Engenharia Mecânica Automação e Sistemas ALIMENTADOR AUTOMÁTICO PARA ENCARTUCHADORA DE PRODUTOS FARMACÊUTICOS. Vinícius Campos Baldon

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1 Engenharia Mecânica Automação e Sistemas ALIMENTADOR AUTOMÁTICO PARA ENCARTUCHADORA DE PRODUTOS FARMACÊUTICOS Vinícius Campos Baldon Itatiba São Paulo Brasil Dezembro de 2009

2 ii Engenharia Mecânica Automação e Sistemas ALIMENTADOR AUTOMÁTICO PARA ENCARTUCHADORA DE PRODUTOS FARMACÊUTICOS Vinícius Campos Baldon Monografia apresentada à disciplina Trabalho de Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia Mecânica Automação e Sistemas da Universidade São Francisco, sob a orientação do Professor Ms. Paulo E. Silveira, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação. Orientador: Prof. Ms. Paulo E. Silveira Itatiba São Paulo Brasil Dezembro de 2009

3 iii Alimentador Automático para Encartuchadora de Produtos Farmacêuticos Vinícius Campos Baldon Monografia defendida e aprovada em 09 de dezembro de 2009 pela Banca Examinadora assim constituída: Prof. Ms. Paulo Eduardo Silveira (Orientador) USF Universidade São Francisco Itatiba SP. Prof. Dr. Fernando César Gentile USF Universidade São Francisco Itatiba SP. Engº. Michel de Almeida Lopes (Membro Externo)

4 Para Ariana e William. iv

5 v Agradecimentos Agradeço primeiramente ao Criador pela oportunidade de participar de tudo isso e por ter superado as inúmeras dificuldades para chegar até aqui. Agradeço ao Professor Paulo Silveira, meu orientador, pela confiança depositada, pelo incentivo e orientações que possibilitaram este trabalho. Agradeço ao Professor Eduardo Balster Martins pelas orientações dadas para a elaboração deste trabalho. Agradeço à minha família pelo apoio e compreensão nos momentos em que precisei abrir mão da convivência face aos numerosos compromissos. Agradeço especialmente ao meu filho William, que acompanhou todo o meu trabalho, pelos vários momentos em solicitou minha companhia e que, ante minha escusa, apenas me retribuía com seu sorriso amável e compreensivo. Agradeço também às pessoas especiais listadas abaixo, em ordem alfabética, pois todas foram importantes em algum momento de minha vida pessoal ou profissional e, de alguma forma, contribuíram para que eu chegasse até aqui: Carlos Alberto Ferreira Machado Dª. Jandira João Paulo Galiego Bôscolo Luiz Antonio da Rocha Maria Aparecida de Oliveira Campos Maria Lúcia Campos Baldon Paulo Catini Agradeço fraternalmente a todos.

6 vi Sumário 1 Introdução Objetivo Justificativa Revisão Bibliográfica Descrição do processo de Embalagem em Cartuchos de Papel Controladores Lógicos Programáveis (PLC s) Princípio de funcionamento e arquitetura de um PLC Programa executivo e linguagens de programação Motores Elétricos Motores de passo Sensores Visão geral: Tipos de Sensores: Inversores de Frequência Princípio de funcionamento: METODOLOGIA E DESENVOLVIMENTO Abordagem do problema Concepção da máquina Coleta de dados para o projeto Estudo dos movimentos Especificação dos componentes mecânicos Silo Esteira elevatória Calha de Lançamento Especificação dos componentes elétricos Inversor de frequência PLC Sensores Motor de passo Componentes Elétricos Gerais Funcionamento do Sistema e Fluxograma Descritivo do funcionamento: Fluxograma do Programa do PLC RESULTADOS Desenhos mecânicos Desenho Tridimensional Diagrama elétrico Programa do PLC Lista de Materiais CONCLUSÃO Contribuições Extensões... 67

