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85433895 apostila-de-acionamentos-eletricos
 

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    85433895 apostila-de-acionamentos-eletricos 85433895 apostila-de-acionamentos-eletricos Document Transcript

    • ACI ACIONAMENTOS Elaborado por: Wilerson Sturm Revisado por: Lílian R. K. Schultz
    • Acionamentos 2 REV.00 SOCIESC
    • Acionamentos 3 SUMÁRIO 1. transformadores.............................................................................................................4 AUTO-TRANSFORMADOR............................................................................................10 Leis de Movimento...........................................................................................................17 Constituição de um Motor de Corrente Contínua............................................................19 Tipos de motores de corrente continua...........................................................................21 Princípio de funcionamento.............................................................................................23 Quadro comparativo de motores de corrente contínua...................................................23 Avarias típicas de um motor de Corrente Contínua........................................................25 Manutenção.....................................................................................................................27 TIPOS DE MOTOR DE PASSO......................................................................................28 CONTROLE LÓGICO DE UM MOTOR DE PASSO.......................................................31 CONTATOR.....................................................................................................................38 Relé Bimetálico ...............................................................................................................40 Prática .............................................................................................................................42 CARGA TRIFÁSICA EM ESTRELA E TRIÂNGULO.......................................................44 MOTOR MONOFÁSICO..................................................................................................47 LIGAÇÃO SUBSEQUENTE AUTOMÁTICA DE MOTORES...........................................52 INVERSÃO DO SENTIDO DE ROTACÃO......................................................................54 LIGAÇÃO DE UM MOTOR TRIFÁSICO EM ESTRELA E TRIÂNGULO........................56 COMANDO AUTOMÁTICO PARA COMPENSADOR.....................................................64 COMANDO AUTOMÁTICO ESTRELA – TRIÂNGULO COM REVERSÃO....................65 COMANDO AUTOMÁTICO PARA DUAS VELOCIDADES COM REVERSÃO..............67 INVERSORES DE FREQÜÊNCIA..................................................................................67 I . Introdução....................................................................................................................73 SOCIESC
    • Acionamentos 4 1. TRANSFORMADORES 1.1 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Vimos anteriormente que a indução corresponde a geração de uma corrente elétrica a partir do deslocamento de um campo magnético próximo a um condutor, ou vice-versa. Figura 1. Quando tem-se uma corrente elétrica circulando em uma bobina, um campo magnétrico é gerado. Se a corrente elétrica for variável o campo magnético também será variável. Sendo assim, existe um movimento do campo magnético em relação ao condutor. Este movimento relativo provocará a indução de uma tensão/corrente elétrica na própria bobina, pois as linhas de força estão “cortando” as espiras da bobina . Esta tensão/corrente é conhecida como força contra-eletromotriz (fcem). A fcem é de polaridade oposta a corrente elétrica que a criou (corrente indutora). Se a corrente indutora está surgindo, a fcem irá se opor a este surgimento. Se a corrente indutora está desaparecendo, a fcem tentará mante-la. Se próxima a esta bobina (primeira bobina ou bobina indutora) houver uma segunda bobina, esta também será cortada pelas linhas de força. Em consequência surgirá nesta segunda bobina uma tensão (figura 2 e 3). Esta tensão é conhecida por tensão induzida, e seu valor depende de: Intensidade da tensão aplicada na bobina indutorra; Número de espiras da bobina indutora (primeira bobina); Número de espiras da segunda bobina. Fig.1 – Indução eletromagnética. Fig. 2 – Campo magnético devido a uma corrente elétrica. SOCIESC
    • Acionamentos 5 Fig. 3 – Indução de uma tensão na bobina secundária devido a estar próxima de uma bobina indutora. Um transformador consiste em duas (ou mais) bobinas enroladas sobre um núcleo de material magnétrico ou, então, próximas de modo que as linhas de fluxo de uma bobina (bobina indutora ou bobina primária) cortem as espiras de outra bobina (bobina induzida ou bobina secundária). Figura 4. Bobina do primário – Bobina do secundário – Núcleo Fig. 4 – Construção simplificada de um transformador. 1.2 - RELAÇÃO DE ESPIRAS A bobina do transformador à qual se aplica a tensão de entrada é denominada enrolamento primário. A passagem de corrente por ela estabelece um campo magnético que induz a tensão na outra bobina (enrolamento secundário). Como a grandeza da tensão induzida depende do número de espiras do secundário, em relação ao número de espiras do primário, a relação de espiras é uma característica importante do transformador. É definida como a relação entre o número de espiras do primário e o número de espiras do secundário. relação de espiras = Np / Ns [1] Sendo: Np o número de espiras do primário; Ns o número de espiras do secundário; EXEMPLO 1: Cosidere um transformador com 345 espiras na bobina primária e 45 espiras na bobina secundária. Qual a relação de espiras deste transformador? Sol.: Transformadores SOCIESC elevadores – A bobina secundária tem mais Transformadores rebaixadores – A bobina secundária tem menos
    • Acionamentos 6 - Uma relação de 1:3, por exemplo, indica que o secundário tem três vezes mais espiras do que o primário. - Uma relação de espiras de 20:1, por exemplo, indica que o primário tem vinte vezes mais espiras do que o secundário. 1.3 - RELAÇÃO DE TENSÕES Como a tensão induzida no secundário de um transformador pode ser maior ou menor do que a tensão do primário, o transformador pode ser considerado como um dispositivo que muda a tensão. Um transformador usado para alimentar um anúncio de néon, por exemplo, produz milhares de volts de saída, elevando a tensão da linha ( 115V C.A.). Como o valor da tensão induzida numa bobina depende do número de espiras cortadas pelo campo magnético, um enrolamento secundário com muitas espiras, terá nele induzida uma tensão maior do que em secundário com menos espiras. Se por exemplo, o campo magnético induz um décimo de volt para cada espira do secundário, um secundário de 2.000 espiras terá uma tensão induzida de 200 volts; um secundário de 3.000 espiras terá uma tensão induzida de 300 volts. Matematicamente, a relação de tensões do primário para o secundário, é igual à relação de espiras: Ep ----- = Es Np ----Ns Sendo: Np e Ns os números de espiras do primário e do secundário; Ep e Es respectivamente, nas tensões do primário e do secundário; EXEMPLO 2: Um transformador recebe em sua entrada uma tensão de 380 V e “entrega” em sua saída uma tensão de 15 V. De quanto é a relação de tensão deste transdormador? Sol.: EXEMPLO 3: Para o transformador do exemplo acima, considere que o enrolamento pimário tem 500 espiras. Quantas espiras possuiu o enrolamento secundário? Sol.: SOCIESC [2]
    • Acionamentos 1.4 - 7 POTÊNCIA DO TRANSFORMADOR A potência que um transformador “entrega” em seu enrolamento secundário é a mesma potência que é recebida em seu enrolamento primário. Pp = P s [3] Onde: Pp - Potência absorvida pelo primário; Ps – Potência entregue pelo secundário. EXEMPLO 4: Um transformador recebe em seu primário uma potência de 5000 W. Qual a potência etregue no secundário deste transformador? Sol.: EXEMPLO 5: O transformador do exemplo 4 recebe em seu primário uma tensão de 13800 V. A relação de espiras é de 1:36. Qual é a tensão no secundário destre trafo? EXEMPLO 6: Qual a máxima corrente que este transformador poderá fornecer no secundário? Qual a corrente absorvida pelo primário? Sol: 1.5 - APARÊNCIA E SÍMBOLO DO TRANSFORMADOR As figuras a seguir ilustram alguns tipos de transformadores utilizados em eletroeletrônica. SOCIESC
    • Acionamentos 8 Fig. 5 – Símbolo do trafo No exemplo ilustrado na Fig.1, a tensão induzida no secundário pode ser determinada da seguinte maneira: 115 ----Es 115 ----Es Es = 115 ------- 500 = ----1500 500 = ----1500 x ----500 1500 ------- = 345 volts Conforme se vê pelo cálculo do secundário é três vezes maior do que a tensão do primário o secundário tem três vezes mais espiras do que o primário. Na prática, a tensão do secundário é ligeiramente menor do que o valor calculado. Se uma carga for ligada ao secundário, a corrente que circula produz uma queda IR na resistência do enrolamento secundário. Por conseguinte, a tensão do secundário diminui quando é ligada uma carga. Num transformador bem projetado, contudo, essa diminuição é desprezível. O projetista do transformador pode calcular essa perda e compensá-la por um pequeno aumento de espiras do secundário. SOCIESC
    • Acionamentos 9 Um transformador rebaixador. O secundário tem apenas um quarto do número de espiras do primário. A tensão do secundário, consequentemente, será igual a um quarto da tensão do primário. Ep ----Es 50 ----Es Es = 50 ------- Np = ----Ns 1000 = ----250 x ----1000 250 ------- = 12,5 volts Relação de correntes: Embora um transformador possa elevar a tensão, é óbvio que ele não fornece nada sem compensação. A elevação de tensão é acompanhada de uma diminuição de corrente. A corrente do secundário será determinada pela carga e a ele ligada, mas a corrente do primário será maior do que a corrente do secundário, na mesma relação em que a tensão do secundário for maior do que a tensão do primário. Se, por exemplo, a tensão do secundário for quatro vezes maior do que a tensão do primário, a corrente do primário será quatro vezes maior do que a corrente do secundário. Um transformador que tem uma relação de tensões elevadora, terá uma relação de corrente rebaixadora. SOCIESC
    • Acionamentos 10 No exemplo ilustrado na figura 3A, a tensão do secundário é três vezes a tensão do primário. Se uma carga ligada ao secundário drenar 20 miliampères de corrente, a corrente do primário será de 60 miliampères. Na figura 3B a tensão do secundário será um quarto da tensão do primário. Se a carga liga ao secundário drenar 200 miliampères, a corrente do primário será de um quarto deste valor, ou 50 miliampères. Matematicamente, a relação de corrente é ligada à relação de espiras da seguinte maneira: Ip ----Is Ns = ----Np Sendo: Np e Ns os números de espiras do primário e do secundário respectivamente, Ip e Is as correntes do primário e do secundário respectivamente. Na prática, a corrente do primário é ligeiramente maior do que o valor calculado, porque o primário drena uma corrente adicional para compensar as perdas no núcleo. Por esse motivo, a potência de saída do secundário (ES multiplicado por IS) é sempre menor do que a potência de entrada do primário (EP multiplicado por IP). A relação entre a potência de saída e a potência de entrada é o rendimento do transformador, geralmente expresso sob a forma de porcentagem. Pot. de saída Es x Is % rendimento = -----------------------x 100 = -------------------------x 100 Pot. de entrada Ep x Ip Em transformadores de núcleo de ferro o rendimento geralmente é superior 90%. AUTO-TRANSFORMADOR Um autotransformador é um transformador que não dispõe de um enrolamento secundário propriamente dito, mas que utiliza o enrolamento primário como secundário. SOCIESC
    • Acionamentos 11 A figura nos mostra um esquema de um autotransformador. Consta de um bobinado dos extremos A e D, no qual se fez uma derivação no ponto B. Chamaremos de primário o bobinado AD e secundário à porção BD para os autotransformadores elevadores de tensão, esta denominação ficaria ao contrário. Podemos observar que o autotransformador intervém somente para modificar a tensão de entrada e isto significa que conduzirá uma potência tanto mais reduzida quanto menor for a diferença entre as tensões de entrada (Ee) e saída (Es). Chamando Pu a potência útil na saída do autotransofrmador, a potência transformada Pt será dada por uma das seguintes fórmulas, conforme o aparelho trabalhe como elevador ou redutor da tensão: Ee Elevador: Pt = Pu ( 1 - ------ ) Es Es Redutor: Pt = Pu ( 1 - ------ ) Ee Esta potência Pt é a que servirá de base para fixar a seção do circuito magnético. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Suponhamos um transformador monofásico normal, de dois enrolamentos e de relação de transformação 2:1, como é o da figura, Se unirmos eletricamente os bornes P e S, não haverá nenhum inconveniente porque estão constantemente ao mesmo potencial. Ao longo do enrolamento primário, encontraremos outro ponto cuja voltagem coincida com o borne S do enrolamento secundário. Este ponto terá exatamente, desde P, o mesmo n° de espiras que o enrolamento secundário, ou seja, a metade do primário, já que a relação de transformação é 2:1. Unindo-se também estes dois pontos, já que estão ao mesmo potencial não se modificam as condições eletromagnéticas de transformação. SOCIESC
