Conversores e Inversores

Departamento Regional de São Paulo

Conversores e Inversores

ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”

Eletricista de Manutenção Eletroeletrônico

Eletricista de Manutenção Eletroeletrônico


SENAI-SP, 2004

Trabalho organizado pela Escola SENAI “Almirante Tamandaré”, a partir dos conteúdos extraídos daIntranet do Departamento Regional do SENAI-SP.

1ª edição, 2004

Coordenação Geral Luiz Gonzaga de Sá Pinto

Equipe Responsável

Coordenação Celso Guimarães PereiraEstruturação Ilo da Silva MoreiraRevisão Antonio Carlos Fernandes Junior

Iderval Silva de Souza

SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem IndustrialDepartamento Regional de São PauloEscola SENAI “Almirante Tamandaré”Av. Pereira Barreto, 456CEP 09751-000 São Bernardo do Campo - SPTelefone: (011) 4122-5877FAX: (011) 4122-5877 (ramal 230)E-mail: [email protected]

cód. 120.2.006

Sumário

Página 4 Parâmetros mecânicos de máquinas elétricas

13 Componentes mecânicos de sistemas elétricos

30 Medidores de rotação

34 Freio de Prony

43 Motores de aplicações especiais

52 Máquinas de corrente contínua

70 Fundamentos de amplificadores operacionais

99 Circuitos diferenciadores e integradores

109 Controle eletrônico de potência

126 Inversores


4ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”

PARÂMETROS MECÂNICOS DE MÁQUINAS ELÉTRICAS

Para usar uma máquina elétrica, é necessário conhecer, além de suas propriedades elétricas,

seus parâmetros mecânicos, tais como a rpm, o torque e a potência mecânica.

Este será o assunto da presente unidade.

Rpm

A rpm “n” de uma máquina é igual ao número de revoluções do rotor em um determinado

tempo e que se mede em revoluções por minuto.

Instrumentos de medição de rpm

Em aplicações técnicas, empregam-se diversos dispositivos para medir a rotação. O mais

simples é o tacômetro manual.

Com ele, é possível medir diretamente a rotação aplicando o instrumento ao eixo da máquina.

A rotação é transmitida mediante uma embreagem de borracha.

Outro instrumento para a medição da rpm é o gerador taquimétrico (ou tacométrico) que se

aplica diretamente à máquina cuja rotação se quer medir.

Dependendo do tipo de gerador usado, este pode:

• gerar uma tensão contínua cujo valor depende da rotação, ou;



• Gerar uma tensão alternada cuja freqüência depende da rotação e, embora nesse caso

meça-se a freqüência, o resultado que aparece no mostrador é a rpm.

Para obter tensão alternada dependente da rotação, podem ser usadas barreiras óticas

(células fotoelétricas) em lugar do gerador taquimétrico. Essas células são usadas em combinação

com discos perfurador ou geradores Hall juntamente com ímãs.

Cálculo da rpm

Para realizar o cálculo da rpm, é necessário conhecer a freqüência da rede e a quantidade de

pólos do motor. A fórmula para esse cálculo é:

n = p60 . f

Onde:

• n é a rpm,

• f é a freqüência,

• p são os pares de pólos.

Exemplo

Calcular as rpm de um motor de 2 pólos, ligado a uma rede de 60Hz.

n = 160 . 60

= 3660rpm

Cálculo de rotação do campo girante

Se, em um estator, forem colocadas 6 bobinas defasadas de 60º uma da outra, ao ligá-las à

rede trifásica, obtém-se um campo giratório de 4 pólos.


ESCOLA SENAI “AL

Quando se trata

para dar um volta comp

O motor de 4 pó

períodos de 360º.

Isto significa que

de pares de pólos do ca

A fórmula para es

n = p60 . f

Exemplo

Calcular a rotaçã

n = 2

60 . 60 =

36

6MIRANTE TAMANDARÉ”

de um motor de 2 pólos, o campo giratório precisa do tempo de um período

leta, ou seja 360º.

los precisa de um tempo que eqüivale ao dobro do de 2 pólos, ou seja, dois

a rotação do campo girante depende da freqüência da corrente e do número

mpo.

se cálculo é a mesma da rpm, ou seja:

o do campo girante de um motor de quatro pólos ligado a uma rede de 60Hz.

200

= 1800



Cálculo de deslizamento ou escorregamento (s)

Sobre o rotor de um motor trifásico assíncrono aparece um torque que atua no sentido do

campo giratório. O rotor gira com uma velocidade menor que o campo giratório.