7 vii Resumo Esta monografia apresenta o projeto de um alimentador automático para aplicadores de produto farmacêutico. Este alimentador foi projetado para ser acoplado a uma máquina encartuchadora, na qual produtos são embalados junto com aplicadores em caixas de papel. O objetivo deste trabalho foi conceber um equipamento capaz de automatizar o processo de alimentação dos aplicadores que são inseridos manualmente na máquina encartuchadora. Os problemas e as necessidades de melhoria relacionadas ao processo manual foram identificados e os benefícios do alimentador e as soluções propostas foram desenvolvidas, originando um projeto que reuniu conhecimentos da engenharia de automação e cujos resultados foram: o projeto mecânico do alimentador, desenhos mecânicos, especificação de componentes mecânicos e elétricos e o desenvolvimento do software de controle. PALAVRAS-CHAVE: automação, máquinas de embalagem, indústria farmacêutica

8 1 1 INTRODUÇÃO Do artesanato mais rudimentar às primeiras máquinas, dos primeiros teares aos robôs atuais, a humanidade tem percorrido um longo caminho rumo ao aperfeiçoamento contínuo dos processos de manufatura. Com o avanço tecnológico das máquinas e de sua capacidade de produção, manifestou-se cada vez mais a necessidade de alimentá-las com matérias-primas ou produtos semi-acabados de maneira mais eficiente que a alimentação manual. Tempo e mão-de-obra podem ser poupados da tarefa secundária, que é a alimentação, e serem aproveitados na atividade essencial. Quando se aborda o assunto de automação de um processo manual, inevitavelmente se depara com a questão da eliminação do posto de trabalho ocupado por uma pessoa. Sob um olhar mais criterioso é possível ir além desse aspecto e verificar que o objetivo essencial da indústria é a produção em grande escala e que o aumento da produtividade pode promover a criação de novas vagas em atividades mais qualificadas e melhor remuneradas. No cenário atual, se por um lado existem máquinas e até mesmo linhas de produção concebidas para serem completamente automatizadas, por outro lado há também máquinas e equipamentos com projeto generalista, ou seja, fabricadas para uma finalidade geral, mas que podem ser adequadas às condições específicas de um processo. Nesse aspecto se enquadra, por exemplo, uma linha de produção na qual se investiu em equipamentos para atender a uma necessidade atual, mas há ainda a possibilidade da gama de produtos fabricados sofrer alguma alteração por qualquer motivo, por exemplo: aumento de vendas, lançamento de novo produto, mudança no tamanho/volume do produto, inclusão de algum acessório, etc. Tal situação se manifesta frequentemente na indústria. Um equipamento ou processo passa a demandar alimentação automática em razão de alguma alteração e/ou melhoria do processo, não somente tendo em vista o aumento da produtividade, mas também visando a eliminação ou redução do risco ergonômico, doença ocupacional, contato manual com o produto, risco de contaminação, risco de acidente, etc. Isso representa oportunidades e desafios para os profissionais das diversas áreas da engenharia, que aplicam seus conhecimentos não somente na inovação, mas também no aperfeiçoamento das tecnologias existentes.

9 2 Alguns produtos farmacêuticos na forma de cremes e pomadas são embalados em bisnagas. Em alguns casos, tais produtos também são fornecidos com aplicadores (utensílios de plástico semelhantes a seringas). A bisnaga e os aplicadores são acondicionados em uma caixa de papel-cartão denominada cartucho, juntamente com a bula. No caso em estudo, as bisnagas e aplicadores são inseridos automaticamente nos cartuchos por meio de uma máquina encartuchadora horizontal, porém, antes de entrar nos cartuchos, os aplicadores são alimentados manualmente sobre a esteira de entrada da encartuchadora. Essa alimentação manual é um fator limitante para a velocidade da máquina, que fica em torno de 60 unidades por minuto quando é utilizado um funcionário dedicado à alimentação. Para velocidades maiores são necessários dois funcionários dedicados à alimentação, ainda assim a velocidade máxima que se atinge é de 90 unidades por minuto e são freqüentes as falhas de alimentação: produtos são encartuchados sem aplicador e posteriormente rejeitados na balança de verificação de peso, o que significa perdas de processo. Também há risco ergonômico, pois os operários encarregados da alimentação têm que pegar os aplicadores numa caixa ao lado da esteira da máquina e colocá-los rapidamente na esteira realizando um movimento de giro do tronco. Esse movimento repetitivo não é recomendado pelos profissionais de saúde e existe a necessidade de revezamento dos operários da linha nessa função. 1.1 Objetivo O objetivo deste trabalho é projetar um alimentador automático de aplicadores de produto farmacêutico que seja capaz de alimentar a máquina a uma velocidade nominal de 90 unidades por minuto, o que representa um aumento de 50 % sobre a capacidade atual, sem utilizar um operador dedicado para tal função. O mesmo operador da máquina encartuchadora deverá ser aproveitado para abastecer o alimentador com aplicadores sem sobrecarga de trabalho.

