FERRAMENTA DE AUXÍLIO AO APRENDIZADO DE MOTORES COM O USO DE REALIDADE VIRTUAL

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1 FERRAMENTA DE AUXÍLIO AO APRENDIZADO DE MOTORES COM O USO DE REALIDADE VIRTUAL Wedson Gomes Jr., Alexandre Cardoso e Edgard Lamounier Jr. Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Elétrica CEP: , C.P. 593, Uberlândia MG Brasil (wedgom@gmail.com, alexandre@ufu.br, lamounier@ufu.br) Abstract The objective of this work is to explore Virtual Reality (VR) techniques to support the teaching of DC and induction motors. The virtual environment allows the user to operate each part of the engine, separately, including all detail parts. This strategy, not only contributes to the electric motor learning process, but also allows a safety environment to its potential users. Keywords: Virtual Reality, Electrical Motors. Resumo O objetivo deste trabalho é explorar técnicas de Realidade Virtual (RV) para apoiar o ensino de motores de corrente contínua e motores de indução. O ambiente virtual desenvolvido permite ao usuário, operar cada peça do motor, separadamente, e com todos seus detalhes. Esta estratégia além de contribuir para o processo de aprendizagem de motores elétricos, permite também um ambiente de segurança para seus usuários em potencial. Palavras Chave: Realidade Virtual, Motores Elétricos. 1. Introdução O conhecimento acumulado ao longo da humanidade é transmitido através de padrões e normas pré-estabelecidas, centrado no professor, sendo o aluno apenas um elemento desse processo[2]. Este processo de transferência de conhecimento é feito através de aulas expositivas, transmissão oral de informações e livros-texto. O uso de Realidade Virtual para o apoio do aprendizado se dá como um instrumento de evolução da educação. O grande potencial da Realidade Virtual está na possibilidade de manipulação virtual de objetos, permitindo experiências com o conhecimento de forma imersiva e interativa; ou seja, auxiliando no aprendizado de uma forma inovadora [2]. Vários autores concordam ao relatar que existem diversas razões para se usar a Realidade Virtual na educação [3]. Dentre elas destacamos: maior motivação dos estudantes (usuários), maior poder de ilustração para alguns processos e objetos, dá oportunidades para experiências e permite que haja interação, e desta forma estimula a participação ativa do estudante. A Realidade Virtual é uma grande aliada no aprendizado, como descrito anteriormente. Quanto ao aprendizado da área de Engenharia Elétrica, existem vários conceitos que não podem ser observados visualmente de forma tradicional. Por exemplo: o campo elétrico de uma bobina, o fluxo de elétrons em um condutor e o funcionamento interno de um motor. Atualmente, muitos dos laboratórios de Engenharia Elétrica em instituições de ensino superior (IES) não possuem um número significativo de motores para estudo dos alunos. De fato existem casos da instituição possuir apenas um motor para uma turma de alunos, sendo raríssimos os casos onde existe um motor para cada aluno. Este trabalho pretende utilizar Realidade Virtual, para construção de uma ferramenta de auxilio didático, para apresentar o funcionamento de motores elétricos de corrente contínua e motores elétricos de indução. Uma vez que os mesmos procedimentos podem ser simulados com um alto índice de realidade em laboratórios virtuais [4]. Um grande benefício oferecido pela Realidade Virtual é que o conhecimento intuitivo do usuário a respeito do mundo físico pode ser utilizado para manipular o ambiente virtual, possibilitando ao usuário a manipulação de informações através de experiências próximas do real. Isso porque, no ambiente virtual, é possível criar a ilusão de mundo que na realidade não existe, através da representação tridimensional para o usuário [1] Motores de Corrente Contínua

