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UNIVERSIDADE VALE DO RIO DOCE - UNIVALE FACULDADE DE ENGENHARIA - FAENG
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MANUTENÇÃO INDUSTRIAL
CONTROLE DE EIXOS DE MÁQUINAS INDUSTRIAIS UTILIZANDO CLP E INVERSOR DE FREQÜÊNCIA
FILIPE ÁTILA SANTOS PEREIRA GUTEMBERG BOTELHO MARCELO ROSÁRIO MAURELINO MENDES
GOVERNADOR VALADARES NOVEMBRO DE 2009
FILIPE ÁTILA SANTOS PEREIRA GUTEMBERG BOTELHO
MARCELO ROSÁRIO MAURELINO MENDES
CONTROLE DE EIXOS DE MÁQUINAS INDUSTRIAIS UTILIZANDO CLP E INVERSOR DE FREQÜÊNCIA
Monografia apresentada ao curso de Tecnologia em Manutenção Industrial da Universidade Vale do rio Doce - UNIVALE como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo em Manutenção Industrial, sob a orientação do professor Robson Ferreira.
GOVERNADOR VALADARES NOVEMBRO DE 2009
FILIPE ÁTILA SANTOS PEREIRA GUTEMBERG BOTELHO
MARCELO ROSÁRIO MAURELINO MENDES
CONTROLE DE EIXOS DE MÁQUINAS INDUSTRIAIS UTILIZANDO CLP E INVERSOR DE FREQÜÊNCIA
COMISSÃO EXAMINADORA Professor: _____________________________________ Robson Ferreira (orientador) Professor: _____________________________________ Cláudio Humberto (coordenador) Professor(a): _____________________________________
GOVERNADOR VALADARES NOVEMBRO DE 2009
AGRADECIMENTOS
Agradecemos, primeiramente a Deus, nossa fonte de sabedoria e força, aos nossos pais, pelos ensinamentos do que é certo ou errado, a todos nossos familiares que nos apoiou durante o curso e sempre acreditaram em nossa vitória, aos nossos amigos e companheiros de faculdade pelo convívio e experiência trocadas, aos professores pelo ensinamento e dedicação, ao nosso orientador Robson Ferreira por ser exemplo a ser seguido, ao nosso coordenador Claudio Humberto J. de Souza pelo apoio e dedicação ao curso, a empresa Santher (Fábrica de Papel Santa Therezinha) pelo apoio durante o curso como doação e empréstimo de equipamentos para realização dos projetos, a Universidade Vale do Rio Doce onde estamos aprendendo dia após dia como ser um bom profissional.
RESUMO
A presente monografia tem como objetivo demonstrar que através de um CLP (Controlador Lógico Programável), um Inversor de freqüência e um Motor de Indução Trifásico, várias soluções podem ser desenvolvidas para controle de velocidade, torque e posicionamento de eixos de máquinas industriais. O Controle de eixo de máquinas industriais é de suma importância para o bom desempenho de processos; sendo assim torna-se necessário que se desenvolva várias lógicas de controle utilizando um (ou mais) CLP para executar diversas funções de controle no Inversor de Freqüência de forma a controlar o Motor de Indução, tais como: Controle Vetorial, Controle Escalar, Controle de Torque, Controle de Posicionamento, Controle de Velocidade, Controle com Reversão Automática, Tipos de Frenagens, etc. No projeto, o motor de indução trifásico será acionado e controlado diretamente pelo inversor de freqüência alimentado por uma tensão de 220V trifásico; enquanto que o inversor de freqüência será comandado diretamente pelas saídas digitais do CLP e em algumas demonstrações diretamente pelas suas teclas de controle frontais. No eixo do motor será acoplada uma polia para que o público possa ver a rotação e os movimentos do motor. A programação do Inversor de freqüência será realizada de forma direta pelas suas teclas e display frontal através de parâmetros de controle. Já a programação do CLP será feita através do software de programação WinSup 2 da Empresa Atos, que utiliza a linguagem de programação Ladder.
ABSTRACT
This thesis aims to demonstrate that through a PLC (Programmable Logic Controller), a frequency inverter and a three phase induction motors, various solutions can be developed to control speed, torque and positioning axes of industrial machinery. The Axis Control of industrial machines is of utmost importance to the performance of processes, thus it is necessary to develop various control logic using one (or more) PLC to perform various control functions in the inverter frequency as control the induction motor, such as: Vector Control, Scale Control, Torque Control, Motion Control, Speed Control, Reversing Automatic Control, brake types, etc.. In the project, the three-phase induction motor is driven and controlled directly by the frequency converter fed by a voltage of 220V three-phase, whereas the frequency inverter is controlled directly by the outputs of the PLC and in some statements directly by their front control keys . The motor shaft is coupled to a pulley so that the public can see the rotation and movement of the motor. The programming of the inverter frequency will be performed directly by its keys and display via front control parameters. Since the programming of the PLC will be done through software programming WinSup 2 Company Atos, which uses the programming language Ladder.
RESUMEN
Esta tesis pretende demostrar que a través de un PLC (Controlador Lógico Programable), un variador de frecuencia y tres motores de inducción de fase, varias soluciones pueden ser desarrolladas para controlar la velocidad, el par y los ejes de posicionamiento de maquinaria industrial. El control de ejes de máquinas industriales es de suma importancia para el desempeño de los procesos, por lo que es necesario desarrollar la lógica de control diferentes que usa uno (o más) de PLC para realizar varias funciones de control en el inversor de frecuencia como de control del motor de inducción, tales como: control de vectores, Escala de Control, Control de Torque, Motion Control, Control de velocidad, de marcha atrás de Control Automático, los tipos de frenos, etc. En el proyecto, los tres motores de inducción de fase es impulsada y controlada directamente por el convertidor de frecuencia alimentados por una tensión de 220 V en tres fases, mientras que el convertidor de frecuencia está controlada directamente por las salidas del PLC y, en algunos estados directamente por sus teclas de control frontal . El eje del motor está acoplado a una polea para que el público puede ver la rotación y el movimiento del motor. La programación de la frecuencia del inversor se llevará a cabo directamente por sus teclas y la pantalla a través de parámetros de control frontal. Dado que la programación de los PLC se hará a través de la programación de software WinSup 2 Empresa Atos, que utiliza el lenguaje de programación Ladder.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO.......................................................................................................................... 10
1 INVERSOR DE FREQÜÊNCIA ............................................................................................ 11
1.1 DEFINIÇÃO............................................................................................................. 11
1.1.1 – PRINCIPAIS EMPRESAS FABRICANTES........................................... 12
1.1.1.1 INVERSORES WEG.................................................................. 12
1.1.1.2 INVERSORES SIEMENS.......................................................... 13
1.1.1.3 INVERSORES ABB................................................................... 14
1.1.1.4 INVERSORES ALLEN BRADLEY............................................. 14
1.1.2 INVERSORES MONOFÁSICOS.............................................................. 15
1.2 – BLOCOS COMPONENTES DO INVERSOR....................................................... 16
1.2.1 UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO - CPU............................. 17
1.2.2 INTERFACE HOMEM-MÁQUINA – IHM.................................................. 17
1.2.3 INTERFACES ANALÓGICAS E DIGITAIS............................................... 17
1.2.4 CIRCUITO DE POTÊNCIA....................................................................... 18
1.3 DIMENSIONAMENTO............................................................................................. 18
1.3.1 POTÊNCIA DO INVERSOR:.................................................................... 18
1.3.2 TIPOS DE INVERSORES........................................................................ 19
1.3.2.1 INVERSOR ESCALAR............................................................ 19
1.3.2.2 INVERSOR VETORIAL DE TENSÃO........................................ 20
1.3.2.3 INVERSOR VETORIAL DE FLUXO........................................ 21
1.3.2.4 DIFERENÇAS ENTRE INVERSORES ESCALARES X
VETORIAIS DE FLUXO.........................................................................
22
1.3.3 MODELO E FABRICANTE.................................................................... 22
1.4 INSTALAÇÃO.......................................................................................................... 23
1.4.1 REDE DE ALIMENTAÇÃO LÉTRICA....................................................... 23
1.4.2 FUSÍVEIS DE PROTEÇÃO...................................................................... 23
1.4.3 CABOS..................................................................................................... 24
1.4.4 ATERRAMENTO E BLINDAGEM............................................................. 24
1.4.4.1 - CONSIDERAÇÕES PARA UM BOM ATERRAMENTO.......... 26
1.4.5 DISPOSITIVOS DE SAÍDA....................................................................... 27
1.4.5.1 – RELÉS TÉRMICOS................................................................ 27
1.4.5.2 – REATÂNCIA DE SAÍDA.......................................................... 28
2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL...................................................................... 29
2.1 EVOLUÇÃO HISTÓRICA DO CLP......................................................................... 30
2.1.1 EVOLUÇÃO DAS APLICAÇÕES DO CLP............................................... 32
2.1.2 VANTAGENS DO CLP............................................................................. 32
2.2 ARQUITETURA DO CLP........................................................................................ 32
2.2.1 UNIDADES BÁSICAS............................................................................... 33
2.2.2 UNIDADES DE ENTRADA....................................................................... 33
2.2.2.1 UNIDADE DE ENTRADA DIGITAL............................................ 34
2.2.2.2 TRANSDUTORES DIGITAIS..................................................... 34
2.2.2.3 TIPOS DE ENTRADAS DIGITAIS............................................. 35
2.2.2.4 UNIDADE DE ENTRADA ANALÓGICA..................................... 36
2.2.2.5 TRANSDUTORES ANALÓGICOS............................................. 37
2.2.3 UNIDADES DE SAÍDA............................................................................. 37
2.3.3.1 UNIDADE DE SAÍDA DIGITAL.................................................. 38
2.3.3.2 ATUADORES DIGITAIS............................................................ 38
2.3.3.3 UNIDADE DE SAÍDA ANALÓGICA........................................... 39
2.3.3.5 ATUADORES ANALÓGICOS.................................................... 39
2.2.4 UNIDADE DE PROCESSAMENTO CENTRAL........................................ 39
2.2.4.1 MEMÓRIA BÁSICA OU FIRMWARE......................................... 40
2.2.4.2 MEMÓRIA DE DADOS.............................................................. 40
2.2.4.3 MEMÓRIA DE USUÁRIO.......................................................... 41
2.2.4.4 WATCHDOG TIMER................................................................. 41
2.2.4.5 INTERFACE DE PROGRAMAÇÃO........................................... 41
2.2.4.6 INTERFACE HOMEM MÁQUINA.............................................. 41
2.3 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DO CLP...................................................... 42
2.3.1 CARACTERÍSTICAS................................................................................ 44
2.3.2 APLICAÇÕES.......................................................................................... 44
3 MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO..................................................................................... 45
3.1 DEFINIÇÃO............................................................................................................ 45
3.2 FUNCIONAMENTO DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO............................... 46
3.3 UTILIZAÇÃO EFICIENTE DO MIT......................................................................... 47
3.4 TIPOS DE MOTORES DE INDUÇÃO COM ROTOR BOBINADO E GAIOLA DE 48
ESQUILO......................................................................................................................