10 3 1.2 Justificativa As deficiências do processo de alimentação manual abordadas na introdução deste trabalho evidenciam as necessidades e oportunidades para melhoria. O alimentador automático desenvolvido neste trabalho tem por objetivo proporcionar os seguintes benefícios: Aumento da capacidade produtiva do equipamento, Redução do índice de falhas e melhoria da qualidade, Redução do custo com mão-de-obra, Redução de perdas de material de embalagem, Redução do risco ergonômico e de acidentes de trabalho.

11 4 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo, será apresentada uma descrição do processo de embalagem do produto farmacêutico e também serão abordados os principais elementos necessários à concepção do projeto, bem como suas principais características, aplicações e seu atual estado de desenvolvimento. Para o desenvolvimento do trabalho, procurou-se por soluções que empregassem componentes amplamente utilizados na engenharia mecatrônica, tais como: controlador lógico programável, motores elétricos, motorredutores, motores de passo e sensores, assim como também os componentes mecânicos necessários, como eixos, mancais, rolamentos, correias, esteiras, etc. Finalmente, para operar e controlar todos esses componentes e integrá-los ao funcionamento da máquina, um sistema de comando com uma lógica de controle deve ser projetado e implementado para alcançar os objetivos do projeto. 2.1 Descrição do processo de Embalagem em Cartuchos de Papel As embalagens, de uma maneira geral, têm acompanhado a evolução tecnológica e as necessidades de produção. Produtos que antigamente eram vendidos a granel ou em frascos de vidro tiveram de ser adequados à realidade da produção em maior escala e às consequentes necessidades de logística tais como: como armazenamento, distribuição, fracionamento, bem como o alcance geográfico cada vez maior. Alguns produtos cujas características assim permitem, passaram a ser comercializados em caixas de papel cartão (cartuchos) como os exibidos na Figura 2-1. No início, esse processo era totalmente manual, demandando tempo e mão-de-obra consideráveis para obter uma produção relativamente baixa.

12 5 Figura 2-1: Cartuchos de emplastros Johnson & Johnson do séc. XIX [1] Os cartuchos tinham de ser montados manualmente, em seguida o produto era introduzido e finalmente as abas eram encaixadas e/ou coladas. Atualmente existem máquinas que executam todas essas operações. Tais máquinas são chamadas de encartuchadoras (cartoning machines, em inglês) e podem ser classificadas quanto ao tipo de movimento: intermitente ou contínuo; quanto ao tipo de operação: semi-automática ou automática e quanto à posição do cartucho: vertical ou horizontal. O funcionamento básico de uma encartuchadora pode ser resumido como segue: A máquina é alimentada com cartuchos de papel cartão que são fornecidos por indústrias gráficas. Esses cartuchos já vêm pré-montados, porém ainda não têm o formato tridimensional de caixas, são fechados de forma que fiquem planos e dispostos em maços e assim são empilhados em um suporte apropriado na máquina. Os produtos a ser encartuchados entram na máquina pela esteira transportadora, onde são acomodados sequencialmente em espaços individuais existentes na esteira. Um sensor detecta que há produtos em movimento na esteira e, para cada produto, deflagra a armação de um cartucho. A armação do cartucho é executada por um sistema mecânico de braço intermitente ou rotativo que possui ventosas de sucção que pegam o cartucho que estava empilhado (o primeiro debaixo da pilha) e o força a passar por guias mecânicas e outras ventosas de sucção que fazem o cartucho abrir assumindo a forma de caixa. Os produtos são então introduzidos nos cartuchos armados, sendo que essa introdução pode ser feita manualmente (no caso das encartuchadoras semi-automáticas verticais) ou automaticamente por empurradores mecânicos (no caso das encartuchadoras automáticas horizontais).

