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Seminário:
Atuadores
Controle para Automação
• Atuadores são os elementos fundamentais que fornecem a fonte de força mecânica a um sistema.
• Assim, os atuadores são verificados sempre que se observa movimentações físicas no sistema.
Introdução
Definição:
• Atuadores são utilizados para executar instruções vindas de um sistema de controle (CLP, FPGA, Microcontrolador, Computador, entre outros)
Introdução
Fig 1. - Esquemático de um Módulo de Saída de um CLP controlando um atuador. A saída ainda passa por uma etapa de potência, exemplificada pelo transistor.
• Podemos, então, classificar os atuadores de acordo com sua função no sistema principal:
Introdução
Atuadores Primários
Atuadores
Secundários
Atuadores de Ativação
Controle para Automação
Atuadores
Primários
Atuadores Primários
Atuadores Primários
Os atuadores primários são a fonte da primeira movimentação física do sistema. Estes atuadores, de certa forma, agem como verdadeiros transdutores, transformando uma fonte de energia em outra (geralmente, mecânica)
• Dessa forma, podemos classificar os atuadores primários de acordo com sua fonte de energia de ativação:
Atuadores Elétricos
Atuadores Hidráulicos
Atuadores
Pneumáticos
Atuadores Primários
Todos os três tipos de atuadores são amplamente utilizados. Cada um com suas vantagens e desvantagens.
Atuadores Primários
• Motores Elétricos:
O motor elétrico, que converte energia elétrica em movimentação rotacional, é, de longe, o atuador primário mais conhecido e utilizado.
Atuadores Primários
Funcionamento do motor dc simples.
Fig 2. – Estrutura do motor dc simples. Verifica-se a armadura girando no sentido horário. Em (b) já houve uma rotação de 90º, que gera uma inversão na corrente nos fios A e B, causada pela rotação dos contatos do comutador que fazem contato, a partir de então, com lados opostos das escovas.
Atuadores Primários
Armadura de um motor real .
Fig 3. – Estrutura da armadura em um motor prático. Verifica-se a existência de várias bobinas, com cada par de fio conectado a um par separado de segmentos de comutador, garantindo que a corrente nos fios mudará de sentido no momento adequado à cada bobina.
Atuadores Primários
Torque:
Principais Equações de Construção.
T = KT IAΦ (eq. 1)
T = Torque do motorKT = Constante, baseada nas caract. de construção do motorIA = Corrente de ArmaduraΦ = Fluxo magnético
* Verifica-se que o torque é proporcional a corrente de armadura.
Atuadores Primários
FEM:
Principais Equações de Construção.
EMF = KE Φ V (eq. 2)
FEM = Tensão gerada pela rotação do motor.KE = Constante baseada na construção do motorΦ = Fluxo magnéticoV = Velocidade do motor
Tensão sobre a Armadura::
VA = Vln - EMF (eq. 3)
VA = Tensão sobre a armadura.Vln = Tensão de linha fornecida ao motor.FCEM = Força Contra-Eletromotriz.
Atuadores Primários
Corrente de Armadura:
Principais Equações de Construção.
IA = (eq. 1)
IA = Corrente de armaduraVln = Tensão de linha fornecida ao motor.RA = Resistência de armaduraFCEM = Força Contra-Eletromotriz.
Esta equação explica, em parte, a limitação de velocidade encontrada nos motores dc. Verificamos que com o incremento da velocidade, a corrente de armadura é reduzida e, conseqüentemente, o motor possui menos torque. Assim, chega-se a um ponto em que o torque do motor não é capaz de fazê-lo rotacionar.
Vln - FCEMRA
Atuadores Primários
• Subdivisão dos Motores Elétricos:
Motores de Excitação de Campo
Motores a Imã-Permanente
Motores Brushless (sem escovas)
Atuadores Primários
Motores de Excitação de Campo.
Os motores de excitação de campo, são divididos em Excitação em série, Excitação shunt, e Excitação Composta.Neles o campo magnético é gerado por uma excitação de campo.
Atuadores Primários
Motores de Excitação de Campo.
Atuadores Primários
Motores de Excitação de Campo.
Atuadores Primários
Motores de Excitação de Campo.
Atuadores Primários
Motores a Imã-Permanente.
Atuadores Primários
• Motores de passo:
Tipo específico de motor DC que gira em quantidades discretas de passos com número de graus definidos;
Pode-se saber a posição exata do motor sem o auxílio de sensores (basta contar os passos), e não há erro acumulativo.
Atuadores Primários
• Motores de passo - tipos:
Ímã-permanente;
Relutância variável;
Híbrido.