Assim, velocidade de deslizamento (ns) é a velocidade relativa entre o rotor n e o campo

girante nf, ou seja, ns = nf - n

Deslizamento (s) (ou escorregamento) é o quociente entre a velocidade de deslizamento e a

velocidade do campo giratório:

s = nfn - nf

O deslizamento pode ser indicado em percentual da velocidade do campo giratório:

s = nf

n - nf . 100%

Exemplo

Calcular o deslizamento percentual de um motor assíncrono trifásico de 4 pólos que recebe

uma freqüência de excitação de 60Hz, cujo rotor gira a uma velocidade de 1440rpm.



nf = p

60 . f =

260 . 60

= 2

3600 = 1800rpm

ns = nf – n = 1800 – 1400 = 360

s = nfn - nf

= 1800

1440 - 1800 =

1800360 = 0,2

s% = nf

n - nf . 100 = 20%

Observação

Quando o rotor está em repouso, podemos considerar o motor assíncrono trifásico como um

transformador trifásico.

O valor da tensão no enrolamento do rotor em repouso, ou seja, a tensão com rotor travado só

depende do quociente entre os números de espiras do rotor e do estator. Quando o rotor gira, sua

tensão vai reduzindo proporcionalmente ao deslizamento.

Para a velocidade sincronismo, ou seja, quando as duas velocidades são iguais, até a tensão

induzida será nula.

Com o rotor travado, a freqüência da tensão no rotor é igual à freqüência da tensão do estator.

Quando o rotor gira, a freqüência de sua tensão também decresce proporcionalmente ao

deslizamento até fazer-se nula para a velocidade de sincronismo.

Torque ou momento

Torque (M) (ou momento) é a força (F) atuando sobre um corpo e causando seu movimento

através de uma distância (s).

Mesmo que esse corpo não gire, o torque existe como produto daquela força pela distância

radial em relação ao centro do eixo da rotação, ou seja, torque é o produto da força pelo comprimento

do braço da alavanca. Matematicamente, isso significa:



M = F . s

Onde:

• M é o torque ou momento em Newtons por metro;

• F é a força em Newtons;

• s é o comprimento em metros.

Quando os torques de giro à direita e à esquerda são iguais, a alavanca se encontra em

equilíbrio ou repouso. Se os torques são diferentes, a alavanca gira no sentido do torque maior.

Torques de giro à esquerda = torques de giro à direita

(torques) M = F . s

Já sabemos que um campo magnético de fluxo Φ origina-se no estator das máquinas elétricas

rotativas.

Sabemos também que o rotor se compõe de um tambor de ferro doce magnético com ranhuras

nas quais são colocados os condutores. Esses condutores dentro de um campo magnético e

percorridos por uma corrente elétrica estão submetidos a uma força. O valor dessa força é:



F = Φ . I . 1

Onde:

• F é a força em Newtons;

• Φ é a indução magnética em teslas;

• I é a corrente em ampères;

• 1 é o comprimento do condutor em metros.

Essa força é aplicada ao condutor a uma distância (s) do eixo do rotor.

Quando esse torque for igual ou suficiente para que o rotor (que possui um movimento

resistente) gire, obtém-se uma rotação constante.



Obtenção do torque

Nas máquinas elétricas, o torque se mede com a ajuda de freios, como por exemplo, o freio de

corrente de Focault.

No motor elétrico o torque (M) e as rotações (n) estão relacionados, pois a rotação diminui

quando se aumenta o torque.

Na partida, a rotação é zero e o torque, que atua sobre o eixo nesse instante, é chamado de

torque de arranque.

Para se obter o torque, faz-se o seguinte:

1. Dá-se partida no motor sem carga;

2. Coloca-se carga partindo do zero. À medida que a carga aumenta, anota-se o torque e a

rotação:

Exemplo

Torque 0 0,25 0,5 0,75 1 1,1... 0,85 0,9

Rotação 1500 1470 1430 1375 1200 1000... 100 0



3. Monta-se o gráfico;

Observação

Para qualquer motor CA de indução tipo gaiola, o torque de partida é apenas função da tensão

aplicada ao enrolamento do estator. Quando se reduz à metade a tensão nominal aplicada por fase

durante a partida, o torque de partida produzido é 1/4 do que seria produzido a plena tensão.

Potência

A potência está relacionada com a rotação e o torque desenvolvidos pela máquina.

O eixo de uma máquina que gira com uma rotação n transmite um torque.

