projeto, basta manter o potenciômetro do circuito de intensidade do freio no
máximo.
36
4.1.8 Placa do Microntrolador
A PCI apresentada na figura 19 é a mais importante do projeto, pois contém o
microcontrolador que é responsável por coletar e controlar todos os sinais das outras placas.
Sua alimentação é a partir da fonte de + 24 VCC, mas reguladores de tensão reduzem esta
tensão para 5 VCC.
FIGURA 21 – LAYOUT DA PCI DO CIRCUITO DO MICROCONTROLADOR
FONTE: PRÓPRIA, 2010
Esta placa faz interface com o a placa auxiliar, a fim de receber e enviar sinais dos
demais circuitos do projeto. Em cada entrada analógica do microcontrolador usada para o
projeto, foi colocado um diodo zener, para limitar o sinal em 4,7 VCC e proteger o
microcontrolador contra picos de tensão.
Na proposta inicial do projeto, o objetivo era fazer a comunicação entre o computador
e o microcontrolador usando o CI FT232BL, disposto na mesma placa do microcontrolador.
Porém, nos testes de partida do motor observou-se que este CI era muito sensível aos ruídos
da rede elétrica e à interferência eletromagnética do motor. Desta maneira, optou-se por usar o
CI MAX232, que é um driver de comunicação para RS-232, que se mostrou menos suscetível
aos ruídos e à interferência.
37
4.1.9 Placa da Fonte de Alimentação
A fonte simétrica de alimentação utilizada no projeto contém um transformador com
relação de 127 VCA/220 VCA para 20 + 20 VCA/1 A fixado diretamente no painel, enquanto
que os circuitos de retificação e filtragem estão dispostos na PCI apresentada na figura 20.
Este circuito fornece na saída duas tensões simétricas com amplitude de 24 VCC.
FIGURA 22 – LAYOUT DA PCI DO CIRCUITO DA FONTE SIMÉTRICA DE ALIMENTAÇÃO
FONTE: PRÓPRIA, 2010
4.2 DESENVOLVIMENTO DO FIRMWARE
Para o desenvolvimento do firmware, foram utilizadas três entradas analógicas, nove
saídas digitais e a única interrupção externa que o microcontrolador possu. Para melhor
visualização do desenvolvimento, as funções do firmware foram divididas em três blocos,
conforme mostrado na figura 21.
FIGURA 23 – BLOCOS DE DESENVOLVIMENTO DO FIRMWARE
FONTE: PRÓPRIA, 2010
38
A seguir, é apresentada a descrição de cada uma das funções dos blocos de
desenvolvimento do firmware.
4.2.1 Leitura de Dados
O microcontrolador faz a leitura dos sinais dos circuitos do sensor de tensão, do
transdutor de corrente, da célula de carga e do sensor de velocidade. Com exceção da leitura
da velocidade do motor, o firmware foi programado para realizar a leitura dos dados enviados
pelos circuitos que realizam o sensoriamento das grandezas, através das entradas analógicas
do microcontrolador. As portas A1, A2 e A3 recebem a variação dos sinais como números
inteiros e múltipos de oito bits, ou seja, valores que variam de 0 a 255.
A aquisição da medida de velocidade é feita de uma maneira diferente dos demais
sensores. Ao invés de utilizar uma entrada analógica, o firmware utiliza a interrupção externa,
na porta B0, do microcontrolador. Através de um encoder colocado no eixo do motor o sensor
faz a leitura a cada reflexão do sinal emitido pela fibra óptica, incrementando um contador
cujo valor por segundo é enviado a uma variável de número inteiro com 32 bits.
4.2.2 Comunicação e Envio de Dados
Na proposta inicial do projeto pretendia-se realizar a comunicação do software com o
firmware, via USB, utilizando o CI FT232, mas durante a realização de testes o mesmo
apresentou falhas na comunicação. Então, optou-se pela utilização do CI MAX232 que
possibilita a comunicação via porta serial.
De posse das medidas adquiridas dos sensores, o firmware envia estes dados para o
software via porta serial. Essa comunicação é feita com uma taxa de transmissão de 9,6 kbps,
sendo intermediada pelo componente MAX232. A seguir, os dados são enviados para o
software como números inteiros e de maneira ordenada. Também, há envio de dados para o
display que mostra o status de funcionamento do motor, sendo as saídas digitais das portas D2
a D7 dedicadas ao envio de dados para o mesmo.