2 As máquinas de corrente contínua podem ser utilizadas tanto como motor quanto como gerador. Porém, uma vez que as fontes retificadoras de potência podem gerar tensão contínua de maneira controlada a partir da rede alternada, pode-se considerar que, atualmente, a operação como gerador fica limitada aos instantes de frenagem e reversão de um motor. O motor de corrente contínua é composto de duas estruturas magnéticas: Estator (enrolamento de campo ou ímã permanente); Rotor (enrolamento de armadura). O estator é composto de uma estrutura ferromagnética com pólos salientes aos quais são enroladas as bobinas que formam o campo, ou de um ímã permanente. A Figura 1 mostra o desenho de um motor CC de 2 pólos com enrolamento de campo [6]. Figura 2 - Sistema de Comutação [6] Os métodos de ensinos tradicionais são poucos intuitivos para o aluno que está conhecendo pela primeira vez o funcionamento de cada peça de motor de corrente contínua, e apresenta certa dificuldade em visualizar o funcionamento de um motor sem poder separar as peças e observar o funcionamento independente de cada parte. Além de observar é pouco provável que o aluno tenha a oportunidade de reproduzir casos onde os parâmetros de entrada como frequência e tensão possam ser modificados, e visualizando o que ocorre com o motor. 1.2 Motores de Indução Figura 1 - Motor Corrente Contínua [6] O rotor é um eletroímã constituído de um núcleo de ferro com enrolamentos em sua superfície que são alimentados por um sistema mecânico de comutação (Figura 2). Esse sistema é formado por um comutador, solidário ao eixo do rotor, que possui uma superfície cilíndrica com diversas lâminas às quais são conectados os enrolamentos do rotor; e por escovas fixas, que exercem pressão sobre o comutador e que são ligadas aos terminais de alimentação. O propósito do comutador é o de inverter a corrente na fase de rotação apropriada de forma a que o conjugado desenvolvido seja sempre na mesma direção. Enquanto, nos motores de corrente contínua o estator e o rotor precisam ser alimentados, nos motores de indução apenas o estator deve ser alimentado, e o rotor recebe energia por indução, daí o nome de motor de indução, podemos também utilizar os motores de indução como motor ou como gerador. Existem vários tipos de motores de indução como o motor de rotor bobinado, o motor com rotor em curtocircuito ou em gaiola de esquilo[7]. Ao ser observado, a carcaça do motor e a parte interna, concluímos muitas semelhanças entre os dois motores apesar de esses terem características bastante distintas. A Figura 3 apresenta um motor de indução aberto apresentando cada parte que compõe um motor de indução. Podemos notar que se torna confuso diferenciar cada parte e a função da mesma no funcionamento do motor. Podemos notar que existem varias diferenças entre os dois tipos de motores, e um comparativo entre os dois pode vir a reforçar os conceitos e diferenças sobre cada um dos motores.

3 O software permite que o usuário mova todas as peças dos dois motores, como apresentado na Figura 5. Além de poder visualizar, é possível manipular as peças de forma individual. Figura 3 - Motor de Indução [7] Com os problemas de laboratórios e escassez de equipamentos didáticos uma proposta seria o uso de ambientes de Realidade Virtual para retratar as diferenças e peculiaridades de cada máquina. Os resultados destas avaliações mostram ganhos, em termos de aprendizagem, superiores a diversas outras formas de interação, visando educação mediada por computador [1]. 2. Ambientes de Realidade Virtual para Motores Elétricos A partir dos problemas e dificuldades apresentadas anteriormente, foi desenvolvido um ambiente de comparação entre os dois tipos de motores: o motor de corrente contínua e o motor de indução. Além da modelagem e disponibilidade dos motores, foi criada também uma página web, interagindo com o VRML, pois se obteve melhor visualização dos dados descritos. O software é apresentado na Figura 4. Figura 5 - Motores Abertos Além da função de abrir os motores ainda é possível arrastar e manipular cada componente dos motores, como apresentado na Figura 6, podendo assim visualizar todas as diferenças entre os dois tipos de motores em questão. Figura 6 - Manipulação de peças Podemos deixar a carcaça do motor invisível através de um controlador de transparência do sistema, como apresentado na Figura 7. Figura 4 - Ambiente de RV para motores

4 Figura 9 Sistema que utiliza javascript no VRML para Visualização dos Dados [9] Figura 7 - Partes principais dos motores Foram adicionados ao projeto, algumas vídeo aulas onde é possível o aluno relembrar os conceitos vistos em sala de aula, antes de manipular os motores. Como mostrado na Figura 8 Figura 10 - Quadro de Dados de um Sistema Utilizando Javascript [9] Para solução deste problema, de visualização dos dados, uma página web foi desenvolvida. A linguagem escolhida foi o ASP.NET, da Microsoft. Está linguagem consegue interagir com o VRML no sentido de buscar e apresentar para o usuário, de forma organizada e padrão, os dados do sistema. Figura 8 - Vídeos Aulas [10] 3. Interação VRML com ASP.NET Foi criada uma página web afim de obter uma melhor visualização dos dados numéricos, pois VRML não suporta tal funcionalidade: isto é possível por meio de integração com o Javascrip. Os campos de texto criados com o Javascrip, não se ajustam automaticamente ao tamanho o dado a ser apresentado. Na Figura 9 é apresentado um exemplo de um sistema onde os dados apresentados se tornam ilegíveis, se tornando um efeito indesejado, estes dados são apresentados com maiores detalhes na Figura 10. Figura 11 - Apresentação dos dados No motor de indução temos a opção de alterar a frequência de funcionamento do motor de 4 pólos e o mesmo reproduz a velocidade de rotação em RPM. Pode -se notar também que o eixo do motor realiza as rotação na velocidade síncrona obtida, como se fosse