Com estes dois parâmetros, calcula-se a potência mecânica da máquina a partir da seguinte

fórmula:



P = 100 . 602

. n . M

Onde:

• P é a potência;

• 2 é a constante;

• n são as rotações em rpm;

• M é o torque em Nm.

Ou: P = 3

3-10 . M . n

COMPONENTES MECÂNICOS DE SISTEMAS ELÉTRICOS

Introdução

Os sofisticados comandos eletroeletrônicos, usados nos processos industriais funcionam

combinados com sistemas mecânicos complexos.

Muitas vezes, um defeito eletroeletrônico pode ser causado por uma falha mecânica ou vice-

versa. Assim, veremos nesta unidade, alguns componentes mecânicos básicos, tais como:

transmissões mecânicas, hidráulicas e pneumáticas, e rolamentos.

Mecanismo de acoplamento e transmissão

O mecanismo de acoplamento e transmissão serve para acoplar e desacoplar eixos cujos

prolongamentos estão no mesmo plano.

O principal objetivo do mecanismo de acoplamento é a transmissão de movimento. Por isso,

ele pode também ser chamado de mecanismo de transmissão.


ESCOLA SENAI “AL

Os mecanismos de transmissão podem funcionar das seguintes maneiras:

1. Por atrito entre:

a) Uma correia plana e uma polia

b) Uma correia trapezoidal e uma polia de canal de “V”

c) Rodas de f


ricção planas e cônicas



d) rodas de fricção cônicas equiaxiais

Observação

Num sistema de transmissão por atrito existe um deslizamento que, nas correias trapezoidais é

menor que nas correias planas.

2. Por atrito entre:

a) Os dentes de uma roda dentada



b) Uma roda dentada e uma cremalheira

Acoplamentos com relação de transmissão 1:1

Os acoplamentos com relação de transmissão 1:1 são os seguintes:

• Acoplamento fixo,

• Acoplamento extensível,

• Acoplamento de desengate,

• Acoplamento de desengate e engate,

• Acoplamento elástico.

Acoplamento fixo

O acoplamento fixo serve para unir duas extremidades de eixos. As superfícies de aperto

podem ser paralelas ou perpendiculares ao eixo como mostram as figuras a seguir.



Acoplamento extensível

O acoplamento extensível serve para unir eixos separados por grandes distâncias.



Acoplamento de desengate

Esse tipo de acoplamento é usada para desengatar rapidamente um eixo em movimento.

Observação

Esse acoplamento só engata em repouso.

Acoplamento de desengate e engate

Esse tipo de acoplamento é usado para engatar e desengatar um eixo em movimento.



Acoplamento elástico

O acoplamento elástico é usado em eixos equiaxiais e é capaz de absorver choques e

vibrações.

Transmissão hidráulica

A transmissão hidráulica tem seu funcionamento baseado na propagação da pressão de um

líquido. Essa pressão se transmite em todas as direções com a mesma intensidade.

A utilização da pressão exercida por líquidos permite principalmente:

• Produzir força considerável,

• Obter um movimento alternativo muito flexível.


E

do

gá

co

co

Po

ex

tra

20SCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”

O sistema hidráulico transmite força instantaneamente devido ao baixo fator de compressão

s líquidos.

Transmissão pneumática

O funcionamento dos mecanismos pneumáticos se baseia na propagação da pressão de um

s (o ar). Essa pressão se transmite em todas as direções com a mesma intensidade.

O ar pressionado através de pistões produz força e movimento alternativos da mesma forma

mo nos circuitos hidráulicos.

A desvantagem do mecanismo pneumático é sua incapacidade de manter uniformes e

nstantes as velocidades dos pistões, devido à compressibilidade a que os gases estão sujeitos.

r isso, existe um pequeno retardo na transmissão do movimento.

A grande vantagem dos sistemas hidráulicos e pneumáticos é o fácil controle da força

ercida.

Rolamentos

Rolamentos são componentes mecânicos criados para diminuir o atrito nos eixos rotativos que

nsmitem movimento.



Os rolamentos se dividem em duas categorias conforme a finalidade a que se destinam: radiais

e axiais ou de encosto.

Os rolamentos radiais que podem ser de esferas ou de roletes servem para suportar eixos

rotativos, solicitados exclusivamente para forças radiais, como por exemplo, a força exercida por uma

polia em uma máquina girante.

Os rolamentos axiais ou de encosto servem para suportar solicitações axiais a que os eixos

rotativos estão sujeitos.