39
4.2.3 Acionamentos
A função de acionamento do firmware é comandada pelo software, que recebe os três
bits que decidem quais os dispositivos devem ser acionados. Os dispositivos a serem
acionados são o freio eletromagnético e o motor de indução. Para isso, foi criada uma variável
do tipo CHAR (recebe caracteres) com três posições, onde em cada uma delas é armazenado
um bit recebido do software, sendo que a posição zero aciona o motor e as posições um e dois
acionam as fases de alimentação da do freio eletromagnético. Assim, o valor armazenado em
cada posição da variável indica se os dispositivos devem ser acionados ou não. Para realizar
estes acionamentos, foram utilizadas saídas digitais do microcontrolador, portas B1, B2 e B3,
que enviam sinais de 0 e 5 VCC para os circuitos de acionamento.
4.3 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE
O software é a interface entre o usuário e o sistema, então, o desenvolvimento da
mesma teve como foco a usabilidade. Com o software é possível fazer a leitura dos dados
obtidos no firmware, acionar o motor e o freio eletromagnético através de um computador,
gerar gráficos das grandezas medidas em tempo real, armazenar dados testados em um banco
de dados e gerar relatórios dos testes realizados.
Nos itens a seguir descreve-se com mais clareza as funções disponíveis na interface
gráfica, bem como o funcionamento do software.
4.3.1 Janelas
A janela de abertura do software contém a imagem da estrutura do Sistema de Testes
que acopla o motor e três botões, sendo o botão que inicia um novo teste, o que abre o arquivo
com os valores gravados no banco de dados e o botão que fecha o programa, conforme
mostrado na figura 22.
40
FIGURA 24 – JANELA INICIAL
FONTE: PRÓPRIA, 2010
Ao selecionar-se o botão Novo Teste, a janela de testes apresentada na figura 23 é
aberta e são apresentados os dados lidos do firmware e as opções de acionamento e de envio
de valores para o banco de dados.
FIGURA 25 – JANELA DE TESTES
FONTE: PRÓPRIA, 2010
Na janela inicial apresentada na figura 24, ao selecionar-se o botão Banco de Dados
são mostrados os dados que foram salvos na janela de teste. Essa janela contém os botões de
41
navegação, de exclusão de registro, de localização de testes, de emissão de relatórios e de
fechar a janela.
FIGURA 26 – JANELA DO BANCO DE DADOS
FONTE: PRÓPRIA, 2010
As janelas de localização de teste e de emissão de relatório são mostradas nas figuras
25 e 26, respectivamente.
FIGURA 27 – JANELA DE LOCALIZAÇÃO DE REGISTROS
FONTE: PRÓPRIA, 2010
42
FIGURA 28 – JANELA DE RELATÓRIO
FONTE: PRÓPRIA, 2010
4.3.2 Leitura de Dados
Como visto no item 4.2.2, a comunicação entre o software e o firmware é via porta
serial, por intermédio do CI MAX232. Sendo necessário para a leitura dos dados do firmware
criar uma variável do tipo CHAR com sete posições, onde três posições armazenam os valores
referentes à tensão, corrente e variação da célula de carga, e quatro posições armazenam o
valor referente à velocidade.
Quando o software recebe e armazena os dados, os valores de cada grandeza são
mostrados em seus campos correspondentes. Para que os valores sejam mostrados em suas
respectivas unidades de medida a partir do valor do tipo inteiro enviado pelo firmware, é
necessário utilizar equações obtidas com a utilização de tabelas e curvas de tendências.
4.3.3 Envio de Dados
Utilizando a interface gráfica do software, o usuário pode acionar o motor e as fases de
alimentação do freio eletromagnético. A lógica para enviar os bits de acionamento para o
firmware é parecida com a de leitura de dados, utilizando-se para tanto uma variável do tipo
CHAR com três posições para armazenar as informações de acionamento, sendo a posição
zero para acionamento do motor e as posições um e dois para as fases de alimentação. Assim,
43
os dados são enviados de forma ordenada para que o firmware possa realizar o acionamento
dos dispositivos.
4.3.4 Banco de Dados
Na proposta inicial do projeto a base de dados seria implementada em arquivos com
extensão.txt, nos quais os valores seriam guardados e depois recuperados para a apresentação
no software. Mas, optou-se pela construção de um banco de dados para que o sistema tenha
uma estrutura de armazenamento de dados mais compacta.
O banco de dados utilizado foi o Paradox, sendo o mesmo estruturado com campos
que recebem valores lidos do firmware (tensão, corrente, velocidade, torque e potência), que
são armazenados em uma tabela. Os dados armazenados, também, incluem número de registro
do teste, a identificação do motor, a data da realização do teste e as informações, com até
1024 caracteres, que o usuário queria incluir.
4.4 CUSTOS DO PROJETO
Os custos para o desenvolvimento do projeto proposto são apresentados no quadro 2.