13 6 Finalmente, os cartuchos passam automaticamente por um sistema de guias que fecham as abas superiores e inferiores, onde também podem receber um fechamento por jato de cola quente nas abas, concluindo o processo de encartuchamento. Atualmente existem máquinas encartuchadoras totalmente automáticas que podem atingir altas velocidades. A Figura 2-2 mostra uma máquina encartuchadora horizontal com capacidade de produção de 500 cartuchos por minuto: Figura 2-2: Encartuchadora Uhlmann C2504 de 500 cartuchos/minuto. [2] 2.2 Controladores Lógicos Programáveis (PLC s) Os controladores lógicos programáveis (ou PLC s: Programmable Logic Controllers) podem ser definidos como dispositivos eletrônicos programáveis capazes de armazenar e processar instruções específicas, tais como: lógica, lógica seqüencial, temporização, contagem, funções aritméticas e funções de comunicação, empregadas no controle de máquinas e processos [3]. Os PLC s surgiram da necessidade de substituir os antigos controles a relés eletromecânicos. Os dispositivos eletromecânicos eram os recursos mais utilizados para efetuar controles lógicos e intertravamentos em máquinas.

14 7 Apesar de funcionais, o aumento da complexidade das máquinas e processos passou a demandar um número cada vez maior desses elementos, todos interconectados por fiação. As dimensões dos componentes eram consideráveis, exigindo grandes painéis que deveriam protegê-los contra umidade, altas temperaturas, gases, poeira, etc. Quando um desses elementos falhava, o processo produtivo podia ficar paralisado por várias horas ou até mesmo dias, para identificar o componente em falha e executar o reparo [4]. O desenvolvimento da tecnologia de estado sólido (transistores) nas décadas de 1950/60 e a integração de componentes eletrônicos em larga escala possibilitaram a criação de controles integrados baseados em computação digital, sendo que a primeira experiência com um controle de lógica programável por software foi realizada em 1968 na General Motors [4] Princípio de funcionamento e arquitetura de um PLC Um PLC é basicamente composto de uma CPU (Unidade Central de Processamento) e interfaces para os sinais de entrada e saída. A arquitetura da CPU é semelhante à de um computador digital, composta de processador, memórias e barramentos de comunicação, conforme mostrado no diagrama de blocos da Figura 2-3: Figura 2-3: Diagrama de blocos básico de um PLC O princípio de funcionamento de um PLC é a execução cíclica de um programa (conjunto estruturado de instruções) que realiza a leitura do estado das entradas, executa as operações programadas e atualiza o estado das saídas. As entradas e saídas podem ser digitais ou analógicas. As digitais (ou discretas) podem apresentar somente dois estados lógicos: ligado ou desligado, 0 ou 1. Atualmente, é

15 8 mundialmente difundido o uso de tensões de 0 a 24 VCC para as entradas e saídas digitais de um PLC, sendo 0 V o nível lógico baixo ou 0 e 24 V o nível lógico alto ou 1. As entradas e saídas analógicas (ou contínuas) são empregadas para operar com sinais continuamente variáveis como por exemplo: temperatura, pressão, etc. Estes sinais servem para que o PLC receba e envie informações de variáveis do processo e podem operar com tensão ou corrente. Geralmente a faixa de tensão é de 0 a 10 VCC e a faixa de corrente pode ser de 4 a 20 ma (ou 0 a 20 ma), onde: 4 ma (ou 0 V) corresponde ao início da escala da grandeza analógica e 20 ma (ou 10 V) corresponde ao final da escala. É por meio das entradas e saídas, também conhecidas por I/O s (do inglês: Input / Output) que o PLC interage com o equipamento ou processo que está controlando. Entradas podem ser acionadas por sensores, chaves, botões, chaves fim-de-curso, contatos, chaves de nível, etc. Saídas podem acionar os seguintes dispositivos: relés, solenóides, válvulas, alarmes, lâmpadas, partida de motores, etc. As entradas e saídas podem ser fisicamente constituídas por relés ou transistores que recebem/enviam sinais entre a CPU e o processo controlado (também chamado de sinais de campo). Por exemplo: um processo industrial que requer aquecimento pode ser controlado por um PLC que recebe (pela entrada analógica) um sinal analógico de 4 a 20 ma de um transmissor de temperatura. De acordo com o programa gravado em sua memória, o PLC compara o valor recebido do processo com o valor programado e pode atuar, por exemplo, uma válvula proporcional que dosa mais ou menos combustível ao processo, através de saídas analógicas. Os sinais de campo são isolados galvanicamente do microprocessador por circuitos optoacopladores que convertem os níveis de tensão/potência de campo para os níveis digitais adequados ao processador. Os sinais analógicos são convertidos em sinais digitais e viceversa por meio de conversores analógico/digital e digital/analógico: A/D e D/A Programa executivo e linguagens de programação O programa executivo (desenvolvido pelo programador de acordo com as necessidades do processo) é o responsável pelo controle das variáveis. Basicamente, um programa de PLC é um conjunto de instruções lógicas booleanas. As linguagens de programação foram desenvolvidas tendo em vista o conceito de familiaridade com a lógica de controle a relés já utilizadas por técnicos e engenheiros, sendo a mais amplamente utilizada a

