AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

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1 INDÍCE Introdução a automação e CLP Soft starter Inversor de freqüência Sensores aplicados na automação AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 1

2 Introdução a Automação industrial A palavra automação está diretamente ligada ao controle automático, ou seja, ações que não dependem da intervenção humana. Isso é discutível, pois a mão do homem é necessária indiscutivelmente, pois sem ela não seria possível a implantação de tais processos automáticos. No âmbito fabril, para realizar na prática a Automação Industrial é necessário conhecer uma grande quantidade de conceitos e técnicas, e por isso os grandes projetos neste campo envolvem uma infinidade de profissionais e os custos são suportados geralmente por grandes empresas. Para começar a entender os conceitos aqui apresentados, o primeiro passo é o de entender o que é um controle, quais são seus elementos básicos e quais são os seus principais tipos. De uma forma geral um processo sob controle tem o diagrama semelhante ao mostrado na figura abaixo: Diagrama simplificado de um sistema de controle automático Existem vários exemplos de processos que podem ser controlados, dentre eles o acionamento de motores de forma seqüencial, a dosagem de componentes químicos, a medição de uma peça, entre outros. Neste contexto os sensores são dispositivos sensíveis a um fenômeno físico, tal como temperatura, umidade, luz, pressão, etc. Eles são responsáveis pelo monitoramento do processo, enviando um sinal ao controlador que pode ser discreto (abertura ou fechamento de contatos), ou analógico. Caso o sinal seja transformado em uma corrente elétrica, temse o caso dos transdutores. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 2

3 Os atuadores são os dispositivos responsáveis pela realização de trabalho no processo ao qual está se aplicando a automação. Podem ser magnéticos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos, ou de acionamento misto. E finalmente o controlador é responsável pelo acionamento dos atuadores, segundo um programa inserido pelo usuário do sistema de controle. CONTROLES ANALÓGICOS E DISCRETOS Ainda referindo-se a figura anterior nota-se que toda a comunicação entre os diferentes sistemas é feita através de variáveis físicas. Para efeito de controle, estas variáveis podem ser dividas em analógica e digital. As variáveis analógicas são aquelas que variam continuamente com o tempo, conforme mostra a figura (a). Elas são comumente encontradas em processos químicos advindas de sensores de pressão, temperatura e outras variáveis físicas. As variáveis discretas, ou digitais, são aquelas que variam discretamente com o tempo, como pode ser visto na figura (b). Variáveis analógicas e digitais DIFERENTES TIPOS DE ENTRADAS E SAÍDAS Entradas discretas: são aquelas que fornecem apenas um pulso ao controlador, ou seja, elas têm apenas um estado ligado ou desligado, nível alto ou nível baixo, remontando a álgebra boolena que trabalha com uns e zeros. Alguns exemplos são mostrados na figura abaixo dentre elas: as botoeiras (a), válvulas eletro-pneumáticas (b), os pressostatos (c). CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 3

4 Entradas analógicas: como o próprio nome já diz elas medem as grandezas de forma analógica. Para trabalhar com este tipo de entrada os controladores tem conversores analógico-digitais (A/D). Atualmente no mercado os conversores de 10 bits são os mais populares. As principais medidas feitas de forma analógica são a temperatura e pressão. Na figura abaixo mostra-se o exemplo de sensores de pressão ou termopares. Saídas discretas: são aquelas que exigem do controlador apenas um pulso que determinará o seu acionamento ou desacionamento. Como exemplo têm-se elementos mostrados na figura abaixo: Contatores (a), que acionam os Motores de Indução (b), e as Válvulas Eletro-pneumáticas (c). Saídas analógicas: como dito anteriormente, de forma similar o controlador necessita de um conversor digital para analógico (D/A), para trabalhar com este tipo de saída. Os exemplos mais comuns são: válvula proporcional, acionamento de motores DC, displays gráficos, entre outros. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 4

5 Introdução aos Controladores Lógicos Programáveis Controladores Lógico Programáveis, mais conhecidos com CLPs, podem ser definidos, segundo a norma ABNT, como um equipamento eletrônicodigital compatível com aplicações industriais. Os CPLs também são conhecidos como PLCs, do inglês: Programmable Logic Controller. O primeiro CLP data de 1968 na divisão de hidramáticos da General Motors. Surgiu como evolução aos antigos painéis elétricos, cuja lógica fixa tornava impraticável qualquer mudança extra do processo. A tecnologia dos CLPs só foi possível com o advento dos chamados Circuitos Integrados e da evolução da lógica digital. Este equipamento trouxe consigo as principais vantagens: a) fácil diagnóstico durante o projeto b) economia de espaço devido ao seu tamanho reduzido c) não produzem faíscas d) podem ser programados sem interromper o processo produtivo e) possibilidade de criar um banco de armazenamento de programas f) baixo consumo de energia g) necessita de uma reduzida equipe de manutenção h) tem a flexibilidade para expansão do número de entradas e saídas i) capacidade de comunicação com diversos outros equipamentos, entre outras. CLP é o componente que substitui a parte lógica tradicional de uma instalação, o chamado circuito de comando, onde há contatos auxiliares, temporizadores, intertravamentos etc., e faz isso via software; quase sempre é possível sua interação com um microcomputador. Fisicamente o CLP é formado por um circuito eletrônico, por entradas e por saídas. As entradas são os terminais onde se ligam todos os componentes que dão instruções ao circuito, determinando o que deve ser feito com base em uma programação pré-realizada (software). Incluem-se os interruptores, fim-de-curso, pedaleiras, sensores, contatos do relé térmico de sobrecarga etc. Nas saídas são ligados os componentes que seriam acionados em um circuito de comando tradicional, como, por exemplo, contatores, lâmpadas, solenóides etc. As entradas e saídas podem ser analógicas (valores variáveis) ou digitais (valores não variáveis, ou seja, ligado ou desligado, tudo ou nada). CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 5

6 Estrutura básica de um comando com CLP Os CLPs trazem a vantagem de reduzir e facilitar a instalação física, excluindo os componentes da parte de comando, como os temporizadores e relés de comando (ou contator auxiliar). Além disso, qualquer mudança da parte lógica não implicará em mudança das ligações, sendo alterada somente a programação do CLP (software). Ligação básica das entradas e saídas (digitais) em um CLP CLASSIFICAÇÃO DOS CLPs: Os CLPs podem ser classificados segundo a sua capacidade: Nano e micro CLPs: possuem até 16 entradas e saídas. Normalmente são compostos por um único módulo com capacidade de memória máxima de 512 passos. CLPs de médio porte: capacidade de entrada e saída em até 256 pontos, digitais e analógicas. Permitem até 2048 passos de memória. CLPs de grande porte: construção modular com CPU principal e auxiliares. Módulos de entrada e saída digitais e analógicas, módulos especializados, módulos para redes locais. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 6

7 Permitem a utilização de até 4096 pontos. A memória pode ser otimizada para o tamanho requerido pelo usuário. PROGRAMAÇÃO DE CLPs EM LADDER A flexibilidade dos controladores lógicos programáveis se deve a possibilidade de programação dos mesmos através de um software dedicado. A primeira linguagem de programação, que surgiu no mercado foi a linguagem Ladder, denominada assim por sua semelhança com uma escada. O diagrama de contatos (Ladder) consiste em um desenho formado por duas linhas verticais, que representam os pólos positivo e negativo de uma bateria, ou fonte de alimentação genérica. Entre as duas linhas verticais são desenhados ramais horizontais que possuem chaves. Estas podem ser normalmente abertas, ou fechadas e representam os estados das entradas do CLP. Dessa forma fica muito fácil passar um diagrama elétrico para linguagem Ladder. Basta transformar as colunas em linhas. O primeiro e mais simples programa a ser feito, é o programa para partida direta de um motor de indução trifásico, que tem o formato mostrado na figura abaixo : Programa em Ladder para partida direta de um motor Diagrama elétrico de uma partida direta CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 7

8 Não se deve esquecer de ligar as botoeiras e contatores, que são os elementos de comando, externamente ao CLP. Para o caso deste comando as ligações elétricas são mostradas na figura abaixo. É importante observar que o relé foi colocado para permitir a existência de dois circuitos diferentes, o de comando composto por uma tensão contínua de 24 V, e o circuito de potência, composto por uma tensão alternada de 220 V. Ainda no CLP a letra I significa entrada (Input) e a letra O significa saída (Output). Deve-se lembrar sempre que em painéis elétricos o CLP está inserido na parte de comando do mesmo. Deve-se lembrar sempre que em painéis elétricos o CLP está inserido na parte de comando do mesmo. Exemplo de ligação para acionamento de um contator, como no caso do comando direto de um motor de indução trifásico CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 8

9 Pode-se definir os elementos essenciais em uma programação Ladder acordo com a tabela a seguir: de MICRO CONTROLADOR PROGRAMÁVEL CLIC WEG INTRODUÇÃO Os MICROS CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS linha CLIC WEG, caracterizam se pelo seu tamanho compacto, fácil programação e excelente custo benefício. Este micro controlador é utilizado em automação de pequeno porte em tarefas de intertravamento, temporização, contagem e comandos tradicionais. Por isso podem ser utilizados em varias aplicações como, por exemplo: Sistemas de iluminação; Comandos de portas e cancelas; Sistemas de energia; Sistemas de refrigeração e ar condicionado; Sistemas de ventilação; Sistemas de transporte; Controle de silos e elevadores; Comando de bombas e compressores; Sistemas de alarme; Comando de semáforos; Sistemas de irrigação; Outras aplicações. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 9

10 INFORMAÇÕES GERAIS (CLIC-02) O CLIC-02 é um PLC pequeno e inteligente contendo até 44 pontos de E/S, possui programa gráfico em ladder e FBD, é aplicável á operação automática de pequena escala. O CLIC-02 pode expandir em até 3 grupos de módulo de 4 entradas - 4 saídas.a mobilidade inteligente e supremacia do CLIC-02 são de grande valia para você economizar consideravelmente tempo e custo na operação. CLIC-02 (MODULO PRINCIPAL) 1 - Terminais de alimentação 2 - Display LCD 3 - Terminais de entradas digitais 4 - Fixador retrátil 5 - Tecla delete (apagar) 6 - Tecla selection (selecionar) 7 - Teclas direcionais 8 - Tecla Ok (confirma) 9 - Tecla escape (cancelar) 10 - Conector para programação ou cartão de eeprom 11 - Terminais de saídas digitais 3.3 TABELAS DE DESCRIÇÃO PARA INSTRUÇÃO LADDER Instrução básica CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 10