QUADRO 2 – DESCRIÇÃO DOS CUSTOS
Item
Descrição
Quantidade
Preço por Item [R$]
01 peça
70,00
1
Caixa de montagem elétrica
2
Cabo elétrico 1,5 x 4 mm, com malha aterramento
05 metros
20,00
3
Cabos elétricos de 1 mm
10 metros
5,00
4
Disjuntores
03 peças
30,00
5
Contator
01 peça
20,00
6
Placas de fenolite
03 peças
10,00
7
Hipercloreto
01 litro
10,00
8
Resistores e capacitores diversos
---
10,00
9
Microcontrolador PIC 16F877
01 peça
20,00
44
Item
Descrição
Quantidade
Preço por Item [R$]
10
Display LCD
01 peça
20,00
11
Amplificador – CI INA125
01 peça
40,00
12
Retrabalho em placas e consertos em geral
---
500,00
Total
755,00
FONTE: PRÓPRIA, 2010
Não estão listados no quadro acima os itens doados ou adquiridos de outros projetos
como, por exemplo, sensor fotoelétrico, fibra óptica e transdutor de corrente, pois não foi
mensurado os custos destes materiais.
45
5 RESULTADOS E VALIDAÇÃO
Este capítulo é destinado a apresentar os resultados obtidos após a implementação e a
realização de testes para a validação do projeto.
5.1 VALIDAÇÃO
Para validar e provar que os valores obtidos pelo sistema desenvolvidos são próximos
dos valores esperados foi necessário fazer a relação entre os valores do conversor analógicodigital (ADC) e as grandezas medidas, utilizando-se para tal quadros e gráficos. Para os
valores de tensão, corrente e força, foram relacionados os valores do ADC com as unidades de
medida Volt, Ampére e Newton/metro, respectivamente. Já para a velocidade foi coletado o
número de interrupções ocorridas num intervalo de tempo de um segundo, sendo cada valor
multiplicado por um fator pré-determinado abordado no item 5.1.4.
5.1.1 Relação entre os Valores do ADC e os Valores de Tensão
O quadro 3 apresenta a relação entre os valores do ADC e os valores de tensão
medidos para o motor em teste.
QUADRO 3 – RELAÇÃO ENTRE OS VALORES DO ADC E OS VALORES DE TENSÃO
FONTE: PRÓPRIA, 2010
Valores do ADC
Tensão [V]
7
25
19
50
31
75
44
100
56
125
46
A linha azul no gráfico 1 com a legenda Volts é a curva obtida a partir dos dados do
quadro 3 e a linha em preto com a legenda Linear (Volts), é a curva de tendência. É a partir da
curva de tendência que se obtém a equação utilizada para os cálculos da tensão do motor em
teste no software.
GRÁFICO 1 – VALORES ADC VERSUS TENSÃO
FONTE: PRÓPRIA, 2010
5.1.2 Relação entre os Valores do ADC e os Valores de Corrente
Como a corrente medida em uma fase do motor em teste apresentou um
comportamento linear, o valor ADC foi multiplicado por uma constante obtida através de
ensaios relacionando os valores do próprio ADC e os valores de corrente medidos, conforme
mostra a equação 8.
I = ADC × 0,0212
Onde:
I = Corrente medida em uma fase [A];
ADC = Valor obtido do conversor analógico-digital;
0,0212 = Constante obtida através de ensaios.
(Equação 8)
47
5.1.3 Relação entre os Valores ADC e os Valores de Torque
O quadro 4 e o gráfico 2 mostram a relação entre os valores ADC e valores de torque
adquiridos através da curva de torque do motor, cedida pelo fabricante, conforme o gráfico 3.
QUADRO 4 – RELAÇÃO ENTRE OS VALORES ADC E OS VALORES DE TORQUE
Valores ADC
Torque [Kgfm]
4
0,02159
26
0,23734
60
0,71199
FONTE: PRÓPRIA, 2010
A linha azul no gráfico 2 com a legenda Torque é a curva obtida com os valores do
quadro 4 e a linha em preto com a legenda Potência (Força), é a curva de tendência. É a partir
da curva de tendência que se obtém a equação que será utilizada para os cálculos do torque do
motor em teste no software.
GRÁFICO 2 – VALORES ADC VERSUS TORQUE
FONTE: PRÓPRIA, 2010
48
GRÁFICO 3 – GRÁFICO DO CONJUGADO DO MOTOR TESTADO
FONTE: WEG (FABRICANTE), 2010
5.2 RESULTADOS OBTIDOS
Os resultados obtidos utilizando-se o sistema de testes de motores de 1 HP
desenvolvido, são apresentados nos itens a seguir.