3.4.1 MOTOR EM GAIOLA DE ESQUILO......................................................... 50
3.5 GAIOLA DE ALUMÍNIO.......................................................................................... 51
3.5.1 VANTAGENS DA GAIOLA DE ALUMÍNIO............................................... 52
3.5.2 VELOCIDADE DO ROTOR...................................................................... 52
3.6 CONTROLE DE VELOCIDADE DOS MOTORES DE INDUÇÃO.......................... 53
3.7 CONTROLE CONTÍNUO DE VELOCIDADE.......................................................... 54
4 CONTROLE DE EIXOS 55
4.1 DESCRITIVO DO PROJETO.................................................................................. 55
4.1.1 INTRODUÇÃO DO PROJETO................................................................. 55
4.1.2 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO..................................................... 56
4.1.3 CONCLUSÕES APÓS APRESENTAÇÃO............................................... 56
4.2 INVERSOR DE FREQÜÊNCIA POWER FLEX 40................................................. 57
4.2.1 PACOTE FLEXÍVEL E OPÇÕES DE MONTAGEM................................. 58
4.2.2 PARTIDA E OPERAÇÃO SIMPLES......................................................... 58
4.2.3 SOLUÇÕES VERSÁTEIS DE PROGRAMAÇÃO E DE REDE................ 58
4.2.4 TABELA DE PARÂMETROS PARA CONTROLE DE EIXOS................ 59
4.3 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL ATOS - MPC4004.......................... 59
4.3.1 A1 / WINSUP – FERRAMENTAS DE PROGRAMAÇÃO......................... 60
CONCLUSÃO........................................................................................................................... 63
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................................ 65
10
INTRODUÇÃO
A presente monografia tem como objetivo demonstrar a importância do
controle de eixos de máquinas industriais, e mostrar que um CLP (Controlador
Lógico Programável) em conjunto com um Inversor de Freqüência pode ser utilizado
para realizar as devidas funções de controle, já que outros equipamentos também
são utilizados para estes fins.
Quando falamos em controle de eixos, falamos em: controle de velocidade,
controle de posicionamento e controle de torque, que são fatores de extrema
importância no ambiente industrial, já que a maioria das máquinas industriais exige
variação de velocidade.
Para tanto, principia-se no capítulo 1, o estudo sobre o Inversor de
Freqüência que é equipamento versátil e dinâmico para controle de velocidade de
motores de indução. Este capítulo contém a definição, princípios básicos,
funcionamento, aplicações e partes constituintes do Inversor.
No capítulo 2, estuda-se sobre o CLP, que é um aparelho eletrônico digital
que utiliza uma memória programável para armazenar internamente instruções e
para implementar funções específicas, tais como: lógica, seqüenciamento,
temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de módulos de entradas
e saídas, vários tipos de máquinas ou processos. Este capítulo contém a definição,
evolução histórica, funcionamento, aplicações e partes constituintes do CLP.
A introdução sobre Motor de Indução Trifásico, Capítulo 3 diz que o motor
elétrico é construído de tal maneira que se têm campos magnéticos girantes, e
corresponde a 50% da carga elétrica industrial.
O Quarto, e último capítulo, são referentes à apresentação da montagem
prática do projeto, abordando temas sobre os equipamentos utilizados, já que o
trabalho será apresentado também de forma prática.
A presente Monografia se encerra com as Considerações Finais, onde serão
apresentadas as conclusões decorrentes do projeto e suas aplicações.
11
1 INVERSOR DE FREQÜÊNCIA
Com a busca por melhores desempenhos e aumento da vida útil de motores,
redução da temperatura e corrente de partida, etc., os inversores de freqüência
ganharam espaço no mercado de trabalho, visando solucionar as necessidades dos
consumidores.
1.1 DEFINIÇÃO
O inversor de freqüência, também conhecido como conversor de freqüência,
são dispositivos eletrônicos que convertem a tensão da rede alternada senoidal, em
tensão contínua e finalmente convertem esta última, em uma tensão de amplitude e
freqüência variáveis. Em poucas palavras são equipamentos de baixo custo para o
controle da velocidade de motores de indução trifásicos.
Fonte: Wikipédia, a enciclopédia livre.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Conversor_de_frequ%C3%AAncia
A denominação Inversor ou Conversor é bastante controversa, sendo que
alguns fabricantes utilizam Inversor e outros Conversor. O Inversor de Freqüência,
tem na sua entrada um bloco retificador, o circuito intermediário composto de um
banco de capacitores eletrolíticos e circuitos de filtragem de alta freqüência e
finalmente o bloco inversor, ou seja, o inversor na verdade é um bloco composto de
transistores IGBT, dentro do conversor. Na indústria, entretanto, ambos os termos
são imediatamente reconhecidos, fazendo alusão ao equipamento eletrônico de
potência que controla a velocidade ou torque de motores elétricos.
Eles são usados em motores elétricos de indução trifásicos para substituir os
rústicos sistemas de variação de velocidades mecânicos, tais como polias e
variadores hidráulicos, bem como os custosos motores de corrente contínua pelo
12
conjunto motor assíncrono e inversor, mais barato, de manutenção mais simples e
reposição profusa.
Os inversores de freqüência costumam também atuar como dispositivos de
proteção para os mais variados problemas de rede elétrica que se pode ocorrer,
como desbalanceamento entre fases, sobrecarga, queda de tensão, etc.
Normalmente, os conversores são montados em painéis elétricos, sendo um
dispositivo utilizado em larga escala na automação industrial. Podem trabalhar em
interfaces com computadores, centrais de comando, e conduzir, simultaneamente,
dezenas de motores, dependendo do porte e tecnologia do dispositivo.
1.1.1 PRINCIPAIS EMPRESAS FABRICANTES
A seguir exibimos as principais empresas fabricantes do inversor de
freqüência junto aos seus principais inversores já lançados no mercado.
1.1.1.1 Inversores WEG
Os inversores de Freqüência WEG incorporam a mais avançada tecnologia
disponível mundialmente para variação de velocidade em motores de indução
trifásicos. A figura 1 ilustra o inversor CFW 11 da WEG.
Figura 1 - Inversor de Freqüência CFW 11
O manual do Inversor CFW11 está disponível para download no link a
seguir:(http://www.weg.net/br/Produtos-e-Servicos/Geral/Central-de-Downloads/Resultado-da-
13
Busca/(byURL)/br%7CProdutos-e-Servicos%7CAutomacao%7CDrives%7CInversor-de-Frequencia-
CFW-11/(group)/1)
1.1.1.2 Inversores SIEMENS
A Família de inversores de freqüência Micromaster 4, foi especialmente
desenvolvida pela Siemens enfocando a mais alta qualidade técnica, extrema
robustez e ampla flexibilidade de funções. Cada membro da família MM4, que
atende a faixa de 0,16 a 350cv, é caracterizado pelo seu manuseio simples: desde a
instalação e o comissionamento até o controle da operação.
A figura 2 ilustra o inversor Micromaster 440 da Siemens;
Figura 2 - Inversor de Freqüência Micromaster 440
O manual do Inversor Micromaster 440 está disponível para download no link a
seguir:(http://www.siemens.com.br/templates/v2/templates/TemplateD.Aspx?channel=9336)
1.1.1.3 Inversores ABB
14
Os inversores de freqüência ABB para maquinaria em geral são fabricados
para o sector de produção de maquinaria. Na produção em série, o tempo
consumido por unidade é crítico. O inversor de freqüência foi fabricado para ser o
inversor mais rápido em termos de instalação, definição de parâmetros e
comissionamento. O produto básico foi feito de forma a ser o mais simples de
utilizar, no entanto fornecido com elevadas potencialidades. Os inversores de
freqüência ABB oferece diversas funcionalidades para satisfazer as necessidades
mais exigentes.
A figura 3 ilustra o inversor ACS 550 da ABB;
Figura 3 - Inversor de Freqüência ACS 550
O manual do Inversor ACS 550 está disponível para download no link a
seguir:
(http://library.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/1cc14075a3a65150c1257
315002c9a35/$File/PT_ACS550_01_UM_F_screenres.pdf)
1.1.1.4 Inversores ALLEN BRADLEY
Como fornece aos usuários um controle potente de velocidade do motor em
um projeto compacto com economia de espaço, o inversor PowerFlex 40 CA Allen-
15
Bradley® é o menor e mais acessível inversor da família PowerFlex®. Ideais para
controle de velocidade no nível de máquina, estes produtos oferecem versatilidade
de aplicação para atender as demandas dos OEMs globais e dos usuários que
precisam de flexibilidade, economia de espaço e facilidade de uso.
A figura 4 ilustra o inversor Power Flex 40 da ALLEN BRADLEY.
Figura 4 - Inversor de Freqüência Power Flex 40
O manual do Inversor Power Flex 40 está disponível para download no link
a seguir:
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/public/documents/webassets/browse_resul
ts.hcst?lineTitle=PowerFlex%2040&familyTitle=Component%20Class%20AC%20Drives&catego
ryTitle=Drives%20(Allen-Bradley)&xLanguage=EN%20-
%20English&CategoryId=2622&FamilyId=3704&passedLangVal=EN%20-%20English
1.1.2 INVERSORES MONOFÁSICOS
Além dos inversores trifásicos, temos também o Inversor de Freqüência
monofásico. Este inversor é alimentado por apenas duas fases ou uma fase e um
neutro, fornecendo uma saída trifásica. O inversor monofásico é utilizado em
aplicações onde não existe rede trifásica. Geralmente os inversores de freqüência
monofásicos são de baixa potência. É importante ressaltar que alguns inversores
trifásicos aceitam alimentação com apenas duas fases.
O funcionamento do inversor de freqüência monofásico não difere muito do
inversor trifásico. A diferença é que na etapa inicial, em vez de ser uma retificação
trifásica, é monofásica, utilizando quatro diodos semicondutores em vez de seis.
16
A figura 5 ilustra o inversor monofásico ACS140 da ABB:
Figura 5 – Inversor monofásico ACS140
O manual do Inversor ACS 140 está disponível para download no link a
seguir:http://www.abb.com/AbbLibrary/DownloadCenter/?showresultstab=true&browsecategory=9AA
C200728&queryText&accessgroup&languagecode&documentkind&update&displayVersion=islatest&c
ontent=external
1.2 BLOCOS COMPONENTES DO INVERSOR
Para entender o funcionamento de um inversor de freqüência, é necessário,
antes de mais nada, saber a função de cada bloco que o constitui. Ele é ligado na
rede, podendo ser monofásica ou trifásica, e em sua saída há uma carga que
necessita de uma freqüência diferente da rede. Para tanto, o inversor tem como
primeiro estágio, um circuito retificador, responsável por transformar a tensão
alternada em contínua, após isso a um segundo estágio capaz de realizar o inverso,
ou seja, de CC para CA (conversor), e com a freqüência desejada pela carga.