11 Função de instrução básica - Função D (d) Instrução 1: I1-D---[ Q1 CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 11

12 2: i1-d---[ Q1 CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 12

13 Partida Direta Aplicações: Partida Direta com Reversão CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 13

14 TEMPORIZADORES Representação dos parâmetros que devem ser configurados quando é utilizado um temporizador do CLIC : Modo de seleção do temporizador Modo 1 - Retardo na energização : quando a entrada é acionada, conta o tempo e acíona o contato do temporizador, ficando acionado enquanto a entrada estiver acionada. O gráfico a seguir é um exemplo do funcionamento: Modo 2 - Retardo na energização memorizando o estado da saída: quando a entrada é acionada, conta o tempo e aciona o contato do temporizador, ficando acionado após atingir o tempo até o acionamento da entrada de reset. O gráfico a seguir é um exemplo do funcionamento: CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 14

15 Modo 3 - Retardo na desenergização com entrada de reset: aciona a saída quando a entrada for acionada, temporiza após a entrada ser desacionada e desliga a saída no final da temporização. O gráfico a seguir é um exemplo do funcionamento: CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 15

16 Modo 4 - Retardo na desenergização após flanco de descida: aciona a saída quando a entrada for desacionada e começa a temporização, desliga no final da temporização. O gráfico a seguir é um exemplo do funcionamento: Modo 5 - Modo Oscilador: Aciona a saída quando a entrada é acionada e começa a temporização, no final da temporização desaciona a saída e começa a contagem novamente, assim que termina a contagem aciona novamente a saída, e continua fazendo esse ciclo enquanto a entrada do temporizador estiver acionada. O gráfico a seguir é um exemplo do funcionamento: CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 16

17 Modo 6 - Modo Oscilador com reset: Aciona a saída quando a entrada é acionada e começa a temporização, no final da temporização desaciona a saída e começa a contagem novamente, assim que termina a contagem aciona novamente a saída, e continua fazendo esse ciclo.aentrada do bloco do temporizador pode ficar aberta que continua fazendo a temporização só Desligando a saída quando o reset for acionado. O gráfico a seguir é um exemplo do funcionamento: Modo 7 - Modo Oscilador com tempos diferentes de aciona e desaciona (TON ¹ TOFF). Para utilizar esse modo precisa programar: A bobina do temporizador para bobina de pulso. Assim que programado o temporizador Modo 7, o Clic02 programa automaticamente o endereço do temporizador programado para temporização ON e o endereço seguinte para temporização Off. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 17

18 O gráfico a seguir é um exemplo do funcionamento: Automação Industrial Aplicações: Controle de Iluminação para Escadaria CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 18

19 CONTADORES Representação dos parâmetros que devem ser configurados quando é utilizado um contador do CLIC: Modo de seleção do contador Contador Modo 1- Ao atingir o valor ajustado, aciona a saída, permanecendo esta ligada até ser acionado o reset, ou invertido o sentido de contagem.quando atingir o valor ajustado, a contagem pára. Quando o sentido de contagem for decrescente, a saída irá acionar ao atingir o valor zero, se o sentido da contagem for invertido antes de chegar ao valor setado vai decrementar do valor que estava. Não mantém o valor da contagem, quando desenergizado. O gráfico a seguir é um exemplo do funcionamento sem a utilização do sentido de contagem: CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 19

20 Contador Modo 2 - Ao atingir o valor ajustado, aciona a saída permanecendo esta ligada até ser acionado o reset, ou invertido o sentido de contagem. Quando atingir o valor ajustado, a contagem não pára, continua a contar os pulsos. Quando o sentido de contagem for invertido, a contagem será decrementada do valor atual, nessa condição a saída irá acionar ao atingir o valor zero. Não mantém o valor da contagem, quando desenergizado. O gráfico a seguir é um exemplo do funcionamento sem a utilização do sentido de contagem: CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 20

21 O contador modo 3 - Funcionamento é o mesmo do Contador Modo 1 porém após desenergização mantém o valor da contagem, ou seja, ao atingir o valor ajustado, aciona a saída, permanecendo esta ligada até ser acionado o reset, ou invertido o sentido de contagem. Quando atingir o valor ajustado, a contagem pára. Quando o sentido de contagem for decrescente, a saída irá acionar ao atingir o valor zero, se o sentido da contagem for invertido antes de chegar ao valor setado vai decrementar do valor que estava. O contador modo 4 - Funcionamento é o mesmo do Contador Modo 2 porém após desenergização mantém o valor da contagem, ou seja, ao atingir o valor ajustado, aciona a saída permanecendo esta liqada até ser acionado o reset, ou invertido o sentido de contagem. Quando atingir o valor ajustado a contagem não pára, continua a contar os pulsos. Quando o sentido de contagem for invertido, a contagem será decrementada do valor atual, nessa condição a saída ira acionar ao atingir o valor zero. Contador modo 5 - Ao atingir o valor ajustado, aciona a saída permanecendo esta ligada até ser acionado o reset. Quando atingir o valor ajustado, a contagem não pára, continuando a contar os pulsos. Quando o sentido de contagem for invertido, a contagem será decrementada do valor atual, nessa condição a saída continuará acionada, desacionando quando chegar novamente ao valor ajustado. Não mantém o valor da contagem, quando desenergizado. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 21

22 O gráfico a seguir é um exemplo do funcionamento sem a utilização do sentido de contagem: O contador modo 6 - Funcionamento é o mesmo do Contador Modo 5 porém após desenergização mantém o valor da contagem, ou seja, ao atingir o valor ajustado, aciona a saída permanecendo esta ligada até ser acionado o reset. Quando atingir o valor ajustado, a contagem não pára, continuando a contar os pulsos. Quando o sentido de contagem for invertido, a contagem será decrementada do valor atual, nessa condição a saída continuará acionada, desacionando quando chegar novamente ao valor ajustado. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 22

23 Aplicação: 4.1 Contador para Máquinas de Embalagens Requisitos 1) O ciclo de empacotamento inicia com a contagem dos produtos no final da linha de produção. Quando o valor da contagem atingir 12 unidades, a máquina procede a operação de empacotamento que leva 5 segundos. Após finalizada, inicia-se um novo ciclo. 2) Deve-se simultaneamente contar a quantidade final de pacotes de produto. 3) No caso de falta de energia, o contador permanece inalterado. Análise: 1) Um sensor é utilizado para gerar um pulso quando ele detectar a chegada de um produto. Um contador aciona a saída quando o valor de contagem atingir 12, e um temporizador é utilizado para se obter o atraso de 5 s. 2) O contador será utilizado no modo 3 ou modo 4, no esforço em manter precisa a contagem mesmo no caso de falta de energia. Componentes utilizados: - I1 Sensor de contagem; - S1 Reset do contador para zero; - MC1 empacotamento. Circuito elétrico e Programa com o CLIC sendo utilizado: CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 23

24 RELÓGIO EM TEMPO REAL RTC Instrução (Relógio em Tempo Real) O bloco RTC aciona/desaciona saída conforme relógio de tempo real ou calendário perpétuo dependendo qual modo ajustado no bloco RTC. Representação dos parâmetros que devem ser configurados quando é utilizado um contador do CLIC: - Modo semanal CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 24

25 - Modo ano-mês-dia RTC Modo 1 - Função Every Day (Todo dia) O contato do bloco RTC vai atuar todos os dias conforme a hora que for setada em Set RTC hora ON, e vai desacionar a saída conforme setado em Set hora OFF. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 25

26 Nota: Se o Habilita falhar, saída está OFF. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 26

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28 RTC Modo 2 (Intervalo de Tempo) A saída atua conforme dia da semana setado e hora, ficando atuada até o dia da semana ajustado para desatuar seguindo a hora de Set RTC OFF. Nota: Quando o Habilita estiver indisponível, a saída está OFF. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 28

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30 RTC Modo 3 (Dia-mês-ano) A saída atua no dia/mês/ano ajustado em Set Ano On e Set mês e dia On; A saída desatua no dia/mês/ano ajustado em Set ano Off e Set mês e dia Off; Se a entrada de habilitação for aberta durante o período que a saída estivar atuada, a saída será desligada. Nota: Se o Habilita falhar, a saída será desligada. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 30

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32 Aplicações i. Partida Direta Automática ii. Partida Direta com Reversão Automática CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 32

33 APÊNDICE -APLICAÇÕES ILUSTRADAS CONTROLE DE ILUMINAÇÃO PARA ESCADARIAS Requisitos - Quando alguém sobe ou desce a escadaria, as lâmpadas precisam ser energizadas para fornecer iluminação. - Após a saída da pessoa, o sistema de iluminação precisa ser desligado em cinco minutos automaticamente ou manualmente. Sistema de Iluminação Tradicional Existem dois tipos de controle tradicionais: - Utilização de reles. - Utilização de temporizador automático dedicado. Componentes utilizados: - Interruptores - Temporizador automático ou reles Utilizando reles como controlador do sistema: - A iluminação fica ligada enquanto qualquer interruptor estiver ligado. - Pressione qualquer interruptor para desligar a iluminação. - Desvantagem: O usuário normalmente esquece de desligar a iluminação. Utilizando temporizador automático dedicado como controlador do sistema: - A iluminação fica ligada enquanto qualquer interruptor estiver ligado. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 33

34 - A iluminação poderá ser desligada em alguns minutos automaticamente ou manualmente. - Desvantagem: O usuário não tem como cancelar o tempo de desligamento. Utilizando o CLIC como controlador do sistema Componentes utilizados - Q1 Lâmpada H1 - I1 Interruptor B1 - I2 Sensor de presença infravermelho Esquema de ligação do controle de iluminação: CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 34

