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Tecnicas de Controle - PARTE01
Tecnicas de Controle - PARTE01
Tecnicas de Controle - PARTE01
Automação industrial
Técnicas de
Controle
Atualização Tecnológica em
automação industrial
Técnicas de
Controle
CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI
Robson Braga de Andrade
Presidente
Conselho Nacional
Técnicas de
Controle
© 2014. SENAI – Departamento Nacional
A reprodução total ou parcial desta publicação por quaisquer meios, seja eletrônico,
mecânico, fotocópia, de gravação ou outros, somente será permitida com prévia autorização,
por escrito, do SENAI – Departamento Regional do Rio Grande do Sul.
FICHA CATALOGRÁFICA
S491t
ISBN 978-85-60375-80-6
CDU – 681.5
SENAI Sede
Serviço Nacional de Setor Bancário Norte . Quadra 1 . Bloco C . Edifício Roberto
Aprendizagem Industrial Simonsen . 70040-903 . Brasília – DF . Tel.: (0xx61)3317-9190
Departamento Nacional http://www.senai.br
Lista de ilustrações
Figura 1 - Classificação dos motores por tipo.........................................................................................................16
Figura 2 - Partes de um motor elétrico de indução trifásico.............................................................................17
Figura 3 - Motor: vista explodida.................................................................................................................................18
Figura 4 - Rotor bobinado assíncrono.......................................................................................................................20
Figura 5 - Motor de corrente contínua......................................................................................................................21
Figura 6 - Funcionamento de um motor DC...........................................................................................................22
Figura 7 - Motor de passo..............................................................................................................................................23
Figura 8 - Motor unipolar)..............................................................................................................................................25
Figura 9 - Motor bipolar..................................................................................................................................................25
Figura 10 - Funcionamento de um motor de passo.............................................................................................26
Figura 11 - Circuito driver para controle de motor de passo............................................................................27
Figura 12 - Driver para motor de passo.....................................................................................................................27
Figura 13 - Driver industrial...........................................................................................................................................28
Figura 14 - Controlador 3 eixos para motor de passo..........................................................................................28
Figura 15 - Controle de fases de um motor trifásico utilizando um soft-starter........................................32
Figura 16 - Diagrama em blocos de um soft-starter.............................................................................................32
Figura 17 - Comparativo da corrente entre partidas direta, estrela-triângulo e soft-starter.................33
Figura 18 - Ligação direta com o soft-starter..........................................................................................................34
Figura 19 - Ligação com contator by-pass...............................................................................................................34
Figura 20 - Diagrama de comando do soft-starter...............................................................................................35
Figura 21 - Inversor de frequência..............................................................................................................................36
Figura 22 - Estrutura básica de um inversor de frequência...............................................................................37
Figura 23 - Modulação por PWM.................................................................................................................................38
Figura 24 - Diversos tipos de inversores conforme seu fabricante.................................................................40
Figura 25 - a) principais diferenças entre os Inversores Escalares e Vetoriais. - b) diferença entre
torque e RPM - c) diferença entre resposta dinâmica...........................................................................................44
Figura 26 - Módulo de potência..................................................................................................................................45
Figura 27 - Corrente elétrica de entrada...................................................................................................................45
Figura 28 - Corrente no barramento DC...................................................................................................................46
Figura 29 - Corrente no barramento DC após capacitor.....................................................................................46
Figura 30 - Onda senoidal..............................................................................................................................................46
Figura 31 - Modulação PWM.........................................................................................................................................47
Figura 32 - Chaveamento dos IGBTs...........................................................................................................................48
Figura 33 - Corrente elétrica no sentido A-B nos IGBTs de um inversor monofásico...............................48
Figura 34 - Corrente elétrica no sentido B-A nos IGBTs de um inversor monofásico...............................48
Figura 35 - Tensão de saída de um inversor monofásico....................................................................................49
Figura 36 - Corrente elétrica no sentido B-A nos IGBTs de um inversor monofásico...............................49
Figura 37 - Modulo de controle de um inversor de frequência........................................................................50
Figura 38 - Módulos do inversor..................................................................................................................................51
Figura 39 - Interface do inversor..................................................................................................................................52
Figura 40 - Mesa rotativa................................................................................................................................................53
Figura 41 - Arquitetura de automação para controle de uma mesa rotatória com inversor.................53
Figura 42 - Controlador...................................................................................................................................................54
Figura 43 - Set point.........................................................................................................................................................55
Figura 44 - Arquitetura de automação para controle de uma mesa rotatória com servodriver..........55
Figura 45 - Comparativo entre inversor e servodriver.........................................................................................56
Figura 46 - Gráfico do parâmetro 5 do inversor – tempo de partida.............................................................57
Figura 47 - Gráfico do parâmetro 5 do inversor – tempo de parada..............................................................58
Figura 48 - Função pulso de partida..........................................................................................................................59
Figura 49 - Sobrecorrente imediata na saída..........................................................................................................59
Figura 50 - Subcorrente imediata................................................................................................................................60
Figura 51 - Conjunto de Servoacionamento...........................................................................................................63