A figura 6 ilustra o diagrama de blocos do inversor de freqüência:
17
Figura 6: diagrama de blocos do inversor de freqüência:
1.2.1 UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO - CPU
O bloco da CPU, de um inversor de freqüência pode ser formado por um
micro processador ou por um micro controlador (PLC). Isso depende apenas do
fabricante. De qualquer forma, é nesse bloco que todas as informações (parâmetros
e dados do sistema) estão armazenadas, visto que também uma memória está
integrada a esse conjunto. A CPU não apenas armazena os dados e parâmetros
relativos aos equipamentos, como também executa a função mais vital para o
funcionamento do inversor: Geração dos pulsos de disparo, através de uma lógica
de controle coerente, para os IGBT’s.
1.2.2 INTERFACE HOMEM MÁQUINA - IHM
O bloco da IHM é um dispositivo que nos permite visualizar o que está
ocorrendo no inversor através do seu display de LCD, e parametrizá-lo de acordo
com a aplicação desejada através de suas teclas de programação.
1.2.3 INTERFACES ANALÓGICAS E DIGITAIS
18
Os inversores podem ser comandados através de dois tipos de sinais:
Analógicos ou digitais. Normalmente, quando queremos controlar a velocidade de
rotação de um motor AC no inversor, utilizamos uma tensão analógica de comando.
Essa tensão se situa entre 0 á 10 Vcc. A velocidade de rotação (RPM) será
proporcional ao seu valor, por exemplo: 1 Vcc = 1000 RPM, 2Vcc = 2000 RPM.
Para inverter o sentido de rotação basta inverter a polaridade do sinal
analógico (de 0 á 10 Vcc sentido horário, e –10 á 0 Vcc sentido anti-horário). Esse é
o sistema mais utilizados em máquinas-ferramenta automáticas, sendo que a tensão
analógica de controle é proveniente do controle numérico computadorizado (CNC).
Além da interface analógica, o inversor possui entradas digitais. Através de um
parâmetro de programação, podemos selecionar qual entrada é válida (Analógica ou
digital).
1.2.4 CIRCUITO DE POTÊNCIA
A etapa de potência é constituída por um circuito retificador, que alimenta
(através de um circuito intermediário chamado “barramento DC”). Neste circuito
retificador é utilizado o semicondutor chamado IGBT (Insulated Gate Bipolar
Transistor) que é o Transistor Bipolar de Porta Isolada, freqüentemente utilizado
como uma chave, alternando os estados de condução (On-state) e corte (Off-state)
os quais são controlados pela tensão de porta.
1.3 DIMENSIONAMENTO DE INVERSORES
Para a escolha do inversor devemos saber: o modelo, o tipo e a potência do
inversor de acordo com a necessidade de utilização do mesmo, bem como a
potência do motor a ser controlado.
1.3.1 POTÊNCIA DO INVERSOR
19
Para calcularmos a potência do inversor, temos que saber qual o motor (e
qual carga) ele acionará. Normalmente a potência dos motores é dada em CV ou
HP. Basta fazer a conversão em watts, por exemplo:
� Rede elétrica = 380Vca
� Motor = 1 HP
� Aplicação = Exaustor industrial
Cálculos:
1HP = 746W. Portanto, como a rede elétrica é de 380Vca e os inversores
(normalmente) possuem fator de potência igual a 0,8 (cosφ = 0,80), teremos:
� I = Corrente do inversor
� P = Potência em Watts
� Tensão na rede × cosφ
I = 746 / (380 x 0,8) = 2,45 A
Tensão de entrada = 380 Vca
(arredondando 2,45 para cima)
1.3.2 TIPOS DE INVERSORES
A maioria dos inversores utilizados é do tipo escalar (ou seja, só controlam a
velocidade e não o torque, por isso são mais baratos). Só utilizamos o tipo vetorial
em duas ocasiões: Extrema precisão de rotação, torque elevado para rotação baixa
ou zero (guindastes, pontes rolantes, elevadores, etc).
1.3.2.1 Inversor Escalar
Em linhas gerais, podemos dizer que os inversores escalares são fontes de
alimentação com valores de tensão/freqüência pré-determinados dentro de toda a
faixa de variação de velocidade, como apresentado no gráfico da figura 7.
20
Figura 7- Gráfico do Inversor Escalar
Existem curvas V/F prontas, destinadas a aplicações mais comuns, como
curvas quadráticas para bombas e ventiladores e curvas com alto torque de partida.
Também existe a possibilidade de programação dos valores da curva V/F
possibilitando a sua adaptação a cargas especiais.
Considerando-se que o torque no eixo do motor é proporcional à relação
V/F, os inversores escalares irão disponibilizar ao motor torques pré-determinados,
não compensando as necessidades de torques adicionais requeridas por
determinadas aplicações. A compensação de torque principalmente em baixas
rotações é normalmente realizada através da programação da curva V/F.
Se elevarmos o valor da relação V/F, elevando-se, portanto a disponibilidade
de torque no motor. Tal efeito é normalmente denominado de Reforço de Torque
para baixas rotações, ou Torque Boost em inglês.
1.3.2.2 Inversor Vetorial de Tensão
Nos controles vetoriais de tensão, a tensão no motor é calculada pelo
programa do inversor e compensa em parte os conjugados no rotor. Umas das
técnicas de fazer o controle vetorial de tensão é manter o escorregamento
constante. Esse controle melhora a eficiência do motor pois ele trabalha com
tensões menores quando o conjugado é menor que o nominal, comparado-se com
inversores escalares.
21
Alguns inversores escalares possuem um algoritmo incorporado ao software
o qual aumenta a tensão independentemente da freqüência, de forma a compensar
"em parte" as solicitações de torque do motor, este sistema é normalmente
denominado de Controle Vetorial da Tensão.
Apesar da Curva V/F ser pré-fixada, os inversores escalares dispõem de
funções adicionais capazes de influir sobre a curva V/F, hora sobre o valor da
tensão, hora sobre o valor da freqüência, proporcionando melhor performance do
motor.
Funções como a de compensação de Escorregamento, aumentam a
freqüência de saída na mesma proporção da elevação de corrente de motor, acima
da corrente de vazio, compensando a queda de velocidade devido ao
escorregamento.
Funções como a de Economia de Energia, reduzem a tensão de saída do
inversor quando a carga é reduzida melhorando a eficiência do motor e
economizando energia elétrica.
1.3.2.3 Inversor Vetorial de Fluxo
Os inversores com controle vetorial de fluxo mantêm o fluxo magnético no
motor constante. Diferente do controle vetorial de tensão em que o conjugado é
controlado pelo escorregamento, o campo é diretamente proporcional ao conjugado
no rotor.
Os Inversores Vetoriais de Fluxo produzem uma saída trifásica com
tensão(V) e freqüência (F) controladas independentemente, não seguindo uma curva
V/F pré fixada.
A idéia é manter o fluxo magnético do motor constante e controlar
diretamente o torque do eixo do motor controlando-se a corrente rotórica do mesmo.
Os Inversores Vetoriais de Fluxo possuem dois controladores, um controla a
corrente de magnetização e o outro a corrente do motor. O torque no motor será
imposto e controlado diretamente, ao contrário dos Inversores Escalares onde o
torque é conseqüência do escorregamento do motor.
Os inversores Vetoriais de Fluxo estão divididos em duas categorias: com e
sem realimentação. A realimentação ou "Feedback", permite "enxergar" o
22
movimento do eixo do motor possibilitando controlar a velocidade com alta precisão
e também o torque em velocidade zero. A operação com realimentação é também
conhecida como controle de malha fechada e sem realimentação como controle de
malha aberta. A realimentação é realizada utilizando um gerador de pulsos, também
conhecido com "Encoder". Alguns equipamentos permitem a utilização dos dois
modos, sendo necessário uma placa opcional para a operação de malha fechada.
A operação de malha aberta, ou sem realimentação é também conhecida
como "SensorLess", nesse caso o algoritmo de controle torna-se mais complexo pois
o inversor deve calcular através de artifícios matemáticos a velocidade real e o
escorregamento do motor. A operação sem realimentação possui performance
inferior à operação com realimentação.
Os Inversores Vetoriais de Fluxo necessitam da programação de todos os
parâmetros do motor como, resistências elétricas, indutâncias, correntes nominais
do rotor e estator, dados esses normalmente não encontrados com facilidade. Para
facilitar o set-up, alguns inversores dispõem de sistemas de ajustes automáticos
também conhecidos como "Auto-tunning", não sendo necessário a pesquisa de
dados sobre o motor.
1.3.2.4 Inversores Escalares x Vetoriais de Fluxo
A principal diferença entre os inversores Escalares e Vetoriais de Fluxo
deve-se a capacidade dos inversores vetoriais de fluxo de imporem o torque
necessário ao motor, de forma precisa e rápida permitindo uma elevada velocidade
de resposta dinâmica a variações bruscas de carga.
Com Inversores Escalares é necessária a queda de velocidade para
aumento do torque, ou seja, o torque produzido no motor é proporcional ao
escorregamento. Nos inversores Vetoriais de Fluxo não existe praticamente redução
de velocidade para aumento do torque, visto que o inversor irá impor uma tensão e
uma freqüência adequada para compensar a queda de velocidade e impor o torque
necessário à carga. Em algumas aplicações é necessário que o motor trabalhe com
folga de tensão visto que os inversores vetoriais de fluxo impõem o torque elevando
a tensão sobre o motor. Caso a velocidade de trabalho seja a nominal e a regulação
23
seja crítica, é necessário utilizar um motor com tensão nominal menor que a rede,
como forma de obter-se a folga necessária para a regulação.
1.3.3 MODELO E FABRICANTE
Para escolher o modelo, basta consultarmos os catálogos dos fabricantes,
ou procurar um que atenda as seguintes características mínimas como no caso do
exemplo abaixo:
� Tensão de entrada = 380 Vca
� Tipo = escalar
Quanto ao fabricante o preço deve determinar a escolha. Os mais
encontrados nas indústrias são : Siemens, Weg, YasKawa, ABB, Allen Bradley, GE
(Fanuc), etc.
1.4 INSTALAÇÃO
Este tópico tem como objetivo apresentar os componentes e informações
gerais necessárias para a instalação de um inversor de freqüência. A utilização de
cada componente dependerá de cada caso particular.