5.2.1 Teste Realizado sem Carga
A figura 29 mostra a janela de teste do software com resultados de um teste realizado
sem carga no eixo do motor.
49
FIGURA 29 – JANELA DE TESTE MOSTRANDO RESULTADOS DE UM TESTE SEM CARGA
FONTE: PRÓPRIA, 2010
A figura 30 mostra a comparação entre os valores da figura 29 e os valores medidos
com o auxílio dos equipamentos de medição adequados para cada grandeza, possibilitando a
verificação da consistência das medições realizadas pelo sistema desenvolvido neste trabalho.
Deve-se considerar que os aparelhos de medição utilizados não passaram por processos de
aferição e calibração.
FIGURA 30 - COMPARAÇÃO DOS VALORES DO SISTEMA E OS VALORES MEDIDOS
FONTE: PRÓPRIA, 2010
50
5.2.2 Teste Realizado com Carga Alimentada por uma Fase
Realizando o teste do motor e acionando o freio eletromagnético com apenas uma fase
de alimentação, há uma queda na velocidade e um aumento na corrente do motor. A figura 31
mostra a janela de teste do software no momento do teste com carga.
FIGURA 31 – JANELA DE TESTE MOSTRANDO TESTE REALIZADO COM CARGA (UMA FASE)
FONTE: PRÓPRIA, 2010
O comparativo dos valores exibidos pelo software e os valores medidos podem ser
verificados na figura 32, com as mesmas considerações do item 5.2.1.
FIGURA 32 – COMPARAÇÃO DOS VALORES DO SISTEMA E OS VALORES MEDIDOS, TESTE COM
CARGA (UMA FASE)
FONTE: PRÓPRIA, 2010
51
5.2.3 Teste Realizado com Carga Alimentada por duas Fases
Seguindo o procedimento do item 5.2.2, foi realizado o teste com o freio
eletromagnético alimentado por duas fases, como carga no eixo do motor, sendo os resultados
obtidos pelo software ilustrados na figura 33.
FIGURA 33 – JANELA DE TESTE MOSTRANDO TESTE REALIZADO COM CARGA (UMA FASE)
FONTE: PRÓPRIA, 2010
O comparativo para validação dos dados obtidos pelo software no teste realizado com o
freio eletromagnético alimentado com as duas fases é mostrado na figura 34, nas mesmas
condições dos testes anteriores.
FIGURA 34 – COMPARAÇÃO DOS VALORES DO SISTEMA E OS VALORES MEDIDOS, TESTE COM
CARGA (DUAS FASES)
FONTE: PRÓPRIA, 2010
52
5.2.4 Resultado Geral
Nas figuras 35 e 36 são mostrados os resultados obtidos para o teste completo de um
motor e como estes são armazenados no banco de dados.
FIGURA 35 – DEMONSTRAÇÃO DE UM TESTE COMPLETO
FONTE: PRÓPRIA, 2010
FIGURA 36 – VALORES OBTIDOS ARMAZENADOS NO BANCO DE DADOS
FONTE: PRÓPRIA, 2010
53
6 CONCLUSÃO
O motor de indução trifásica é uma das máquinas que transformam energia elétrica em
energia mecânica. Devido a sua limpeza, simplicidade de comando, estrutura simples, custo
reduzido e grande versatilidade de adaptação à diversas cargas, com relação aos motores de
combustão, é o motor mais usado nas aplicações que exigem uma máquina girante.
Por isso, a partir da estrutura de uma bancada de testes de motores do Laboratório de
Automação Industrial, do Curso de Engenharia Elétrica, da Universidade Positivo e
empregando-se sensores e controladores, desenvolveu-se uma bancada de testes de motores
de indução trifásico de 1 HP automatizada. A bancada original realizava apenas teste de
torque do motor, e era necessário montar um um circuito de partida direta sempre que se
desejava acionar o motor.
Com esta bancada é possível medir a corrente elétrica de uma fase do motor, a sua
tensão de alimentação, a sua velocidade de rotação, o seu torque e a sua potência mecânica,
além de se controlar a partida do mesmo e acionamento dos seus freios. Todas estas interfaces
são comandadas e visualizadas pelo software desenvolvido para o sistema de testes que
mostra em uma tela os valores obtidos, podendo-se plotá-los em gráficos e armazená-los em
banco de dados para que sejam impressos em relatórios.
O projeto desenvolvido atendeu às espectativas da proposta, embora tenham havido
algumas dificuldades em sua execução como, por exemplo, a presença de ruídos na rede
elétrica e de interferência eletromagnética do motor que interrompiam a comunicação do
conversor USB serial. Sendo este problema resolvido com a utilização de um componente que
se mostrou muito mais robusto para esta aplicação. Os demais problemas foram resolvidos
rapidamente, sem muitas dificuldades.