Figura 52 - Comunicação de dados............................................................................................................................67
Figura 53 - Servomotor...................................................................................................................................................68
Figura 54 - Partes de um servomotor........................................................................................................................69
Figura 55 - Encoder..........................................................................................................................................................70
Figura 56 - Máquina que utiliza um encoder incremental.................................................................................70
Figura 57 - Encoder..........................................................................................................................................................71
Figura 58 - Resolver..........................................................................................................................................................72
Figura 59 - Tacogerador..................................................................................................................................................73
Figura 60 - Exemplos de aplicações de servoacionamentos.............................................................................76
2 Motores Elétricos...........................................................................................................................................................15
2.1 Motores Assíncronos..................................................................................................................................16
2.1.1 Estrutura........................................................................................................................................16
2.1.2 Funcionamento do motor......................................................................................................18
2.1.3 Exemplos de aplicações...........................................................................................................19
2.2 MOTORES SÍNCRONOS...............................................................................................................................19
2.2.1 Estrutura........................................................................................................................................19
2.2.2 Funcionamento do motor......................................................................................................20
2.3 Motores de Corrente Contínua (DC).....................................................................................................21
2.3.1 Estrutura........................................................................................................................................21
2.3.2 Funcionamento do motor......................................................................................................21
2.4 Motores de Passo.........................................................................................................................................23
2.4.1 Motores unipolares...................................................................................................................24
2.4.2 Motores bipolares......................................................................................................................25
2.4.3 Funcionamento..........................................................................................................................25
2.4.4 Drivers para motores de passo.............................................................................................26
3 Soft-Starters e Inversores............................................................................................................................................31
3.1 Chave Eletrônica (Soft-Starter)................................................................................................................31
3.1.1 Princípio de funcionamento..................................................................................................32
3.1.2 Formas de ligação do soft-starter........................................................................................33
3.2 Inversor de Frequência..............................................................................................................................35
3.2.1 Principio de funcionamento .................................................................................................37
3.2.2 Funções dos inversores............................................................................................................38
3.2.3 Escolha do inversor ..................................................................................................................39
3.2.4 Controle do Inversor de Frequência....................................................................................40
3.2.5 Módulos do Inversor.................................................................................................................44
3.2.6 Controle de posicionamento dos inversores ..................................................................52
3.3 Parametrização de Drivers .......................................................................................................................57
4 Servoacionamentos......................................................................................................................................................63
4.1 Funcionamento do Servo.........................................................................................................................64
4.2 Servodrivers...................................................................................................................................................65
4.3 Servomotores................................................................................................................................................68
4.3.1 Encoders........................................................................................................................................70
4.3.2 Resolvers.......................................................................................................................................72
4.3.3 Tacogerador.................................................................................................................................73
4.4 Instalação dos Servos.................................................................................................................................74
Referências............................................................................................................................................................................79
Anexo......................................................................................................................................................................................82
Introdução
O Curso de Capacitação dos Docentes para o Curso Técnico de Automação tem o objetivo de
atualizar tecnologicamente os profissionais do SENAI nas capacidades mais relevantes e importantes
do Desenho Curricular Nacional do Curso Técnico de Nível Médio em Automação Profissional. Este
Curso é formado por três Unidades Curriculares: Instrumentação e Controle, Sistemas Lógicos
Programáveis e Técnicas de Controle.
O conteúdo deste livro refere-se à Unidade Curricular Técnicas de Controle e está dividido em
três capítulos: Motores Elétricos, Soft-Starters e Inversores e Servoacinamento.
No primeiro capítulo são abordados os diversos tipos de motores elétricos, passando
rapidamente pela estrutura, características, funcionamento e aplicações industriais. Em relação ao
motor de passo, veremos motores unipolares e bipolares e seus drivers.
No segundo capítulo são apresentados os equipamentos do Soft-Starter e dos Inversores de
Frequência, detalhando seu princípio de funcionamento, as características, funções, formas de
ligação, parametrização de drivers e aplicações industriais. Também são estudados em Inversores
de Frequência o controle por inversor escalar e vetorial, módulos de potência e controle e o controle
de posicionamento.
No capítulo final são estudados os Servoacionamentos, detalhando servo, servo drivers, servo
motores e suas aplicações, além da instalação dos servos nos processos industriais.