    • Acionamentos 12 Dessa maneira, reunindo-se os dois enrolamentos, teríamos o esquema da figura 3, que é o esquema de um autotransformador. 1.6 - ECONOMIA DO AUTOTRANSFORMADOR COM RELAÇÃO AO TRANSFORMADOR Suponhamos que a potência do transformador da figura seja de 1000W. Sendo de 100 Volts a tensão de entrada, as correntes que circularão nos dois enrolamentos são 10 A e 20 A, como mostra a figura. Sobrepondo-se os dois enrolamentos, vemos que entre os pontos PS e S', circulam duas correntes (10A e 20A) de sentido contrário e a corrente resultante, será a diferença entre elas, conforme mostra a figura. Isto significa que, ao convertermos um transformador em autotransformador, não só economizaremos o cobre correspondente ao enrolamento secundário mas é preciso aumentar o diâmetro do fio do primário, pois na parte comum circula a mesma corrente de antes. Ao suprimir-se um enrolamento, se reduz o núcleo magnético e portanto as perdas no ferro e o tamanho físico. Além disso, o rendimento também melhora. Frente a essas vantagens econômicas que acabamos de citar, os autrotransformadores tem o inconveniente de manter eletricamente unidos os circuitos primário e secundário. A utilização principal dos autotransformadores tem lugar quando possuímos um determinado aparelho em uma tensão (por ex. 110 Volts) e a tensão da rede é diferente (por ex. 220 Volts). FATOR DE POTÊNCIA DEFINIÇÃO: O fator de potência é a defasagem entre a corrente e a voltagem num sistema elétrico. Sabemos que num sistema elétrico, existem dois tipos de energia: SOCIESC
    • Acionamentos 13 - a energia ativa - a energia negativa. Qualquer equipamento que transforma a energia elétrica em outra forma de energia, por exemplo: um ferro elétrico que transforma a energia ativa em energia térmica, não necessita de energia intermediária fornecida pelo gerador é totalmente utilizada ou consumida pelo ferro elétrico. Todos os equipamentos que possuem enrolamentos, tais como: transformadores, reatores para iluminação fluorescente, reatores para iluminação a vapor de mercúrio, etc. necessitam de energia magnetizante, como intermediária da energia ativa, e passam a ser consumidor de energia ativa e reativa. Em outras palavras, a energia reativa, que é aquela utilizada para criar o campo magnético do circuito, não é propriamente consumida como energia ativa. CARGAS: ÔHMICA - INDUTIVA – CAPACITIVA A) CARGA ÔHMICA: Ligando-se uma fonte de corrente alternada a um resistor ôhmico ( por exemplo, um ferro elétrico), a voltagem (U) vai variar senoidalmente, como a voltagem que a originou. Sendo o valor da voltagem, num determinado momento, igual a zero, então também neste momento não circulará corrente. Quando a voltagem alcança o seu valor máximo, o mesmo acontecerá com a corrente, isto faz com que se defina: voltagem e corrente estão em igualdade de fase. Quando a carga simultaneamente. (Fig.5.1) é ôhmica, voltagem e corrente crescem e decrescem B) CARGA INDUTIVA: Quando uma carga indutiva é ligada a uma fonte de corrente alternada, aparecerá uma diferença de fase entre a voltagem e a corrente sofrer um atraso em seu deslocamento pela ação da auto-indução. Esta diferença é indicada como ângulo em graus. Quando a SOCIESC
    • Acionamentos 14 carga é indutiva pura, o que significa que o circuito de corrente não apresenta resistência ôhmica, a diferença de fase alcança 90 graus. No caso da resistência indutiva pura, a corrente está atrasada em 90 graus em relação à voltagem. (Fig.5.2) C) CARGA CAPACITATIVA: Uma carga capacitativa motiva, num circuito de corrente alternada, um desfasamento entre a voltagem e a corrente, no sentido contrário ao desfasamento da carga indutiva. Isto é, a corrente está adiantada de 90 graus em relação à voltagem. No caso da carga capacitiva pura, a corrente está adiantada, em relação à tensão, de 90 graus. (Fig.5.3) 1.7 - OBJETIVOS DA MELHORIA DO FATOR DE POTÊNCIA - Liberação da capacidade do sistema: - Crescimento do nível de tensão por redução das perdas nos condutores elétricos. As companhias concessionárias de energia elétrica acrescem uma taxa aos consumidores que tiverem o fator de potência médio mensal menor que 0,85. Por exemplo: Uma conta mensal de energia seria de CR$ 100.000,00, porém o fator de potência médio mensal foi de 0,60, então a taxa a ser paga será: 100.000,00 x 0,85 = CR$ 141.666,66 SOCIESC
    • Acionamentos 15 0,60 MENOR DIMENSIONAMENTO DOS CONDUTORES COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA O dimensionamento dos condutores, em qualquer circuito elétrico, é determinado pela corrente (ampères) que circula pelos mesmos. No exemplo abaixo, podemos verificar que num circuito de baixo fator de potência teremos menor corrente circulando que num circuito de baixo fator de potência. Exemplo: Num determinado circuito trifásico, com voltagem de 220V, serão ligados 10kW de potência. Calcular o consumo em ampères, com o fator de potência corrigido (Alto Fator) 0,90 e com baixo fator de potência 0,50. I= W / V. 1,73.cosϕ onde V = Tensão da Rede I = Corrente consumida em ampères W = Potência do circuito em watts 1,73 = Constante. cosϕ = Fator de potência do circuito. CÁLCULO PARA BAIXO FATOR DE POTÊNCIA I = 10000 / 220.1,73.0,50 = 52,5 Ampères CÁLCULO PARA ALTO FATOR DE POTÊNCIA I = 10000 / 220.1,73.0,90 = 29,1 Ampères Concluímos que em circuitos de alto fator de potência teremos uma corrente circulante menor que em circuitos de baixo fator de potência. Naturalmente isto não implica em que o consumo de potência (W) seja menor, porém teremos oportunidade de reduzir o dimensionamento dos condutores. Podemos aumentar o fator de potência, nas instalações elétricas, utilizando banco de capacitores. No caso de haver a necessidade de ampliar a iluminação aconselhamos a utilização de reatores com fator de potência corrigida. MOTORES ELÉTRICOS: 1) Tipos de motores elétricos SOCIESC
    • Acionamentos 16 2) Fatores de seleção Na seleção do motor vários fatores vão ser determinantes. A importância destes fatores depende da utilização a que o motor vai ser sujeito e das possibilidades do investidor. Tipo de fonte de alimentação (DC ou AC, monofásico ou polifásico). Condições ambientais (limitações à poluição produzida pelo motor: principalmente sonora) - Relação Binário/Velocidade; conseqüência direta das características da carga. Consumo e Manutenção; varia com os interesses econômicos, perspectiva a curto ou longo prazo. Controlabilidade: Posição, Binário, Velocidade, Corrente de arranque; depende das exigências da carga. Um aspecto importante na seleção do motor é o tipo de carga mecânica a que vai estar sujeito. Assim, convêm referir e caracterizar os diversos tipos, que são apresentados na figura seguinte acompanhada com exemplos ilustrativos. - SOCIESC
    • Acionamentos 17 Conceitos Básicos Uma máquina elétrica pode ser definida como uma máquina que transforma energia elétrica numa outra forma de energia, ou que transforma a energia elétrica com determinadas características, em outra forma de energia com outras características. As máquinas elétricas podem ser agrupadas em dois grandes grupos. Máquinas estáticas, nas quais não se encontra qualquer peça em movimento, é o caso dos transformadores. O outro grupo é denominado por grupo de máquinas rotativas. As máquinas deste grupo são constituídas por duas partes, a parte fixa à qual se chama estator e a parte móvel que tem o nome de rotor. Todas as máquinas elétricas, são constituídas por um enrolamento (bobina) onde é criado o campo magnético, este fenômeno surge na parte fixa da máquina, esta parte fixa quando sujeita a campo magnético criado pela corrente elétrica toma o nome de indutor. Ao mesmo fenômeno, mas que surge na parte móvel que é o local onde vão surgir as forças eletromotrizes (f.e.m.) induzidas tem o nome de induzido. O dínamo é uma máquina que pode ser utilizada, para a obtenção de corrente contínua e utilizado em locais onde seja fundamental a utilização deste tipo de tensão para o funcionamento de determinados equipamentos. Esta é uma máquina que requer grande delicadeza na sua construção, dai advém o seu elevado custo. O motor de corrente contínua é utilizado quando se pretender um motor com fortes apetências para obter uma grande variação de velocidade ou onde se disponha de uma tensão contínua para alimentar o motor. A Manutenção tem cada vez mais um papel importante a desempenhar nas nossas empresas. Esta manutenção é um dos fatores importantes para melhorar a produtividade e economizar muitos cifrões nas empresas, pode vir a ser um setor a afirmar-se em qualquer empresa quando bem organizada e programada. LEIS DE MOVIMENTO Leis de Movimento : Lenz, Faraday e Laplace No essencial as leis de Lenz e Faraday dizem que: Sempre que um condutor ou espira se movimenta dentro de campo magnético, cortando as linhas de força, surge nos seus terminais uma força eletromagnética (f.e.m.) induzida, que tende a opor-se à causa que lhe deu origem. Se os condutores ou espira forem ligados a uma carga , o circuito será percorrido por uma corrente elétrica induzida. SOCIESC
    • Acionamentos 18 A causa que origina a f.e.m. é obviamente a variação do fluxo através do condutor ou espira provocada pelo seu movimento no compro magnético. Esquema de funcionamento A Lei de Laplace diz-nos que : Se um condutor ou espira, alimentado por uma fonte de energia elétrica, é colocado no meio de um campo magnético, exerce-se sobre ele uma eletromagnética, que o faz deslocar com um determinado sentido. A força eletromagnética exercida sobre o condutor ou espira é proporcional: À intensidade de corrente o condutor ou espira. Ao valor da indução magnética. Ao comprimento do condutor ou espira submetido ao campo. Ao seno do ângulo formado pela indução e pelo condutor ou espira. No caso das máquinas rotativas, existem várias espiras (bobinas), apoiadas num eixo (rotor), entrando o conjunto em movimento. Esquema de funcionamento de um motor Resumindo, quando uma corrente elétrica atravessa um condutor é criado em redor do mesmo um campo magnético. Se colocarmos esse condutor no seio de um campo magnético fixo aquele ficará submetido a uma força eletromagnética que terá como SOCIESC
    • Acionamentos 19 efeito fazer com que o condutor se desloque. Assim surge o princípio de funcionamento de uma máquina elétrica elementar. CONSTITUIÇÃO DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA As máquinas de corrente continua, quer geradores, quer motores são constituídos por: Indutor, induzido, coletor, escovas. INDUTOR - Tem como finalidade produzir o campo magnético, em que a carcaça (estator) faz parte do circuito magnético. Este campo tanto pode ser produzido por um ímã permanente como por um eletroímã, sendo estes últimos os mais utilizados , pois podem produzir campos magnéticos reguláveis e mais intensos. O indutor é constituído por três partes: A parte externa, denominada por carcaça, pelos núcleos onde são implantadas as bobinas indutoras e pelas peças polares, por entre as quais se desloca o induzido. Os pólos são aparafusados ao estator e as bobinas são colocadas nas peças polares de forma circular, sendo estas enroladas de forma a terem polaridades opostas. Os eletroímãs das bobinas são excitados por corrente continua, que passa nas bobinas que envolvem os pólos. Há dois tipos de bobinas indutoras ou de excitação: Bobinas shunt ou paralelo, que contem um grande número de espiras de fio fino, e a sua resistência é de centenas de ohms. Bobinas série, são constituídas por um pequeno número de espiras de fio grosso, e tem uma resistência da ordem das décimas de ohms. INDUZIDO - Está sujeito a movimento, é constituído por um certo número de bobinas, bobinas estas que se encontram encaixadas em ranhuras existentes na periferia do cilindro, que resultam da junção de várias chapas magnéticas, de pequena espessura devidamente isoladas entre si de forma a reduzir as perdas por correntes de Foucault. COLECTOR - Este elemento é formado por um conjunto de lâminas de cobre que são dispostas lado a lado ficando permeio folhas de mica que as isolam entre si. A sua disposição, depois de apertadas formam um cilindro, ficando solidárias com o veio. O coletor permite captar as correntes estabelecidas nos condutores do induzido, fazendo-as passar para o circuito exterior sob a forma de corrente unidimensional, isto é, corrente contínua. SOCIESC
    • Acionamentos 20 ESCOVAS - São peças com o formato de um paralelepípedo, sendo fabricadas em grafite, estas peças encontramse incorporadas, numa outra peça denominada por porta escovas, onde existe um mola que comprime a escova sobre o coletor. Existem vários fatores que influenciam a escolha da grafite como material para a produção de escovas de máquinas rotativas. A grafite tem como propriedade de lubrificar, reduzindo assim o atrito com o coletor. Resumidamente : As máquinas rotativas são constituídas por duas partes distintas; a parte fixa ou estator e a parte móvel ou rotor. No estator nós encontramos um indutor, as tampas laterais, onde se encontram fixas nesta as chumaceiras, os porta escovas onde estão alojadas as respectivas escovas. O rotor é constituído pelo induzido e pelo coletor. SOCIESC