35 Programa para o controle de iluminação utilizando o CLIC: CONTROLE DE PORTA AUTOMÁTICA As portas automáticas são geralmente instaladas na entrada de supermercados, bancos e hospitais. Requisitos - A porta deve abrir automaticamente quando uma pessoa está se aproximando. -Aporta permanece aberta durante um determinado tempo e então fecha, se não houver alguma pessoa presente. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 35

36 Solução Tradicional Quando quaisquer sensores B1 ou B2 detectarem a presença de algum visitante, a porta será aberta. Após um determinado tempo sem detectar ninguém, o relê MC4 irá comandar o fechamento da Porta. Utilizando o CLIC como controlador do sistema A utilização do CLIC como controlador do sistema pode simplificar o circuito. Tudo o que precisa ser feito é conectar ao CLIC os sensores de presença, fins de curso e o contator. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 36

37 Componentes utilizados: - MC1 contator de abertura da porta - MC2 contator de fechamento da porta - S1 (contato NF) fim de curso de fechamento - S2 (contato NF) fim de curso de abertura - B1 (contato NA) sensor infravermelho externo - B2 (contato NA) sensor infravermelho interno Circuito elétrico e Programa com o CLIC sendo utilizado: CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 37

38 CONTROLE DE VENTILAÇÃO Requisitos A função principal do sistema de ventilação é colocar ar fresco e retirar ar contaminado conforme exibido na figura abaixo. - A sala é equipada com o exaustor para ar contaminado e insuflador para ar fresco. - Sensores de fluxo monitoram a entrada e a saída de ar. - Pressão positiva não será permitida em qualquer momento. - O insuflador de ar irá funcionar apenas se o sensor de fluxo de ar contaminado estiver funcionando. - Se qualquer irregularidade na entrada ou saída de ar for detectada, a lâmpada de alarme será acesa. O circuito de controle do sistema de ventilação tradicional é mostrado abaixo: CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 38

39 O sistema de ventilação é completamente controlado pelo fluxo de ar. Se não há fluxo de ar na sala após um determinado período de tempo, o sistema irá ativar o alarme e o operador deverá desligar o sistema. Componentes utilizados: - MC1 contator principal - MC2 contator principal - S0 (contato NF) botão desliga - S1 (contato NA) botão liga - S2 (contato NA) sensor de fluxo de ar - S3 (contato NA) sensor de fluxo de ar - H1lânpada de operação - H2 lâmpada de alarme Circuito elétrico e Programa com o CLIC sendo utilizado CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 39

40 CONTROLE DE PORTÃO DE FÁBRICA Requisitos O objetivo principal de um portão de fábrica é controlar o acesso de caminhões, o qual é operado manualmente pelo vigia do portão. - O vigia controla a abertura e o fechamento do portão. - A chave de parada (emergência) pode ser ativada a qualquer momento, desconsiderando a posição do portão. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 40

41 - O alarme ficará ativo por 5 segundos antes que o portão inicie o movimento. - Um sensor de pressão está instalado no portão. Em qualquer instante que o sensor atuar, a operação de fechamento do portão é parada. Circuito de controle tradicional Componentes utilizados: - MC1 Contator principal - MC2 Contator principal - S0 (contato NF) Botão de emergência - S1 (contato NA) Botão de abertura - S2 (contato NA) Botão de fechamento - S3 (contato NF) sensor de pressão de abertura - S4 (contato NF) sensor de pressão de fechamento CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 41

42 Circuito elétrico e Programa com o CLIC-02 sendo utilizado: CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 42

43 SOFT STARTER INTRODUÇÃO Com a crescente necessidade na otimização de sistemas e processos industriais, algumas técnicas foram desenvolvidas, principalmente levando-se em consideração conceitos e tendências voltados à automação industrial. Olhando para o passado podemos claramente perceber o quanto estas técnicas tem contribuído para este fim. Um dos mais claros exemplos são os sistemas de acionamento para motores de indução, largamente utilizado em praticamente todos os segmentos, seja ele residencial ou industrial. Em particular nós iremos analisar e avaliar, uma técnica que se tornou muito utilizada na atualidade, as chaves de partida soft-starters. Estes equipamentos eletrônicos vêm assumindo significativamente o lugar de sistemas previamente desenvolvidos, em grande parte representados por sistemas eletromecânicos. Em nosso estudo faremos uma comparação entre estes vários sistemas e os que utilizam as soft-starters. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O funcionamento das soft-starters está baseado na utilização de tiristores (SCR s), ou melhor, de uma ponte tiristorizada na configuração antiparalelo, que é comandada através de uma placa eletrônica de controle, a fim de ajustar a tensão de saída, conforme uma programação feita anteriormente pelo usuário. Esta estrutura é apresentada na figura abaixo. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 43

44 Como podemos ver a soft-starter controla a tensão da rede através do circuito depotência, constituído por seis ou quatro SCRs, dependendo do modelo, onde variando o ângulo de disparo dos mesmos, variamos o valor eficaz de tensão aplicada ao motor. A seguir faremos uma análise mais atenciosa de cada uma das partes individuais desta estrutura, já que notamos nitidamente que podemos dividir a estrutura acima em duas partes, o circuito de potência e o circuito de controle. TIPOS DE CIRCUITOS: CIRCUITO DE POTÊNCIA Este circuito é por onde circula a corrente que é fornecida para o motor. É constituída basicamente pelos SCRs e suas proteções, e os TCs (transformadores de corrente). O circuito RC representado no diagrama é conhecido como circuito snubber, e tem como função fazer a proteção dos SCRs contra dv/dt. Os transformadores de corrente fazem a monitoração da corrente de saída permitindo que o controle eletrônico efetue a proteção e manutenção do valor de corrente em níveis prédefinidos (função limitação de corrente ativada). CIRCUITO DE CONTROLE Onde estão contidos os circuitos responsáveis pelo comando, monitoração e proteção dos componentes do circuito de potência, bem como os circuitos utilizados para comando, sinalização e interface homem-máquina que serão configurados pelo usuário em função da aplicação. Atualmente a maioria das chaves soft-starters disponíveis no mercado são microprocessadas, sendo assim, totalmente digitais. Alguns fabricantes ainda produzem alguns modelos com controle analógico, mais no sentido de oferecer uma opção mais barata para aplicações onde não sejam necessárias funções mais sofisticadas. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS: PRINCIPAIS FUNÇÕES Além das características mostradas anteriormente as soft-starters também apresentam funções programáveis que permitirão configurar o sistema de acionamento de acordo com as necessidades do usuário. Rampa de tensão na aceleração As chaves soft-starters tem uma função muito simples, que é através do controle da variação do ângulo de disparo da ponte de tiristores, gerar na saída da mesma, uma tensão eficaz gradual e CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 44

45 Continuamente crescente até que seja atingida a tensão nominal da rede. Graficamente podemos observar isto através da figura. Atentem ao fato de que quando ajustamos um valor de tempo de rampa, e de tensão de partida (pedestal), isto não significa que o motor irá acelerar de zero até a sua rotação nominal no tempo definido por ta. Isto na realidade dependerá das características dinâmicas do sistema motor/carga, como por exemplo : sistema de acoplamento, momento de inércia da carga refletida ao eixo do motor, atuação da função de limitação de corrente, etc. Tanto o valor do pedestal de tensão, quanto o de tempo de rampa são valores ajustáveis dentro de uma faixa que pode variar de fabricante para fabricante. Não existe uma regra prática que possa ser aplicada para definir qual deve ser o valor de tempo a ser ajustado, e qual o melhor valor de tensão de pedestal para que o motor possa garantir a aceleração da carga. Rampa de tensão na desaceleração Existem duas possibilidades para que seja executada a parada do motor, por inércia ou controlada, respectivamente. Na parada por inércia, a soft-starter leva a tensão de saída instantaneamente a zero, implicando que o motor não produz nenhum conjugado na carga que por sua irá perdendo velocidade, até que toda energia cinética seja dissipada. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 45

46 Na parada controlada a soft-starter vai gradualmente reduzindo a tensão de saída até um valor mínimo em um tempo pré definido. Graficamente podemos ver observar a figura abaixo. O que ocorre neste caso pode ser explicado da seguinte maneira : Reduzindo-se a tensão aplicada ao motor, este irá perder conjugado; A perda de conjugado reflete no aumento do escorregamento; O aumento do escorregamento faz com que o motor perca velocidade. Se o motor perde velocidade a carga acionada também perderá. Este tipo de recurso é muito importante para aplicações que devem ter uma parada suave do ponto de vista mecânico. Podemos citar como exemplo bombas centrífugas, transportadores, etc. No caso particular das bombas centrífugas é importantíssimo minimizarse o efeito do golpe de aríete, que pode provocar sérios danos a todo o sistema hidráulico, comprometendo componentes como válvulas e tubulações além da própria bomba. Kick Start Existem cargas que no momento da partida exigem um esforço extra do acionamento em função do alto conjugado resistente. Nestes casos, normalmente a soft-starter precisa aplicar no motor uma tensão maior que aquela ajustada na rampa de tensão na aceleração, isto é possível utilizando uma função chamada Kick Start. Como podemos ver na representação gráfica abaixo, esta função faz com que seja aplicado no motor um pulso de tensão com amplitude e duração programáveis para que o motor possa desenvolver um conjugado de partida, suficiente para vencer o atrito, e assim acelerar a carga. Deve-se ter muito cuidado com esta função, pois ela somente deverá ser usada nos casos onde ela seja estritamente necessária. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 46

47 Devemos observar alguns aspectos importantes relacionados com esta função, já que ela poderá ser mal interpretada e desta forma comprometer a definição com relação ao seu uso, inclusive o do próprio sistema de acionamento: Como a tensão de partida poderá ser ajustada próximo da tensão nominal, mesmo que por um pequeno intervalo de tempo, a corrente de partida irá atingir valores muito próximos daqueles registrados no catálogo ou folha de dados do motor. Isto é claramente indesejável, pois a utilização da softstarter nestes casos advém danecessidade de garantir-se uma partida suave, seja eletricamente, seja mecanicamente. Desta forma podemos considerar este recurso como sendo aquele que deverá ser usado em última instância, ou quando realmente ficar óbvia a condição severa de partida. Limitação de corrente Na maioria dos casos onde a carga apresenta uma inércia elevada, é utilizada uma função denominada de limitação de corrente. Esta função faz com que o sistema rede/soft-starter forneça ao motor somente a corrente necessária para que seja executada a aceleração da carga. Abaixo podemos observar graficamente como esta função é executada. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 47