16 9 linguagem de diagrama de contatos, também conhecida como linguagem ladder. Como nem todos os recursos de programação podem ser implementados por diagrama de contatos, foram criadas outras linguagens de programação: diagrama de blocos funcionais, mnemônicos booleanos e parâmetros idiomáticos. A norma IEC fornece algumas diretrizes para padronização das linguagens de programação de PLC s. As linguagens podem ser divididas em duas categorias: linguagens gráficas e textuais. As linguagens gráficas são: Sequential Function Chart (SFC): descreve graficamente o comportamento sequencial de um programa de controle. É derivado de redes de Petri e do Grafcet IEC 848. Diagrama Ladder (Ladder Diagram LD): Lógica de contatos semelhante aos diagramas elétricos. Blocos de Função (Function Block Diagram FBD). As linguagens textuais são: Lista de Instruções (Instruction List IL). Texto Estruturado (Structured Text ST). A Figura 2-4 mostra exemplos de um fragmento de programa escrito em 4 linguagens de programação [5]: Figura 2-4: Exemplos de linguagens de programação 2.3 Motores Elétricos Motores de passo O motor de passo é um dispositivo eletromagnético que converte pulsos digitais em rotação do eixo mecânico. As vantagens que os motores de passo apresentam são: baixo

17 10 custo, alta confiabilidade, alto torque em baixas velocidades e uma construção simples e robusta que funciona em praticamente qualquer ambiente. As principais desvantagens na utilização de um motor de passo são os efeitos de ressonância a baixas velocidades e redução do torque com o aumento da velocidade. Ele não tem escovas ou contatos. Basicamente, é um motor síncrono com o campo magnético comutado eletronicamente para rodar em torno da armadura. Existem basicamente três tipos de motor de passo: relutância variável, magneto permanente e híbridos. O princípio de funcionamento do motor de passo é a comutação (chaveamento) sequencial das bobinas dos pólos. Quando um par de pólos recebe corrente elétrica DC, o campo magnético formado força o alinhamento do rotor, que se move um passo e assim por diante, conforme a sequência de pulsos [6]. A Figura 2-5 representa um motor de passo de relutância variável e 3 fases: Figura 2-5: Motor de passo de relutância variável e sua sequência de comutação [6] Um sistema de motor de passo é composto basicamente de: controlador (ou indexador), driver e motor de passo. Também é comum a presença de algum tipo de interface como por exemplo: um PC, um PLC ou um terminal de operação.

18 11 O controlador microprocessado é o responsável pela geração dos pulsos de controle, bem como de sinais de direção e de funções de comando. O driver é o dispositivo que amplifica os sinais dos pulsos recebidos do controlador e os converte em corrente elétrica que excitará as bobinas dos pólos do motor. Motores de passo são classificados em termos do número de passos por segundo, do ângulo de passo (ou resolução) e da capacidade de carga e torque. O número de passos por segundo é também conhecido como taxa de passo. A velocidade real de um motor de passo é dependente do ângulo de passo e da taxa de passo, e é encontrada por: Equação 2-1 Onde: N= velocidade do motor em RPM Ψ= ângulo de passo em graus p/s= número de passos por segundo 2.4 Sensores Visão geral: Na automação de sistemas, é preciso determinar as condições ou variáveis do sistema, isto é, obter os valores das variáveis físicas a serem controladas, como por exemplo: a posição de um mecanismo, a temperatura de um processo, a velocidade de rotação de um motor, etc. A obtenção desses valores é realizada por sensores [7]. Um sensor é geralmente definido como um dispositivo que recebe e responde a um estímulo ou um sinal. Há sensores naturais (biológicos, como um olho por exemplo) e artificiais. Os sensores artificiais são aqueles que respondem com sinal elétrico a um estímulo ou um sinal. Um transdutor, por sua vez, é um dispositivo que converte um tipo de energia em outra, não necessariamente em um sinal elétrico. Muitas vezes um sensor é composto de um transdutor e de uma parte que converte a energia resultante em um sinal elétrico. Podem ser de indicação direta (como um termômetro de mercúrio ou um medidor elétrico) ou em par com um indicador (algumas vezes indiretamente com um conversor de analógico para digital,