    • Acionamentos 21 TIPOS DE MOTORES DE CORRENTE CONTINUA Neste capítulo, iremos estudar mais aprofundadamente o motor auto excitado de excitação em série um vez que é o caso particular a que nos predispomos a estudar como caso pratico. Contudo apresentaremos os aspectos principais dos restantes de uma forma mais sucinta. Quando a corrente de excitação provem de uma fonte de corrente continua independente, por exemplo uma bateria de acumuladores ou de um gerador, temos neste caso um motor de excitação separada ou independente. Contudo o processo de excitação mais utilizado é quando a corrente que irá produzir o campo magnético indutor é obtido através da mesma fonte de alimentação ligada ao induzido, diz-se que o motor é de auto excitação ou de excitação própria. A classificação dos motores de corrente continua é efetuada quanto ao modo como é feita a excitação da máquina, ou seja a forma como é feito o fornecimento da corrente que vai alimentar as bobinas indutoras. Assim sendo temos: Motor Série; Este tipo de motor tem a bobina indutor ligado em série com o induzido, por este motivo às bobinas indutoras são constituídas por fio grosso e com poucas espiras, o que faz com este motor seja bastante robusto. O binário de arranque é bastante elevado, o que lhe permite atingir rapidamente a velocidade normal de funcionamento, podendo arrancar a plena carga sem quaisquer dificuldades. Há cuidados que se devem ter em atenção na utilização deste tipo de motor, pois quando a carga é nula ou muito reduzida à intensidade pedida à rede è baixa e a velocidade atingirá valores muito elevados que poderão destruí-lo, diz-se que o motor desarvora. Quando tal situação acontecer deve-se desligar imediatamente o motor, porque com velocidades muito elevadas a estrutura do motor pode ser SOCIESC
    • Acionamentos 22 danificada, ou destruir-se por completo, o que pode trazer problemas econômicos para os utilizadores. Contudo é um motor que reagem muito bem ás variações de carga, permitindo regular a velocidade com grande facilidade. Quanto à variação do sentido de rotação deste motor também tem de se ter especial atenção, porque não se deve inverter o sentido de rotação do motor série invertendo a polaridade da fonte de alimentação, visto que se inverte simultaneamente o sentido da corrente no induzido e no indutor. Deve-se deixar parar completamente o motor e só depois se executa o processo de inversão do sentido da corrente que consta, em se inverter o sentido da corrente apenas num dos enrolamentos através de um inversor. Resumidamente pode-se concluir que o motor de excitação em série tem um elevado binário de arranque, pode arrancar a plena carga, é de fácil regulação de velocidade, tem como inconveniente principal, o fato de que é necessário ter muito cuidado para que ele não arranque em vazio, visto que ao embalar pode atingir velocidades muito elevadas o que o pode destruir. Este tipo de motor é utilizado em locais onde não exista o perigo de arrancar em vazio ou em locais onde seja necessário um grande binário de arranque, como é o caso de gruas de elevação de cargas e motores de tração elétrica. Nota: Este pode também funcionar em corrente alterna como motor assíncrono monofásico. Motor de Excitação Separada; O enrolamento indutor é alimentado por uma fonte de alimentação exterior ao motor. Os enrolamentos do indutor e do induzido formam circuitos elétricos distintos . O motor apresenta uma velocidade constante para qualquer valor de carga. Apresenta um inconveniente que é de ser necessária uma fonte de alimentação exterior. Para se poder inverter o sentido de rotação deste tipo de motor basta inverter a polaridade de um das fontes de alimentação. Utilização: Este tipo de motor é o mais indicado e o mais usado em locais onde se necessite de variar freqüentemente o sentido de rotação, mantendo uma velocidade constante. É utilizado por exemplo nas antenas parabólicas dos radares. Motor shunt: Tem o indutor ligado em paralelo com o induzido. Bobina indutora com elevado resistência devido a ser composta por um número muito elevado de espiras de fio fino. Isto porque necessitas-se que a intensidade de corrente no indutor seja muito baixa. Tem uma velocidade quase constante desde vazio até plena carga. Tem um binário de arranque inferior ao motor de excitação em série. Para que o arranque deste motor seja rápido é necessário que inicialmente a intensidade de corrente no induzido seja baixa e no indutor a intensidade de corrente seja máxima. Para se inverter o sentido de rotação deve-se inverter o sentido da corrente no induzido ou no indutor. Usualmente, inverte-se o sentido de corrente no induzido. Utilização: SOCIESC
    • Acionamentos 23 Normalmente é utilizado para acionar equipamentos em que o arranque não seja a plena carga e em que se necessite de uma velocidade quase constante. É muito utilizado em máquinas de ferramentas. Motor Compound; No motor compound existe dois tipos de excitação, a excitação em série e a excitação em shunt, podendo estes enrolamentos ser ligados em longa ou curta derivação. Motor compound adicional; Quando o campo magnético criado nos enrolamentos série e derivação tiverem o mesmo sentido, denominando-se por campos adicionais. Para além de possuir as mesmas características do motor série, este motor possui um binário de arranque maior e nunca embala em vazio. Motor compound diferencial; Quando os campos magnéticos tiverem sentidos opostos. Para além das características já mencionadas anteriormente para o motor shunt, este apresenta uma velocidade mais constante e um binário de arranque menor. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Nos motores de corrente continua a parte móvel , portanto o rotor, encontra-se no meio dum campo magnético que pode ser produzido por um íman permanente ou por um eletroímã. Ao aplicarmos uma tensão continua entre as escovas do coletor, as bobinas do induzido serão percorridas por uma corrente continua que criará um campo magnético. Isto provocará uma interação entre os dos campos magnéticos criados, o campo do indutor e o campo do induzido, o que irão produzir um binário de forças na periferia do rotor que fará com que este apresente um movimento giratório. Com este movimento surge-nos um pergunta que é inevitável colocar: Se este movimento representa uma velocidade giratória do rotor, essa velocidade depende de quê, quais os fatores que a influenciam ? A resposta pode ser bastante complexa, contudo vamos tentar dar uma resposta resumida. A velocidade que um motor de corrente contínua apresenta-se dependente sempre da intensidade de corrente que atravessa o induzido, variando a tensão aplicada nos terminais do induzido a velocidade pode aumentar ou diminuir consoante o caso, o número de espiras das bobinas do induzido também é outro fato a ter em atenção, porque faz variar o campo magnético e por conseqüência a velocidade, para além deste três fatores a velocidade ainda depende, do fluxo do pólo e do número de pólos do indutor. Esta velocidade por vezes tem de ser ajustada ao sistema a que o motor está relacionado. Tendo-se em conta o que foi dito anteriormente, verifica-se que podemos variar, ou melhor regular, a velocidade do motor se variarmos a tensão a que está sujeito, ou então se o fluxo magnético indutor for variado, a velocidade por arrastamento/conseqüência varia também. Segundo consulta bibliográfica, alguns autores apresentam duas formas de se fazer variar a velocidade, a maneira mais prática que consiste em fazer variar o fluxo magnético do indutor através de um reostato de campo, que permite aos operadores variar a intensidade de corrente que atravessa as bobinas indutoras. A outra maneira, embora menos prática consistem em adicionar ao sistema uma resistência variável em série com o induzido, que terá com finalidade fazer variar a tensão aplicada aos terminais do motor. QUADRO COMPARATIVO DE MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA Tipo Excitação separada Série Shunt Compound Adicional SOCIESC Binário de arranque Velocidade Fraco Constante Variável Elevado (embala em vazio) Fraco Constante Elevado Pouco variável Utilização Rodar Aparelhos elevatórios Tração mecânica Máquinas ferramentas Aparelhos elevatórios
    • Acionamentos compound diferencial Fraco SOCIESC 24 Constante Máquinas ferramentas Máquinas de tecidos
    • Acionamentos 25 AVARIAS TÍPICAS DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA Qualquer máquina de corrente contínua quando em funcionamento permanente ou não, fica sujeita a que surjam algumas avarias. Estes defeitos de funcionamento podem ser agrupados do seguinte modo: Produção de faíscas entre o coletor e as escovas. Aquecimento anormal dos órgãos dum motor. O motor não arranca. Funcionamento ruidoso. Produção de faíscas entre o coletor e as escovas As escovas podem estar em má posição ou o contacto com o coletor pode ser defeituoso; a sua qualidade pode ser má ou a montagem no porta escovas pode não ser a mais correta, podendo também ser um problema da mola que pressionar a escova contra o coletor. Como o coletor necessita de um ajuste perfeito com as escovas, se existir neste um mau estado de conservação, por exemplo sujo e com irregularidades ou com micas salientes. Para além disto uma outra situação que pode influenciar as faíscas é o caso das bobinas indutoras se encontrarem em curto-circuito, também pode acontecer que as bobinas dos pólos auxiliares estejam com defeito na ligação, portanto mal ligados ou em curto-circuito. O curto-circuito no indutor e a inadequada ligação das bobinas do induzido às lâminas do coletor podem também provocar faíscas. Se houver falta de isolamento entre as lâminas do coletor pode-se provocar um curtocircuito que mais uma vez pode ser a causa das ditas faíscas que surgem no coletor. A sobrecarga e a velocidade excessiva também influenciam o aparecimento deste fenômeno. Aquecimento anormal dos órgãos dum motor Aquecimento do induzido Este aquecimento pode ser provocado pela sobrecarga ou pelo curto circuito, sendo também de considerar as perdas exageradas por histerese e pelas correntes “parasitas" ou correntes de Foucoult ou ainda defeitos de fabrico. Como a máquina quando está em funcionamento é considerada um todo, se houver aquecimento de outros órgãos da máquina este aquece, como conseqüência. O defeito de isolamento em relação à carcaça devido à umidade ou o curto circuito entre espiras ou entre as extremidades das espiras provoca uma redução brusca da resistência do circuito fazendo elevar a temperatura do mesmo. Aquecimento do indutor A corrente de excitação que passa nas bobinas indutoras quando excessivas provoca um aquecimento. Devido a este aquecimento quando a temperatura começa a ser preocupante pode provocar quebras no isolamento (derretendo o verniz que isola espiras entre elas) provocando um curto-circuito. Aquecimento do coletor O aquecimento do coletor pode ser provocado pela pressão exagerada das escovas ou pela defeituosa colocação das mesmas em relação ao coletor ou um mau dimensionamento das escovas para o coletor em questão. A sobrecarga e o mau isolamento entre as lâminas do coletor devido à sujidade também são fatores que influenciam o aumento de temperatura. Aquecimento dos apoios Se a máquina tiver em funcionamento e lubrificação não for efetuada regularmente e de uma forma eficaz, ou por qualquer motivo o óleo que se destinava à lubrificação estiver em falta ou ainda se estiver em mau estado ou impróprio, ou também é possível que os anéis de lubrificação estejam em mau funcionamento ou defeituosos, assim a máquina começa a girar comprimindo "ferro com ferro" provocando um aquecimento. Se o sistema a que o motor está ligada não for adequado para as suas características este fica sujeito a uma tensão excessiva tendo também como conseqüência um aquecimento exagerado. Motor não arranca Caso o motor não arranque deve-se verificar se existe falta de tensão e se o circuito elétrico até ao motor se encontra em pleno estado de conservação e de funcionamento. No entanto, deve-se verificar se o reostato de arranque está em perfeito estado de funcionamento e senão possui nenhuma interrupção no seu circuito elétrico, podendo também existir erros de ligação do reostato. Um outro motivo pelo qual o motor pode não arrancar deve-se à interrupção ou curto-circuito nos enrolamentos indutores ou à má posição das escovas. No caso de existir um defeituoso isolamento do motor este poderá também não funcionar. Funcionamento ruidoso SOCIESC
    • Acionamentos 26 O funcionamento ruidoso do motor pode dever-se a um curto-circuito ou à falta de carga que poderá levar o motor a atingir velocidades muito elevadas. A sobrecarga, o mau estado do coletor e das escovas, o choque do induzido contra as peças polares, o induzido desequilibrado, defeitos nos apoios do veio, parafusos desapertados, rolamentos mal lubrificados e defeitos no acoplamento da correia de transmissão são fatores que farão certamente com que o motor funcione de uma forma ruidosa. Diagnóstico para detecção de avarias, sintomas e prováveis causas Sintomas e causas prováveis Soluções Motor de arranque não arranca ou roda devagar Bateria Terminais da bateria defeituosos Limpar os terminais e reapertá-los após limpeza. Limpar e corrigir Carregar bateria Substituir bateria Cabo de massa defeituoso Baixa tensão devido à descarga da bateria Baixa voltagem devido à bateria estragada . Interruptor de arranque Ponto de contacto do interruptor defeituoso Substituir interruptor Ligação de interruptor defeituosa Corrigir . Interruptor Terminais de ligação do interruptor Corrigir defeituosos Placa de contacto queimada ou contacto Substituir interruptor defeituoso Circuito de puxar bobine aberto Substituir interruptor Circuito de segurar bobine aberto Substituir interruptor . Acoplamento Escovas defeituosas Revestir ou substituir Molas de escovas fracas Substituir molas Bobine em curto-circuito Substituir bobina Pontas da bobine defeituosas Corrigir coletor queimado Corrigir Mica mais alta que as laminas do coletor Cotar a mica Armadura ligada a terra Substituir armadura Outras partes gastas Substituir . Motor de arranque roda continuamente e não pára SOCIESC