Observação

Se um eixo for solicitado axialmente e radialmente, ele deverá ser provido dos dois tipos de

rolamentos.



Manutenção dos rolamentos

Como os rolamentos são usados em máquinas girantes, é importante conhecê-los para realizar

montagens, desmontagens, verificações e lubrificações de maneira correta para aumentar sua vida

útil.

Rotinas de verificações em operação

Os rolamentos montados em máquinas, cuja paralisação ocasionará sérios prejuízos à

produção, devem ser verificados regularmente.

Os rolamentos em aplicações menos críticas ou que operam sob condições de menor

solicitação, podem ficar sem atenção especial, a não ser a de verificar se estão bem lubrificados.

As rotinas de verificação incluem as seguintes etapas: ouvir, sentir, observar e lubrificar.

Ouvir

Como mostra a figura abaixo, coloque uma chave de fenda ou um objeto similar contra o

alojamento, o mais próximo possível do rolamento.

Ponha o ouvido na outra extremidade e ouça. Se tudo estiver bem, um ruído suave deverá ser

ouvido. Um ruído uniforme, porém metálico, indica falta de lubrificação. O som de um rolamento

danificado é irregular.



Sentir

Verifique a temperatura usando um termômetro, giz sensível ao calor, ou simplesmente,

colocando a mão no alojamento do enrolamento.

Se a temperatura parecer mais alta que o normal, ou com variações bruscas, isto é indicação

de que existe algo errado.

O aquecimento pode ser causado por sujeira, falta de lubrificação, excesso de lubrificação,

sobrecarga, folga interna muito pequena, ou porque o rolamento está “preso” axialmente por causa

da excessiva pressão dos retentores.

Deve ser lembrado que, imediatamente após a lubrificação, existirá um aumento natural de

temperatura que pode durar um ou dois dias.

Observar

Assegure-se de que o lubrificante não escape através de vedadores defeituosos ou bujões

insuficientemente apertados. Verifique as condições dos vedadores, assegurando-se de que não

permitam que líquidos quentes ou corrosivos penetrem no conjunto.

Quando existe um sistema de lubrificação automática, este deverá ter seu funcionamento

verificado periodicamente.



Lubrificar

A relubrificação deve obedecer às instruções do fabricante do equipamento.

Para a lubrificação com graxa, limpe a engraxadeira de injetar graxa nova.

Quando a caixa do rolamento não possuir engraxadeira, a relubrificação deve ser feita na

parada programada da máquina. As tampas deverão ser removidas para retirar toda a graxa usada

antes de colocar a graxa nova.

Mesmo que as caixas possuam engraxadeiras, a graxa usada deve ser removida e substituído

por nova, sempre que as caixas forem abertas e seus componentes lavados.

Quando a lubrificação é feita com óleo, verifique o nível e complete-o se necessário.



Certifique-se de que o respiro do indicador de nível está desobstruído.

Quando se efetua a troca, o óleo usado deve ser drenado completamente e o conjunto lavado

com óleo limpo, de preferência o mesmo que será usada na reposição.

Na lubrificação em banho de óleo, geralmente é suficiente efetuar a troca uma vez ao ano,

desde que a temperatura de trabalho não ultrapasse 50ºC e não haja contaminação. Quando a

temperatura for maior que 50ºC, o óleo deverá ser trocado com maior freqüência, segundo as

seguintes indicações:

• Acima de 100° C - quatro vezes por ano;

• Acima de 120° C - uma vez por mês;

• Acima de 130° C - uma vez por semana.

Rotinas de verificação de máquinas paradas

Os rolamentos das máquinas girantes devem ser inspecionados e limpos a intervalos regulares

de tempo.

Esse tipo de inspeção deve ser feito preferivelmente durante as paradas programadas da

máquina ou quando ela for desmontada por alguma razão, tanto para inspeção quanto para reparos.

A operação de inspeção deve ser feita numa área de trabalho a mais limpa possível. Para

iniciar a desmontagem da máquina, limpe sua superfície externa.



Durante a desmontagem, anote a seqüência de remoção dos componentes e suas posições

relativas.

Verifique o lubrificante. As impurezas são identificadas esfregando o lubrificante entre os dedos

ou espalhando uma fina camada nas costas da mão para a inspeção visual.

Lave o rolamento exposto onde é possível fazer inspeção sem desmontagem. Use um pincel

molhado em aguarrás ou querosene.

Seque o rolamento com um pano limpo e sem fiapos ou com ar comprimido e verifique se

algum componente do rolamento entrou em rotação.