48 Este recurso é sempre muito útil pois garante um acionamento realmente suave e melhor ainda, viabiliza a partida de motores em locais onde a rede se encontra no limite de sua capacidade. Normalmente nestes casos a condição de corrente na partida faz com que o sistema de proteção da instalação atue, impedindo assim o funcionamento normal de toda a instalação. Ocorre então a necessidade de ser impor um valor limite de corrente de partida de forma a permitir o acionamento do equipamento bem como de toda a indústria. A limitação de corrente também é muito utilizada na partida de motores cuja carga apresenta um valor mais elevado de momento de inércia. Em termos práticos podemos dizer que esta função é a que deverá ser utilizada após não obter-se sucesso com a rampa de tensão simples, ou mesmo quando para que o motor acelere a carga, seja necessário ajustar uma rampa de tensão de tal forma que a tensão de partida (pedestal) próximo aos níveis de outros sistemas de partida como por exemplo, as chaves compensadoras, não sendo isto de forma alguma um fator proibitivo na escolha do sistema de partida. Pump control Esta função é utilizada especialmente para a aplicação de partida softstarter em sistemas de bombeamento. Trata-se na realidade de uma configuração específica (pré definida) para atender este tipo de aplicação, onde normalmente é necessário estabelecer uma rampa de tensão na aceleração, uma rampa de tensão na desaceleração e a habilitação de proteções. A rampa de tensão na desaceleração é ativada para minimizar o golpe de aríete, prejudicial ao sistema como um todo. São habilitadas também as proteções de seqüência de fase e subcorrente imediata (para evitar o escorvamento). Economia de energia Uma soft-starter que inclua características de otimização de energia simplesmente altera o ponto de operação do motor. Esta função, quando ativada, reduz a tensão aplicada aos terminais do motor de modo que a energia necessária para suprir o campo seja proporcional à demanda da carga. Quando a tensão no motor está em seu valor nominal e a carga exige o máximo conjugado para o qual o motor foi especificado, o ponto de operação será definido pelo ponto A, conforme a figura abaixo. Se carga diminui e o motor for alimentado por uma tensão constante, a velocidade (rotação) aumentará ligeiramente, a demanda de corrente reduzirá e o ponto de operação se moverá junto à curva para o ponto B. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 48

49 Por ser um motor onde o conjugado desenvolvido é proporcional ao quadrado da tensão aplicada, haverá uma redução do conjugado com uma redução de tensão. Caso esta tensão seja devidamente reduzida, o ponto de operação passará a ser o ponto A½. Em termos práticos pode-se observar uma otimização com resultados significativos somente quando o motor está operando com cargas inferiores a 50% da carga nominal. Isto, diga-se de passagem, é muito difícil de encontrar-se, pois estaríamos falando de motores muito sobre dimensionados, o que atualmente em virtude da crescente preocupação com o desperdício de energia e fator de potência, vem sendo evitado a todo custo. Cabe destacar que este tipo de otimização de energia possui alguns inconvenientes, principalmente, a geração de tensões e correntes harmônicas e variações no fator de potência. No caso as harmônicas podem ocasionar problemas relativos a danos e redução da vida útil de capacitores para correção de fator de potência, sobreaquecimento de transformadores e interferências em equipamentos eletrônicos. PROTEÇÔES A utilização das soft-starters não fica restrita exclusivamente a partida de motores de indução, pois estas também podem garantir ao motor toda a proteção necessária (dependendo o modelo). Normalmente quando uma proteção atua é emitida uma mensagem de erro específica para permitir ao usuário reconhecer o que exatamente ocorreu. A seguir estão relacionadas as principais proteções que as softstarters oferecem. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 49

50 Sobrecorrente imediata na saída Ajusta o máximo valor de corrente que a soft-starter permite fluir para o motor por período de tempo pré ajustado (via parametrização); Subcorrente imediata Ajusta o mínimo valor de corrente que a soft-starter permite fluir para o motor por período de tempo pré ajustado (via parametrização); Esta função é muito utilizada para proteção de cargas que não possam operar em vazio como por exemplo, sistemas de bombeamento. Sobrecarga na saída ( I x t) Supervisiona as condições de sobrecarga conforme a classe térmica selecionada,protegendo o motor térmicamente contra sobrecargas aplicadas ao seu eixo. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 50

51 Sobretemperatura nos tiristores (medida no dissipador) Monitora a temperatura no circuito de potência através de um termostato montado sobre o dissipador de alumínio, onde também estão montados os tiristores. Caso a temperatura do dissipador superar 90 C, o termostato irá comutar fazendo com que a CPU bloqueie imediatamente os pulsos de disparo dos tiristores, enviando uma mensagem de erro que será mostrada no display. Seqüência de fase invertida Alguns modelos de soft-starters irão operar somente se a seqüência de fase estiver correta. Esta proteção pode ser habilitada para assegurar que cargas sensíveis a inversão do sentido de giro não sejam danificadas, como exemplo, podemos citar o acionamento para bombas. Uma desvantagem dos modelos que são sensíveis a mudança da seqüência de fase, é que qualquer operação de reversão deverá ser feita na saída da chave. Falta de fase na rede Detecta a falta de uma fase na alimentação da soft-starter e bloqueia os pulsos de disparo dos tiristores. Falta de fase no motor Detecta a falta de uma fase na saída da soft-starter e bloqueia os pulsos de disparo dos tiristores. Falha nos tiristores Detecta se algum dos tiristores está danificado. Caso exista, bloqueia os pulsos de disparo e envia uma mensagem de erro através do display. Erro na CPU (watchdog) Ao energizar-se, a CPU executa uma rotina de auto diagnose e verifica os circuitos essenciais. Caso haja alguma irregularidade, serão bloqueados os pulsos de disparo dos tiristores e será enviada uma mensagem de erro através do display. Interferência eletromagnética também pode causar a atuação desta proteção. Erro de programação Não permite que um valor que tenha sido alterado incorretamente seja aceito. Normalmente ocorre quando se altera algum parâmetro com o motor desligado e nas condições de incompatibilidade. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 51

52 Erro de comunicação serial Impede que um valor alterado ou transmitido incorretamente através da porta de comunicação serial, seja aceito. Defeito externo Atua através de uma entrada digital programada. São associados dispositivo proteção externos para atuarem sobre esta entrada, como por exemplo, sondas térmicas, pressostatos, relês auxiliares, etc. ACIONAMENTOS TÍPICOS (MODELOS SSW 03 E SSW 04) Veremos a seguir os acionamentos tipicamente configuráveis nas chaves soft-starters, sendo alguns deles utilizados em sistemas um pouco mais sofisticados. Básico / Convencional Todos os comandos, leituras e monitoração de status feitos via I.H.M. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 52

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55 PRINCIPAIS APLICAÇÕES PARA SOFT-STARTERS Nos últimos anos as chaves soft-starters vêm sendo amplamente utilizadas em vários segmentos industriais, destacando-se em algumas aplicações como, por exemplo, sistemas de bombeamento, ventiladores, exaustores, misturadores (pulpers), compressores, moinhos, etc. CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES É importante salientarmos alguns aspectos importantes relacionados a sistemas de acionamento com soft-starters, principalmente o que está relacionado a proteção da chave. Fusíveis Recomenda-se a utilização de fusíveis de ação ultra-rápida para proteção da chave contra curto-circuitos. No caso de usar-se fusíveis de ação retardada, os mesmos não garantirão a integridade dos semicondutores, já que os mesmos com certeza irão danificar-se. Visto que a chave é constituída basicamente de uma placa eletrônica de controle e de módulos de semicondutores de potência, estaremos comprometendo de maneira muito severa o sistema como um todo. Correção de fator de potência Devemos atentar aos casos onde é necessária a correção de fator de potência, principalmente nos casos onde a correção é feita individualmente, onde normalmente temos os capacitores de correção já conectados junto ao motor. Para a aplicação de soft-starters neste tipo de situação devemos garantir que durante a execução das rampas os capacitores estejam desconectados do circuito de saída entre a chave e o motor. De maneira geral, podemos utilizar uma das saídas digitais programáveis da própria chave para comandar o religamento dos capacitores. Isto sem dúvidas é o mais seguro e correto em termos de garantias. Caso, a opção seja a de usar-se um circuito de comando independente da soft-starter, os cuidados deverão ser redobrados já que se os capacitores forem acidetalmente conectados antes do final de execução da rampa de aceleração, por exemplo, serão gerados transitórios indesejáveis de corrente, que poderão seguramente danificar de forma irreversível os semicondutores. Contator de entrada Alguns modelos de chaves encontrados no mercado, em sua maioria modelos analógicos, exigem a colocação de um contator no circuito de entrada da chave. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 55

56 Os modelos analógicos são distribuídos em função de terem um custo menor do que as chaves digitais que por sua vez não tem esta obrigatoriedade. O importante é lembrar que nos modelos digitais estes contatores são colocados em conformidade às normas, no aspecto de segurança. As normas exigem que seja colocado um dispositivo de seccionamento do circuito de força (contator, disjuntor, chave seccionadora, etc.), pois no caso de uma falha na soft-starter (placa de controle) e a queima de um ou mais módulos de tiristores, os mesmos por serem semicondutores, terão como característica entrarem em curto quando danificados, ficando assim claro, que se não tivermos um elemento de seccionamento no circuito de força, não será possível desligar o motor sem que se tome uma atitude mais drástica e com certeza mais perigosa, do ponto de vista relacionado a segurança do usuário. Dispositivos de seccionamento na saída Evite comutar dispositivos como contatores, seccionadoras, etc., conectados na saída da chave, com a mesma ainda acionando o motor ou habilitada. Proteção de sobrecarga Não esqueça de ajustar corretamente os parâmetros relacionados com a proteção de sobrecarga. Sempre ajustar de acordo com o motor utilizado e a corrente de operação do mesmo. Acionamentos multi-motores Quando utilizar-se uma única soft-starter para o acionamento de vários motores (ao mesmo tempo), providenciar a utilização de relés de sobrecarga individuais para cada um dos motores. Não esqueça que neste caso a soft-starter deverá ser dimensionada pela soma das correntes individuais de cada motor. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 56