    • Acionamentos 27 Interruptor de arranque Contacto de interruptor defeituoso Substituir Interior de interruptor em Curto-circuito Substituir . Reostato de arranque Pontos de reostato relê derretidos Substituir Pontos de reostato em curto-circuito Substituir . Interruptor magnético Placas de contacto derretidas Substituir Espiras da bobine em curto-circuito Substituir . Motor de arranque roda suficiente mas o arranque é difícil Circuito indutor Contacto defeituoso Corrigir Desalinhamento de contactos Ajustar Circuito magnético aberto Substituir . Interruptor de arranque Contacto defeituoso entre interruptor e Substituir termina Contacto do interruptor defeituoso Corrigir MANUTENÇÃO 1º Caso o motor não funcione, verificar o estado energético da bateria. 2ª Evitar um funcionamento prolongado, a fim de evitar um aquecimento nas bobinas que pode provocar um curto circuito devido ao verniz que serve como isolante entre espiras derreter com o calor. 3ª A lubrificação dos rolamentos e chumaceiras, bem como, a do bendix deve ser constante e adequada evitando assim o aquecimento destas peças. 4º A limpeza e a verificação do estado do coletor também se deve fazer pelo menos uma vez por ano. 5ª A inspeção das escovas, bem como, as das molas dos porta escovas deve ser feita cuidadosamente a fim de manter estas em ótimo estado 6ª Devem-se manter toadas as peças do motor bem limpas, evitando a acumulação de pó que juntamente com a umidade poderia provocar um possível curto circuito. Observações Todo o material isolante exterior é em alumínio tendo como grande vantagem à dissipação do calor. Todas as peças são substituíveis, o que quando realizada uma manutenção planejada e eficaz poderá prolongar em muitos anos a vida deste motor. Motor de Passo SOCIESC
    • Acionamentos 28 TIPOS DE MOTOR DE PASSO Os motores de passo são encontrados em 2 tipos: Magnético Permanente (permanent magnet) e Relutância Variável (variable reluctance) (existe também os motores híbridos, que são indistinguíveis de magnético permanente ou relutância variável de ponto de vista de controle). Motores magnéticos permanente possuem a tendência a "agarrar" quando se gira o seu eixo com os dedos (com o motor desligado) e os motores de relutância variáveis giram livremente (às vezes eles podem "agarrar" levemente por causa do resíduo magnético no rotor). Você geralmente pode identificá-los também com um ohmímetro. Motores de relutância variáveis geralmente possuem 3 enrolamentos (às vezes 4), com um retorno comum, enquanto motores magnético permanentes possuem 2 enrolamentos independentes, com ou sem fio centrais (center taps). Enrolamentos com fios centrais são usados por motores de passo do tipo unipolar. Motores de passo vêm em vários escalar de ângulos diferentes. Os motores menos precisos giram tipicamente 90° por passo, enquanto os motores de maior precisão são capazes de girar entre 1.8 e 0.72° por passo!. Com um controle apropriado, a maioria dos motores de passo de magnético permanente e híbridos podem girar em meio-passo (half-steps), e alguns controles podem trabalhar com pequenas frações de passos e micropassos. Para ambos motores do tipo magnético permanente e relutância variável, se somente um enrolamento for energizado, o eixo irá parar num determinado ângulo e assim ficará "preso" até que o torque exceda o torque do motor, nesse ponto, o eixo irá girar, tentando manter sucessivamente a posição de equilíbrio. 1.8 - MOTORES DE RELUTÂNCIA VARIÁVEL Figura 1.1 Se o motor possuir 3 enrolamentos, tipicamente conectados como mostra a figura acima(figura 1.1), com um terminal comum para todos os enrolamentos, este é o tipo mais comum de motores de passo de relutância variáveis. Em uso, o fio comum tipicamente vai para o pólo positivo da bateria e os enrolamentos são energizados em seqüência. O motor exemplo da figura 1.1 é de 30° por passo. O eixo desse motor possui 4 dentes e os enrolamentos ficam em volta formando 6 pólos enrolados em volta de dois pólos opostos. Com o enrolamento número 1 energizado, o dente do eixo marcado com X é atraído para o pólo desse enrolamento. Se a corrente através do enrolamento 1 for cortada e o enrolamento 2 for ligado, o motor irá rodar 30° (sentido horário) até que o pólo marcado com Y se alinhe com o pólo 2. Para rodar esse motor continuamente, nós simplesmente aplicamos energia nos 3 enrolamentos em seqüência. Usando lógica positiva, onde for 1 significa passando corrente através do enrolamento do motor, a seqüência a seguir irá girar o motor ilustrado na figura 1.1 no sentido horário, 24 passos ou 2 revoluções. Enrolamento 1 1001001001001001001001001 Enrolamento 2 0100100100100100100100100 Enrolamento 3 0010010010010010010010010 tempo --->· Há ainda motores de passo de relutância variáveis com 4 e 5 enrolamentos, possuindo 5 ou 6 fios. O princípio de controle desses motores são os mesmos dos de 3 enrolamentos, mas fica importante trabalhar com a ordem correta de energizamento dos enrolamentos para fazer o motor girar satisfatoriamente. MOTORES DE PASSO UNIPOLARES SOCIESC
    • Acionamentos 29 Figura 1.2 Motores de passo, tanto magnético permanente quanto híbridos com 5 ou 6 fios são geralmente esquematizados como mostra a figura 1.2, com um fio central em cada um dos enrolamentos. Na prática, usualmente o fio central é ligado ao pólo positivo da bateria, e os dois finais de cada enrolamento são levados ao pólo negativo alternadamente para reverter a direção do campo magnético proveniente dos enrolamentos. A seção do motor mostrada na figura 1.2 é de 30° por passo, magnético permanente ou híbrido -- a diferença entre esses dois tipos de motores é irrelevante neste nível de complexidade. O enrolamento número 1 do motor é distribuído entre a parte de cima e a de baixo do pólo do estator, enquanto o enrolamento 2 é distribuído entre a esquerda e a direita dos pólos do motor. O eixo é um magnético permanente com 6 pólos, 3 suls e 3 nortes, colocados em volta da circunferência. Para uma faixa angular alta, o eixo provavelmente tem que ter mais pólos. O motor de passo de 30° por passo na figura é um dos tipos mais comuns de motores de magnético permanente, entretanto motores com 15 e 7.5° por passo são facilmente encontrados. Motores de passo de magnético permanente com alta precisão como 1.8° por passo também são fabricados, motores híbridos são construídos em série de 3.6 e 1.8° por passo, com capacidade de até 0.72° por passo. Como mostrado na figura, a corrente circulando do fio central do enrolamento 1 até o terminal a causa a parte superior do pólo do estator ser pólo Norte enquanto a parte inferior ser pólo Sul. Isso atrai o eixo na posição mostrada na figura. Se a energia do enrolamento 1 for desligada e o enrolamento 2 for energizado, o eixo irá girar 30°, ou um passo. Exemplo animado do motor da figura 1.2 Para girar o motor continuamente, nós simplesmente aplicamos corrente nos dois enrolamentos em seqüência. Assumindo 1 como lógico positivo, isto é energizando o enrolamento do motor, as seguintes seqüências de controle irão girar o motor da ilustração 1.2 no sentido horário, 24 passos ou 4 revoluções. Enrolamento 1a 1000100010001000100010001 Enrolamento 1b 0010001000100010001000100 Enrolamento 2a 0100010001000100010001000 Enrolamento 2b 0001000100010001000100010 tempo ---> Enrolamento 1a 1100110011001100110011001 Enrolamento 1b 0011001100110011001100110 Enrolamento 2a 0110011001100110011001100 Enrolamento 2b 1001100110011001100110011 tempo ---> SOCIESC
    • Acionamentos 30 Note que os dois lados do mesmo enrolamento nunca são energizados ao mesmo tempo. As duas seqüências acima irão girar o motor em um passo de cada vez. A seqüência superior apenas energiza um enrolamento por vez, como ilustrado na figura acima; isso gasta menos energia. A seqüência inferior energiza 2 enrolamentos por vez e geralmente produz um torque 1.4 vezes maior do que a seqüência superior gastando o dobro de energia. As posições dos eixos do motor nas duas seqüências acima não são as mesmas, como resultado se combinarmos as duas seqüências conseguiremos girar o motor em Meio-Passo(half-step). A seqüência combinada é: Enrolamento 1a 11000001110000011100000111 Enrolamento 1b 00011100000111000001110000 Enrolamento 2a 01110000011100000111000001 Enrolamento 2b 00000111000001110000011100 tempo ---> 1.9 - MOTORES DE PASSO BIPOLARES Figura 1.3 Motores de passo bipolares tanto magnético permanente quanto híbridos são construídos com exatamente os mesmo mecanismos usados nos motores unipolares, mas os dois enrolamentos são mais simples, sem fio central. Isto significa que, o motor é mais simples, mas o circuito eletrônico precisa controlar a reversão da corrente para cada enrolamento, isso o torna muito mais complexo. O esquema da figura 1.3 mostra como o motor é configurado, enquanto a seção mostrada aqui é exatamente a mesma da seção da figura 1.2. O circuito eletrônico para esses tipos de motores são do tipo H-Bridge (pontes com 4 transistores). O motor precisa de uma h-bridge para cada enrolamento, isso é discutido com mais detalhes em Controle Eletrônico de um Motor de Passo. Basicamente, uma h-bridge permite que a polaridade da energia aplicada em cada ponta de cada enrolamento seja controlado independentemente. A seqüência de controle para um passo simples é mostrada abaixo usando os símbolos + e - para indicar a polaridade da força aplicada em cada terminal do motor. Terminal 1a +---+---+---+--Terminal 1b --+---+---+---+Terminal 2a -+---+---+---+-Terminal 2b ---+---+---+---+ tempo ---> ++--++--++--++---++--++--++--++ -++--++--++--+++--++--++--++--+ Note que essas seqüências são idênticas as do motor unipolar, num nível representativo. Para distinguir um motor bipolar de um unipolar de 4 fios, meça a resistência entre os terminais. É importante observar que alguns motores permanente magnético possuem 4 enrolamentos independentes, organizados em uma dupla com 2 cada. Em cada uma, se os enrolamentos são conectados em série, o resultado pode ser um motor de passo bipolar de alta voltagem. Se eles estiverem conectados em paralela, o resultado pode ser usado como um motor de passo bipolar de baixa voltagem. Se eles forem conectados em série com um fio central, o resultado pode ser usado como um motor de passo unipolar de baixa voltagem. 1.10 - MOTORES MULTIFASES SOCIESC
    • Acionamentos 31 Figura 1.4 Um tipo menos comum de motores de passo magnético permanente possui seus enrolamentos ligados de uma forma cíclica, com um pequeno enrolamento ligando o centro de cada par de enrolamentos formando um círculo. O modelo mais comum nessa categoria usa cabeamento de 3-fase e 5-fase. O controle eletrônico requer 1/2 de um H-bridge para cada terminal do motor, mas esses motores podem gerar mais torque do que um outro motor do mesmo tamanho porque todos ou todos exceto um dos enrolamentos são energizados a cada turno de passos. Alguns motores de 5-fase possuem resoluções altas na ordem de 0.72° por passo (500 passos por revolução). Com um motor de 5-fase, existe 10 passos básicos que se repetem em cada ciclo, como é mostrado abaixo: Terminal 1 +++-----+++++-----++ Terminal 2 --+++++-----+++++--Terminal 3 +-----+++++-----++++ Terminal 4 +++++-----+++++----Terminal 5 ----+++++-----+++++tempo ---> Aqui, como no caso dos motores bipolares, cada terminal é conectado hora no positivo hora no negativo da bateria. Repare que, a cada passo, somente um terminal muda de polaridade. Essa mudança remove a força de um enrolamento anexado no terminal (porque ambos terminais do enrolamento em questão estão na mesma polaridade) e aplica força para um enrolamento que estava previamente sem força. Um motor com a geometria da figura 1.4, essa seqüência de controle irá girar o motor por 2 revoluções. Para distinguir um motor de 5-fase de outro motor com 5 fios, repare que, se a resistência entre 2 terminais consecutivos do motor de 5-fase é R, a resistência entre terminais não-consecutivos será 1.5R. Repare que alguns motores 5-fase possuem 5 enrolamentos separados, num total de 10 comandos. Esse pode ser conectado na configuração estrela mostrada na figura, usando 5 metades de um h-bridge, ou cada enrolamento pode ser controlado pelo seu próprio H-bridge. CONTROLE LÓGICO DE UM MOTOR DE PASSO Os motores de passo se comportam diferente de outros motores DC. Primeiramente ele não pode girar livremente quando alimentado "classicamente", eles fazem como os seus próprios nomes sugerem: usam passos. Um circuito responsável de converter sinais de passo e de direção em comandos para os enrolamentos do motor é o controle lógico. Ele recebe os sinais de passos e a direção e gera os sinais para que o motor gire. Após esta fase de controle lógico, é preciso o Controle Eletrônico que se encarrega de fornecer a corrente elétrica requerida pelos enrolamentos do motor. Um exemplo básico do bloco lógico + eletrônico pode ser visto na figura abaixo: SOCIESC
    • Acionamentos 32 Nela, VLOGIC é a fonte de alimentação do controle lógico, TRANSLATOR é o controle lógico, POWER DRIVERS é o controle eletrônico, e VMOTOR é a tensão requerida pelo motor. 1.11 - GERANDO OS SINAIS Pode-se gerar os sinais lógicos de 2 maneiras distintas: Por Hardware e por Software. Observe que se forem usados microcontroladores, a geração será feita tanto pelo Software(o programa) tanto quanto pelo Hardware(o próprio microcontrolador). CONTROLE POR HARDWARE O controle lógico dos motores de passo servem para qualquer tipo de motor: Unipolar, Bipolar, Magnético Permanente, etc... O que se diferencia são os tipos de passo. O tipo de passo mais simples é esse: E para gerá-lo é mais simples ainda. Basta usar um circuito integrado contador como o CD4017 (esse circuito integrado é muito fácil de se encontrar e é barato), basta montá-lo como na figura abaixo e ligar os seus terminais 1A, 1B, 2A, 2B no controle eletrônico. Uma forma de passo alternativo, que consome mais energia mais fornece muito mais torque é esse: SOCIESC