1.4.1 REDE DE ALIMENTAÇÃO ELÉTRICA
Os inversores são projetados para operar em redes de alimentação
simétricas. A tensão entre fase e terra deve ser constante, se por algum motivo esta
tensão varia, por exemplo, pela influência de algum outro equipamento ligado a
rede, será necessário colocar um transformador de isolação.
1.4.2 FUSÍVEIS DE PROTEÇÃO
24
Os inversores geralmente não possuem proteção contra curto-circuito na
entrada, sendo assim, é responsabilidade do usuário colocar fusíveis para proteção.
Estes são normalmente especificados na documentação técnica.
1.4.3 CABOS
Os sinais elétricos transmitidos pelos cabos podem emitir radiação
eletromagnética e também podem absorver radiação (se comportam como antenas)
provocando falsos sinais que prejudicarão o funcionamento do equipamento. É
assim que existem cabos especiais com blindagem para minimizar este tipo de
interferências. Os inversores WEG possuem boa imunidade a interferência
eletromagnética externa. É necessário, porém seguir estritamente as instruções de
instalação (ex.: o gabinete precisa ser aterrado). Se perto do equipamento houver
contatores, será necessário instalar supressores de transientes nas bobinas dos
contadores.
O cabo de conexão do inversor com o motor é uma das fontes mais
importantes de emissão de radiação eletromagnética. Sendo assim é necessário
seguir os seguintes procedimentos de instalação:
� Cabo com blindagem e fio-terra; como alternativa pode ser usado um
eletroduto metálico com fiação comum interna;
� Blindagem ou eletroduto metálico deve ser aterrado;
� Separar dos cabos de sinal, controle e cabos de alimentação de
equipamentos sensíveis;
� Manter sempre continuidade elétrica de blindagem, mesmo que
contatores ou relés térmicos sejam instalados entre conversor e o motor.
Já os Cabos de Sinal e Controle devem ter os seguintes procedimentos:
� Cabo blindado aterrado ou eletroduto metálico aterrado;
� Separação da fiação de potência;
� Caso necessário, cruzamento de cabos fazê-lo a 90º;
� Caso necessário seguirem na mesma canaleta, usar separador
metálico aterrado.
1.4.4 ATERRAMENTO E BLINDAGEM
25
O aterramento de um equipamento é de extrema importância para o seu
correto funcionamento, devido a segurança e a blindagem eletromagnética. Todas
as partes condutoras de um equipamento elétrico que podem entrar em contato com
o usuário, devem ser aterradas para proteger os mesmos de possíveis descargas
elétricas. Quando um equipamento está corretamente aterrado, toda a parte
condutora que podem entrar em contato com o usuário tem que ter uma diferença de
potencial de 0 volts a respeito do aterramento. A blindagem dos equipamentos é
realizada normalmente com placas metálicas formando um gabinete ou caixa. Estas
devem estar ligadas umas as outras através de materiais condutores e todas
corretamente aterradas.
A figura 8 ilustra um exemplo de blindagem:
Figura 8 - Aterramento e Blindagem
26
1.4.4.1 - Considerações para um bom aterramento
As principais considerações para um bom aterramento dos inversores são:
� Utilizar aterramento em um Único Ponto;
� Utilizar Filtro + conversor + motor. (ver figura 9);
� O motor pode também ser aterrado na estrutura da máquina
(segurança);
� Nunca utilizar neutro como aterramento;
� Não compartilhe a fiação de aterramento com outros equipamentos que
operem altas correntes (motores de alta potência, máquina de solda, etc);
� A malha de aterramento deve ter uma resistência menor que 10 Ohms;
� Recomenda-se usar filtros RC em bobinas de contatores, solenóides
ou outros dispositivos similares em alimentação CA;
� Em alimentação CC usar diodo de roda livre. Conexão de Resistores
de Frenagem Reostática;
� Utilizar cabos com blindagem aterrada ou eletroduto metálico aterrado
separado dos demais;
� A rede elétrica deve estar referenciada ao terra (neutro) aterrado na
subestação).
A figura 9 ilustra um exemplo de aterramento e blindagem em um sistema
inversor / motor:
27
Figura 9 – Instalação de Equipamentos aterrados ao mesmo ponto
1.4.5 DISPOSITIVOS DE SAÍDA
Os dispositivos de saída do projeto desenvolvido são: Relés Térmicos,
Reatância de Saída.que permitem o bom funcionamento do controle de eixos.
1.4.5.1 Relés Térmicos
Os inversores possuem normalmente proteção contra sobre-correntes que
tem como finalidade proteger o motor. Quando mais de um motor é acionado pelo
mesmo inversor será necessário colocar um relé térmico de proteção em cada
motor. Como o sinal de saída do inversor é chaveado a altas freqüências, podem
28
acontecer disparos nos relés, mesmo sem estes terem atingido a corrente nominal
de disparo. Para isto não acontecer é necessário aumentar a corrente de disparo do
relé em aproximadamente 10% da corrente nominal do motor.
A figura 10 ilustra o Relé Térmico:
Figura 10 - Relé Térmico
1.4.5.2 Reatância de Saída
Quando a distância entre motor e inversor é grande (valor dependente do
tipo de motor utilizado) podem ocorrer:
� Sobre-tensões nos motores produzidas por um fenômeno chamado de
onda refletida;
� Geração de capacitâncias entre os cabos de potência que retornam
para o inversor produzindo o efeito de “fuga a terra”, bloqueando o inversor.
Este tipo de problemas pode ser solucionado utilizando uma reatância entre
o motor e o inversor. Esta reatância deve ser projetada especialmente para altas
freqüências, pois os sinais de saída do inversor possuem freqüências de até 20 kHz.
A figura 11 ilustra uma reatância de saída:
Figura 11 - Reatância de saída
29
2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
Controladores Lógicos Programáveis - CLP são equipamentos eletrônicos
normalmente baseados em microprocessadores, que usam uma memória
programável para armazenamento de instruções com funções de: lógica,
seqüenciamento, temporização, contagem, controle PID, intertravamentos,
operações aritméticas, etc; destinados a comandar e monitorar máquinas ou
processos industriais através de módulos de entradas/saídas analógicos ou digitais.
Um controlador lógico programável difere de equipamentos convencionais
para controles industriais pela técnica de programação utilizada e pelo modo
seqüencial de execução das instruções. O software desenvolvido pelo fabricante,
também caracteriza uma diferença fundamental. Este software realiza funções de
acesso ao hardware, diagnósticos, comunicações, históricos e determina o
funcionamento do controlador em um modo de operação dedicado (ciclo de
varredura) e totalmente transparente para o usuário.
A segunda distinção é que os CLP’s foram especificamente projetados para
operar em ambientes industriais. Um CLP pode operar em áreas com quantidades
substanciais de ruídos elétricos, interferências eletromagnéticas, vibrações
mecânicas, temperaturas elevadas e condições de umidade adversas, conforme
especificação de cada fabricante.
A figura 12 ilustra o diagrama de blocos do CLP.
Figura12 – Diagrama de blocos do CLP
30
2.1 EVOLUÇÃO HISTÓRICA DO CLP
Os Controladores Lógicos Programáveis foram desenvolvidos no final dos
anos 60, com a finalidade de substituir painéis de relés em controles baseados em
lógicas combinacional / seqüencial, em linhas de montagem nas indústrias de
manufatura, principalmente automobilística, sendo progressivamente adotados pelas
indústrias de processos.
O critério do projeto para o primeiro controlador foi especificado em 1968 por
uma divisão da General Motors Corporation. O objetivo inicial era eliminar o alto
custo associado com os sistemas controlados a relés. As especificações iniciais
requeriam um sistema de estado sólido com a flexibilidade do computador, capaz de
suportar o ambiente industrial, ser facilmente programado e reprogramado,
manutenção fácil e por último facilmente expansível e utilizável. Já os painéis de
controle a relés necessitavam modificações na fiação, o que muitas vezes era
inviável, tornando-se mais barato simplesmente substituir todo painel por um novo.
Portanto, os CLP’s permitiram transferir as modificações de hardware para
modificações no software.
Pelo fato de substituírem os painéis de relés no controle discreto, foram
chamados de Controladores Lógicos Programáveis – CLP (Programmable Logic
Controllers – PLC).
Com o sucesso de uso de CLP’s na indústria, a demanda por novas funções
e maior capacidade aumentou consideravelmente. Os equipamentos cresceram em
poder de processamento, número de entradas e saídas (I/O), e novas funções.
Entretanto, estes controladores ainda usavam lógica discreta e só eram utilizadas na
indústria, pois seus custos tornaram inviáveis em outras aplicações (automação
predial, por exemplo).
A partir de 1970, com o advento da tecnologia de microprocessadores, os
controladores passaram ter uma grande capacidade de processamento e alta
flexibilidade de programação e expansão. Entre outras características citamos:
realizar operações aritméticas com ponto decimal flutuante, manusear dados e se
comunicar com computadores. Desta forma, os CP’s atuais podem atuar tanto em
controle discreto como automação de manufatura, onde as máquinas apresentam
31
ações automáticas e podem atuar em controle contínuo, como: processos químicos
e siderúrgicos, com características primordialmente analógicas.
Portanto atualmente, os controladores são bem mais complexos e não
executam somente lógica do tipo: E e OU, motivo pelo qual passaram a ser
chamados apenas de Controladores Programáveis – CP’s.
O sistema utilizado para programar o controlador era um dispositivo
dedicado e acondicionado em uma maleta portátil, chamada de maleta de
programação, de forma que podia ser levada para “campo” a fim de alterar dados e
realizar pequenas modificações no programa. O sistema de memória do controlador
não permitia facilidades de programação por utilizar memórias do tipo EPROM.
Inovações no hardware e software entre 1975 e 1979 proporcionaram ao
controlador maior flexibilidade e capacidade de processamento. Isto significou
aumento na capacidade de memória e de entradas/saídas remotas, controle
analógico, controle de posicionamento, comunicações, etc. A expansão de memória
permitiu um programa de aplicação maior e uma maior quantidade de dados de
forma que os programas de controle não ficassem restritos à lógica e
seqüenciamento, mas também realizassem aquisição e manipulação de dados. Com
o desenvolvimento do controle analógico, o controlador programável preencheu o
“gap” entre controle discreto e controle contínuo.
Os custos com fiação foram reduzidos significativamente com a capacidade
do controlador de comunicar-se com subsistemas de entrada/saída localizados em
pontos remotos, distante da unidade central de processamento e perto do
equipamento a ser controlado. Ao invés de trazer centenas de fios para o armário
do CP, os sinais dos subsistemas podem ser multiplexados e transmitidos por um
único par de fios trançados. Esta técnica permitiu a reestruturação de grandes
sistemas em pequenos subsistemas melhorando a confiabilidade, manutenção e
partida gradual do subsistema principal.