5 um motor real, sendo assim o motor virtual se aproxima bastante do motor real neste aspecto. 4. Conclusões e Trabalhos Futuros O emprego de RV para desenvolvimento de ambientes virtuais é muito eficiente, porque permite que o aluno explore todos os detalhes de um experimento, de forma mais natural e intuitiva. Assim, ele pode observá-lo de diversos ângulos atentando-se a pequenos detalhes que vão auxiliá-lo a compreender melhor o conteúdo estudado. Sua grande diferença com outros ambientes de simulação é que todo ambiente é desenvolvido em 3 dimensões ao contrário dos demais estudos, que são desenvolvidos em 2 dimensões reduzindo a qualidade do aprendizado [1]. Além disso, o uso de VR permitiu que este ambiente possa ser compartilhado via internet, pois, os browsers utilizados hoje em dia dão suporte a esta tecnologia. É necessário apenas que seja instalado nas estações o plug-in do Cortona para a simulação dos ambientes. Este tipo de interação auxilia os alunos no desenvolvimento de habilidades computacionais e de domínio de periféricos [8]. Como trabalho futuro pretende se realizar testes com professores e alunos, adicionando atividades e exercícios educacionais com os motores virtuais, adicionar mais funções e representar outros elementos de Engenharia Elétrica utilizando Realidade Virtual e páginas web feitas em outras plataformas. O uso de Realidade Aumentada para aplicações semelhantes, será também investigado. 5. Referências [1] CARDOSO, Alexandre; KIRNER, Claudio; LAMOUNIER, Edgard e KELNER, Judith. Tecnologia para o desenvolvimento de Sistemas de Realidade Virtual e Aumentada. 2. ed. Recife: Editora Universitária - Ufpe, p. ( ). [2] MILTON, Vieira Junior. Educação em engenharia: estudo de metodologias pedagógicas e desenvolvimento de um software aplicado ao ensino de estabilidade de sistemas de energia elétrica. Mestrado UNESP: Ilha Solteira SP [3] CASAS, Luis A; BRIDI, Vera; FIALHO, Francisco. Construção do Conhecimento por Imersão em Ambientes de Realidade Virtual. VII Simpósio Brasileiro de Informática na Educação, Belo Horizonte MG [4] SHERMAN, R. Wiliam. Experiences with Virtual Reality applications. Proceedings of the 24th annual conference on Computer graphics & interactive techniques [5] CARDOSO, Alexandre Página do Pesquisador. Contém informações sobre aplicações de Realidade Virtual, pesquisa e publicações do pesquisador, tutoriais sobre VRML e artigos indicados para leitura. Disponível em: < Acesso em Mar./2008 [6] SIEMENS. Motores de Corrente Contínua. Unidade Automação e Controle Acionamentos e Motores Elétricos. Disponível em: < Acesso em: 25 ago [7] FRANCISOCO, António. Motores de indução Trifásicos. Disponível em: < maquinas%20el%c3%a9ctricas%202/aulas%20te %C3%B3ricas/Motores_inducao_tri.pdf>. Acesso em: 25 ago [8] VRMLPAD, Parallellgraphis. O site disponibiliza diversos programas computacionais de grande utilidade para desenvolvimento de ambientes virtual em VRML, inclusive o programa VRMLPad, ExtrusionEditor. Disponível em: < Acesso em Ago./2010 [9] SOUZA, Eduardo. Sistema de Bombeamento Simulação de uma máquina girante associada a uma moto-bomba, com possibilidade de abrir, mudar a vazão, o tempo de funcionamento e visualizar parâmetros elétricos e mecânicos decorrentes da alteração. Disponível em: < ipal.wrl>. Acessado em Ago./2010 [10] BARRETO, Gilmar. Motor de Indução Princípio de Funcionamento. Disponível em: < Y>. Acessado em Ago./2010