Nunca leve rolamentos blindados (com duas placas de proteção ou vedação).

Um pequeno espelho com haste, semelhante aos usados por dentistas, pode ser útil na

inspeção das pistas, gaiola e corpos rolantes do rolamento.

Desmontagem dos rolamentos

Um rolamento em boas condições nunca deve ser desmontado a não ser que seja

absolutamente necessário.

Caso o rolamento deva ser desmontado, é aconselhável marcar a posição relativa de

montagem, ou seja, qual a seção do rolamento que está por cima, qual o lado que está para frente,

etc. O rolamento deverá ser montado na mesma posição.



Inicie a desmontagem pela seleção correta das ferramentas a serem usadas.

Se o rolamento é desmontado com interferência no eixo, deve-se usar um extrator cujas garras

devem ser apoiadas diretamente na face do anel interno.

Quando não é possível alcançar a face do anel interno, o extrator poderá ser aplicada na face

do anel externo. Entretanto, é muito importante que o anel externo seja girado durante a

desmontagem, de modo a distribuir os esforços pelas pistas e evitando que elas sejam marcadas

pelos corpos rolantes.

Nesse caso, o parafuso deve ser travado ou preso com uma chave e as garras deverão ser

giradas com as mãos ou com uma alavanca .

Inspeção de rolamentos desmontados

Quando o rolamento é desmontado, deve ser inspecionado após a limpeza e secagem.

Gire o anel externo e verifique se o ruído do rolamento é normal.



As pistas e corpos rolantes devem ser inspecionados para verificar se existem sinais de danos.

Um rolamento está em boas condições quando não possui marcas ou outros defeitos nas pistas,

anéis, corpos rolantes ou gaiolas e gira uniformemente sem ter folga interna radial anormalmente

grande.

Um rolamento nessas condições pode ser montado novamente sem risco algum.

Montagem dos rolamentos

Os rolamentos pequenos podem ser montados com ajuda de uma “caneca” ou um pedaço de

tubo.

O tubo deve estar bem limpo e ter extremidades planas, paralelas e sem rebarbas.

Coloque a ferramenta contra o anel interno. Com um martelo comum, aplique golpes sempre

bem distribuídos ao redor da extremidade do tubo. Tome cuidado para que o rolamento não entre

enviesado no eixo.

Observação

Os martelos de chumbo ou outro metal macio não são indicados porque podem soltar

fragmentos que penetram no rolamento.


ESCOLA SENAI “ALMIR

Nunca aplique golpes diretos nos rolamentos, pois isso poderá trincar os anéis e danificar as

gaiolas além do perigo de partículas metálicas se destacarem e causarem avarias quando o

rolamento for colocado em operação.

Não aplique força contra o anel quando o rolamento for montado no eixo. Isso danifica as

pistas e os corpos rolantes e reduz consideravelmente a vida útil do rolamento.

Quando se dispõe de uma prensa mecânica ou hidráulica, esta poderá ser usada na

montagem de rolamentos pequenos e médios.

Observação

Use uma “caneca” o

Os rolamentos gran

a uma temperatura de 8

rolamentos nunca deverão

Um método adequad

29ANTE TAMANDARÉ”

u um pedaço de tubo entre a prensa e o anel interno.

des são montados com maior facilidade se forem primeiramente aquecidos

0 a 90ºC acima da temperatura ambiente. Contudo, esses mesmos

atingir uma temperatura acima de 120ºC.

o para aquecê-los é por meio de banho de óleo.



O óleo deve ser limp

e conter óleo suficiente p

direto com a base do rec

para evitar aquecimento di

O banho deve ser aq

Observação

Um rolamento nunca

MEDIDORES DE RO

Na unidade anterior

máquinas elétricas: o gera

Nesta unidade, estu

Gerador taquimétri

O gerador taquimét

operatrizes.


o e ter um ponto de fulgor superior a 250ºC. O recipiente deve estar limpo

ara cobrir completamente o rolamento. Este não deve estar em contato

ipiente, devendo ser colocado sobre uma plataforma ou calço adequado

reto.

uecido numa chapa elétrica, bico de gás ou equipamento semelhante.

deverá ser aquecido sobre chama direta.

TAÇÃO

, vimos que existem dois equipamentos para medir a rotação (rpm) das

dor taquimétrico e o gerador Hall.

daremos esses dois equipamentos, suas características e utilização.

co

rico (ou dínamo taquimétrico) é aplicado ao servocontrole de máquinas



Ele é acoplado ao eixo da máquina e gera uma tensão quando o eixo gira. Essa tensão

realimenta o circuito dando, em forma de tensão, uma informação da velocidade da máquina.