57 SOFT-STARTER SSW-05 Soft-Starters são chaves de partida estática, projetadas para a aceleração, desaceleração e proteção de motores elétricos de indução trifásicos, através do controle da tensão aplicada ao motor. As Soft- Starters WEG SSW-05, com controle DSP (Digital Signal Processor) foram projetadas para fornecer ótima performance na partida e parada de motores com excelente relação custo-belefício. Permitindo fácil ajuste, simplifica as atividades de Posta-em Marcha e operação do diaa-dia. As chaves Soft-Starters SSW-05 são compactas, contribuindo para a otimização de espaços em painéis elétricos. A Soft-Starter SSW- 05 Plus já incorpora todas as proteções para seu motor elétrico. BENEFÍCIOS Redução acentuada dos esforços sobre os acoplamentos e dispositivos de transmissão (redutores, polias, engrenagens, correias, etc); Aumento da vida útil do motor e equipamentos mecânicos da máquina acionada; Facilidade de operação, programação e manutenção; Simplificação da instalação elétrica; Operação em ambientes de até 55 0C. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 57

58 Se observarmos o comparativo entre métodos de partidas, logo abaixo, iremos identificar outros benefícios do sistema de partida via softstarter. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 58

59 IDENTIFICAÇÃO DA SOFT-STARTER, ATRAVES DO CODIGO DO FABRICANTE CRITÉRIOS PARA DIMENSIONAMENTO Devemos garantir que o motor ao ser acionado por uma chave softstarter tenha condições de acelerar a carga da rotação zero até sua rotação nominal (ou próximo disto) onde haverá então o equilíbrio. Fisicamente, o motor deverá ser capaz de produzir um conjugado dinâmico tal, que seja este o suficiente para vencer o conjugado resistente da carga e a inércia refletida em seu eixo. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 59

60 O motor sofre algumas alterações nas suas características de conjugado em virtude de aplicarmos a ele uma tensão reduzida, trazendo como principais benefícios a redução da corrente e do conjugado de partida respectivamente. Para podermos especificar uma soft-starter é muito importante obtermos algumas nformações relacionadas principalmente com as características do motor, da carga, do ambiente, condições de operação, rede de alimentação, acoplamento entre o motor e a carga. Desta forma trataremos de verificar estes pontos e definir critérios que nos possibilitem especificar o modelo ideal de chave estática. Em relação aos aspectos acima expostos devemos levantar os seguintes dados: Motor - Corrente nominal - Potência nominal - Tensão de alimentação - Número de pólos - Fator de serviço - Tempo de rotor bloqueado - Momento de inércia -Curva característica de conjugado em função da rotação Carga - Curva característica de conjugado em função da rotação - Tipo de acoplamento - Apresenta sobrecarga na partida ou em regime - Número de partidas por hora -Momento de inércia ou GD2 Observações - Para montagem em painel definir : grau de proteção, tensão de comando, refrigeração ; - Característica do ambiente : temperatura, altitude, umidade, agressividade (se existe a presença de líquidos, sólidos ou gases inflamáveis, corrosivos, poeira, sólidos em suspensão, maresia, etc...) Devemos frisar com relação ao dados do motor que a mais importante informação é a corrente nominal, pois a corrente da soft-starter será dimensionada em relação a ela. Desta forma podemos estabelecer o primeiro critério de dimensionamento como a seguir : CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 60

61 DIAGRAMAS DE INSTALAÇÃO E CONEXÃO DA SSW 05 PLUS : PARTIDA E PARADA SIMPLIFICADA PARTIDA E PARADA UTILIZANDO CONTATOR E BOTOEIRAS PARTIDA E PARADA UTILIZANDO BOTOEIRAS E RELÉ DE OPERAÇÃO DA SSW-05 PLUS CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 61

62 AJUSTE DE PARÂMETROS DA SSW-05 PLUS Ajuste da Tensão Inicial: Ajuste o valor de tensão inicial para o valor que comece a girar o motor acionado pela SSW-05 Plus tão logo esta receba o comando de aciona. Ajuste da Rampa do Tempo de Aceleração: Ajuste o valor necessário para que o motor consiga chegar a sua rotação nominal. Nota: Tomar cuidado para que nos casos em que a relação da Corrente da SSW-05 Plus e da Corrente nominal do Motor é 1,00 o tempo máximo que a SSW-05 Plus pode funcionar com 3 x IN é de 10 segundos. Ajuste da Rampa do Tempo de Desaceleração: Este ajuste deve ser utilizado apenas em desaceleração de Bombas, para amenizar o golpe de aríete. Este ajuste deve ser feito para conseguir o melhor resultado prático. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 62

63 Ajuste da Corrente do Motor: Este ajuste irá definir a relação de corrente da SSW-05 Plus e do Motor por ela acionado. Este valor é muito importante, pois irá definir as proteções do Motor acionado pela SSW-05 Plus. O ajuste desta função tem importância direta nas seguintes proteções do Motor: Sobrecarga, Sobrecorrente, Rotor Bloqueado, Falta de Fase. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 63

64 TABELAS UTEIS, NA OPERAÇÃO E PARAMETRIZAÇÃO DA SOFT- STARTER SSW 05 PLUS PROTEÇÕES E SINALIZAÇÕES: CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 64

65 ERROS E POSSIVEIS CAUSAS CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 65

66 SOLUÇÃO DE PROBLEMAS MAIS FREQUENTES CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 66

67 VISUALIZAÇÃO /ALTERAÇÃO DE PARÂMETROS: TABELA DE PARÂMETROS (PARA COMUNICAÇÃO SERIAL / HMI- SSW05-RS): CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 67

68 CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 68

69 (1) Parâmetros alteráveis somente com motor parado (2) Parâmetros não alterados através da função carrega parâmetros com padrão de fábrica (P204) CÓDIGO E DESCRIÇÃO DOS ERROS (PARA COMUNICAÇÃO SERIAL / HMI-SSW05-RS): CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 69

70 DESCRIÇÃO DETALHADA DOS PARÂMETROS (PARA COMUNICAÇÃO SERIAL / HMI-SSW05-RS): CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 70

71 CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 71

72 CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 72

73 CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 73

74 CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 74

75 CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 75

76 8.6.7 TABELA DE PARÂMETROS Parâm etro Função dos Parâmetros (Leitura) P000 (2) Parâmetro de acesso P002 P003 P023 P030 P031 P032 P050 Parâm etro Indicação da corrente do motor (%) Indicação da corrente do motor (A) Versão do Sotware Corrente da Fase R Corrente da Fase S Corrente da Fase T Indicação do estado da proteção térmica do motor Função dos Parâmetros (Leitura e Escrita) Faixa de Valores Internos , = Leitura 5 = Escrita 000, ,9 (% In) 000, ,9 (A) 000, ,9 (A) 000, ,9 (A) 000, ,9 (A) = Erro Faixa de Valores Internos Ajuste de Fábrica 0 Ajuste de Fábrica P101 Tensão inicial (% Un) 30 P102 Tempo de rampa de aceleração (s) 10 P104 Tempo de rampa de desaceleração (s) 0 = off P105 (1) Ajuste da corrente do motor (%) 100 P106 (1) Configuração das proteções F Hexadecimal 1F Hex. Ajuste do Usuário Ajuste do Usuário Pág. Pág. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 76

77 P204 (1) Carrega parâmetros com padrão de fábrica 0 = Sem função 1 = Sem função 2 = Sem função 3 = Sem função 4 = Sem função 5 = Carrega Weg P206 Tempo Auto-Reset (s) = Sem função 1 = SSW -> P215 (1) Função Copy HMI 0 2 = HMI -> SSW P220 (1) P264 (1) P277 (1) P295 (1) (2) Parametrização via HMI / (Trimpots e Dip Switch) Entrada digital programável DI 1 Saída a relé programável (14/23-24) Corrente nominal da chave SSW-05 0 = Trimpots e Dip Switch 1 = HMI 0 = Sem função 1 = Aciona / desaciona 2 = Erro externo 1 = Tensão Plana 2 = Erro 3 = Com. Serial 0 = 3 A 1 = 10 A 2 = 16 A 3 = 23 A 4 = 30 A 5 = 45 A 6 = 60 A 7 = 85 A Confor me o modelo P308 (1) Endereço na rede P313 Ação da verificação da comunicação serial 1 = só Erro 2 = desabilita rampa 3 = desabilita geral 1 P314 Tempo de verificação da comunicação serial (s) 0 = off CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 77

78 TABELA DE DESCRIÇÃO DE ERROS Indica ção E03 E05 E06 E10 E2x E22 E24 E25 E26 E27 E29 E31 E63 E64 E66 E67 E70 E71 E72 E73 E75 Significado Falta de fase Sobrecarga na saída (função Ixt) Erro externo Erro da função Copy Erros da comunicação serial Erro de paridade longitudinal (BCC) Erro de programação Variável inexistente Valor fora de faixa Tentativa de escrita em variável de leitura ou comando lógico desabilitado Erro de comunicação serial cíclica interrompida Falha de conexão da HMI remota Rotor bloqueado Sobrecarga nos tiristores Sobrecorrente imediata Seqüência de fase invertida Subtensão na alimentação da eletrônica Contato do relé de By-pass interno aberto Sobrecorrente antes do By-pass Sobrecorrente imediata do relé de By-pass Freqüência fora da faixa CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 78

79 TABELA COM FUSÍVEIS E CONTATOR TABELA DE POTÊNCIAS / CORRENTES / FIAÇÃO DE POTÊNCIA (COBRE 70 C): CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 79