    • Acionamentos 33 Observe que este tipo de passo trabalha alimentando 2 bobinas de cada vez. Para gerar esse sinais pode ser usado vários circuitos, os mais comuns usam 2 flip-flops como na figura abaixo: Mas esse tipo de controle não oferece o controle de direção, para resolver este problema são colocados portas lógicas que controlam a direção: Com isso, fica fácil definir a direção e os passos do motor. Tente utilizar esse tipo de passo, pois ele é melhor que o outro em vários aspectos, tanto em torque quanto em controle. Abaixo segue dois esquemas práticos para se gerar esses sinais, observe que nenhum deles foi testado. Monte-os primeiro num Proto-Board antes de soldar qualquer coisa. SOCIESC
    • Acionamentos SOCIESC 34
    • Acionamentos 35 Esse primeiro exemplo trabalha com alimentação de 12 Volts, usando tecnologia CMOS. Já esse segundo exemplo usa tecnologia TTL, isto é, só trabalha com no máximo 5 Volts. Os motores de passo podem girar basicamente em 2 modos distintos: Passo-completo e Meio-passo. Esses dois modos possuem muitas diferenças, por exemplo: SOCIESC
    • Acionamentos 36 Passo-completo Gasta menos energia Gira mais rápido É mais simples Possui menos torque Possui menos precisão Meio-passo Gasta o triplo de energia Gira mais devagar É mais complexo Possui 1.4 vezes mais torque Possui o dobro da precisão LABORATÓRIO – MOTOR CC 1) Circuito para inversão de um MOTOR CC. Monte o circuito abaixo. SOCIESC
    • Acionamentos 37 Para o TIP 31 ou 41, acionar com 12 V+. Para o TIP 32 acionar com 0V ou GND. 2) Circuito para controle de velocidade do MOTOR CC. Monte o circuito abaixo. SOCIESC
    • Acionamentos 38 CONTATOR OBJETIVO - Comandos através do contator; - Diagrama de Comando. 1.12 - INTRODUÇÃO TEÓRICA Contator é um dispositivo eletromagnético que liga e desliga o circuito do motor. Usado de preferência para comandos elétricos automáticos à distância. É constituído de uma bobina que quando alimenta cria um campo magnético no núcleo fixo que por sua vez atrai o núcleo móvel que fecha o circuito. Cessando alimentação da bobina, desaparece o campo magnético, provocando o retorno do núcleo através de molas, conforme figura 01. Fig. 01 – Diagrama interno do contator 1.13 - CONTATOS No contator temos os contatos principais e auxiliares. Os principais do contator são mais robustos e suportam maiores correntes que depende da carga que esse motor irá acionar, quanto maior a carga acionada, maior será a corrente nos contatos. (figura 02). SOCIESC
    • Acionamentos 39 Fig. 02 – Contatos Principais do Contator Os contatos auxiliares, utilizados para sinalização e comandos de vários motores, existem o contato NF (normalmente fechado) e NA (normalmente aberto). (figura 03). Fig. 03 – Contatos Auxiliares do Contator SOCIESC
    • Acionamentos 1.14 - 40 BOTOEIRA - BOTÃO LIGA E DESLIGA Fig. 04 – Contatos da Botoeira RELÉ BIMETÁLICO São construídos para proteção de motores contra sobrecarga, falta de fase e tensão. Seu funcionamento é baseado em dois elementos metálicos, que se dilatam diferentemente provocando modificações no comprimento e forma das lâminas quando aquecidas. 1.15 - FUNCIONAMENTO Colocação em funcionamento e indicações para operação: 1-Ajustar a escala à corrente nominal da carga. 2-Botão de destravamento (azul): Antes de por o relé em funcionamento, pressionar o botão de destravamento. O contato auxiliar é ajustado pela fábrica para religamento manual (com bloqueio contra religamento automático). Comutação para religamento automático: pressionar o botão de destravamento e girá-lo no sentido anti-horário, até o encosto, da posição H (manual) para A (automático). 3-Botão "Desliga" (vermelho). O contato auxiliar será aberto manualmente, se for apertado este botão. 4-Indicador Lig./Desl - (verde). Se o relé estiver ajustado para religamento manual, um indicador verde sobressairá da capa frontal se ocorrer o disparo (desligamento) do relé. Para religar o relé, pressionar o botão de destravamento. Na posição "automático", não há indicação. SOCIESC
    • Acionamentos 5-Terminal para bobina do contator, A2. 6-Dimensões em mm. - com contato auxiliar 1F ou 1A; - com contatos auxiliares 1F + 1A ou 2F + 2A; - para fixação rápida sobre trilhos suporte conforme DINEN 50022; - neste lado do relé, distância mínima de partes aterradas. Fig. 05 – Relé Bimetálico SOCIESC 41
    • Acionamentos PRÁTICA 1.16 - DIAGRAMA PRINCIPAL 1.17 - DIAGRAMA DE COMANDO SOCIESC 42
    • Acionamentos 1.18 - 1.19 - 1.20 - DIAGRAMA MULTIFILAR DIAGRAMA UNIFILAR SIMBOLOGIA ELÉTRICA Denominação para os aparelhos nos esquemas elétricos: SOCIESC 43
    • Acionamentos 44 DENOMINACÃO APARELHOS b0 Botão de comando - desliga b1 Botão de comando - liga b2 – b22 Botão de comando - esquerda/direita K1 – K2 - K3 - K4 - K5 Contator principal d1 – d2 - d3 Contator auxiliar-relé de tempo relé aux. F1 – F2 - F3 Fusível principal F7 – F8 - F9 Relé bimetálico F21 - F22 Fusível para comando h1 Armação de sinalização - liga h2 Armação de sinalização direita/esquerda M1 Motor, trafo - principal M2 Auto - trafo RST Circuito de medição-corrente alternada CARGA TRIFÁSICA EM ESTRELA E TRIÂNGULO 1.21 - OBJETIVO - Sistema trifásico - Potência trifásico 1.22 - INTRODUÇÃO TEÓRICA: Um sistema trifásico é uma combinação de três sistemas monofásicos. O gerador ou alternador produz três tensões iguais, mas defasadas 120º com as demais. As três fases de um sistema trifásico podem ser ligados de duas formas: em estrela (Y) ou triângulo (T). Uma carga equilibrada tem a mesma impedância em cada enrolamento. No sistema trifásico equilibrado o fasor soma as tensões das linhas é zero e o fasor da soma das correntes das três linhas é zero. A corrente IN não será nula, quando as cargas não forem iguais entre si. Material Utilizado - 3 soquetes - 3 lâmpadas 150W - 220V - 1 amperímetro AC - 0 - 5A - 1 voltímetro AC - 0 - 250V - caixa de ferramentas Parte Prática: Carga trifásica Triângulo SOCIESC
    • Acionamentos VL = VF PT = 3 . VF . IF . COSϕ PT=3 . VL . IL . COSϕ VF = R . IF R = V²/P 1.23 - CARGA TRIFÁSICA ESTRELA IL = IF PY = 3 . VF . IF . COSϕ PY = 3 . VL . IL . COSϕ VF = R . IF R = V2 / P Tabela SOCIESC 45
    • Acionamentos 46 ESTRELA Y MED. VL TRIÂNGULO T CALC. MED. 220V CALC. 220V VF IL IF POTÊNCIA Y 1.24 - POTÊNCIA T TRIÂNGULO No sistema trifásico temos o triângulo de potência e determinamos a potência aparente, potência reativa e potência total real. P = 3 . VL . IL . COSϕ S = 3 . VL . IL Q = 3 . VL . IL . SENϕ P = potência total real W S = potência total aparente , VA Q = potência total reativa, VAR VL = tensão da linha SOCIESC
    • Acionamentos VF = tensão de fase IL = corrente da linha IF = corrente da fase ϕ = ângulo de fase da carga 1.25 - ESQUEMA DO WATTÍMETRO MONOFÁSICO P total = Prs + Pst MOTOR MONOFÁSICO Objetivo Aplicação do motor monofásico. SOCIESC 47
    • Acionamentos 1.26 - 48 INTRODUÇÃO TEÓRICA Devido ao baixo preço e a robustez de um motor de indução, sua aplicação faz necessário onde há uma rede elétrica trifásica, para produzir um campo magnético rotativo são motores de pequenas potência com ligação monofásica a dois fios. A partida é dada por meio de um enrolamento auxiliar ao qual é ligado um capacitor em série, que provoca uma defasagem da corrente, fazendo o motor funcionar como bifásico. Um dispositivo centrífugo desliga o enrolamento auxiliar após ter atingido uma certa velocidade. A inversão do sentido de rotação do motor monofásico ocorre quando as ligações do enrolamento auxiliar são invertidas, trocando o terminal número 6 pelo número 5, conforme esquema. Esquema Motor Monofásico em 110 volts SOCIESC
    • Acionamentos Esquema Motor Monofásico em 220 volts SOCIESC 49
    • Acionamentos 1.27 1.28 - PRÁTICA DIAGRAMA PRINCIPAL 1.29 - DIAGRAMA DE COMANDO SOCIESC 50
    • Acionamentos 1.30 1.31 - DIAGRAMA DE INVERSÃO DO MOTOR MONOFÁSICO. DIAGRAMA PRINCIPAL SOCIESC 51
    • Acionamentos 1.32 - 52 DIAGRAMA DE COMANDO LIGAÇÃO SUBSEQUENTE AUTOMÁTICA DE MOTORES Objetivo Ligar o motor M1 e após um determinado tempo, acionar o motor M2 utilizando um relé temporizado. SOCIESC
    • Acionamentos 1.33 - 53 INTRODUÇÃO TEÓRICA Na ligação subseqüente de motores, podemos acionar uma esteira, ponte rolante ou um sistema automático industrial, a fim de desenvolver um produto determinado. No caso de uma esteira o acionamento é dado por três motores M1, M2, M3. Se um dos motores é desligado, por exemplo, devido à sobrecarga, todos motores à frente deste, no sentido de condução, serão desligados; é interrompido o fornecimento de carga à esteira, enquanto os motores montados anteriormente continuam a funcionar, transportando a carga até o descarregamento desta esteira. 1.34 1.35 - PRÁTICA DIAGRAMA PRINCIPAL SOCIESC
    • Acionamentos 1.36 - 54 DIAGRAMA DE COMANDO INVERSÃO DO SENTIDO DE ROTACÃO Objetivo Comando de um motor nos dois sentidos de rotação. 1.37 - INTRODUÇÃO TEÓRICA A reversão automática utilizada para motores acoplados à máquina que partem em vazio ou com carga, esta reversão pode-se dar dentro e fora do regime de partida. A sua finalidade dentro de determinados processos industriais tem-se necessidade da reversão do sentido de rotação dos motores para retrocesso do ciclo de operação, como o caso de esteira transportadora. Os contatos para o movimento a direita e para a esquerda, estão intertravados entre si, através de seus contatos auxiliares (abridores) evitando assim curto - circuitos. SOCIESC
    • Acionamentos 1.38 1.39 - PRÁTICA DIAGRAMA PRINCIPAL 1.40 - DIAGRAMA DE COMANDO SOCIESC 55
    • Acionamentos 56 LIGAÇÃO DE UM MOTOR TRIFÁSICO EM ESTRELA E TRIÂNGULO Objetivo Ligação em estrela e triângulo. 1.41 - INTRODUÇÃO TEÓRICA Sempre que possível, a partida de um motor trifásico de gaiola, deverá ser direita, por meio de contatores. Deve ter-se em conta que para um determinado motor, as curvas de conjugados e corrente são fixas, independente da dificuldade da partida, para uma tensão constante. Nos casos em que a corrente de partida do motor é elevada podem ocorrer as seguintes conseqüências prejudiciais: elevada queda de tensão no sistema da alimentação da rede. Em função disto provoca a interferência em equipamentos instalados no sistema. O sistema de proteção (cabos, contatores) deverá ser superdimensionada ocasionando um custo elevado. A imposição das concessionárias de energia elétrica que limitam a queda da tensão da rede. Caso a partida direta não seja possível devido aos problemas citados acima, pode-se usar sistema de partida indireta para reduzir a corrente de partida. Em alguns casos ainda, pode-se necessitar de um conjugado de partida alto, com corrente de partida baixa, deve-se neste caso escolher um motor de anéis. 1.42 - PARTIDA DE MOTORES COM CHAVE ESTRELA - TRIÂNGULO. É fundamental para a partida com a chave estrela - triângulo que o motor tenho a possibilidade de ligação em dupla tensão, ou seja, em 220 / 380V , em 380/660V ou 440/760V . Os motores deverão ter no mínimo 6 bornes de ligação. A partida estrelatriângulo poderá ser usada quando a curva de conjugados do motor é suficientemente elevada para poder garantir a aceleração da máquina com a corrente de partida na ligação - triângulo. Também a curva do conjugado é reduzida na mesma proporção. Por este motivo, sempre que for necessário uma partida estrela - triângulo, deverá ser usado um motor com curva de conjugado elevado. Os motores WEG têm alto conjugado máximo de partida, sendo, portanto, ideais para a maioria dos caso, para uma partida estrela - triângulo. Antes de se decidir por uma partida estrela- triângulo, será necessário verificar se o conjugado de partida será suficiente para operar máquina. O conjugado resistente da carga não poderá ultrapassar o conjugado de partida do motor, nem a corrente no instante da mudança para triângulos poderá ser de valor inaceitável. Existem casos onde este sistema de partida não pode ser usado, conforme demonstra a figura 2.5. Na figura 2.5. temos um alto conjugado resistente Cr. Se a partida for em estrela, o motor acelera a carga até a velocidade, ou aproximadamente até 85% da rotação nominal. Neste ponto, a chave deverá ser ligada em triângulo. Neste caso, a corrente, que era de aproximadamente a nominal, ou seja, 100%, salta repentinamente para 320%, o que não é nenhuma vantagem, uma vez que na partida era de somente 190%. Na figura 2.6. temos o motor com as mesmas características, porem o conjugado resistente CR é bem menor. Na ligação Y, o motor acelera a carga até 95% da rotação nominal. Quando a chave é ligada em triângulo, a corrente que era de aproximadamente 50%, sobe para 170%, ou seja, praticamente igual a da partida Y. SOCIESC
    • Acionamentos 57 Neste caso a ligação estrela - triângulo apresenta vantagem, porque se fosse ligado direto, absorveria da rede 600% da corrente nominal. A chave estrela - triângulo em geral só pode ser empregada em partidas da máquina em vazio, isto é, sem carga. Somente depois de ter atingido a rotação nominal, a carga poderá ser aplicada. Esquematicamente, a ligação estrela - triângulo num meter para uma rede de 220V é feita de maneira indicada na figura acima notando-se que a tensão por fase, durante a partida é reduzida para 127V. 1.43 1.44 - PRÁTICA DIAGRAMA PRINCIPAL SOCIESC