19 12 um computador e um display) de modo que o valor detectado se torne legível pelo homem. Além de outras aplicações, os sensores são largamente usados na medicina, indústria e robótica. Como o sinal é uma forma de energia, os sensores podem ser classificados de acordo com o tipo de energia que detectam. Por exemplo: sensores de luz: células solares, fotodiodos, fototransistores; sensores de som: microfones, hidrofone, sensores sísmicos; sensores de temperatura: termômetros, termopares, resistores sensíveis a temperatura (termístores), termômetros bi-metálicos e termostatos [8]. A Figura 2-6 ilustra um diagrama das formas de energias em sensores: Figura 2-6: Formas de energia em sensores [7] A saída (resposta) de um sensor apresenta geralmente um nível de tensão muito baixo sendo necessária a utilização de um amplificador para elevar o nível do sinal para sua efetiva utilização. Além, é claro, do tipo de energia a ser detectada/medida e da função desejada, algumas das principais características a serem consideradas na seleção de sensores para cada aplicação são: Tipo de saída: Digital: A saída assume valores lógicos 0 ou 1 (também chamados de on-off, ligadesliga. Ex.: pressostatos, chaves de nível. Analógica: O transdutor possui uma saída de sinal contínuo, semelhante à grandeza física medida na entrada. Ex.: células de carga, transdutor de pressão analógico.

20 13 Sensibilidade: Sensibilidade (ou ganho) é a relação entre a amplitude do sinal de saída e o da entrada. Por exemplo, à uma dada variação na entrada, corresponderá uma certa variação no sinal de saída. Se a sensibilidade for alta, uma pequena variação na entrada corresponderá a uma grande variação na saída. Exatidão: É a característica de quão próximas são as medições fornecidas por um instrumento do valor verdadeiro da grandeza medida. Também pode ser expressa pelo erro da medida realizada pelo instrumento em comparação a uma medida padrão. Precisão: Grau de repetibilidade do valor medido em várias medições sob as mesmas condições. Alcance: Faixa de valores que podem ser aplicados à entrada do instrumento. Velocidade de resposta: Tempo necessário para que a medição alcance o valor real do processo. Respostas lentas podem ser críticas para a performance de sistemas realimentados. Muitas outras características também devem ser consideradas na especificação, dentre as quais pode-se citar: encapsulamento, dimensões, distância sensora, custo, requisitos de calibração, faixa de trabalho, vida útil, etc Tipos de Sensores: Os sensores podem ser classificados em grandes famílias por função e subclassificados em uma grande diversidade de tipos. Segue uma relação dessas classificações com a listagem dos principais tipos, sem no entanto, pormenores sobre princípios de funcionamento e construção de cada tipo: Sensores de presença: detectam a presença de qualquer material sem que haja contato mecânico, podendo ser ópticos ou ultrassônicos. Principais tipos: sensor óptico por retrorreflexão, por transmissão (ou barreira), por reflexão difusa e sensores infravermelho e fibra óptica.

21 14 Os ultrassônicos operam por ondas sonoras em alta frequência geradas por cristais piezoelétricos que são emitidas e refletidas pelo objeto a ser detectado. Sensores de posição: sensores de proximidade indutivos, capacitivos, sensores magnéticos e codificadores (encoders). Sensores Ópticos: fotorresistores LDR (Light Dependant Resistor), fotodiodos, fototransistores, fototiristores, célula fotovoltaica, etc. Sensores de velocidade: taco-gerador, tacômetro, acoplador óptico, etc. Sensores de aceleração: acelerômetros de deslocamento, de deformação e de balanço de força. Sensores de temperatura: Termistores: PTC (Positive Temperature Coefficient), NTC (Negative Temperature Coefficient), termopares, termorresistências (RTD s), pirômetros, etc. Sensores de pressão: células de carga (strain gauges), transdutor de pressão piezoelétrico, tubos de Bourdon, etc. Sensores de nível: flutuadores, eletrodos metálicos, etc. Sensores de vazão: rotâmetros, placa de orifício, tubo de Venturi, bocal, tubo de Pitot, por efeito Coriolis, etc. Sensores de tensão, corrente e potência: resistor shunt, efeito Hall, transformador CC, relés térmicos, etc. Sensores de umidade, gases e ph: higrômetros, analisadores de gases, medidores de ph. [7]