80 INVERSOR DE FREQÜÊNCIA Variação de velocidade com inversor de freqüência Um acionamento elétrico é um sistema capaz de converter energia elétrica em energia mecânica (movimento), mantendo sob controle tal processo de conversão. Estes são normalmente utilizados para acionar máquinas ou equipamentos que requerem algum tipo de movimento controlado, como por exemplo a velocidade de rotação de uma bomba. Um acionamento elétrico moderno é formado normalmente pela combinação dos seguintes elementos: Motor: converte energia elétrica em energia mecânica Dispositivo eletrônico: comanda e/ou controla a potência elétrica entregue ao motor Transmissão mecânica: adapta a velocidade e inércia entre motor e máquina (carga) Os motores mais amplamente utilizados nos acionamentos elétricos são os motores de indução monofásicos e trifásicos. Estes motores, quando alimentados com tensão e freqüência constantes, sempre que não estejam operando a plena carga (potência da carga igual a potência nominal do motor) estarão desperdiçando energia. É importante ressaltar também o fato de que um motor de indução transforma em energia mecânica aproximadamente 85% de toda a energia elétrica que recebe e que os 15% restantes são desperdiçados, sendo assim o acionamento elétrico de máquinas um assunto de extraordinária importância no que se refere a economia de energia. Métodos de variação de velocidade de motores elétricos Durante muitos anos, as aplicações industriais de velocidade variável foram ditadas pelos requisitos dos processos e limitadas pela tecnologia, pelo custo, pela eficiência e pelos requisitos de manutenção dos componentes empregados. Os sistemas mais utilizados para variação de velocidade foram por muito tempo implementados com motores de indução de velocidade fixa, como primeiro dispositivo de conversão de energia elétrica para energia mecânica. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 80

81 Para a obtenção de velocidade variável o sistema necessitava de um segundo dispositivo de conversão de energia que utilizava componentes mecânicos, hidráulicos ou elétricos. Com a disponibilidade no mercado dos semicondutores a partir dos anos 60 este quadro mudou completamente. Mas foi mesmo na década do 80 que, com o desenvolvimento de semicondutores de potência com excelentes características de desempenho e confiabilidade, foi possível a implementação de sistemas de variação de velocidade eletrônicos. O dispositivo de conversão de energia elétrica para mecânica continuou sendo o motor de indução, mas agora sem a utilização de dispositivos secundários mecânicos, hidráulicos ou elétricos. Em muitos casos a eficiência das instalações equipadas com estes novos dispositivos chegou a ser duplicada quando comparada com os sistemas antigos. Estes sistemas de variação contínua de velocidade eletrônica proporcionam, entre outras, as seguintes vantagens: Economia de energia Melhoramento do desempenho de máquinas e equipamentos, devido a adaptação da velocidade a os requisitos do processo. Elimina o pico de corrente na partida do motor. Reduz a freqüência de manutenção dos equipamentos, etc. Estes novos dispositivos eletrônicos para variação de velocidade de motores de indução são conhecidos como Inversores de Freqüência. Trataremos neste guia de descrever o funcionamento e aplicações dos inversores de freqüência. Com este Guia, a WEG não tem a pretensão de esgotar o assunto, pois ele se renova a cada dia que passa. Temos como objetivo maior fornecermos maiores conhecimentos em comando e proteção de motores elétricos de indução utilizando-se inversores de freqüência. A aplicação de motores de indução tem se regido historicamente pelas características descritas na placa de identificação do motor. Inversor O inversor de freqüência ou conversor de freqüência é um dispositivo de acionamento e controle de velocidade de motores de corrente alternada. Este dispositivo é um dos dispositivos mais utilizados em sistemas onde seja necessário variar a velocidade de máquinas em geral. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 81

82 Princípios básicos para controle de velocidade: Inversor PWM Um conversor de freqüência (inversor de freqüência), com modulação por largura de pulsos consiste basicamente dos seguintes blocos, conforme mostra a figura a seguir: I - Fonte de tensão contínua elaborada a partir de uma ponte retificadora (diodos) Alimentada, por uma rede monofásica ou trifásica; II - Filtro capacitivo (link DC); III - Inversor constituído de transistores de potência; Figura - Diagrama de blocos de conversor tipo PWM A ponte retificadora de diodos transforma a tensão alternada de entrada em uma tensão contínua que é filtrada por um banco de capacitores. O circuito de corrente contínua é chamado de CIRCUITO INTERMEDIÁRIO. Esta tensão contínua alimenta uma ponte inversora formada por transistores de potência (BJT, IGBT ou MOSFET) e diodos de roda livre. O comando das bases dos transistores, feito pelo circuito de comando (que utiliza um microcontrolador), permite a geração de pulsos para o motor com tensão e freqüência controladas. O formato dos pulsos obedece ao princípio de modulação denominado PWM Senoidal, que permite um acionamento com corrente praticamente senoidal no motor. A configuração do módulo é composta de transistores de potência. Usando transistores, ao invés de tiristores, evitamos a utilização de elementos de comutação para o desligamento dos tiristores, bastando remover a corrente de base dos transistores. Para formar um sistema de tensões trifásicas com um conversor, os transistores são chaveados com sinais gerados externamente, por um microcontrolador digital numa seqüência pré-estabelecida, gerando uma forma de onda retangular ou escalonada de um sistema trifásico, nos terminais de saída CA. Aumentando-se ou diminuindo-se a taxa de variação do chaveamento, pode-se alterar a freqüência do sistema trifásico gerado, inclusive CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 82

83 aumentando a freqüência acima do valor da rede, uma vez que a conversão CC desacopla a saída da entrada. O circuito de controle é responsável pela geração dos pulsos de disparo dos transistores, monitoração e proteção dos componentes da potência, interpretação dos comandos, proteção e segurança. Comparados com tiristores, os transistores podem chavear muito mais rapidamente. Portanto, possuem uma vasta área de aplicação em inversores de alta freqüência que empregam modulação por largura de pulsos. A maior desvantagem é que os transistores necessitam de corrente contínua na base durante o estado de condução, mas o custo do circuito necessário para tal é compensado pela dispensa de elementos de comutação. A figura a seguir mostra os componentes de potência do circuito inversor básicos para um inversor trifásico, com diodos de circulação (roda livre) e com carga trifásica (indutiva). a) Circuito inversor trifásico com transistores de potência. b) Forma de onda da tensão de saída c) Forma de onda da corrente de saída A variação U/f é feita linearmente até a freqüência nominal do motor (50/60 Hz), acima desta, a tensão que já é a nominal permanece constante e há então apenas a variação da freqüência que é aplicada ao enrolamento do estator. Figura - Curva representativa da variação U/f. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 83

84 Com isto determinamos uma área acima da freqüência nominal que chamamos região de enfraquecimento de campo, ou seja, uma região onde o fluxo começa a decrescer e, portanto, o torque também começa a diminuir. Assim a curva característica conjugado x velocidade do motor acionado com conversor de freqüência pode ser colocada da seguinte maneira: Figura - Curva característica conjugado x velocidade Podemos notar então, que o conjugado permanece constante até a freqüência nominal e, acima desta, começa a decrescer. A potência de saída do conversor de freqüência comporta-se da mesma forma que a variação U/f, ou seja, cresce linearmente até a freqüência nominal e permanece constante acima desta. Figura - Curva característica da potência de saída do conversor. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 84

85 Teoricamente existem duas faixas de atuação: uma com o fluxo constante, até a freqüência nominal, e outra, com enfraquecimento de campo, correspondente àquela acima da freqüência nominal, ou seja: fs = 0 Hz até fnom : U/f = constante = fluxo constante fs maior do que fnom : U/f = enfraquecimento de campo. Entretanto, na realidade, para que essas duas faixas possam ser possíveis, há necessidade de se considerar os seguintes fatores: 1) Se um motor autoventilado trabalha com velocidade menor do que a nominal, terá sua capacidade de refrigeração diminuída. 2) A corrente de saída dos conversores apresenta uma forma não perfeitamente senoidal, o que implica em harmônicas de ordem superior, que provocam um aumento de perdas no motor. Devido a isso, em caso de cargas com característica de conjugado constante (para maiores detalhes vide item capítulo V), é necessário reduzir-se o conjugado e potências admissíveis no motor. Aconselha-se normalmente seguir a seguinte curva: Figura Curva de conjugado x freqüência para uso de motor com conversor de freqüência. Controle escalar Entende-se por controle escalar o sistema de controle de velocidade feito por conversores de freqüência convencionais, onde é necessária apenas a variação de velocidade em aplicações normais e que não requerem elevadas dinâmicas e precisões, nem controle de torque (corrente). O circuito de potência do conversor é igual para os dois sistemas (escalar ou vetorial) conforme visto anteriormente, sendo que o que difere entre os dois é a forma com que é executado o controle de velocidade do motor. Em um sistema com controle escalar, é possível uma precisão de velocidade de até 0,5% da rotação nominal sem variação de carga, e de 3% a 5% com variação de carga de 0 a 100% do torque nominal. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 85

86 Pelo princípio de funcionamento e aplicação, são utilizados na maioria das vezes motores de indução convencionais sem nenhum sistema de realimentação de velocidade (tacogerador acoplado ao motor) em malha fechada. A faixa de variação de velocidade é pequena e da ordem de 1:10 (Ex: 6 a 60 Hz). Com estas características, o conversor de freqüência convencional (escalar), é utilizado em maior escala, pois apresenta um custo relativo menor que o conversor com controle vetorial, como também em relação a um acionamento por motor CC e conversor CA/CC. A fim de estabelecer um comparativo da precisão de regulação de velocidade, apresentamos a seguir uma tabela com valores característicos para um motor de 3 CV, 4 pólos, com variação de velocidade feita através de conversor de freqüência em quatro situações distintas: conversor direto, conversor com ajuste de compensação de escorregamento nominal, conversor com ajuste de compensação de escorregamento otimizado e conversor realimentado por tacogerador de pulsos acoplado ao motor. Tabela Conversor sem e com compensação de escorregamento nominal Tabela Conversor com compensação de escorregamento otimizado e realimentação por tacogerador de pulsos. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 86