    • Acionamentos 1.45 - DIAGRAMA DE COMANDO 1.46 - 58 DIAGRAMA DE COMANDO 1.47 - COMANDO AUTOMÁTICO POR CHAVE COMPENSADORA (AUTO TRANSFORMADOR) Objetivo - comando por chave compensadora. 1.48 - INTRODUÇÃO TEÓRICA Partida por autotransformador Este modo de partida se aplica igualmente aos motores de forte potência, aos quais ele permite dar a partida com características mais favoráveis que obtidas com partida por SOCIESC
    • Acionamentos 59 resistência, isto devido ao fato de proporcionar um conjugado de partida mais elevado, com um pico de corrente mais fraco (reduzido). A partida se efetua geralmente em dois tempos: 1º tempo: Alimentação do motor sob tensão reduzida, por intermédio de um autotransformador. Desprezando-se o valor da corrente magnetizante, o pico e o conjugado na partida são reduzidos, ambos proporcionalmente ao quadrado da relação de transformação (enquanto que, na partida por resistências, o pico de corrente só é reduzido na simples relação de redução da tensão). As chaves compensadoras (partida por autotransformadores) são previstas para um pico de corrente e um conjugado na partida, representando 0,42 ou 0,64 dos valores em partida direta, conforme o tap de ligação do autotransformador dor 65% ou 80%, respectivamente. O conjugado motor permite atingir assim um regime elevado. 2º tempo: Abertura do ponto neutro do autotransformador e conexão do motor sob plena tensão o qual retoma suas características naturais (fig. 03). Curvas características velocidade - conjugado e velocidade - corrente (valores indicado em múltiplos valores nominais). Corrente de Partida: Se, por exemplo, um motor na partida direta consome 100A , com o auto transformador ligado no tap de 60% (0,6), a tensão aplicada nos bornes do motor é 60% da tensão da rede. Com a tensão reduzida a 60%, a corrente nominal (In) nos bornes do motor, também é apenas 60%, ou seja, 0,60 x 100 = 60A . A corrente de linha (IL), (antes do autotransformador) é dada por: U - tensão da linha (rede) IL - corrente da linha 0,6xU - tensão no tap do auto - transformador IN - corrente reduzida nos bornes do motor SOCIESC
    • Acionamentos 60 O momento de partida é proporcional ao quadrado da tensão aplicada aos bornes do motor, no caso do exemplo ele é 0,6 x 0,6 = 0,36, ou seja, aproximadamente 1/3 do momento nominal, como na chave estrela - triângulo. No tap de 80% teríamos um momento de 0,8 x 0,8 = 0,64, ou seja, aproximadamente 2/3 do momento do motor. Neste caso a corrente de linha seria: 1.49 - PRÁTICA – DIAGRAMA PRINCIPAL SOCIESC
    • Acionamentos 1.50 - 61 DIAGRAMA DE COMANDO 1.51 - COMANDO AUTOMÁTICO PARA DUAS VELOCIDADES ( DAHLANDER) Objetivo - diagrama de comando - variação de velocidade 1.52 - INTRODUÇÃO TEÓRICA Variação de velocidade do motor Consegue-se variar a velocidade de rotação quando se trata de um motor de rotor bobinado. Pode-se lançar mão de varias soluções para variar a velocidade do motor. As mais comuns são : Variação da intensidade rotórica da corrente, de modo a se obter variação no desligamento. A energia correspondente ao deslizamento é recuperada e devolvida à rede após retornarem as características de ondulação na freqüência da rede, o que é conseguido com o emprego de uma ponte de tiristores; - Variação da freqüência da corrente; Introdução de resistências externas ao rotor (reostato divisor de tensão) para motores de pequena potência. Escolha do Motor Para a escolha do motor pode-se observar o que indicam as tabelas 6.2. e 6.3. SOCIESC
    • Acionamentos 62 TABELA 6.2. - Escolha do motor levando em conta a velocidade. Corrente alternada Corrente contínua Velocidade aproximadamente Motor de Indução síncrono Motor Shunt constante, desde a carga zero até a plena carga. Velocidade semi-constante da Motor de indução com elevada Motor Compound resistência do rotor carga zero até a plena carga Velocidade decrescente com o Motor de indução com a Motor Série aumento de carga resistência do rotor ajustável TABELA 6.3 - Características a Aplicações de Vários Tipos de Motor Tipo Velocidade Motor de Indução de Aproximadamente Gaiola, Trifásico constante Conjugado de Partida Emprego Conjugado baixo, Bombas, ventiladores, corrente elevada máquinas e ferramentas Motor de Indução de Decresce rapidamente Conjugado maior do Pequenos guinchos, Gaiola com elevado com a carga que o do caso anterior pontes rolantes, serras Deslizamento etc. Motor Rotor Bobinado SOCIESC Com a resistência de Conjugado maior do partida desligada, que os dos casos semelhante ao anteriores primeiro caso. Com a resistência inserida, a velocidade pode ser ajustada a qualquer valor, embora com sacrifício do rendimento. Compressores de ar, guinchos, pontes rolantes, elevadores etc.
    • Acionamentos 1.53 1.54 - PRÁTICA DIAGRAMA PRINCIPAL 1.55 - DIAGRAMA DE COMANDO SOCIESC 63
    • Acionamentos 64 COMANDO AUTOMÁTICO PARA COMPENSADOR COM REVERSÃO Objetivo - ligação de uma chave compensadora com reversão. 1.56 - INTRODUÇÃO TEÓRICA Sistema de comando elétrico que permite a partida de motores com tensão reduzida e inversão do sentido de rotação. É utilizado para reduzir o pico da corrente nos motores da partida. 1.57 1.58 - PRÁTICA DIAGRAMA PRINCIPAL SOCIESC
    • Acionamentos 1.59 - 65 DIAGRAMA DE COMANDO E AUXILIAR COMANDO AUTOMÁTICO ESTRELA – TRIÂNGULO COM REVERSÃO Objetivo - ligação estrela - triângulo com reversão. 1.60 - INTRODUÇÃO TEÓRICA Sistema de comando elétrico que possibilite a comutação das ligações estrela para triângulo, permitindo ainda a inversão dos sentidos de rotação do motor. SOCIESC
    • Acionamentos 1.61 - PRÁTICA Diagrama Principal 1.62 - DIAGRAMA DE COMANDO E AUXILIAR SOCIESC 66
    • Acionamentos 67 COMANDO AUTOMÁTICO PARA DUAS VELOCIDADES COM REVERSÃO ( DAHLANDER ) Objetivo - ligação Dahlander com reversão. 1.63 - INTRODUÇÃO TEÓRICA É um sistema de comando elétrico aplicado a um motor com enrolamento único tipo Dahlander. Suas pontas de saída permitem ligação em comum pólos, ou yy com n/2 pólos, possibilitando a obtenção de 2 velocidades diferentes, bem como duplo sentido de rotação tanto para V1 como em V2 . 1.64 1.65 - PRÁTICA DIAGRAMA PRINCIPAL INVERSORES DE FREQÜÊNCIA São equipamentos utilizados para variar a velocidade de motores trifásicos. Para isto, é necessário variar a freqüência sem, no entanto, mudar o ângulo de fase entre as fases, o qual deve permanecer em 120°. 1.66 - O CONTROLE ESCALAR Baseada na performance dos acionamentos de corrente contínua, a tecnologia de conversores de corrente alternada evoluiu proporcionando características de controle de velocidade e de torque aos motores assíncronos trifásicos, usufruindo os benefícios de custo e manutenção desses motores. Além disso, os motores assíncronos trifásicos possuem vantagens de tamanho em relação aos motores de corrente contínua (tanto no seu diâmetro quanto no seu comprimento) que, por conseqüência, proporciona uma SOCIESC
    • Acionamentos 68 vantagem em relação a diminuição de seu peso total, além de ter um grau de proteção maior (que garante uma maior proteção ao motor). O primeiro passo dessa evolução foram os Conversores de Freqüência com controle ESCALAR (ou V/f) e chaveamento PWM. Circuito de blocos do Conversor de Freqüência Escalar com chaveamento PWM. A tecnologia do modo de controle de velocidade escalar se baseia na utilização das variáveis de controle: Tensão [V] e Freqüência [f]. Alimenta-se o Conversor de Freqüência com tensão trifásica senoidal e freqüência de rede (60 Hz). Esta tensão de entrada é retificada no primeiro bloco do conversor, o bloco Retificador (composto por um retificador trifásico), transformando a tensão alternada trifásica senoidal de entrada em tensão contínua com intensidade igual a 1,35 x V entrada. Essa tensão de corrente contínua alimenta diretamente o Circuito Intermediário do conversor, que é constituído pelo barramento de corrente contínua, pelo banco de capacitores e pelo Circuito Chopper de Frenagem, além do Circuito Intermediário. O Retificador também fornece tensão de alimentação para o Circuito de Controle do Conversor de Freqüência, circuito este que é o responsável pelo controle de velocidade propriamente dito e pelo monitoramento das entradas e saídas do equipamento (analógicas e digitais). O Circuito Intermediário alimenta o terceiro bloco do Conversor de Freqüência, o bloco Inversor. Isso mesmo, este é o bloco responsável pela inversão do sinal retificado de corrente contínua em sinal alternado. Composto por circuitos IGBT, é o bloco Inversor o responsável direto pelo fornecimento da forma de onda PWM de saída do Conversor de Freqüência. Veja a figura abaixo. Descrição do processo PWM Senoidal. SOCIESC
    • Acionamentos 69 A forma de onda PWM é gerada através do chaveamento sincronizado dos circuitos IGBT, os quais são compostos por transistores montados no mesmo sentido de condução que, através de um sinal de gatilho, entram em condução. Esta condução é controlada através deste gatilho e este controlado pelo Circuito de Controle do conversor. O sincronismo dos disparos nos gatilhos dos IGBTs, também é comandado através do Circuito de Controle do conversor de freqüência. Sua intensidade e freqüência de chaveamento determinam a característica e a qualidade da forma de onda de saída fornecida ao motor. No modo de controle Escalar (também conhecido por V/f ) são utilizadas, como variáveis, a Tensão e a Freqüência, as quais são aplicadas diretamente à bobinagem do estator do motor assíncrono trifásico fornecendo ao motor uma relação V/f correspondente. Esta relação de V/f, ou seja, tensão por freqüência, é fornecida de forma proporcional, limitados até a freqüência de inflexão (freqüência da rede) e tensão de alimentação do conversor (também tensão da rede). Após a freqüência de inflexão (no caso do Brasil, igual a 60 Hz), os conversores de freqüência têm a capacidade de elevar a freqüência de saída, porém a limitação fica por conta da tensão (limitada à da rede). Curva V/f ,onde: TN= Torque Nominal,Vnom= Tensão Nominal, fN= Freqüência Nominal. Como visto na figura acima, até a freqüência fN (freqüência nominal de rede = 60 Hz) também chamada de freqüência de inflexão e tensão nominal (VN), o torque (TN) é constante e, acima do valor de rede, ocorre a redução do torque do motor de forma exponencial. A queda do torque do motor assíncrono trifásico ocorre devido às características físicas do motor e não do conversor, mas como através do modo de controle Escalar não é possível efetuar o controle de torque, não há a possibilidade de corrigir esse efeito no motor. Algo similar ao torque ocorre à potência do motor (PN): com o aumento da relação tensão e freqüência, a potência aumenta proporcionalmente até a freqüência fN (Freqüência Nominal = 60 Hz) chegando, nesse instante, à potência nominal do motor e a partir daí, mesmo que se aumente a freqüência (desde que não se aumente a tensão de rede - alimentação do conversor) a potência do motor permanece a mesma. Há a possibilidade de ajustes de otimização da curva através de parâmetros. Os parâmetros Boost, IxR e Escorregamento (compensação), são alguns destes parâmetros de otimização. Esta otimização tem por objetivo garantir alto torque em baixas freqüências de saída. São responsáveis respectivamente por: SOCIESC
    • Acionamentos 70 1.66.1 - BOOST Aumento da tensão de saída na faixa de freqüência abaixo da freqüência de inflexão para aumentar o torque de partida. 1.66.2 - IXR Alteração da curva característica V/f em função da carga. 1.66.3 - ESCORREGAMENTO O ajuste do escorregamento do motor é feito de acordo com a rotação nominal do motor utilizado e sua compensação é inserida em rotações por minuto ou num comparativo em freqüência. A maioria dos conversores de freqüência são pré-ajustados de fábrica, normalmente são ajustes com valores médios para atender a uma gama de motores. Há também a possibilidade de se otimizar alguns ajustes e estes podem ser alterados através de software de comunicação PC-Conversor ou por meio de um controle manual acoplado ao conversor de freqüência. Estes ajustes visam ajustar da melhor maneira possível, as características do motor e sua aplicação ao Conversor de Freqüência. Vamos imaginar uma situação hipotética onde haja um transportador simples cuja característica é de conjugado exigido constante em toda a faixa de rotação e acima da freqüência de inflexão, lembrando que ainda não conhecemos o modo de controle Vetorial. Por outro lado, a faixa de rotação exigida no eixo do motor é de 400 a 2000 rpm e o conjugado exigido nessa faixa é de 14 Nm. 1) Calcular a potência exigida. P = M(Nm) x n(rpm) / 9550 P = 14 x 2000 / 9550 P = 2,93 kW 2) Selecionar o motor e o conversor de freqüência. Motor Potência (próxima à exigida, calculada anteriormente) 3,00[kW], número de pólos 4, rotação 1720 [rpm] e tensão de alimentação 380[V] Conversor de Freqüência Escalar Potência do conversor compatível com a selecionada para o motor 3,00[kW], tensão de alimentação de acordo com a rede de alimentação 380[V]. 3) Escolher a curva de funcionamento do conversor de freqüência. 4) Determinar a faixa de freqüência de trabalho do motor. Para 400 rpm: (400 / 1720) x 60 = 13,9 Hz Para 2000 rpm: (2000 / 1720) x 60 = 69,8 Hz Logo, a faixa de trabalho do motor será de 13,9 Hz a 69,8 Hz. 5) Determinar o conjugado fornecido pelo motor na faixa de 13,9 Hz a 69,8 Hz: Cn = 9550 x Pn / nm Cn / Cmax = 3 Cmax = 50 Nm SOCIESC