Atualmente, existem vários tipos de controladores, desde pequena
capacidade até os mais sofisticados, realizando operações que antes eram
consideradas específicas para computadores. A evolução do hardware conduziu a
melhorias significativas nas características do controlador.
Existe hoje uma forte tendência à utilização de pequenos controladores
programáveis, controlando processos independentes e comunicando-se com outros
controladores e com sistemas supervisórios.
32
Assim, é possível descentralizar o controle industrial, evitando que uma pane
interrompa toda a planta.
2.1.1 EVOLUÇÃO DAS APLICAÇÕES DO CLP
As principais evoluções aconteceram em:
� 1969 a 1971 - Substituir a lógica via relés
� 1971 a 1976 - Substituir contadores e temporizadores Operações
aritméticas
� Impressão de documentação/relatórios Controle em malha fechada
(PID)
� 1976 a 1981 - Comunicação entre CLP's Controle de posicionamento
� 1981 a 1985 - Redes com periféricos Unidades Remotas
� Redundância de CPU's
� 1985 a atual- Interface Homem Máquina (IHM) Sistemas supervisórios
2.1.2 VANTAGENS DO CLP
As principais vantagens do uso do CLP são:
� Ocupar menor espaço físico;
� Menor consumo de energia elétrica;
� Programáveis;
� Maior confiabilidade;
� Maior flexibilidade;
� Maior rapidez na elaboração de projetos;
� Interfaces de comunicação com outros CLP’s e computadores.
2.2 ARQUITETURA DO CLP
Os Controladores Programáveis, fugira 13, são normalmente compostos de
Unidades Básicas que são dispostas em blocos.
33
Figura 13 – Arquitetura da CLP
2.2.1 UNIDADES BÁSICAS
As unidades básicas em geral são compostas por:
� Unidades de entrada;
� Unidades de saída;
� Unidade de processamento;
� Unidade fonte de alimentação.
2.2.2 UNIDADES DE ENTRADA
As unidades de entrada fornecem as conexões entre os dispositivos de
campo e a unidade central de processamento. Estas interfaces podem ter um ou
mais canais de aquisição de dados que codificam sinais analógicos / digitais de
entrada de diversos níveis de tensão (alternada / contínua), provenientes de
sensores analógicos, push-buttons, e de outros tipos de transdutores, cujos sinais
sejam tensões ou correntes.
Os sinais de entrada são isolados do sistema de processamento através de
acopladores ópticos, compatibilizando estes sinais com o sistema.
34
2.2.2.1 UNIDADE DE ENTRADA DIGITAL
As interfaces de entradas discretas detectam e convertem sinais de
comutação de entrada em níveis lógicos de tensão usados no Controlador
Programável. Essas características limitam a interface a sinais do tipo ON/OFF
(ligado/desligado).
O circuito de entrada é composto por duas seções principais: entradas de
estados e interface, sendo que essas são normalmente desacopladas eletricamente
por um circuito isolador.
A seção de entrada de estados basicamente realiza a função de conversão
da tensão da entrada (110 Vca, 220 Vca) para um nível DC compatível com a
interface. Quando um sinal válido é detectado, o circuito isolador gera um sinal na
seção lógica (interface), o qual fica disponível para o processador através do seu
barramento de dados. Normalmente estas entradas são sinalizadas por led's.
A figura 14 ilustra o diagrama do blocos da Unidade de Entrada Digital:
Figura 14 - diagrama do blocos da Unidade de Entrada Digital:
2.2.2.2 TRANSDUTORES DIGITAIS
Na definição mais geral, um transdutor é um dispositivo que recebe um sinal e o
retransmite, independentemente de conversão de energia.
Entre os diversos tipos de transdutores digitais, podemos citar:
� Botões;
� Chaves de fim de curso;
� Sensores de proximidade;
� Termostatos;
� Pressostatos;
� “Push Buttons".
35
2.2.2.3 TIPOS DE ENTRADAS DIGITAIS
A comutação de uma unidade de entrada pode ser em corrente contínua ou
em corrente alternada.
Entrada em corrente contínua
Os tipos de entradas digitais em corrente contínua são: Entrada tipo N e tipo
P.
Na Entrada Tipo N, figura 15, a comutação é executada quando o dispositivo
externo aplica o pólo negativo da fonte na entrada digital.
Figura 15 - Entrada digital tipo N
Na Entrada Tipo P, figura 16, a comutação é executada quando o dispositivo
externo aplica o pólo positivo da fonte na entrada digital.
Figura 16 - Entrada digital tipo P
Entrada em corrente alternada
36
A comutação em corrente alternada, figura 17, ocorre quando é aplicado um
tensão de 110Vca ou 220Vca no borne de entrada.
Figura 17 - Entrada digital de Corrente Alternada
2.2.2.4 UNIDADE DE ENTRADA ANALÓGICA
A interface de entrada analógica, figura 18, contém os circuitos necessários
para receber sinais analógicos de tensão ou corrente dos dispositivos de campo. A
tensão ou a corrente de entrada é convertida para um código digital proporcional ao
valor analógico, através de um conversor analógico digital (A/D). Este código digital
é armazenado na memória imagem do controlador como um registro.
O valor analógico é geralmente expresso como um valor decimal (BCD).
A resolução das entradas analógicas é uma informação importante, pois de
acordo com o número de bits do conversor A/D é que se define a menor parcela que
pode ser lida. Ou seja, uma entrada com um maior número de bits permitirá uma
melhor representação da grandeza analógica.
A taxa de conversão é a freqüência com a qual o sinal analógico é
digitalizado (expresso em Hz ou medidas por segundo). A taxa de conversão
depende do tempo de conversão do sinal (determinado pela eletrônica) do
conversor.
Os conversores A/D normalmente são de 10 ou 12bits
As faixas de valores de tensão e corrente para entradas analógicas mais
utilizadas na indústria são:
� 0 a 20mA;
� 4 a 20mA;
� 0 a 10Vdc.
37
Figura 18 - Diagrama de Blocos da unidade de entrada analógica:
Fonte:
São Paulo. Atos Automação Industrial LTDA. Curso Avançado de Controladores Programáveis. Ref. 5-0013.130 Ref.3-053.220. Manual Técnico: março, 2003.
2.2.2.5 TRANSDUTORES ANALÓGICOS
São todos os tipos de transdutores que necessitam fazer conversão de
curso, peso, pressão, etc. em sinais elétricos para estes sinais serem aproveitados
para realizar medição ou controle. Os mais comuns são os seguintes:
� Transdutor de pressão;
� Amplificadores de tensão para células de carga;
� Transdutor de umidade;
� Régua Potenciométrica;
� Transdutor de Nível;
� Transdutor de Vazão.
2.2.3 UNIDADES DE SAÍDA
38
As unidades de saída fornecem as conexões entre os dispositivos de campo
e a unidade central de processamento. Estas interfaces podem ter um ou mais
canais, fornecendo sinais digitais / analógicos devidamente amplificados para
energizar os elementos de operação e sinalização de atuadores diversos, que se
caracterizam pelo tipo (CA ou CC, N ou P) e pelos diversos níveis de tensão e
potência.
2.2.3.1 UNIDADE DE SAÍDA DIGITAL
As interfaces de saída discretas, figura 19, convertem sinais lógicos usados
no Controlador Programável em sinais capazes de energizar atuadores. O controle
da saída é limitado a dispositivos que somente requerem comutação em dois
estados, tais como ON/OFF (ligado/desligado).
O circuito de saída é composto por duas seções principais: saídas e
interface, sendo que essas são normalmente desacopladas eletricamente por um
circuito isolador. Durante uma operação normal, o processador envia para o circuito
lógico o estado da saída de acordo com a lógica programada.
Normalmente estas saídas são sinalizadas por led's.
Figura 19 - Diagrama de Blocos de uma unidade de saída digital:
2.3.3.2 Atuadores Digitais
Entre os diversos tipos de atuadores, podemos citar:
� Contatores;
39
� Solenóides;
� Relés;
� Lâmpadas;
� Sirenes.
2.2.3.3 Unidade De Saída Analógica
Os módulos ou interfaces de saída analógica, figura 20, convertem valores
numéricos, em sinais de saída em tensão ou corrente. No caso de tensão
normalmente 0 a 10 VCC ou 0 a 5 VCC, e no caso de corrente de 0 a 20 mA ou 4 a
20 mA.
Figura 20 - Diagrama de blocos de uma unidade de saída analógica
2.2.3.4 Atuadores Analógicos
Entre os diversos tipos de atuadores analógicos, podemos citar:
� Válvulas proporcionais;
� Motores C.C.;
� Servo - Motores C.C;
� Inversores de freqüência;
� Posicionadores rotativos;
� Etc.
40
2.2.4 UNIDADE DE PROCESSAMENTO CENTRAL
A unidade de processamento central - UCP é a responsável pelo
gerenciamento e processamento das informações do sistema e, é composta pelo
microprocessador ou microcontrolador, memória de programa básico, memória de
dados, memória de programa de usuário, interface de programação e interface
homem-máquina.
O módulo de processamento monitora os sinais de entrada do CLP e os
combina de acordo com as instruções existentes na memória de programa de
usuário. Executando operações lógicas, de temporização, contagem e
seqüenciamento para em seguida liberar os sinais apropriados para as saídas e
assim comandar os dispositivos de controle.
2.2.4.1 Memória Básica Ou Firmware
A memória básica contém um conjunto de programas armazenados
permanentemente, com o objetivo de controlar e supervisionar as atividades do
sistema. Tais como: comunicação com os dispositivos externos, execução do ciclo
de varredura, diagnósticos e outras atividades. Esta memória é usualmente
chamada de firmware, para expressar o conjunto de software e hardware necessário
para o funcionamento do Controlador Programável.
Esta memória é programada pelo fabricante, ou seja, é uma memória que
não pode ser alterada pelo usuário. As memórias básicas são memórias não voláteis
do tipo ROM, EPROM ou FLASH-EPROM.
2.2.4.2 Memória de dados
Nesta memória são armazenados todos os dados de controle do sistema,
tais como: estados das entradas e saídas, valores de preset de contadores e
temporizadores, etc.
41
É uma tabela de valores manipuláveis. As memórias de dados podem ser
memórias voláteis ou não voláteis, sendo respectivamente do tipo, RAM ou NVRAM.
2.2.4.3 Memória de usuário
É a memória destinada ao armazenamento das instruções de programação,
ou seja, o programa de usuário.
As memórias de usuário podem ser memórias voláteis ou não voláteis,
sendo respectivamente do tipo, RAM; NVRAM ou FLASH-EPROM.
2.2.4.4 Watchdog Timer
Alguns tipos de controladores programáveis possuem internamente à
unidade de processamento, um circuito "WATCHDOG TIMER".