87 Controle vetorial Em aplicações onde se faz necessário uma alta performance dinâmica (resposta rápidas e alta precisão), o motor elétrico deverá fornecer essencialmente um controle preciso de torque para uma faixa extensa de condições de operações. Para tais aplicações os acionamentos de corrente contínua sempre representaram uma solução ideal, pois, a proporcionalidade da corrente de armadura, do fluxo e do torque num motor de corrente continua proporciona um meio para o controle de torque. Contudo, a busca por avanços tecnológicos significativos, tem diminuído esta hegemonia, e gradativamente, estão crescendo as opções por novas alternativas como o uso de acionamentos em corrente alternada do tipo controle vetorial. Principio do Controle Vetorial Para que se tenha um controle vetorial bom é necessário que o inversor tenha a capacidade de suprir a corrente desejada pelo controle, neste caso tem se que usar um inversor PWM em alta freqüência com uma tensão adequada em relação a tensão do motor. Neste caso como podemos impor a corrente pelos reguladores de corrente a equação que descreve a tensão do motor em relação as suas características é resolvida pelo inversor e portanto pode ser suprimida do modelo matemático do motor. O fluxo rotórico, de modo semelhante ao acionamento da máquina de corrente continua e mantido no valor nominal em velocidade abaixo da velocidade nominal e trabalha reduzido em velocidade acima da nominal ( enfraquecimento de campo). A diferença de velocidade (erro) é aplicado ao regulador de velocidade que atua sobre o valor de referencia de corrente isq, que é a responsável pelo torque do motor, variando este de modo a zerar o erro de velocidade. O encoder incremental acoplado ao eixo do motor fornece a referencia da velocidade real. Controle Vetorial Orientado ao Fluxo Estatórico (sensorless) No controle sensorless (sem encoder, ou seja sem medida direta da velocidade) o valor da velocidade necessário para a regulação em malha fechada é estimado a partir dos parâmetros do motor e das variáveis disponíveis como: corrente e tensão do estator. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 87

88 Com estes valores pode ser calculado o fluxo estatórico através de ls=ò(vs-rs.is)dt, desta forma estima-se o fluxo rotórico a partir do fluxo estatórico. Embora isto envolva o calculo das indutâncias do motor, tornando desta forma a orientação de campo sensível a variação deste parâmetro. Desta forma o controle pelo fluxo estatórico é mais conveniente, resultando num sistema mais robusto. O principio de controle é igual ao do controle com encoder. Controle Vetorial Orientado ao Fluxo Rotórico (com encoder) Princípio da Orientação de campo Se a posição do fluxo rotórico for conhecida pode se encontrar a direção das correntes no estator. Podemos decompor do vetor de fluxo rotórico as correntes isd e isq que definem o torque como: Temos para o torque uma relação semelhante ao de uma máquina CC. Onde imr=corrente de magnetização. A corrente de magnetização é controlada pela componente isd que pode ser comparada com a tensão de campo do motor CC. Neste caso controlando a amplitude do vetor da corrente estatórica e sua fase e relação ao fluxo rotórico é possível controlar o torque do motor de indução semelhante a uma máquina CC. Tendo então o controle do torque, pode ser adicionado uma malha fechada de velocidade desta forma obtendo um acionamento completo. SELF-COMMISSIONING O controle vetorial tem uma maior performance no acionamento do motor de indução do que o controle escalar. Nos diagramas de blocos vemos a existência de vários reguladores PI que precisam ter seus valores de controle adequados para cada acionamento para melhorar a estabilidade e boa resposta dinâmica. Para isto é preciso estimar algumas variáveis. Neste caso precisa se ter um bom conhecimento dos parâmetros do motor. Com o sistema self-commissioning o próprio inversor mede os parâmetros do motor. Para o ajuste dos reguladores, desta forma facilitando a colocação em operação. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 88

89 Operação As medições feitas pelo inversor vetorial são: Medição da resistência estatórica; Medição da indutância de dispersão total; Ajuste dos reguladores de corrente; Medição da corrente de magnetização; Medição da constante rotórica; Medição da constante mecânica. Ajuste do regulador de velocidade Automação Industrial Embora o inversor com encoder através do self-commisioning é necessário o ajuste dos parâmetros do regulador de velocidade em função da aplicação. Para o sistema com controle sensorless também é preciso um ajuste fino, pois o inversor não estima a constante mecânica da carga. Estes ajustes dos parâmetros P e I geram uma melhor estabilidade e resposta dinâmica. Operação Abaixo de 3Hz O motor pode operar nesta freqüência desde que por um tempo pequeno caso contrario o inversor perde a orientação. Precisão Estática de Velocidade Depende apenas do método de medição e da precisão da referencia de velocidade. Ajuste Fluxo/Corrente de Magnetização/Enfraquecimento de Campo Quando o motor trabalha abaixo da rotação nominal com torque constante deve se manter o fluxo do motor no seu valor máximo de modo a manter uma boa relação entre torque e corrente estatórica. Neste caso tem se que analisar a capacidade do inversor em impor as correntes necessárias para que a orientação de campo não fique prejudicada e tem-se como resultado uma oscilação de velocidade e a impossibilidade de atingir a velocidade desejada. Neste ponto tem se que o inversor deva ter uma margem de tensão suficiente para a imposição das correntes mesmo na condição de tensão de rede baixa, CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 89

90 para isso pode ser necessário reduzir o ponto de inicio do enfraquecimento de campo. Como vimos, o controle vetorial representa, sem duvida, um avanço tecnológico significativo, aliado as performances dinâmicas de um acionamento CC e as vantagens de um motor CA, porem, em alguns sistemas que utilizam controle vetorial é necessário o uso de tacogerador de pulsos acoplado ao motor para que se tenha uma melhor dinâmica, o que torna o motor especial. Além disso, a função de regeneração é mais complicada, pois requer circuitos adicionais tais como ponte retificadora antiparalela na entrada e hardware adicional para regeneração, em comparação a um acionamento por motor CC e conversor CA/CC. OBSERVAÇÕES E CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES 1) Quanto menor a tensão e a freqüência do estator, mais significativa é a queda de tensão no estator, de modo que para baixas freqüências, mantendo-se a proporcionalidade entre a freqüência e a tensão, o fluxo e consequentemente o conjugado da máquina diminui bastante. Para que isto seja evitado, a tensão do estator para baixas freqüências deve ser aumentada, através da compensação IxR, conforme figura a seguir: Figura - Curva característica U/f com compensação IxR Para a faixa compreendida entre 0 a aproximadamente 10 Hz, a relação entre U1 e F não é determinada facilmente, pois dependem tanto de f1 (freqüência estatórica) como de f2 (freqüência rotórica). Portanto, a elevação da tensão em baixas freqüências depende também da freqüência do escorregamento e consequentemente da carga. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 90

91 2) Relações U1/f1 acima dos valores nominais estão limitadas em função de que para altos valores de tensão ocorre a saturação e o conseqüente enfraquecimento do campo. Combinando as equações já apresentadas e com a consideração de pequenos valores de escorregamento e supondo f2 proporcional a f1, podemos dizer que: O conjugado máximo decresce com o quadrado da velocidade (1/n2); O conjugado nominal decresce hiperbólicamente com a velocidade (1/n), e decresce aproximadamente com o quadrado do fluxo (F2); Aproximadamente, a velocidade máxima com potência constante é: ø Figura - Enfraquecimento de campo para valores de tensão e freqüência acima dos nominais. 3) Em função de que as formas de onda, tanto de tensão como de corrente, produzidas pelos conversores de freqüência não são senoidais, com um alto conteúdo de harmônicos de 5ª, 7ª, 11ª e 13ª ordem, as perdas nos motores são maiores. Portanto, faz-se necessário uma redução nas características nominais do motor de aproximadamente 10%. 4) O controle de velocidade de máquinas assíncronas, principalmente em aplicações que exigem elevadas dinâmicas do acionamento, é mais difícil do que nas máquinas de corrente contínua. Ao contrário do motor CC, no qual as grandezas que resultam no conjugado motor, ou seja, a corrente de armadura e corrente de campo podem ser controladas, no motor assíncrono apenas a corrente do estator é acessível. A corrente de magnetização e a corrente do rotor podem ser determinadas apenas indiretamente. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 91

92 Entretanto, altas performances de acionamentos CA podem ser também alcançadas quando, por processos de decomposição vetorial, a corrente do estator é dividida em duas componentes, uma componente de fluxo e outra de torque, onde ambas são controladas independentemente, de forma análoga aos acionamentos com motores CC de excitação independente. CONSIDERAÇÕES SOBRE ACIONAMENTO DE MOTOR MONOFÁSICO O acionamento de motores monofásicos não pode ser feito através da utilização de conversores de freqüência, devido aos princípios físicos de funcionamento (partida) do motor. Em motores monofásicos, a partida é efetuada através da utilização de um enrolamento estatórico auxiliar e de um capacitor de partida, que de uma forma genérica, causam uma deformação no campo girante do motor, que por sua vez produz torque. Após o processo de partida, quando o motor atinge uma determinada velocidade, um contato auxiliar (centrífugo) desconecta o enrolamento auxiliar e o capacitor da rede, operando o motor apenas com o enrolamento principal conectado à rede. Caso fosse utilizado um conversor de freqüência, o mesmo teria de ter sua saída monofásica e haveria a necessidade da utilização do enrolamento auxiliar e do capacitor para a partida (criação de campo girante). Como a tensão de saída do conversor possui uma forma de onda pulsante (PWM), a utilização do capacitor se torna proibitiva, pois os pulsos de tensão causariam a destruição do capacitor. Estrutura interna básica do inversor de freqüência A estrutura básica de um inversor de freqüência pode ser vista na figura abaixo: O diagrama de blocos da figura acima mostra as partes componentes deste dispositivo. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 92