Geralmente, essa tensão é da ordem de 60V para cada 1000rpm. Porem, pode haver outros

valores de relação, como por exemplo, 20V/1000rpm; 100V/1000rpm.

O gerador taquimétrico é um gerador de CC. Quando invertemos seu sentido de rotação, a

polaridade da tensão se inverte. Veja representação esquemática a seguir.

Gerador Hall

Para que haja continuidade no movimento de rotação de um motor com comutação eletrônica,

há necessidade de um sensor para indicar a posição do rotor.

Esse sensor é o gerador Hall que consiste de uma placa de material semicondutor, geralmente

uma liga de índio e antimônio, percorrida longitudinalmente por uma corrente (I1) sob um campo

magnético B.



Funcionamento

Uma diferença de potencial surge entre os pontos x e y e que é chamada de efeito Hall. Essa

tensão é dada por:

VH = d

RH . B. I1

Onde:

• VH é a tensão Hall;

• d é a espessura do condutor;

• B é a intensidade do campo magnético;

• I1 é a corrente no condutor.

A sensibilidade do gerador Hall é constante em toda a faixa de 0 até 1t.



O gerador Hall fornece uma tensão polarizada em função do campo e da corrente, por isso,

formatos diferentes fornecem rendimentos diferentes, ou seja:

• Forma retangular: alta tensão Hall de saída;

• Forma borboleta: alta sensibilidade de fluxo

• Forma de cruz: alta sensibilidade de indução



Aplicações

O gerador Hall tem várias aplicações a saber:

• Em sistemas de ignição de automóveis nos quais evita contatos mecânicos que implicam no

desgaste das peças e permite ajustagem contínua do sistema;

• Na medição de fluxo disperso de transformadores em circuitos onde existem mecanismos

sensíveis a pequeno campo magnético estranho;

• Na verificação de transmissão de sinais, captando um sinal emitido em outro ponto do

circuito, evitando os contatos elétricos.

FREIO DE PRONY

O freio de Prony é um dispositivo que deve ser adaptado ao eixo de um motor com a finalidade

de carregar o motor mecanicamente. Observe o freio de Prony na figura abaixo.

Vamos analisar a figura. O valor da força F é lido diretamente no dinamômetro, em N. A

distância r chama-se braço da alavanca e é medida em m.



Com os valores de F, r e da rpm do motor, podemos calcular o conjugado do binário do eixo e

a potência do motor.

Observe, também, que há um voltímetro e um amperímetro no circuito de ligação do motor. A

leitura desses instrumentos é importante porque a experiência deve ser feita com tensões e correntes

normais.

O motor é ligado à rede elétrica, gira a plena rotação e em sentido horário.

A embreagem é de madeira e tem o formato de sapata. Ela freia o motor através de um polia

montada na ponta do eixo.

O esforço do eixo do motor é transmitido através do braço de alavanca e provoca a indicação

de uma força F no dinamômetro.

Observe, na extremidade esquerda da alavanca, dois parafusos. Eles servem para controlar a

pressão da sapata sobre o eixo. Isto permite carregar mecanicamente o motor.

Observação

Há vários tipos de freios Prony. As maneiras de se aplicar a frenagem também variam.

Portanto, você pode encontrar diferentes tipos de freios de Prony, mas o princípio de funcionamento

de todos eles é o mesmo.

Desenvolvimento teórico

Para efetuarmos os cálculos necessários, precisamos conhecer vários conceitos teóricos e

fórmulas, que serão vistas a seguir.

Conjugado de um binário

Este conceito você já estudou, mas vamos repeti-lo.

Observe a figura e a fórmula correspondente:



Conjugado = força .

A distância d chama

A unidade de medid

Momento de uma fo

É o produto do valo

figura.

A fórmula do momen

Momento = força . d

A distância d chama


distância ou, abreviadamente, C = F . d

-se braço.

a do conjugado é N . m.

rça em relação a um ponto

r da força pela distância entre um ponto e a direção da força. Observe a

to de uma força é:

istância ou, abreviadamente, M = F . d

-se braço. A unidade de medida é N . m.



Trabalho de uma força: a fórmula de trabalho é:

Trabalho = força . deslocamento ou, abreviadamente, T = F . d

A unidade de medida de trabalho é também N . m. Entretanto, no caso do trabalho, recebe o

nome especial de quilogrâmetro. O símbolo do quilogrâmetro é kgm.