Motores Elétricos
Split - Phase
Capacitor
de Partida
Gaiola de Capacitor
Esquilo Permanente
Pólos
Sombreados
Assíncrono
Capacitor de
dois Valores
Monofasico Rotor Repulsão
Bobinado
Motor CA Relutância
Síncrono
Histerese
Universal
de Gaiola
Assíncrono
de Anéis
Trifasico Imã
Permanente
Síncrono Pólos
Salientes
Excitação
Série Pólos Lisos
Excitação
Independente
Motor CC
Excitação
Compound
Imã
Permanente
Figura 1 - Classificação dos motores por tipo
Fonte: WEG, 2005
2.1.1 Estrutura
2
3
5
12
11
7 6
9
4
10
1
2.2.1 Estrutura
Entreferro
Extator
N
S S
Polo
do rotor
Rotor
+
-
+
Excitatriz
CASOS E RELATOS
2.3.1 Estrutura
(item c da figura), não haverá mais torque. Nesse instante ocorrerá a inversão
do sentido da corrente na bobina (rotor). Então a bobina continuará girando no
sentido anti-horário até que seu polo Norte fique alinhado com o polo Sul do
imã, fechando, assim, um ciclo completo de 360 graus e invertendo novamente o
sentido de giro da corrente da bobina (item d da figura).
S S S S
Força Inversão do
Força Corrente sentido da
Corrente
Corrente
Torque
N Força
S
Torque
Não há torque
Torque
S
Força
N
S
Corrente
Força
Força
N N N N
S S S S
CASOS E RELATOS
Um motor de passo unipolar tem dois enrolamentos por fase, um para cada sentido da
corrente. Desde que neste arranjo um polo magnético possa ser invertido sem comutar
o sentido da corrente, o circuito da comutação poderá ser feito de forma muito simples.
A resistência entre o fio comum e o de excitação da bobina é sempre metade da
resistência entre os fios de excitação da bobina, isto devido ao fato de haver realmente
duas vezes o comprimento da bobina entre as extremidades e somente meio
comprimento do centro (o fio comum) à extremidade. Os motores de passo unipolares
com seis ou oito fios podem ser conduzidos usando excitadores bipolares, deixando os
fios terra comuns da fase desconectados e conduzindo os dois enrolamentos de cada
fase junto. É igualmente possível usar um excitador bipolar para conduzir somente um
enrolamento de cada fase, deixando a metade dos enrolamentos sem utilização.
2 Motores Elétricos
25
1
1
N
a b S
N N
2 2
S S
a b N
S
1
2
Figura 8 - Motor unipolar
Fonte: Eletronica, 2012
2.4.3 Funcionamento
No interior do motor de passo existem estatores formados por bobinas que, quando
energizadas, geram um campo magnético necessário para movimentar o rotor.
Geralmente, a rotação dos motores de passo é controlada por meio de um
circuito externo. Este, por sua vez, energiza de forma sequencial as bobinas do
estator, fazendo com que o rotor gire de forma a acompanhar o movimento da
sequência de energização.
1 1 1 1
2 2 4 2
3 3
a b c d
Figura 10 - Funcionamento de um motor de passo
Fonte: Wikipedia, 2007
5V
OSCILADOR VCC
15K Ω 250K Ω
3.3nF 470 µ F/63V
5V
GND
100nF
GND GND
02 16 12 09 08 04
GND
CW/CCW
17 04
A 05 02
CLOCK 18 06
B 07 M
HALF/FULL
19 07 D 10 03
RESET L297 E L298N
20 09 12 13
ENABLE INH1
10 05 06
5V INH2
15 08 11 14
VREF
22KΩ 11 01 03 13 14 01 15
SENSE1
VCC
CONTROL
SENSE2
25K Ω
HOME 8 diodos rápidos 2A
RS1
RS2
5V
Porém, a maneira mais fácil é adquirir drivers prontos, que são arrays de
transistores Darlington que podem controlar correntes de até 500mA e estão
em forma de circuitos integrados prontos para serem usados em interfaces que
necessitem controlar motores de passos, solenóides, relês, motores DC e muitos
outros dispositivos. Veja a figura 13.
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
28
FASE 1A EIXO X
FASE 1B
FASE 2A
FASE 2B
COM.M
COM.M
EIXO Y
EIXO Z
Chaves de final
cunhado curso
CASOS E RELATOS
Um motor de passo pode ser uma boa escolha sempre que forem necessários
movimentos precisos. Pode ser usado em aplicações onde é necessário controlar vários
fatores, tais como: ângulo de rotação, velocidade, posição e sincronismo. O ponto
forte de um motor de passo não é sua força (torque), tampouco sua capacidade de
desenvolver altas velocidades - ao contrário da maioria dos outros motores elétricos -,
mas a possibilidade de controlar seus movimentos de forma precisa. Por conta disso,
é amplamente usado em impressoras, scanners, robôs, câmeras de vídeo, brinquedos
e automação industrial, entre outros dispositivos eletrônicos que requerem precisão.
2 Motores Elétricos
29
Recapitulando