    • Acionamentos 71 Cn = 3 x 9550 /1720 Cn = 16,7 Nm Portanto, na faixa de 400 a 1720 rpm, o motor pode fornecer Cn = 16,7 Nm e Cmax = 50 Nm, satisfazendo a aplicação. Para 60Hz: Cn = 16,7 Nm e Cmax = 50 Nm Para 69,8Hz: Cn = Cn(60Hz) x 60 / 69,8 e Cmax = Cmax (60Hz) x (60 / 69,8)2 Cn = 16,7 x 0,86 e Cmax = 50 x 0,7389 Cn = 14,4 Nm Cmax = 36,9 Nm Por conseguinte, o conversor pode fornecer, na faixa de trabalho de 13,9 Hz a 60 Hz e de 60 a 69,8Hz, o conjugado exigido pela carga que é de 14 Nm. 1.67 - O MODO DE CONTROLE VETORIAL No funcionamento dos Conversores de Freqüência Escalares (V/f) utiliza-se basicamente da tensão de saída (V) e da freqüência de saída (f) para controle e variação de velocidade. Apesar de eficiente, o modo de controle Escalar (V/f) possui algumas limitações : - Não usa a orientação do campo magnético. - Ignora as características técnicas do motor. - Não possui controle de torque. - Possui baixa dinâmica . Visando melhorar a performance e as condições de funcionamento dos Conversores de Freqüência Escalares foi desenvolvido um novo modo de controle, o VFC - Voltage Flux Control, ou seja, um modo de controle que, diferentemente do modo Escalar, efetua a leitura da corrente do estator e do modelo matemático do motor e assim define o escorregamento, que é corrigido através do controle da tensão do estator, por meio de funções específicas já gravadas internamente no microprocessador MC do conversor de freqüência. Observe a figura abaixo. SOCIESC
    • Acionamentos 72 VFC - Voltage Control Flux. Com o modo de controle por corrente (CFC), tanto sua dinâmica quanto sua performance (motor assíncrono trifásico), com realimentação por encoder, ficam similares às de servomotores síncronos. Em um comparativo entre os dois modos de controle (Voltage Flux Control & Current Flux Control), ambos vetoriais, em malha fechada (com realimentação através de encoder), pode-se notar claramente a evolução em dinâmica proporcionada pelo modo de controle por corrente. Curva de Torque (M) x rotação (n). Outro aspecto importantíssimo da nova geração de conversores de freqüência consiste em sua metodologia de Colocação em Operação, bem simples e rápida, baseando-se na utilização de softwares de parametrização que, além de possibilitarem a comunicação com qualquer PC de modo elementar viabilizando a otimização perfeita das características do motor de acordo com as reais necessidades da carga, proporcionam ao motor dinâmica, estabilidade e precisão. Nesses softwares já estão incluídos os modelos matemáticos dos motores assíncronos trifásicos, não sendo necessário incluir nenhum dado, apenas selecionar seu modelo e sua tensão de alimentação de acordo com os dados contidos na plaqueta do próprio motor. A dinâmica oferecida a esses motores é em função do seu modo de controle vetorial, que é o responsável direto pelo modelamento do fluxo magnético do motor (F). No ambiente de parametrização, são selecionados os motores utilizados, o modo de operação desejado e são introduzidas as informações básicas como o tipo do motor, tensão, freqüência e corrente. A partir desse ponto, são fornecidos ao sistema os dados do modelamento matemático do motor e são calculados os parâmetros usuais e de controle, resultando numa otimização da performance do motor. Alguns softwares possibilitam efetuar a programação e controle de movimentos seqüenciais através de programação em Assembler, Ladder, C++, entre outras, comuns às utilizadas nos Controladores Lógicos Programáveis, inclusive com funções e blocos lógicos. 1.68 - CONCLUSÃO Argumentos à parte, a evolução dos Conversores de Freqüência trouxe benefícios em todos os segmentos, dentro e fora da indústria. SOCIESC
    • Acionamentos 73 Equipamentos aprimorados tecnologicamente, que apresentam maior tecnologia empregada, são mais confiáveis, proporcionando maior dinâmica, além de possuírem precisão da ordem de minutos de grau (atendendo às mais rígidas solicitações de tolerância) e são muito mais compactos, oferecendo inclusive níveis de segurança e confiabilidade incríveis. Cabe ao profissional da área especificar o conversor que melhor lhe atenda a relação de custo e benefício proporcionado. O IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) I . INTRODUÇÃO Desde a invenção do primeiro tiristor de junção PNPN, pelos laboratórios Bell em 1957, houve um grande avanço nos dispositivos semicondutores de potência. Para serem aplicados em sistemas de elevada potência e substituírem as rudimentares válvulas ignitron, phanotron e thyratron, os dispositivos semicondutores devem ser capazes de suportar grandes correntes e elevadas tensões reversas em seu chaveamento. Além disso, em várias aplicações de eletrônica de potência, há necessidade de uma operação em elevadas freqüências de chaveamento dos dispositivos semicondutores, como, por exemplo, os inversores de tensão, necessários para a construção de filtros ativos de potência. Dessa forma, os dispositivos semicondutores devem possuir baixas perdas de potência durante o chaveamento. Até 1970, os tiristores convencionais foram exclusivamente usados para o controle de potência em aplicações industriais. Desde 1970, vários tipos de dispositivos semicondutores de potência foram desenvolvidos e se tornaram disponíveis comercialmente. Estes dispositivos podem ser amplamente divididos em cinco tipos: os diodos de potência, os tiristores, os transistores bipolares de junção de potência, os MOSFET’s de potência, os SIT’s (Static Induction Transistor) e os IGBT’s (Insulated Gate Bipolar Transistor), assunto desta dissertação. SOCIESC
    • Acionamentos 74 Reunindo as características de comutação dos transistores bipolares de potência à elevada impedância de entrada dos MOSFET’s, o IGBT se torna cada vez mais popular nos circuitos de controle de potência de uso industrial e até mesmo em eletrônica de consumo e embarcada. Os transistores bipolares de potência possuem características que permitem sua utilização no controle de elevadas correntes com muitas vantagens, como baixas perdas no estado de condução. No entanto, as suas características de entrada, exigindo correntes elevadas de base, já que operam como amplificadores de corrente, trazem certas desvantagens em algumas aplicações. Por outro lado, os transistores de efeito de campo MOS de potência podem também controlar potências elevadas com muitas vantagens pelo fato de exigirem tensão para o disparo, pois, embora sejam dispositivos de alta impedância têm como desvantagem uma baixa velocidade de comutação devida às capacitâncias de porta (Gate) que aumentam com a intensidade de corrente (Largura do canal) que deve ser controlada. No entanto, para baixas correntes de condução através do canal, o MOSFET pode operar com elevadas freqüências. O IGBT reúne a facilidade de acionamento dos MOSFET’s e sua elevada impedância de entrada com as pequenas perdas em condução dos TBP (Transistores Bipolares de Potência). Sua velocidade de chaveamento é determinada, a princípio, pelas características mais lentas – as quais são devidas às características do TBP. Assim, a velocidade dos IGBT’s é semelhante à dos TBP; no entanto, nos últimos anos tem crescido gradativamente, permitindo a sua operação em freqüências de dezenas de kHz, nos componentes para correntes na faixa de dezenas e até centenas de Ampères. Juntando o que há de bom nesses dois tipos de transistores, o IGBT é um componente que se torna cada vez mais recomendado para comutação de carga de alta corrente em regime de alta velocidade. Abaixo, apresentamos um gráfico contendo uma comparação entre os principais dispositivos semicondutores de potência quanto às suas características de tensão, corrente e freqüência de operação. Nesta figura, vemos que os tiristores são os dispositivos que conseguem suportar os maiores valores de corrente e tensão, mas não podem operar em freqüências de chaveamento elevadas. Como podemos ver a partir desta figura, os IGBT’s possuem uma capacidade de suportar maiores tensões e podem operar em mais altas freqüências que os transistores bipolares de potência e podem suportar maiores tensões e correntes que os MOSFET’s de potência. Como podemos notar a partir deste gráfico, a região de operação segura do IGBT é maior que as regiões reservadas ao MOSFET e ao transistor TBP, o que era desejado. SOCIESC
    • Acionamentos 75 Apresentamos aqui nesta dissertação como operam fisicamente os IGBT’s e apresentaremos o modelo para descrição do seu funcionamento. Serão também mostradas as páginas do manual de um fabricante de IGBT para ilustrar as características de operação deste dispositivo. Por fim, será apresentada uma aplicação dos IGBT’s em eletrônica de potência para mostrar a utilidade do dispositivo. 1.69 - II . OPERAÇÃO FÍSICA DO IGBT Na figura a seguir, apresentamos a estrutura de um típico IGBT de canal tipo N. Todas as discussões apresentadas aqui estão relacionadas com o dispositivo de canal tipo N, pois o canal tipo P é análogo e possui uma operação física dual àquela apresentada para o de canal tipo N. Sua estrutura muito semelhante àquela apresentada por um transistor MOSFET. Onde, no caso o IGBT, teremos uma dupla difusão de uma região do tipo P e uma do tipo N. Abaixo da região da porta (Gate), uma camada de inversão pode ser formada a partir da aplicação de uma certa tensão entre a porta e o emissor (emitter), tal como é feito em um MOSFET para fazê-lo entrar em condução. A principal diferença entre essa estrutura do IGBT e a de um MOSFET é a inclusão de um substrato P+ (O símbolo “+” foi colocado para indicar que esta região é fortemente dopada, enquanto que o símbolo “-” indica que a região é fracamente dopada) onde é conectado o terminal de coletor (collector). Esta mudança tem como efeito a inclusão de características bipolares ao dispositivo. Esta camada P+ tem como objetivo a inclusão de portadores positivos – lacunas – na região de arrastamento (Drift region) como é feito em um transistor bipolar do tipo pnp. SOCIESC
    • Acionamentos 76 Na estrutura do IGBT, é importante notar que o terminal de porta está conectado à duas regiões – isoladas do material semicondutor através de uma camada isolante de óxido de silício (SiO2) – ao invés de ser apenas uma região como costumamos ver em MOSFET’s. Assim, como veremos, o IGBT apresenta formação de dois canais ao invés de apenas um. O IGBT é freqüentemente utilizado como uma chave, alternando os estados de condução (On-state) e corte (Off-state) os quais são controlados pela tensão de porta, assim como em um MOSFET. Se aplicarmos uma pequena tensão de porta positiva em relação ao emissor, a junção J1 da figura anterior ficará reversamente polarizada e nenhuma corrente irá circular através dessa junção. No entanto, a aplicação de uma tensão positiva no terminal de porta fará com que se forme um campo elétrico na região de óxido de silício responsável pela repulsão das lacunas pertencentes ao substrato tipo P e a atração de elétrons livres desse mesmo substrato para a região imediatamente abaixo da porta. Enquanto não houver condução de corrente na região abaixo dos terminais de porta, não haverá condução de corrente entre o emissor e o coletor porque a junção J2 estará reversamente polarizada, bloqueando a corrente. A única corrente que poderá fluir entre o coletor e o emissor será a corrente de escape (leakage). Uma característica desta região de operação é a tensão direta de breakdown, determinada pela tensão breakdown da junção J2. Este é um fator extremamente importante, em particular para dispositivos de potência onde grandes tensões e correntes estão envolvidas. A tensão de breakdown da junção J2 é dependente da porção mais fracamente dopada da junção, isto é, a camada N- . Isto s deve ao fato de que a camada mais fracamente dopada resulta em uma região de depleção desta junção mais larga. Uma região de depleção mais larga implica em um valor máximo de campo elétrico na região de depleção que o dispositivo poderá suportar sem entrar em breakdown mais baixo, o que implica no fato de que o dispositivo poderá suportar altas tensões na região de corte. Esta é a razão pela qual a região N- da região de arrastamento é mais levemente dopada que a região tipo P da região de corpo (Body). Os dispositivos práticos geralmente são projetados para possuírem uma tensão de breakdown entre 600 V e 1200 V. SOCIESC