Atuadores Primários
• Motores de passo – íma permanente:
Atuadores Primários
• Motores de passo – íma permanente:
Stalling – efeito da carga sobre o motor de passo com ímã permanente.
Atuadores Primários
• Motores de passo – íma permanente:
Modos de operação:
Single step (ou bidirecional):Há tempo do rotor parar antes
de avançar para o próximo passo. Permite precisa, e é
possível parar e mudar o sentido imediatamente
Slew mode: O movimento é mais contínuo, semelhante a
motores DC. Entretanto, perde um pouco a precisão e
habilidadede mudar o sentido
Atuadores Primários
• Motores de passo – íma permanente:
Exemplo de modo de excitação bipolar:
Atuadores Primários
• Motores de passo – relutância variável:
Atuadores Primários
• Motores de passo – relutância variável:
Atuadores Primários
• Motores de passo – relutância variável:
O valor em graus do passo é dado pela diferença entre os ângulos do estator e os ângulos do rotor;
Devido a isso, o ângulo do passo pode ser até menor que 1°;
Pelo fato do rotor não ser energizado, o torque deste motor de passo é menor.
Atuadores Primários
• Motores de passo – híbrido:
Atuadores Primários
• Atuadores hidráulicos:São compostos por sistemas hidráulicos, onde é
utilizado um fluido (normalmente óleos) para transferir energia para pistões, fazendo-os executar um movimento específico.
Atuadores Primários
• Atuadores hidráulicos - características:
Fluido utilizado é incompressível;
Seguem o Princípio de Pascal: um fluido sob pressão hidrostática exerce a mesma pressão uniformemente nas paredes do recipiente que o contém
Atuadores Primários
• Atuadores hidráulicos - características:
Isso propicia a transferência de força diferenciada, analogamente às engrenagens.
Atuadores Primários
• Atuadores hidráulicos – elementos: Bombas: fornecem a pressão hidrostática para que os atuadores executem os movimentos.
Bomba de engrenagens
Bomba depalhetas
Atuadores Primários
• Atuadores hidráulicos – elementos: Atuadores: convertem a energia transmitida pelo fluido em movimento.
Pistão hidráulico Motor hidráulico
Atuadores Primários
• Atuadores hidráulicos – elementos: Válvulas de controle de pressão: permitem o funcionamento contínuo da bomba e impede que o sistema atinja pressões muito altas.
Atuadores Primários
• Atuadores hidráulicos – elementos: Acumuladores: atuam como filtros passa-baixa para variações de pressão e fornecem vazão extra.
Atuadores Primários
• Atuadores hidráulicos – elementos: Válvulas direcionais: controle de fluxo para movimenta o pistão em sentidos diferentes.
Válvula no centro
Atuadores Primários
• Atuadores hidráulicos – elementos: Válvulas direcionais
Válvula favorecendo movimento
do pistão para a esquerda
Válvula favorecendo movimento
do pistão para a direita
Atuadores Primários
• Atuadores hidráulicos – exemplo: Diagrama de um exemplo de um atuador hidráulico completo.
Atuadores Primários
• Atuadores pneumáticos:São compostos por sistemas pneumáticos, onde
é utilizado um gás (normalmente o ar) para transferir energia para pistões, fazendo-os executar um movimento específico, analogamente aos atuadores hidráulicos.
Atuadores Primários
• Atuadores pneumáticos - desvantagens:
Os atuadores pneumáticos possuem as seguintes desvantagens com relação aos hidráulicos:
Não são incompressíveis;
Não são apropriados para trabalhos nos quais é necessário precisão na movimentação do atuador.
Atuadores Primários
• Atuadores pneumáticos - vantagens:
Os atuadores pneumáticos possuem as seguintes vantagens com relação aos hidráulicos:
Não há necessidade de retorno para tanques;
Se houver vazamentos, não há sujeira.
Atuadores Primários
• Atuadores pneumáticos - elementos: Compressor: é o equivalente das bombas
para sistemas pneumáticos.
Exemplo de compressor tipo pistão, um dos mais utilizados
Atuadores Primários
• Atuadores pneumáticos - elementos:
Filtro: retira partículas que podem danificar o sistema;
Secador: retira a umidade excessiva do ar;
Tanque receptor: recebe o ar do compressor, atuando como uma fonte de alta pressão.
Atuadores Primários
• Atuadores pneumáticos - elementos:
Os sistemas pneumáticos também possuem válvulas de controle de fluxo e reguladoras de pressão, que atuam de forma análoga aos sistemas hidráulicos.
Exemplo de regulador pneumático de pressão
Atuadores Primários
• Atuadores pneumáticos - elementos: Atuadores pneumáticos:
Pistão de dupla-ação
Pistão de ação simples
Motor pneumático de palhetas
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