CAPÍTULO 1 Introdução aos acionamentos elétricos

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Nathalie Ferrão Braga
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1 CAPÍTULO 1 Introdução aos acionaentos elétricos Iportância dos acionaentos elétricos Fases históricas Características dos acionaentos elétricos O sistea ecânico Diagraa Conjugado Velocidade Conjugado de Frenage Conjugado de Carga Segunda Lei de Newton Engrenagens de Polias Tipos de Carga Características de conjugado dos otores elétricos Características do Acionaento Características de Operação Regies de Operação 1

2 INTRODUÇÃO IMPORTÂNCIA DOS ACIONAMENTOS ELÉTRICOS AUMENTO DA QUANTIDADE E QUALIDADE DO MATERIAL PRODUZIDO REDUÇÃO DOS CUSTOS DE FABRICAÇÃO AUMENTO DA SEGURANÇA DO TRABALHO, PERMITINDO O DESENVOLVIMENTO DE LINHAS DE PRODUÇÃO EM ÁREAS PERIGOSAS. REDUÇÃO DA OCIOSIDADE DOS EQUIPAMENTOS 2

3 FASES HISTÓRICAS 1 A FASE: No final do século XIX, ua áquina a vapor acionava u eixo longo co várias polias. Posteriorente, a áquina a vapor foi substituída por u otor elétrico. U só otor ovia todas as áquinas da planta. 2 A FASE: Cada áquina te seu próprio otor 3 A FASE: As áquinas passa a conter diversos otores elétricos. 3

4 CONVERSÃO DE ENERGIA EM ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Acionaentos Elétricos (*) Energia priária Usina (conversão) Transissão distribuição) Eletrônica de potência Uso Final (conversão) Solar (PV) Célula a Hidrogênio Fig. 1.1 Fóssil Nuclear Solar Térica Mecânica Elétrica Acionaentos Elétricos Industriais Elétrica Mecânica Hidráulica Eólica (*) Prof. Selênio (UFMG) (elétrica) (térica) (quíica) Fig

5 CONVERSÃODE ENERGIA EM ACIONAMENTOS ELÉTRICOS (*) Fig. 1.3 (*) Prof. Selênio (UFMG) 5

6 SISTEMAS DE ACIONAMENTO DE VELOCIDADE VARIÁVEL ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE ACIONAMENTO BÁSICO REALIMENTAÇÃO DE VARIÁVEIS MECÂNICAS (POSIÇÃO VELOCIDADE,...) REALIMENTAÇÃO DE VARIÁVEIS ELÉTRICAS CONTROLADOR CONVERSOR MOTOR SISTEMA MECÂNICO FONTE DE ALIMENTAÇÃO PRINCIPAL Fig

7 CRACTERISTICAS DOS ACIONAMENTOS ELÉTRICOS (*) Faixa de potência 1W (pequenos ecanisos) : 10 8 W (bobas) Faixa de Torque-Velocidade 10 6 N (lainadores) 10 5 rp (centrífugas) Adequação e diversos abientes Baixo ipacto abiental Facilidade de operação Alta eficiência e capacidade de sobrecarga Facilidade de controle e alto desepenho dinâico Operação e 4 quadrantes DESVANTAGENS PRINCIPAIS Dependência de forneciento contínuo de energia Relativa baixa densidade de potência (refrigeração e saturações) 7

8 O SISTEMA MECÂNICO O sistea ecânico é visto pelo otor coo u conjugado (torque) que deve ser aplicado ao eixo pelo acoplaento do otor. Para a operação e regie estacionário, a definição entre a relação do conjugado de carga e a velocidade do otor pode ser feita e teros dos quatro quadrantes do diagraa conjugadovelocidade. 8

9 DIAGRAMA CONJUGADO-VELOCIDADE Quadrante 1 : Acionaento direto Quadrante 2 :Duas condições possíveis. Se as condições elétricas são as esas do prieiro quadrante, o sistea ecânico está acionando o otor e ua direção oposta. É u outro tipo de frenage chaada e plugging. Se as condições elétricas são as do terceiro quadrante, tese a frenage reversa. Quadrante 3: O conjugado e a rotação são revertidas. Siilar ao prieiro quadrante. Quadrante 4: O sistea ecânico deanda u conjugado negativo para proporcionar a frenage. Fig

10 CONJUGADO DE FRENAGEM Frenage ecânica: frenage por atrito através de u freio ecânico. Energia cinética do sistea é dissipada e calor. Frenage por corrente de turbilhão ou Eddy Current. Frenage Dinâica: o otor age coo gerador e a energia gerada é dissipada e resistores. Frenage Regenerativa: o otor age coo u gerador e devolve energia para o sistea elétrico de alientação. 10

11 TIPOS DE CONJUGADO DE CARGA ATRITO: conjugado usado para acionar o sistea ecânico se realizar trabalho ecânico adicional. VENTILAÇÃO: conjugado usado para agitar ou bobear o ar ao redor das partes óveis do ecaniso. ACELERAÇÃO: conjugado desenvolvido e condições transitórias e usado para sobrepujar a inércia ecânica. TRABALHO MECÂNICO: conjugado para realizar o trabalho desejado. 11

12 CONJUGADO DE ATRITO Atrito viscoso: B - proporcional à velocidade B d (Eq. 1.1) B B [N.] dt B : coeficiente de atrito viscoso (constante do sistea). : velocidade angular [rad/s] : posição angular [rad] Fig. 1.6 B Atrito de Coulob: C - não varia co a velocidade c Atrito estático: S c s Fig