Este circuito consiste de um temporizador com uma base de tempo fornecida
pelo microprocessador, cujo propósito é monitorar o tempo de execução da
varredura. Caso exceda este tempo, o "WATCHDOG TIMER" irá detectar esta
condição, providenciando então o desligamento das saídas do sistema para evitar
operações indesejadas e a reinicialização CPU.
2.2.4.5 Interface de Programação
Esta interface permite a programação da memória de usuário através do uso
de software específico para desenvolvimento do programa de usuário, sendo
executado em um microcomputador compatível com o padrão IBM-PC (na versão
desktop ou laptop, para programação em campo), permitindo a edição, monitoração
e documentação dos programas. Além disso, o terminal de programação permite,
muitas vezes, monitorar o programa aplicativo, ou seja, visualizar em tempo real o
programa sendo executado.
42
2.2.4.6 Interface Homem Máquina
Esta interface permite a interação do usuário com a máquina ou processo,
possibilitando a visualização ou alteração das variáveis desses sistemas.
As formas mais usuais de encontrarmos esses dispositivos são: Frontais de
teclado e display de cristal líquido (LCD) ou vácuo fluorescente (VFD).
2.3 PRICÍNPIOS DE FUNCIONAMENTO DO CLP
Quando energizamos o controlador programável as seguintes operações são
executadas:
� Teste de escrita/leitura da memória RAM;
� Limpeza das memórias imagens de entrada e saída;
� Testes de execução do programa de usuário;
� Execução de rotinas de inicialização (limpeza de registros auxiliares de
trabalho, limpeza de display, preparação de teclado).
Após estas "Condições de Inicialização" a UCP (unidade central de
processamento) passa a fazer uma varredura constante, ou seja, rotinas repetitivas
em um "loop" fechado. Essa seqüência de atividades definidas e controladas pelo
programa ocorre em um ciclo, chamado de Varredura ou Scan, conforme etapas a
seguir:
� A primeira etapa da varredura é verificar os dados das entradas,
transferindo-os para uma memória imagem.
� Memória imagem é um espelho do estado das entradas e saídas, esta
memória será consultada pelo CLP no decorrer do processamento do programa de
usuário. Ela recebe em cada endereço correspondente a uma entrada o seu estado
ligado/desligado no caso de entradas digitais, ou um valor numérico no caso de
entradas analógicas.
� Uma vez gravados os dados das entradas na respectiva memória
imagem, inicia-se a execução do programa de acordo com as instruções definidas
pelo usuário. Durante o processamento do programa, o CLP armazena os dados na
memória imagem das saídas.
43
� Por fim o CLP transfere esses dados para as saídas físicas, desta
forma o ciclo termina e a varredura é reiniciada.
A figura 21 ilustra o processamento cíclico:
Figura 21 – Varredura ou Scan
O tempo necessário para executar uma varredura varia de controlador para
controlador e depende de muitos fatores como: tamanho do programa, instruções
programadas, etc. O tempo de varredura é uma consideração importante na seleção
do controlador. Este indica a rapidez com que o controlador pode reagir às entradas
de campo e resolver a lógica de controle. Este ciclo que tem seu período variável é
mostrado na figura 22.
Figura 22 - Ciclo de Processamento do CLP
44
2.3.1 CARACTERÍSTICAS DO CLP
Algumas das principais características de um controlador programável são:
� Programabilidade;
� Alta confiabilidade;
� Imunidade a ruídos;
� Isolação óptica de entradas e saídas;
� Detecção de falhas;
� Modularidade;
� Start-up rápido;
� Operação em condições ambientais severas.
2.3.2 APLICAÇÕES DO CLP
Entre os inúmeros tipos de indústrias que hoje aplicam Controladores
Programáveis, podemos destacar:
� Automotiva;
� Transformadora de Plástico;
� Cerâmica;
� Petroquímica;
� Embalagem;
� Bebidas;
� Papel e Celulose, etc.
45
3 MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
Todo motor elétrico converte energia elétrica em energia mecânica. O
processo dekis, conversão de energia dos motores de indução baseia-se na lei de
indução de Faraday e na lei de Lenz, daí derivando seu nome. Um motor de indução
é um motor elétrico que funciona somente em corrente alternada - assim como os
transformadores - o que ficará claro quando se estudar o seu princípio de
funcionamento.
O motor de indução é o tipo de motor elétrico mais utilizado. Sendo
largamente utilizado em instalações industriais devido à sua simplicidade, robustez,
durabilidade e pequena necessidade de manutenção. Normalmente, cerca de 60 %
da carga de uma instalação industrial é constituída por motores de indução,
enquanto que, considerando a carga total em regiões industrializadas, os motores de
indução são responsáveis por cerca de 40 % dessa carga. Por essa razão, os
motores de indução são também chamados motores industriais.
3.1 DEFINIÇÃO DE MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
O motor de indução trifásico é máquina elétrica de corrente alternada mais
utilizada no acionamento de cargas mecânicas. Devido as suas qualidades, robustez
e simplicidade de manutenção, o mesmo tem substituído os motores elétricos de
coletor de laminas nas suas aplicações típicas e devido a um aumento do
conhecimento do seu principio de funcionamento foi possível desenvolver novas
estratégias de controle que permitem uma boa adaptação das suas características
de funcionamento as necessidades da carga mecânica acionada.
A grande vantagem do motor de indução trifásico é a sua capacidade de
operar sem necessidade de contato com os enrolamentos do rotor. Isso reduz
significativamente os custos e a manutenção.
46
A alimentação do motor de indução trifásico (MIT) é em corrente alternada.
Normalmente a alimentação é feita pelo estator. Os enrolamentos do rotor podem
ser de dois tipos: “bobinado” ou “gaiola de esquilo”. O rotor bobinado, menos usado,
tem bobinas trifásicas no rotor e anéis coletores no eixo de forma a permitir o acesso
às correntes induzidas nos enrolamentos do rotor. O rotor tipo gaiola de esquilo é
composto de barramentos condutores alojados em ranhuras do rotor e curto
circuitados. Este tipo de enrolamento permite a construção de equipamentos
bastante robustos. É a forma mais comum dos MIT.
A velocidade de operação do MIT é aproximadamente constante e sempre
menor que a velocidade síncrona, por esta razão este motor é também chamado
motor assíncrono.
3.2 FUNCIONAMENTO DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
Uma questão fundamental em todo tipo de motor elétrico é entender como
se produz o movimento rotatório de um eixo (energia mecânica) a partir de corrente
elétrica (energia elétrica). Em palavras mais técnicas, como se produz um torque
eletromecânico no rotor.
Como se sabe, torque (ou conjugado) é definido pelo produto de uma força
por uma distância, sendo medido em Newton-metro (N.m) no sistema SI. Em um
motor de indução, a criação do torque no rotor baseia-se na lei de indução de
Faraday e na lei de Lenz. O princípio de funcionamento de um motor de indução
pode ser entendido com a ajuda da figura 23, onde tem-se um imã permanente em
formato de ferradura que está suspenso, através de um fio, sobre um leve disco
metálico que pode girar facilmente em torno de seu eixo, graças a uma suspensão
cônica apoiada em uma base fixa.
,
Figura 23 – Princípio de Funcionamento do Motor de Indução Trifásico
47
Imagine que o ímã permanente começa a girar em torno de seu eixo, por
exemplo, torcendo-se o fio, enquanto o disco está parado. O fluxo magnético NS
produzido pelo imã começa a varrer a superfície do disco, caracterizando um fluxo
variável ao longo do tempo. Essa variação produz a indução de uma tensão no
disco, pela lei de Faraday, e conseqüentemente a circulação de correntes, pois o
disco é metálico. Essas correntes induzidas têm sentido de circulação determinados
pela lei de Lenz (o fluxo criado por elas deve se opor à variação do fluxo), de tal
modo que criam no disco polaridades magnéticas opostas aos pólos do imã
permanente. Sob o pólo norte do imã cria-se um pólo sul no disco, que se atraem.
No outro pólo acontece a mesma coisa. Em conseqüência, o disco gira no mesmo
sentido do movimento do imã. Se o sentido de rotação do imã permanente for
invertido, também inverte-se o sentido de giro do disco.
A figura 23 descreve o seu princípio de funcionamento. Sendo que em um
motor de indução real, o imã permanente girando é substituído por um campo
girante criado por três bobinas fixas no estator, nas quais circulam correntes
alternadas defasadas de 120 graus. Já o disco metálico é substituído por um rotor
cilíndrico na forma de uma gaiola metálica, como mostrado na figura 24. Note que a
gaiola possui aros metálicos na tampa e na base, de tal modo a curto-circuitar as
varetas e permitir a circulação de correntes por elas.
Figura 24 – Rotor Cilíndrico em forma de Gaiola Metálica
3.3 UTILIZAÇÃO EFICIENTE DO MIT
O conhecimento do funcionamento do motor de indução é o ponto de partida
que visa resumir um conjunto de medidas para a ser tomado para o seu uso
48
econômico. Suas características mais importantes são: potência, escorregamento,
conjugado, rendimento e o fator de potência.
Exibimos a seguir algumas dicas para utilização eficiente do Motor de
Indução Trifásico.
1 - Dimensionamento adequado carga - motor: Evitar
superdimensionamento, pois o rendimento do motor fica muito reduzido abaixo de
50% da carga nominal. O uso de motores superdimensionados pode ocasionar
perdas de mais de 30%.
2 - Motores de alto rendimento - Apresentam rendimento superior ao
motores padrão. Materiais de melhor qualidade, projetos mais precisos
proporcionam a diferença. Seu uso somente e recomendado em caso de motores de
uso contínuos, pois em contrário o retorno do investimento terá prazo muito longo.
3 - Motor reformado - A reforma de motores, por via de regra, reduz o
rendimento do motor. Dificilmente os dados de placa permanecem inalterados.
Ao longo do tempo de uso e energia gasta a mais paga o custo de um motor novo,
que além de mais economia poderá proporcionar melhor desempenho.
4 - O acionamento eletrônico - É uma opção de economia de energia em
sistemas de bombeamento, ventiladores e compressores, ocasionando controle
continuo de fluxos. As perdas elevadas causadas por válvulas ou palhetas são
eliminadas.
5 - Manutenção regular - As perdas mecânicas podem ser reduzidas,
impedindo a queda do rendimento, além de dificultar as paradas não programas
para manutenção. A verificação dos sistemas de transmissão verificando desgastes
e folgas em correias, por exemplo, impede a perdas na transmissão.
6 - Especificação do motor - a especificação do motor adequado ao
acionamento e as condições ambientais onde o motor será instalado também é fator
de economia pela maior vida útil do moto.
7 - Evitar o uso de motores sobrecarregados - Possibilita dupla economia.