22 Inversores de Frequência Inversor de Frequência é a designação comercial comum para Conversores Estáticos de Frequência. São dispositivos desenvolvidos para controlar a velocidade de rotação de motores elétricos de corrente alternada. A rotação de um motor CA depende da frequência da rede de alimentação e do número de pólos do motor, conforme a fórmula: Equação 2-2 Onde: N = rotação em RPM f = frequência da rede em Hz p = número de pólos do motor Assumindo que o número de pólos de um motor CA seja fixo (de maneira geral é, exceto em motores com múltiplos enrolamentos) e esse número de pólos é determinado em sua fabricação, então, ao se variar a frequência de alimentação, a rotação varia na mesma proporção. O inversor de frequência, grosso modo, pode ser considerado como uma fonte de tensão alternada de frequência variável Princípio de funcionamento: A primeira etapa dos circuitos internos de um inversor de frequência é uma ponte retificadora de onda completa trifásica e capacitores de filtro. Tal circuito constitui uma fonte de corrente contínua (CC) simétrica, pois há um ponto terra como referência. Isso forma o que se chama de Barramento DC onde existe uma tensão contínua positiva + V/2 e uma tensão contínua negativa V/2. O barramento DC alimenta a segunda etapa, constituída de seis transistores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: Transistor Bipolar de Base Isolada). Esses IGBTs atuam como chaves, ligando e desligando sequencialmente, controlados por meio de uma lógica de controle (3º etapa).

23 16 O chaveamento sequencial dos IGBTs alternando entre a tensão positiva e negativa do barramento DC produz uma inversão do sentido da corrente (daí o termo inversor ) gerando uma corrente alternada cuja frequência pode ser variada pela lógica de controle. A lógica de controle distribui os pulsos de disparo para os IGBTs, produzindo uma tensão de saída alternada e defasada de 120, embora sua forma de onda seja quadrada devido à característica do chaveamento e não senoidal como a da rede elétrica convencional. Não somente a frequência é variada. Para manter o conjugado (torque) do motor frente às diversas solicitações de carga, o inversor também precisa variar a tensão de saída. Essa variação de tensão é proporcional à variação da frequência e a relação é chamada de razão V/F ou curva V/F (Tensão / Frequência). A amplitude da tensão é controlada por meio de modulação por largura de pulso - PWM (Pulse Width Modulation). Para variar a tensão, a unidade lógica altera a largura dos pulsos entre os estados lógicos alto e baixo, isto é, controla quanto tempo os IGBTs devem ficar ligados ou desligados, ou seja: controla o ciclo de carga (duty cicle). Para executar tais controles, os inversores dispõem de uma CPU (Unidade Central de Processamento) constituída por um microprocessador e memória integrada. Na memória são armazenados todos os parâmetros que a CPU utiliza para controlar o equipamento, tanto parâmetros de fábrica, quanto os parâmetros variáveis que podem ser alterados pelo usuário dependendo da aplicação. Como exemplos de parâmetros variáveis que podem ser programados pelo usuário estão: rampa de aceleração / desaceleração; frequência de referência; corrente e potência do motor; modos de controle: local / remoto; tipo de sinal de referência analógica: 0 a 10 V, 4 a 20 ma, entre muitos outros. Para viabilizar a interação entre homem-máquina, os inversores possuem uma IHM (Interface Homem Máquina) que é um dispositivo que permite que os parâmetros sejam inseridos / modificados no inversor através de um teclado e também que os mesmos sejam exibidos em um mostrador eletrônico (display). Além da IHM, os inversores também podem ter outras interfaces de comunicação, por exemplo: porta de comunicação serial (RS 485, RS 232), redes industriais (Profibus, Ethernet, AS-i, etc.) e entradas / saídas digitais e analógicas [9].

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