13 VENTILAÇÃO E ELASTICIDADE TORCIONAL Conjugado de Ventilação: V - aproxiadaente proporcional ao quadrado da velocidade de rotação. Conjugado torcional: K - proporcional ao ângulo de torção. K k [N.] (Eq. 1.2) K k: dureza torcional K : ângulo de torção [rad] 13

14 ACELERAÇÃO Conjugado inercial ou de aceleração: J - proporcional à aceleração J J 2 d 2 dt J d dt [N.] (Eq. 1.3) J: oento de inércia rotacional [kg. 2 ] TRABALHO MECÂNICO O conjugado usado para realizar o trabalho ecânico ( W ) é função da velocidade rotacional. W d dt (Eq. 1.4) [N.] 14

15 SEGUNDA LEI DE NEWTON A soatória das forças aplicadas sobre u corpo é proporcional à sua aceleração. T Total d Aplicado r Resistente J d dt CONJUNTO MOTOR - CARGA MECÂNICA d e r J (Eq. 1.6) dt Eletroagnético Resistente e : Torque eletroagnético aplicado pelo otor r : inclui perdas ecânicas do otor e conjugados de carga EQUAÇÃO MECÂNICA USUAL DE UM SISTEMA DE ACIONAMENTO J d dt B ec W (Eq. 1.5) (Eq. 1.7) 15

16 ENGRENAGENS E POLIAS 1 2 1 2 2 1 D D N N RELAÇÃO DE VELOCIDADES RELAÇÃO DE CONJUGADOS 2 1 2 1 2 1 D D N N N 1, N 2 : núero de dentes das

16 16 ENGRENAGENS E POLIAS D D N N RELAÇÃO DE VELOCIDADES RELAÇÃO DE CONJUGADOS D D N N N 1, N 2 : núero de dentes das engrenagens. D 1, D 2 : diâetros das polias. (Eq. 1.8) (Eq. 1.9) RELAÇÃO DE MOMENTO DE INÉRCIA D D N N J J (Eq. 1.10) Fig. 1.8

17 COMPRESSOR COMPRESSOR ALIMENTANDO UM SISTEMA DE PRESSÃO CONSTANTE d Fig. 1.9 Noralente esta característica pode ser linearizada co pequena aproxiação Noralente é u sistea unidirecional operando no PRIMEIRO QUADRANTE. 17

18 BOMBA CENTRÍFUGA OU VENTILADOR d Fig W k 2 [N.] (Eq. 1.11) P W k 3 [W] (Eq. 1.12) Noralente é u sistea unidirecional operando no PRIMEIRO QUADRANTE. 18

19 ACIONAMENTO A POTÊNCIA CONSTANTE Aplicação típica: lainador de tiras de aço, papel ou plástico d f v Fig andril eixo rolo À edida que o raio r da bobina auenta, o conjugado W auenta e a velocidade angular deve diinuir. A função W () é ua hipérbole. Para fazer u rolo satisfatório, a tensão na tira deve ser constante. Esta tensão é expressa pela força tangencial f. W f.r [N.] v [rad/s] r P f. v W. [W] f, v, P: força (tensão) tangencial [N], velocidade tangencial [/s] e potência [W] exercida pelo acionaento. Deve ser constantes. (Eq. 1.13) 19

20 ACIONAMENTO A CONJUGADO CONSTANTE Aplicações típicas: elevadores e guindastes de içaento Fig W Mg r constante (Eq. 1.14) Necessita, e geral, de operação nos QUATRO QUADRANTES. 20

21 CARACTERÍSTICA CONJUGADO - VELOCIDADE DOS MOTORES ELÉTRICOS 1 0 GRUPO: Característica essencialente rígida. Motor Síncrono 0 0% 0 : velocidade síncrona 2 0 GRUPO: Característica rígida. Fig Motor CC co excitação independente 2% a 5% Motor CA de indução categoria N 3 - Motor CA de indução categoria H Fig

22 CARACTERÍSTICA CONJUGADO - VELOCIDADE DOS MOTORES ELÉTRICOS 3 0 GRUPO: Característica flexível. 1 - Motor CC coposto ( copound ) 2 - Motor CC série Fig Motor CA de indução categoria D 22

23 CARACTERÍSTICAS DO ACIONAMENTO Ua vez estando definida a característica conjugado-velocidade da carga, é possível considerar a cobinação otor-controlador (que é tabé influenciada pela natureza da fonte de alientação). Qualquer cobinação otor-conversor pode ser representada, e regie estacionário, por ua faília de características conjugado-velocidade e alha aberta, que corresponde a ua série de ajustes de controle. D 2 D 1 p 3 W 1 p 1 p 4 W 2 p 2 Fig

acionaento elétrico (conversor, proteção e disponibilidade de energia).

24 CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO Co relação ao plano de operação da Fig. 1.2, deve-se obedecer os liites de potencia áxia dos sistea ecânico e do sistea de acionaento elétrico (conversor, proteção e disponibilidade de energia). M d (I) Potência Máxia E Regie Potência Máxia transitória ec (V) Potência Máxia do conversor Fig

25 REGIMES DE OPERAÇÃO 1 pu ec t T 1 T 2 T e t Dados típicos de elevadores P T P ax V = 9 a 10 /s A = 0.8 a 1.2 /s 2 da/dt = 1.5 a 2.5 /s 3 t t 1 t 2 t 3 t 4 Fig

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