Este projeto pode ser usado como base para trabalhos futuros que necessitem de algum
tópico descrito neste texto. Conforme comentado no primeiro parágrafo, os motores de
indução têm muitas vantagens e certamente continuarão a ser empregados por muito tempo,
proporcionando um campo vasto para outras de pesquisas e outros trabalhos que resultem em
uma melhoria contínua na suas características.
54
REFERÊNCIAS
BEER, Ferdinand P.; JOHNSTON JUNIOR, E. Russell. MECÂNICA VETORIAL PARA
ENGENHEIROS – CINEMÁTICA E DINÂMICA. Ed. Makron: São Paulo, SP – Brasil,
1991.
BOGART JUNIOR, Theodore F. ELECTRIC CIRCUITS. Ed. McGraw-Hill: Westerville,
OH – United States, 1999. 2. ed.
DEL TORO, Vincent. FUNDAMENTOS DE MÁQUINAS ELÉTRICAS. Ed. LTC: Rio de
Janeiro, RJ – Brasil, 1994.
FILIPPO FILHO, Guilherme. MOTOR DE INDUÇÃO. Ed. Érica Ltda.: São Paulo, SP –
Brasil, 2000.
GIORDANI, Fernando. DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE AQUISIÇÃO E
ARMAZENAMENTO DE DADOS MICROCONTROLADO. Disponivel em:
<http://tede.unioeste.br/tede//tde_arquivos/1/TDE-2009-09-01T101940Z349/Publico/Fernando%20Giordani.pdf >. Acesso em 15/04/2010
LM7905 Datasheet. Disponível em: <http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM7905.pdf>.
Acesso em 08 ago. 2010
MATEUS, César Augusto. C++ BUILDER 5 – GUIA PRÁTICO. Ed. Érica Ltda.: São
Paulo, SP – Brasil, 2000.
MEDEIROS FILHO, Solon de. MEDIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA. Ed. LTC: Rio de
Janeiro, RJ – Brasil, 1997.
MIODUSKI, Afonso Leopold. ELEMENTOS E TÉCNICAS MODERNAS DE
MEDIÇÃO ANALÓGICA E DIGITAL. Ed. Guanabara Dois S.A.: Rio de Janeiro, RJ –
Brasil, 1982.
SANTANA, Everton G. de. CORRENTES DE FOCAULT. Disponível em <
http://www.fisica.ufs.br/CorpoDocente/egsantana/elecmagnet/induccion/foucault/foucault.ht
m>. Acesso em 12 nov. 2010.
TIPLER, Paul A. FÍSICA – MECÂNICA, OSCILAÇÕES
TERMODINÂMICA. Ed. LTC: Rio de Janeiro, RJ – Brasil, 2000.
E
ONDAS,
55
WERNECK, Marcelo Martins. TRANSDUTORES E INTERFACES. Ed. LTC: Rio de
Janeiro, RJ – Brasil, 1996.
ANEXO 1
ANEXO 2
Página 1 de Anotações Não Arquivadas
FLEXAR SRL
CELDA DE C AR GA C DL
DESCRIPCION
Celda paralelográmica de bajo perfil.
Aplicaciones:
Balanzas comerciales
ESPECIFICACIONES GENERALES
Tensión max V
15
Capacidades Kg.
3,6,10,20,30,50
Sensibilidad mV/V
2 +/- 10%
Resistencia del puente Ω
350
Rango comp. de Temp. º C
-10 a 40
Creep %CN
0,03
Long de cable Mts
0,7
Sobrecarga %CN
150
Corr. cero por temp. %CN/ºC
+/- 0.003
Corr. sens por temp. %CN/ºC
+/- 0.0015
Balance de cero %CN
+/- 1
Res aislación M Ω
Alinealidad %CN
0,03
Material Base
Histéresis %CN
0,02
Grado de protección
Repetibilidad %CN
0,02
> 5000
Aluminio
IP66
30
15
7. 5
22
PLANO DE LA CELDA
CODIGO DE COLORES
Señal (+)
Excitación (-)
Señal (-)
Excitación (+)
Verde
Negro
Blanco
Rojo
Santa M a r ta 1456 (1650) V illa M aipú - San M a r tín - Prov. de Buenos Aires - Argentina
Te l . : ( 5 4 1 1 ) 4 7 5 4 - 4 6 1 3 - Fa x : ( 5 4 1 1 ) 4 753-8461
www.flexar.com.ar