Potência

A fórmula de potência é:

tempotrabalhopotência =

A forma abreviada da fórmula de potência é:

tTP =

A unidade de medida de potência é:

segundorâmetrologqui

O símbolo utilizado é s

kgm

Transformação de unidades

A potência dos motores elétricos é dada nas unidades de medida cavalo-vapor ou cavalo-

força. O símbolo de cavalo-vapor é CV e o de cavalo-força é HP.

Um CV é a potência necessária para elevar um peso de 75kg à altura de 1m num intervalo de

tempo de 1s. De acordo com esta definição, s

kgm75cv1 = .


ESCOLA SENA

Um HP é a potência necessária para elevar um peso de 75,6kg à altura de 1m num intervalo

de tempo de 1s. De acordo com esta definição, s

kgm6,75HP1 = .

Para transformar unidades de tempo, usaremos a relação 1min = 60s

Cálculo da potência no eixo do motor

Observe na figura abaixo um exemplo de um motor levantando um peso.

O valor da

pela letra r. Obse

38I “ALMIRANTE TAMANDARÉ”

força lida no dinamômetro é indicado pela letra F. O valor do raio da polia é indicado

rve, a seguir, a dedução de uma fórmula para o cálculo da potência.



Fórmula da potência

tTP =

Fórmula do trabalho

T = F . d

Substituindo a fórmula do trabalho na fórmula da potência obtemos:

td.FP =

O movimento é circular e o deslocamento é igual ao comprimento da circunferência. Portanto,

temos:

• Deslocamento em uma volta: 2 . π . r;

• Deslocamento em um número n de voltas: 2 . π . r . n.

Vamos agora substituir o deslocamento d pela expressão 2 . π . r . n.

Veja:

td.Fp =

d = 2 . π . r . n

Portanto, t

n.r..2.Fp π= .

Vamos agora examinar as unidades de medida na fórmula. No numerador temos n, que é o

número de rotações. No denominador, o tempo t está em segundos. Mas o tacômetro adaptado ao

motor fornece a velocidade angular em rpm.



Isto significa que, na fórmula anterior, a razão tn

deve ser transformada para podermos fazer a

substituição. Acompanhe as passagens abaixo.

s60n

min1n

tn

emtemporotaçõesdenúmerorpm ====

min

Portanto, a fórmula ficará dividida por 60s.

s60n.r..2.Fp π

=

Observe agora os outros elementos da fórmula.

A força F, no numerador, é medida em N. O raio r, no numerador, é medida em m. O tempo, no

denominador, está em s. Portanto, temos:

skgm

sm.N

=

Mas como já vimos, s

kgm75CV1 = .

Logo, 75CV1

skgm1

=

Concluímos que a fórmula deve ser dividida por 75. A potência vai ser calculada em cavalos-

vapor.

Para a potência calculada um cv vamos utilizar o símbolo Pcv.

60.75n.r..2.FPcv

π=

No numerador temos uma multiplicação de vários fatores. A ordem dos fatores não altera o

produto. Por isso, vamos reescrever a fórmula acima na forma mais usual:



60.75F.n.r..2Pcv

π=

Se quisermos calcular a potência em HP, aplicamos o mesmo raciocínio, lembrando apenas

que s

kgm6,75HP1 = .

Observe como ficará a fórmula:

60.6,75F.n.r..2PHP

π=

Cálculo do conjugado do binário do eixo

O princípio fundamental do freio de Prony é que o momento da força indicada no dinamômetro

em relação ao eixo é igual ao conjugado do binário do eixo. Portanto, o conjugado do binário do eixo

é calculado pela fórmula abaixo.

C = F . r

Na fórmula acima, a unidade de medida de F é N e a de r é m. Portanto, a unidade de medida

do conjugado do binário do eixo é N . m.

Vamos agora resolver um exemplo de aplicação das fórmulas da potência e do conjugado.

Exemplo

Observe na figura a seguir um modelo de freio de Prony. A força F indicada no dinamômetro

vale 2N. A medida do raio r é 0,2m. A velocidade angular do motor é de 1.770rpm.


ESCOLA SENA

Vamos cal

A fórmula

.2Pcv =

Substituind

.2Pcv =

Efetuando

5444Pcv =

Efetuando

Pcv = 0,998


cular a potência em cv.