Os motores com excesso de carga têm sua vida útil reduzida pelo aquecimento das
bobinas. Também apresenta queda no rendimento e fator de potência, maior
consumo.
49
3.4 - MOTORES DE INDUÇÃO COM ROTOR BOBINADO E GAIOLA DE ESQUILO
Em um motor de indução trifásico real, o fluxo girante é produzido por três
enrolamentos iguais fixados em um núcleo de material ferromagnético (estator) e
alimentados por tensões de uma rede trifásica. Como a freqüência da rede é
constante (60 Hz), então a velocidade de rotação do fluxo (ou campo) girante
também é constante. Esse fluxo girante ao ir atravessando as varetas do rotor tipo
gaiola vai induzindo aí correntes que, por sua vez, devem criar fluxos (como se
fossem eletroímãs de polaridade oposta ao fluxo girante) que tendem a se opor ao
movimento do fluxo girante (lei de Lenz). Em conseqüência, o rotor gaiola gira no
mesmo sentido do fluxo girante, tentando alcançá-lo para reduzir a intensidade da
indução, que como se sabe é proporcional à variação do fluxo (lei de Faraday).
Dessa maneira, estabelece-se o torque que faz o rotor gaiola girar.
A figura 25 mostra um motor de indução trifásico cuja carcaça externa foi
recortada revelando seu interior. Note as bobinas do estator em corte e o núcleo
ferromagnético na qual ficam enroladas (em amarelo). Em primeiro plano estão os
terminais de ligação da alimentação. Observe que as varetas condutoras do rotor
tipo gaiola são de fato incrustadas em um núcleo de material ferromagnético usado
para potencializar o fluxo magnético, formando um conjunto integrado. Por sua
construção, percebe-se claramente porque um motor de indução é um equipamento
robusto e de baixa manutenção.
Figura 25 – Motor de Indução Trifásico
50
Nem todo motor de indução possui rotor do tipo gaiola. Existem motores cujo
rotor é constituído por um enrolamento tradicional com várias espiras, sendo
chamado rotor tipo bobinado. Nesse caso, o enrolamento do rotor deve ser curto-
circuitado para permitir a circulação das correntes induzidas. Esse tipo de rotor
viabiliza algumas técnicas de limitação da corrente de partido do motor, mas é bem
menos utilizado que os rotores tipo gaiola.
3.4.1 MOTOR EM GAIOLA DE ESQUILO
O motor com rotor em gaiola de esquilo (squirrel cage), figura 26, é o mais
comum e mais robusto dos motores de indução para potências até 500 HP (373
kW).
A ausência de contato elétrico entre o rotor e o exterior torna este motor
bastante econômico e de baixa manutenção. A maior desvantagem é a dificuldade
do controle de velocidade sem uso de dispositivos eletrônicos (inversores).
A gaiola é um conjunto de barras curto-circuitadas por anéis. Não há contato
elétrico com o exterior. Pode ser construída em alumínio, cobre ou liga de cobre. O
núcleo do rotor é formados por lâminas de aço silício.
Figura 26 – Rotor em Gaiola de Esquilo
Fonte:www.windpower.org
A figura 27 ilustra o motor gaiola de esquilo em corte:
51
Figura 27 – Corte do Motor Gaiola de Esquilo
Fonte: The University of Western Australia
3.5 GAIOLA DE ALUMÍNIO
A gaiola em alumínio injetado, figura 28, é usada desde a década de 1930,
tendo atingido grande desenvolvimento na década de 1960, com a linha de motores
Custom 8000, da GE, e é usada em motores de aplicação geral entre 1 e 250 HP.
O alumínio se funde a 650°C. Quando se solidifica, comprime o pacote de
lâminas. As barras são soldadas aos anéis usando-se solda MIG (Metal Inert Gas).
Figura 28 – Gaiola em Alumínio Injetado
Fonte: www.copper.org
A figura 29 ilustra o motor gaiola de alumínio em corte:
52
Figura 29 – Corte do Motor Gaiola de Alumínio
3.5.1 Vantagens da Gaiola de Alumínio
Segundo a GE, a gaiola de alumínio apresenta as seguintes vantagens:
� A tensão das barras mantém a compressão do pacote de lâminas.
� O movimento da gaiola é eliminado.
� As barras podem ser dimensionadas livremente.
� O peso e a inércia do rotor são reduzidos.
� A resistência elétrica do rotor é maior, mas o custo é menor do que o
de rotores de cobre.
3.5.2 Velocidade do rotor
Em qualquer motor de indução, a velocidade do rotor (que é a mesma do
eixo) é sempre menor que a velocidade síncrona (do campo girante). Se, por
hipótese, o rotor conseguisse alcançar a velocidade síncrona, então o campo girante
e o rotor gaiola estariam efetivamente parados (um em relação ao outro), não
haveria variação relativa de fluxo e portanto indução.
53
Em regime permanente, a velocidade do rotor depende da diferença relativa
das freqüências da tensão de alimentação e da tensão induzida no rotor.
3.6 CONTROLE DE VELOCIDADE DOS MOTORES DE INDUÇÃO
Em algumas aplicações de motores de indução é necessário controlar a
velocidade de acionamento da carga, por exemplo, em uma esteira transportadora
ou mesmo em veículos de transporte. Um modo freqüentemente usado para variar
de maneira controlada a velocidade de motores de indução é através da variação da
freqüência da tensão de alimentação. Sabe-se que a velocidade do campo girante é
diretamente proporcional ao valor da freqüência e que a velocidade do motor
depende da velocidade do campo girante.
A variação da freqüência, figura 30, é obtida através de um conversor de
freqüência (também chamado inversor de freqüência) que deve ser instalado entre a
fonte de tensão e o motor a ser controlado, conforme ilustra a figura abaixo:
Figura 30 – Variação de Frequência
Os principais componentes de um inversor de freqüência típico são dados na
figura 31:
54
Figura 31 – Principais Componentes do Inversor
O bloco retificador converte a tensão trifásica alternada em 60 Hz em tensão
contínua, enquanto que o bloco inversor re-converte a tensão contínua em tensão
trifásica alternada cuja freqüência é determinada pelo usuário de acordo com a
velocidade desejada, sendo que quanto maior a freqüência, maior a velocidade do
motor. Um inversor de freqüência também serve para controlar a corrente de partida
permitindo variar a magnitude da tensão aplicada ao motor.
3.7 CONTROLE CONTÍNUO DE VELOCIDADE
Conversores de Freqüência: Para os motores de indução trifásicos
mantendo-se constante a relação V/F, o fluxo do campo girante se mantém
constante, e o conjugado do motor também será constante. Isto é conseguido
variando-se simultaneamente e na mesma proporção, a tensão e a freqüência da
tensão de alimentação do motor.
Basicamente o acionamento eletrônico é composto por chaves eletrônicas e
um circuito e controle. As chaves eletrônicas podem ser Tiristores, GTO, Transistor
Bipolar ou Transistores de Efeito de Campo (FET). O mais importante do ponto de
vista da eficiência energética, é que com o controle eletrônico as perdas são
minimizadas.
55
4 CONTROLE DE EIXOS
No projeto utilizamos alguns equipamentos para a apresentação prática que
são os seguintes:
� Inversor de Freqüência da Allen Bradley modelo Power Flex 40;
� CLP da Atos Modelo MPC4004;
� Motor de Indução Trifásico Weg;
� Fonte de Alimentação 24Vcc;
� Disjuntores, relés, etc.
4.1 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
Para a realização prática do projeto será dada uma introdução, a descrição
do desenvolvimento do projeto, que serão amplamente detalhados nos tópicos
seguintes.
4.1.1 INTRODUÇÃO AO CONTROLE DE EIXOS DE MÁQUINAS INDUSTRIAIS
O Controle de eixo de máquinas industriais é de suma importância para o
bom desempenho de processos; sendo assim torna-se necessário que se
desenvolva várias lógicas de controle utilizando um (ou mais) CLP para executar
diversas funções de controle no Inversor de Freqüência de forma a controlar o Motor
de Indução, tais como: Controle Vetorial, Controle Escalar, Controle de Torque,
56
Controle de Posicionamento, Controle de Velocidade, Controle com Reversão
Automática, Tipos de Frenagens, etc.
4.1.2 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
No projeto, figura 32, o motor de indução trifásico será acionado e controlado
diretamente pelo inversor de freqüência alimentado por uma tensão de 220V
trifásico; enquanto que o inversor será comandado diretamente pelas saídas digitais
do CLP e em algumas demonstrações diretamente pelas suas teclas de controle
frontais. No eixo do motor será acoplada uma polia para que o público possa ver a
rotação e os movimentos do motor.
A programação do Inversor de freqüência será realizada de forma direta
pelas suas teclas e display frontal através de parâmetros de controle. Já a
programação do CLP será feita através do software de programação WinSup 2 da
Empresa Atos, que utiliza a linguagem de programação Ladder.
Figura 32 – Controle de Eixos de Máquinas Industriais Utilizando CLP e Inversor de Freqüência
4.1.3 CONCLUSÕES APÓS APRESENTAÇÃO
57
Com a apresentação do TCC o público terá noções de: funcionamento do
CLP e suas devidas aplicações, funcionamento do Inversor de Freqüência e suas
devidas aplicações, noções de controle de velocidade, torque e posicionamento de
máquinas industriais.
4.2 INVERSOR DE FREQÜÊNCIA POWER FLEX 40
Como fornece aos usuários um controle potente de velocidade do motor em
um projeto compacto com economia de espaço, o inversor PowerFlex 40 CA Allen-
Bradley® é o menor e mais acessível inversor da família PowerFlex®. Ideais para
controle de velocidade no nível de máquina, estes produtos oferecem versatilidade
de aplicação para atender as demandas dos OEMs globais e dos usuários que
precisam de flexibilidade, economia de espaço e facilidade de uso.
O inversor PowerFlex 40 CA, figura 33, compartilha todos os recursos e
funcionalidades do inversor PowerFlex 4 CA. Além disso, o inversor PowerFlex 40
CA oferece um controle vetorial sensorless e tem capacidade de E/S adicional.
Projetado para oferecer versatilidade de aplicação e desempenho robusto, o inversor
PowerFlex 40 CA também apresenta:
� Saída analógica de 0 – 10 V ou 4 – 20 mA (10 bits) para realimentação
ou como referência para outros inversores;
� As funcionalidades de temporizador, contador e StepLogic™ podem
reduzir os custos de projeto e simplificar os esquemas de controle;
� Os dois canais de entrada analógica, incluindo a capacidade PID,
oferece uma maior flexibilidade de aplicação;
� Cartões opcionais de comunicação integrada como DeviceNet™,
EtherNet/IP™, PROFIBUS™ DP e ControlNet™ podem melhorar o desempenho da
máquina.