93 O retificador da figura acima gera uma tensão contínua que é posteriormente filtrada e introduzida no bloco seguinte, chamado de Inversor. O inversor é composto de seis chaves implementadas numa configuração como mostrada na figura. Dependendo da combinação de chaves abertas ou fechadas pode se obter na saída do inversor formas de onda diferentes. Estas chaves são implementadas nos inversores de freqüência com dispositivos semicondutores chamados de transistores de potência. Existem várias tecnologias de fabricação para este tipo de transistores. Tipos de inversor de freqüência Um conversor de freqüência converte a tensão da rede de amplitude e freqüência constantes em uma tensão de amplitude e freqüência variáveis. Esta conversão, pode ser obtida direta ou indiretamente: Conversão Direta: onde se enquadram os cicloconversores; Conversão Indireta: onde se enquadram os conversores com Circuito Intermediário. Figura- a) Cicloconversor b) Formação da tensão CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 93

94 CONVERSOR REGULADOR DIRETO CICLOCONVERSORES O cicloconversor é um conversor regulador direto comutado pela rede, isto é, a tensão de comutação é fornecida diretamente pela rede de alimentação. Conforme a figura acima, ele consiste de 6 pontes trifásicas as quais em pares alimentam cada uma das fases da carga. As duas pontes, de cada fase, assim operam em um circuito antiparalelo, isto é, uma ponte fornece a corrente positiva e a outra ponte fornece a corrente negativa do meio ciclo de uma fase da carga (motor). As tensões de saída são obtidas pelo controle dos pulsos da tensão secundária do transformador do conversor. A freqüência de saída pode ser determinada pela seleção dos intervalos de mudança da ponte direta para a ponte reversa. Este tipo de conversor é usado principalmente onde baixas freqüências (0 a 20Hz) são ajustadas continuamente e em acionamentos de grandes potências. Isto se deve ao fato de que para freqüências maiores que 20Hz, o intervalo de disparo dos tiristores para geração de uma onda fundamental de tensão já não é mais possível, pois ocorre uma distorção excessiva na forma de onda de saída, não existindo o comportamento de uma senóide. Exemplos de utilização: Laminadores de Tubo, com motores síncronos a baixa velocidade (12 a 20 rpm); Refundição de Escórias, onde freqüências de 0 a 10 Hz são requeridas; Moinhos de cimento, com motores síncronos de baixa rotação (velocidade até 15 rpm), com elevado número de pólos. CONVERSOR REGULADOR INDIRETO - CONVERSORES COM CIRCUITO INTERMEDIÁRIO O conversor indireto é composto de um retificador (controlado ou não) que produz uma tensão contínua, e um inversor que produz a partir desta tensão contínua uma tensão alternada de freqüência variável. O desacoplamento entre o retificador e o inversor é feito com um circuito intermediário (link DC), de tal forma que a formação da tensão de saída é completamente independente da rede em termos de tensão e freqüência. Os conversores indiretos podem ainda ser classificados quanto às características de seu circuito intermediário : Circuito Intermediário com Corrente Imposta; Circuito Intermediário com Tensão Imposta; CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 94

95 TÉCNICA DE CORRENTE IMPOSTA Contrariamente ao conversor de freqüência de tensão imposta (conversores convencionais - vide item 2.2.2), onde a tensão do circuito intermediário CC é imposta ao motor e a amplitude e o ângulo de fase da corrente do motor depende da carga, nos conversores de freqüência de corrente imposta, a corrente é imposta ao motor e consequentemente a amplitude e o ângulo de fase da tensão do motor é que dependem das condições de carga do motor. Basicamente, o conversor é composto de um retificador controlado (tiristores), um circuito intermediário CC com uma indutância responsável pela corrente imposta, e de um inversor com diodos de bloqueio e capacitores de comutação, conforme descrito na figura: Figura- a) Blocodiagrama de conversor por corrente imposta b) Formas de onda de tensão e corrente. Os diodos de bloqueio servem para desconectar os capacitores do motor. Como este circuito a relação de fase entre a tensão e a corrente do motor ajusta-se automaticamente de acordo com a carga este conversor é capaz de devolver energia à rede. Isto acontece se o ângulo de fase está acima de 90o elétricos para s<0 (máquina operando como gerador). A polaridade da tensão do circuito intermediário inverte para que o retificador de entrada (ponte de tiristores) opere como inversor e devolva energia à rede. Portanto, este conversor está apto a operar nos 4 quadrantes sem custos adicionais. Através do inversor, a corrente definida no circuito intermediário resulta, em cada fase, em blocos de corrente (forma retangular) com 120º de duração e 60º de repouso. A tensão nos bornes da máquina é quase senoidal. Como o dispositivo de comutação opera em função da carga, este conversor é mais adequado a acionamentos monomotores. Comparando-se com os conversores de freqüência por tensão imposta, ele apresenta as seguintes vantagens: CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 95

96 a) Possibilidade de operação nos quatro quadrantes sem a necessidade de incremento de equipamentos adicionais; b) Circuito de comutação extremamente simples e de custo relativamente pequeno; c) Os tiristores do inversor tem aproveitamento otimizado quando a sua capacidade em função da forma retangular da corrente. E as seguintes desvantagens: a) O conversor e o motor devem ser adaptados um ao outro, com a corrente podendo variar dentro de certos limites; b) Os capacitores de comutação tem que estar dimensionados de acordo com as reatâncias de dispersão do motor; c) Adequado ao acionamento de um único motor (caracterizando-se desvantagem quando a aplicação requer acionamento multimotor onde não exista compromisso de funcionamento sempre de todos os motores). Para o controle de motores síncronos o conversor de freqüência de corrente imposta possui no inversor pontes convencionais de tiristores, uma vez que o motor síncrono pode fornecer a potência reativa exigida pelo inversor para sua comutação e, portanto, sem os capacitores de comutação e diodos de bloqueio necessários para o controle de máquinas assíncronas. Este conversor de freqüência tem aplicação garantida onde as exigências da carga são atendidas de forma melhor pelos motores síncronos. As razões principais para a escolha deste tipo de motor são : Acionamento de grande potência aliada a uma alta velocidade; Em motores de grande potência, estes dispõem de um rendimento consideravelmente maior do que o de um motor de indução (assíncrono); Características torque-velocidade durante a partida sensivelmente melhor do que nos motores de indução; Possibilidade de geração de potência reativa. TÉCNICA DE TENSÃO IMPOSTA Através de um conversor de freqüência de tensão imposta, a tensão do circuito intermediário CC (link DC) é imposta ao motor e a amplitude e o ângulo de fase da corrente do motor dependerá da carga a ser acionada. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 96

97 Sendo necessário para este tipo de conversor a característica de se manter a relação U/f constante, para se manter o fluxo de magnetização constante e consequentemente o torque disponível no motor igual ao nominal para qualquer rotação (conforme visto anteriormente), temos que a tensão deve variar proporcionalmente com relação a freqüência. Nos sistemas com tensão imposta existem várias formas de se obter esta relação U/f (tensão/freqüência) proporcional. Entre elas temos : TENSÃO NO CIRCUITO INTERMEDIÁRIO VARIÁVEL Neste sistema, o retificador de entrada é composto por tiristores que são controlados de forma a fornecer uma tensão no circuito intermediário variável em função da freqüência de saída fornecida ao motor, freqüência esta que é determinada através da ponte de tiristores que comutam (liga/desliga) em uma seqüência controlada, de forma a se obter na saída um sistema trifásico com uma forma de onda de tensão conforme descrito abaixo. Com este sistema, é possível também utilizar-se uma ponte retificadora controlada na entrada com tiristores ligados em antiparalelo, podendo-se obter frenagem regenerativa com este conversor. Figura- a) Retificador controlado direto b) Retificador controlado antiparalelo Figura- Forma de onda de tensão e de corrente de saída com circuito intermediário variável CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 97

98 Um outro sistema que utiliza circuito intermediário variável é o descrito a seguir: Figura - Conversor com circuito intermediário variável através de "CHOPPER" Através deste sistema, a entrada é formada por um retificador não controlado com uma ponte de diodos, obtendo-se uma tensão Ud1 fixa. Em seguida esta tensão é modificada em função da freqüência de saída através do circuito CHOPPER, que é um conversor CC/CC, obtendo-se a tensão intermediária variável Ud2, que é aplicada à saída com freqüência variável através da ponte de transistores que comutam (liga/desliga) em uma seqüência controlada, de forma a se obter na saída um sistema trifásico com uma forma de onda de tensão conforme descrito anteriormente. Inversor de Freqüência TENSÃO NO CIRCUITO INTERMEDIÁRIO CONSTANTE Com este sistema, a tensão no circuito intermediário é constante e obtida através de uma ponte de diodos e um banco de capacitores que formam o circuito intermediário (link DC). CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 98

99 Sensores Aplicados na Automação Industrial O que são sensores? São componentes que captam as informações necessárias no decorrer do processo automatizado e enviam ao circuito elétrico de controle. Os sensores podem ser: Sensores Proximidade Óticos Temperatura Pressão Nível Encoder SENSORES PROXIMIDADE Sensores de proximidade são dispositivos eletrônicos utilizados para detecção de objetos, corpos ou volumes, sem que haja contato físico entre o objeto detectado e o sensor. Os sensores de proximidade são divididos em três principais grupos, conforme características construtivas e o tipo de material que são capazes de detectar: 1) Sensores de Proximidade Indutivos: utilizam o processo de indução eletromagnética e são utilizados para detecção de corpos ou materiais metálicos. existem no mercado sensores de 6,5 mm de diâmetro até 150mm. CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 99

100 2) Sensores de Proximidade Capacitivos: utilizam o processo de acoplamento capacitivo e são utilizados para detecção de qualquer tipo de substância ou material, metálico ou não-metálico, sólido ou líquido. Hoje já existem no mercado sensores capacitivos a partir de 12mm de diâmetro. SENSORES ÓTICOS Utilizam o processo de emissão e recepção de raios infravermelhos, podendo ser refletida ou interrompida ou refletida pelo objeto a ser detectado e são utilizados para detecção de qualquer tipo de material. Este tipo de sensor é composto por dois circuitos básicos: um transmissor (Diodo emissor de Luz - LED), responsável pela emissão do feixe de luz, e o receptor (fototransistor ou fotodiodo), responsável pela recepção do feixe de luz. Sistema de Barreira Sistema de Difusão CENTEC Centro de Ensino de Tecnologias 100