    • Acionamentos 77 Ao aplicarmos uma tensão entre porta e emissor do dispositivo, fazendo a porta possuir uma tensão positiva com relação ao emissor, uma corrente de pequena intensidade e de curta duração circula pela porta de forma a carregar a capacitância parasita que existe entre a porta e a porção semicondutora logo abaixo do terminal de porta. Como já foi dito, a tensão faz com que um campo elétrico apareça entre o terminal de porta e a porção de semicondutor p logo abaixo da porta. Este campo elétrico atrai alguns elétrons livres da própria região tipo p e alguns elétrons livres das porções n+ localizadas dentro desse substrato p, em virtude do fato de essa região estar fortemente dopada. Ao aumentarmos a tensão entre a porta e o emissor, conseqüentemente, aumentaremos esse campo elétrico e mais portadores negativos serão atraídos para a região imediatamente abaixo do terminal de porta. Quando a tensão entre a porta e o emissor atinge um determinado valor limite – que depende do dispositivo – conhecida como tensão de limiar (threshold voltage), simbolizada por Vth, a quantidade de elétrons livres atraídos pelo campo elétrico é tamanha que a região imediatamente abaixo da porta acaba por se transformar do tipo p para o tipo n, fenômeno conhecido como inversão – sendo a camada que sofreu o processo recebe o nome de camada de inversão, mais comumente conhecida como canal. Com a formação deste canal, temos uma ligação do tipo n entre a pequena região n+ e a região de arrastamento, tal canal permite a condução de corrente através de uma pequena região na junção J1 que estava reversamente polarizada antes de a tensão entre porta e emissor atingir o valor limiar. Dessa forma, elétrons serão transportados através deste canal até a região de arrastamento onde irão fazer parte da corrente que circula pela junção J3 que está diretamente polarizada, fazendo com que o “diodo” formado pela junção J3 entre em condução. Com este efeito, temos que a camada p+ conectada ao coletor injeta lacunas positivamente carregadas na região de arrastamento n-. Essa injeção de lacunas da região de arrastamento causa a modulação da condutividade da região de arrastamento onde as densidades de ambos os portadores, elétrons livres e lacunas, atingem valores muito mais elevados que àquela que a região n- geralmente apresenta. É esta modulação de condutividade que dá ao IGBT sua baixa tensão de condução entre os terminais de coletor e emissor do IGBT por causa da reduzida resistência da região de arrastamento – isto se deve ao fato de que a condutividade de um material semicondutor é proporcional à densidade de portadores deste material. Assim, o IGBT poderá drenar correntes elevadas com poucas perdas de potência, assim como o que ocorre em um transistor bipolar. Algumas das lacunas injetadas na região n- são recombinadas nesta mesma região com os elétrons livres desta camada. No entanto, a maior parte das lacunas que alcançam a região não se recombinam e alcançam a junção J2 que está reversamente polarizada. Assim, as lacunas encontram um campo elétrico favorável ao seu movimento, justamente por causa da polarização reversa da junção. Com este campo elétrico da junção J2, as lacunas serão arrastadas por meio da corrente de difusão pela região de arrastamento atravessando a junção J2 até serem coletadas pela região do tipo p onde está conectado o terminal de coletor. A operação física do IGBT descrita aqui é ilustrada na figura apresentada abaixo: SOCIESC
    • Acionamentos 78 Analisando a figura acima e verificando como é a operação física do IGBT, podemos facilmente deduzir um modelo para descrever o funcionamento do dispositivo usando apenas componentes eletrônicos conectados de forma a funcionar de modo equivalente ao IGBT. Olhando a figura acima, vemos que temos ao longo do dispositivo três fatias de semicondutores formando uma junção PNP que é a mesma que forma um transistor bipolar de potência cuja base é conectada à região central e os terminais de coletor e emissor são conectados do mesmo modo que no TBP. Na parte de cima da figura, temos uma estrutura que opera exatamente como um MOSFET de potência cuja corrente de dreno é injetada na região de arrastamento que corresponde à base do transistor PNP de potência que temos ao longo do IGBT. Essa corrente de dreno do MOSFET atua como o disparo do transistor. Assim, podemos modelar o IGBT pelo circuito equivalente da figura abaixo. A figura 3 (b) mostra um modelo mais completo para o circuito equivalente do IGBT que inclui o transistor parasita pela região tipo n+ da fonte do MOSFET, a região de corpo do MOSFET do tipo p e a região de arrastamento tipo n-. Neste modelo também é apresentada a resistência lateral da região tipo p da região de corpo. Se a corrente fluindo através dessa resistência for elevada o suficiente, teremos uma queda de tensão que irá polarizar diretamente a junção entre esta camada semicondutora e a SOCIESC
    • Acionamentos 79 região n+ ativando o transistor parasita que forma um tiristor parasita juntamente com o transistor PNP principal da estrutura do IGBT. Uma vez que o tiristor tenha sido disparado, há uma elevada injeção de elétrons livres oriundos da região tipo n+ na região tipo p do substrato do MOSFET, fazendo com que a tensão de gate não influa mais na operação do dispositivo – assim como o que ocorre com os tiristores – fazendo com que o controle da operação do IGBT seja perdido. Este fenômeno – denominado latch-up –, quando ocorre, geralmente conduz à destruição do dispositivo. Geralmente, os fabricantes de IGBT constroem o molde da superfície do emissor em forma de uma tira estreita, enquanto que a geometria utilizada em MOSFET’s é baseada em células concentradas, tal fato permite que se evite o disparo do tiristor parasita existente na estrutura do IGBT. Na figura apresentada a seguir, temos o símbolo utilizado em circuitos para designar o IGBT. Neste símbolo vemos detalhes que lembram tanto o símbolo usado para transistores bipolares como o símbolo usado para MOSFET’s. Também apresentamos um desenho do aspecto do IGBT produzido como componente discreto pela International Rectifier. Os IGBT’s são componentes usados principalmente como comutadores em conversores de freqüência, inversores etc. Nestas aplicações, normalmente uma carga indutiva é ligada e desligada, podendo com isso aparecer tensões inversas elevados, contra as quais o dispositivo deve ser protegido. Essa proteção é feita com o uso de diodos ligados em paralelo com o coletor e o emissor para evitar que uma elevada tensão reversa seja aplicada ao IGBT. Quando o IGBT liga novamente, o fluxo de corrente no diodo funciona inicialmente como se fosse praticamente um curto. A carga armazenada tem que ser removida inicialmente para que o diodo bloqueie a tensão. Isso faz com que apareça uma corrente que se soma à corrente de carga a qual é chamada de corrente reversa de recuperação do diodo IRR. O máximo de corrente IRR SOCIESC
    • Acionamentos 80 ocorre quando a soma das tensões instantâneas sobre o IGBT e o diodo se iguala à tensão de alimentação. Quando o IGBT desliga, o resultado é uma variação de corrente, e isso faz com que o pico de sobretensão apareça devido à variação de corrente nas indutâncias parasitas. Este pico de tensão é responsável por perdas e exige um aumento no tempo morto entre a condução de dois dispositivos semelhantes quando usados numa configuração de meia-ponte, como o que será mostrado no exemplo de aplicação desse dispositivo. Um ponto importante que deve ser levado em consideração em todo dispositivo de comutação é o Efeito Miller. O Efeito Miller nada mais é do que a realimentação da tensão coletor-emissor (VCE) através da capacitância existente entre a porta e o coletor do dispositivo (CGC). Isso que dizer que uma variação da tensão entre o coletor e emissor (VCE) tem o mesmo efeito que uma fonte de corrente interna no circuito de polarização , onde a intensidade desta corrente é dada pela expressão: Infelizmente, Cgc não è constante, mudando de valor com a tensão entre coletor e emissor. As maiores variações de CCG ocorrem justamente com pequenas tensões entre emissor e coletor. Em conseqüência disso temos explicações para alguns comportamentos do IGBT: Quando o IGBT liga (turn-on) - partindo de Vce alto e VGE igual a zero ou negativo – com uma corrente constante carregando a porta, um aumento linear da tensão de porta é obtido. Com a queda da tensão entre coletor e emissor VCE a corrente de polarização de porta é usada para carregar CGC, e a tensão de porta permanece constante. Mais tarde, quando a tensão entre o coletor e o emissor cai, C GC aumenta de valor de tal forma que, uma pequena variação de VCE é suficiente para levar a um aumento da corrente de porta. Somente quando a corrente necessária à carga se reduz novamente é que a tensão de porta aumenta. Quando o IGBT desliga - partindo de Vce baixa , VGE positiva ou maior que a tensão limiar – Vth – a tensão de porta inicialmente decresce quase que linearmente (pela fonte de corrente constante de descarga). A diminuição da capacitância com o aumento da carga aumenta a tensão. Como existe uma fonte de polarização que está drenando corrente da porta, a tensão porta-emissor se mantém constante. Em conseqüência, VCE aumenta e a maior parte da corrente de descarga da porta é usada para manter a tensão de porta constante. O processo de carga termina quando VCE alcança a tensão de operação. É devido ao Efeito Miller que a corrente de porta durante a comutação (ligado ou desligado) é usada antes de tudo para mudar a carga C GC. Isto explica porque, carregando ou descarregando , a porta tem sua velocidade de resposta reduzida. Deve ser mencionado que as mudanças de CGC e VCC regulam por si próprias de tal forma que apenas a corrente disponível na porta é usada. Isso esclarece porque um resistor de grande valor ligado em série com a porta faz que todos os eventos que envolvam a comutação de uma IGBT tenham seu tempo de duração aumentado. As características de tensão e corrente de um IGBT se assemelham muito com as características de um transistor MOSFET e de u transistor bipolar de potência. Para SOCIESC
    • Acionamentos 81 uma visualização das características de um IGBT real, apresentamos aqui o manual dos IGBT’s fabricados pela Mitsubishi, no formato .PDF. III . Aplicações de IGBT – Um Inversor de Tensão. Uma das aplicações de IGBT que mais são utilizadas em eletrônica de potência é a construção de inversores de tensão, os quais produzem tensão alternada através de tensão contínua. Tal processo é muito utilizado na construção de filtros ativos de potência e em sistemas de transmissão HVDC (High Voltage Direct Current) de energia elétrica. A Usina de Itaipu pertencente ao Brasil e ao Paraguai (que durante muitos anos foi a maior usina hidrelétrica do mundo) produz energia com o sistema de corrente alternada, sendo que metade da produção (pertencente ao Brasil) é gerada em 60Hz e a outra metade (pertencente ao Paraguai) é gerada em 50Hz. No entanto, boa parte da energia produzida pela parte paraguaia é vendida ao Brasil que consome tensão alternada em 60Hz. O problema foi resolvido instalando-se um retificador de potência que transforma a tensão a ser transmitida em tensão contínua e a energia é transmitida em DC até os centros consumidores (o principal é a cidade de São Paulo) onde é novamente alternada, agora em 60Hz para ser enviada aos transformadores que irão abaixar a tensão para a distribuição entre os consumidores de energia. Este inversor de tensão pode geralmente ser construído com o uso de GTO’s (Gate Turn-Off Thyristor) ou IGBT’s. No caso de inversores de tensão que serão aplicados na construção de filtros ativos de potência dá-se preferência ao emprego de IGBT’s devido à sua possibilidade de operar em elevadas freqüências. O bloco básico de construção de um inversor de tensão usando IGBT’s é apresentado no esquema abaixo: As tensões de porta de cada um dos IGBT’s são controladas a partir de uma Máquina de Estados Finitos, onde cada estado corresponde ao chaveamento de apenas três IGBT’s (cada um em uma associação em série diferente com um na parte de cima e outro na parte de baixo), a ordem de chaveamento é mostrada nos gráficos apresentados abaixo, onde temos as tensões em cada uma das chaves com o tempo e a tensão total entre a fase C e o neutro da associação em Y na saída do transformador apresentado na figura acima. SOCIESC
    • Acionamentos 82 Assim, vemos que a forma de onda da tensão na fase C com respeito ao neutro é formada por seis segmentos idealmente retos, como mostrado na figura. Por isso, este bloco funcional é denominado de um inversor de 6 segmentos. As formas de onda nas demais fases apresentam a mesma forma de onda que a da fase C, com apenas uma diferença de fase de 120° de uma em relação à outra. Esta forma de onda na saída é semelhante a uma forma de onda senoidal, embora ainda possua muita distorção harmônica (possui componentes harmônicos de freqüências mais altas). Para melhorar o desempenho do inversor, geralmente o que se usa é a associação de mais blocos de inversores de 6 segmentos como o mostrado acima em série, da seguinte forma apresentada na figura abaixo: SOCIESC
    • Acionamentos 83 Cada um dos inversores mostrados na figura acima é idêntico ao inversor de 6 segmentos do esquema anterior e geram as mesmas formas de onda. No entanto, o primeiro transformador é do tipo Y-Y, fazendo com que a forma de onda na saída não apresente nenhuma defasagem com relação ao sinal original; já no caso do segundo transformador do tipo ∆-Y, temos que a saída será defasada em 30° com relação à forma de onda original. Assim, a saída deste inversor será formada pela forma de onda de 6 segmentos normal somada a esta mesma forma de onda deslocada de 30°, o que irá gerar uma forma de onda na saída de 12 segmentos como mostrado abaixo: Como podemos ver, essa forma de onda se aproxima mais de uma senóide do que a forma de onda anterior. Para suavizar esta forma de onda de forma que se aproxime mais de uma senóide, bastando para isso utilizar um filtro passa-baixas para SOCIESC
    • Acionamentos 84 eliminar as componentes de altas freqüências que são responsáveis pelas transições abruptas dessa forma de onda e causam um elevado fator de distorção harmônica. Este exemplo foi apresentado aqui para ilustrar uma forma de aplicação do IGBT na prática, como uma chave em aplicações de elevadas potências. IV . Referências: • RASHID, Muhammad Harunur. Power Electronics – Circuits, devices and applications. 2ª ed. Prentice Hall, New Jersey: 1993. • PENELLO, Luiz Fernando. Filtro Ativo de Potência “Shunt”. Tese de Mestrado, Universidade Federal do Rio de Janeiro – COPPE: 1992. • http://www.elec.gla.ac.uk/groups/dev_mod/papers/igbt/igbt.html • http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/toolbox/powersys/igbt.shtml • http://www.coltec.ufmg.br/alunos/270/semicondutores/igbt.html • http://www.mitsubishichips.com/datasheets/power/powermos_index.html • http://sites.uol.com.br/rick.machado/engenhar.html • http://orbita.starmedia.com/~tecnofac/eletronica/igbt.htm SOCIESC