Figura 33 – Inversor de Freqüência Power Flex 40 CA.
58
4.2.1 PACOTE FLEXÍVEL E OPÇÕES DE MONTAGEM
As principais considerações são:
� A instalação pode ser um simples encaixe usando o recurso de
montagem em trilho DIN nos inversores de carcaças A e B;
� Os inversores montados em flange estão disponíveis para reduzir o
tamanho geral do gabinete;
� Zero Stacking™ é recomendado para temperatura ambiente de até 40
°C, com ganho valioso de espaço no painel. A temperatura ambiente de 50 °C é
permitida com um espaçamento bastante reduzido entre os inversores.
4.2.2 PARTIDA E OPERAÇÃO SIMPLES
As principais características de partida e operação simples são:
� O teclado integrado apresenta um visor de 4 dígitos e 10 LEDs
indicadores adicionais que fornecem controle intuitivo;
� O teclado, as teclas de controle e o potenciômetro local já estão ativos
e prontos para usar, simplificando a partida;
� Os 10 parâmetros de programação mais utilizados estão agrupados
para facilitar e agilizar a partida.
4.2.3 SOLUÇÕES VERSÁTEIS DE PROGRAMAÇÃO E DE REDE
As principais características da programação e rede são:
� A comunicação RS485 integrada permite que os inversores sejam
usados em uma configuração de rede multiponto. Um módulo conversor serial
oferece conectividade com qualquer controlador com capacidade para iniciar o envio
de mensagem DF1;
� Os softwares DriveExplorer™ e DriveTools™ SP podem ser usados
para programação, monitoração e controle dos inversores;
59
� Um teclado com LCD portátil NEMA 4X remoto e NEMA 1 oferecem
flexibilidade adicional de programação e de controle, ambos com a consagrada
função CopyCat, que é uma função que serve para salvar os parâmetros e
configurações do inversor em sua IHM (Interface Homem Máquina) removível e
descarregar em outro inversor com as mesmas característica.
4.2.4 TABELA DE PARÂMETROS PARA CONTROLE DE EIXOS
A tabela 1 relaciona os principais parâmetros programados no Inversor
Power Flex 40 para o controle de eixos.
N° DO PARÂMETERO NOME DO
PARÂMETRO
VALOR
DEFINIDO
P031 TENSÃO NOMINAL DO MOTOR 220 V
P032 FREQUENIA NOMINAL DO MOTOR 60 HZ
P033 CORRENTE NOMINAL DO MOTOR 2,0 A
P036 TIPO DE PARADA POR RAMPA
A125 TIPO DE CONTROLE VETORIAL
Tabela 1 – Configuração de parâmetros para controle de eixos
4.3 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL ATOS - MPC4004
MPC4004, figura 34, é uma família de controladores programáveis com
estrutura modular, que permite através de seus diversos módulos, fonte de
alimentação, módulos de processamento, módulos de entradas e saídas (digitais e
analógicas), entre outros, compor um produto sob medida para aplicações diversas.
Com apenas dois módulos (fonte de alimentação e CPU com 8 entradas e 8
saídas digitais integradas), uma pequena aplicação pode ser atendida, contando
ainda com todo o conjunto de instruções e recursos de programação online de uma
composição de maior porte.
60
Encabeçadas pela série MPC4004BF, que utiliza em nível de hardware o
que há de mais moderno em processador RISC de 32 bits de 400 MHz, periferia
com SDRAM de 16 Mbytes, memória FLASH de 2 Mbytes e 256 kbytes de memória
RAM CMOS com backup de bateria, tempo de varredura reduzido a apenas 0,4 ms /
k instrução e linguagem “Ladder” padronizada pela norma IEC61131-3 e
complementadas pelas séries MPC4004R e MPC4004T estes CLP’s possibilitam
atingir até 496 entradas e saídas digitais ou 120 entradas / saídas analógicas com o
uso de até 15 módulos de expansão de entradas e saídas digitais ou analógicas
além da fonte de alimentação e da unidade de processamento.
Diversos módulos digitais (CA, CC ou relés, inclusive com característica de
troca a quente) e analógicos (tensão, corrente), módulos de comunicação, Ethernet
(Modbus/TCP), Profibus DP e DeviceNet, módulos dedicados para medição de
parâmetros elétricos, conversão de padrão de comunicação (RS232 / RS485 /
Ethernet), tornam a família MPC4004 uma forte opção para controle e/ou supervisão
no imenso universo da automação.
Figura 34 – Controlador lógico Programável Atos - MPC4004
4.3.1 A1 / WINSUP – FERRAMENTAS DE PROGRAMAÇÃO
As ferramentas de programação WinSUP fazem de seu microcomputador
pessoal um poderoso ambiente de desenvolvimento de “Ladder”, telas da IHM,
monitoramento de “Ladder” variáveis do sistema, “download” e “upload” de arquivos
de usuários. Possuem interface baseada em ambiente Windows™ que proporciona
61
ao programador as condições necessárias para a criação, documentação e
manutenção de suas aplicações de controle.
O editor “Ladder” possui uma interface clara e amigável com o usuário.
Várias linhas podem ser visualizadas de uma vez e as cores do ambiente de
trabalho são facilmente configuráveis, gerando uma identificação visual rápida dos
elementos do programa. As ferramentas tratam cada uma das rotinas em janelas
diferentes e contam com um gerenciador de projetos que oferece uma visão rápida e
organizada de toda a aplicação, facilitando a edição e configuração de todos os itens
envolvidos no projeto, através de uma árvore hierárquica de opções.
Os recursos de supervisão existentes nas ferramentas WinSUP permitem
visualizar e analisar o funcionamento do programa usuário no CLP. Através da
supervisão de linhas, os estados internos e o conteúdo dos registros são exibidos no
próprio programa “Ladder”. Pela supervisão de operandos é possível saber o
conteúdo/status de qualquer registro ou estado interno do CLP conectado a
ferramenta. Em uma única janela de supervisão o usuário poderá agrupar registros
e estados internos associados a determinada lógica a ser analisada, que na
supervisão de linhas estariam separados. As ferramentas também possuem diversas
opções de conexão com o CLP, que vão desde o canal serial até a conexão via
modem (onde as ferramentas WinSUP detectam os modems instalados no
microcomputador e listam na janela de configuração de conexão) e conexão via
TCP/IP, que permite realizar a transferência e supervisão da aplicação via rede
Ethernet.
A figura 35 ilustra a área de trabalho do WinSUP na plataforma Windows.
62
Figura 35 – Área de trabalho do WinSUP
63
CONCLUSÃO:
Portanto, podemos concluir que a utilização de Inversor de Freqüência, CLP
e Motor de Indução tem crescido rapidamente, pois estes equipamentos estão se
tornando cada vez mais práticos e econômicos. Por este motivo abordamos que
controlar velocidade, posicionamento e torque com tais equipamentos pode ser uma
solução eficiente e econômica para a máquina ou processo industrial que exige
confiabilidade.
O uso do inversor de freqüência para estes fins se torna fácil devido sua fácil
parametrização, facilidade de instalação e muitas opções na hora da compra,
comparando com outros métodos de controle que são mais complexos e que exige
um alto investimento.
Atualmente a maioria dos inversores de freqüência já possuem a opção de
controle vetorial (abordado no capítulo I), que é um forma de controlar eixos com
elevado torque independente da rotação. Este tipo de controle é muito utilizado em
aplicações que exigem elevado torque, mesmo funcionando com baixas rotações.
Em conjunto com o inversor de freqüência, também podemos utilizar o CLP
(abordado no capítulo II) onde sua função no controle de eixos é armazenar
internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como: lógica,
seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando o inversor de
freqüência por meio dos módulos de saída. A vantagem do uso do CLP para estes
fins é pela possibilidade de ser facilmente programado e alterado quando
necessário. Através do software de programação o usuário pode criar seqüências
lógicas de acordo com a necessidade do processo.
Já o Motor de Indução Trifásico (abordado no capítulo III) é diretamente
controlado pelo inversor de freqüência, onde o usuário define através de parâmetros
as seguintes variáveis: velocidade, tensão, corrente, torque, aceleração,
desaceleração, etc.
64
Os motores elétricos são responsáveis por até 50% do consumo de energia
elétrica industrial, por isso abordamos o seu acionamento por um inversor de
freqüência, que de forma consciente pode gerar uma economia de energia do
sistema, eliminando os picos de partida e rotações desnecessárias.
65
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANTONELLI, Pedro Luís. Introdução aos Controladores Lógicos Programáveis (CLPs). Rio de Janeiro, outubro de 1998. Disponível em <http://www.ejm.com.br/Downloads/Introducao%20CLP.pdf>. Acesso em 10 de julho de 2009.
GUEDES, Manuel Vaz. O Motor de Indução Trifásico – seleção e aplicação. FEUP, 1994.
LANDER, Cyril W. Eletrônica industrial: teoria e aplicações. 2. ed. São Paulo: Makron Books, c1997.
MOHAN, Ned; UNDELAND, Tore M; ROBBINS, William P. Power Electronics – Converters, Applications and Design. Canadá: 1989.
PENELLO, Luiz Fernando. Filtro Ativo de Potência "Shunt".Tese de Mestrado, Universidade Federal do Rio de Janeiro COPPE: 1992.
RASCHID, Muhammad Harunur. Eletrônica de Potência – Circuitos dispositivos e aplicações. São Paulo: Mc Graw-Hill do Brasil, 1999.
São Paulo. Atos Automação Industrial LTDA. Curso Avançado de Controladores Programáveis. Ref. 5-0013.130 Ref.3-053.220. Manual Técnico: março, 2003.
São Paulo. Atos Automação Industrial LTDA. Curso Intermediário de Controladores Programáveis. Ref. 5-0082.100. Manual Técnico: fevereiro, 2006.
66
São Paulo. Atos Automação Industrial LTDA. Controlador Programável MPC4004 (WinSUP 2). Manual Rev. 2.20 Maio, 2006.
São Paulo. Atos Automação Industrial LTDA. Software de programação WinSUP (Básico). Manual Rev. 1.20 Ref.5-026.120. Agosto, 2007.
WIKIPÉDIA, a enciclopédia livre. Controlador Lógico Programável. Disponível em <http://pt.wikipedia.org/wiki/Controlador_l%C3%B3gico_program%C3%A1vel>Acesso em 10 de julho de 2009.
WIKIPÉDIA, a enciclopédia livre Conversor de Freqüência. Disponível em http://pt.wikipedia.org/wiki/Conversor_de_frequ%C3%AAncia.
WIKIPÉDIA, a enciclopédia livre. Motor de Indução. Disponível em.<http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_indu%C3%A7%C3%A3o>. Acesso em 10 de julho de 2009.