é:

60.75F.n.r.π

o os valores temos:

60.752.7701.2,0.14,3

as multiplicações no numerador e no denominador temos:

002,46

a divisão obtemos:

ou Pcv ≅ 1cv



Agora vamos calcular o conjugado do binário do eixo. A fórmula é:

C = F . r

Substituindo os valores, temos:

C = 0,2 . 2

Portanto C = 0,4N . m7

MOTORES DE APLICAÇÕES ESPECIAIS

Nesta unidade, estudaremos dois motores que apresentam características especiais: o motor

sem escovas e o motor de passo.

O desenvolvimento da tecnologia moderna no campo dos semicondutores e das ligas

magnéticas especiais levou ao aparecimento de motores não-convencionais, ou seja, com

acionamento elétrico sem escovas (em inglês “brushless”).

Esse motor, com controle de corrente e velocidade é usado principalmente em servo-

acionamentos e atende a uma ampla faixa de potências.

O motor de passo, por sua vez, é um motor usado em equipamentos onde é necessário um

posicionamento de parte da máquina. Esse é o caso de impressoras, registradores gráficos em geral,

sistemas de controle em servomecanismos.

Nesta unidade, serão estudadas as características e o funcionamento desses dois tipos de

motor.

Motor sem escovas

O motor de corrente contínua sem escovas, além da ausência de escovas, apresenta como

características diferenciadoras do motor com escovas, a localização do enrolamento no estator e os

ímãs permanentes engastados no rotor. Apresenta também um transdutor de posição angular

acoplado ao rotor.


A ilustração a seguir mostra um corte transversal de um motor sem escovas e a comparação

dos princípios de construção de motores com e sem escovas.

f


Além dessas características, um motor sem escovas será sempre composto por:

• Distribuidor de energização dos enrolamentos (comutador);

• Conversor de pulsos eletrônicos.

O diagrama a seguir representa a construção mecânica do acionamento sem escovas. Nele,

oram omitidas as malhas de realimentação em corrente e velocidade.



Funcionamento

No motor com escovas, a comutação e distribuição das correntes aos enrolamentos é

realizada pelo comutador.

No motor sem escovas, essa tarefa é realizada pelo estágio de controle e pelo comutador de

potência (conversor) eletrônico.

Os motores sem escovas, quando acionados com controle de malha de corrente e de

velocidade, combinados com as caixas de transmissão de folga reduzida, permitem a obtenção de

servoacionamentos de alta precisão.

Vantagens

O motor sem escovas apresenta uma série de vantagens, a saber:

• Peso e volume reduzidos;

• Inexistência de coletor mecânico;

• Maior vida útil;

• Melhores propriedades dinâmicas;

• Menor inércia do motor;

• Torques elevados.

Peso e volume reduzidos

A construção do motor sem escovas permite uma redução em seu peso e volume entre 35 e

65% se comparado com motor com escovas de mesma potência.

Isso traz melhor dissipação de calor, pois o motor sem escovas, com seu rotor “frio”, gera calor

na região em que este é melhor dissipado, ou seja, no estator. Esse fato permite que o motor opere

em regime muito elevado.


ESC

pela c

espec

46OLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”

Inexistência de coletor mecânico

O motor sem escovas não apresenta curva de limitação de potência que é produto da rotação

orrente de coletor.

Acima dessa curva-limite ocorre a queima das escovas e isso destrói o coletor.

Como esse tipo de motor não possui coletor mecânico, altos conjugados ao longo de todo o

tro de rotações podem ser alcançados com ele.



Maior vida útil

Esse tipo de motor não possui escovas que se desgastam e necessitam ser trocadas.

Melhores propriedades dinâmicas

Nos motores sem escovas, onde a comutação de corrente é realizada eletronicamente, existe

ainda a possibilidade de se optar pelo emprego de uma tensão eletromotriz de formato quase

senoidal.

A forma de onda senoidal tem a vantagem de permitir que sejam satisfeitas as mais altas

exigências com relação à baixa rotação, homogeneidade de movimento e exatidão de

posicionamento.

Menor inércia do motor

O motor sem escovas possui ímãs permanentes ao invés de enrolamento de rotor. Por isso,

existe um reduzido momento de inércia e disso depende a escolha da melhor velocidade de rotação

de um motor a ser usado em um determinado acionamento.

Um momento de inércia pequeno significa menor tempo de resposta do sistema e, portanto,

melhor dinâmica.

Torques elevados

Com a finalidade de atingir um torque tão alto quanto possível nos motores com ou sem

escovas, efetua-se a comutação dos enrolamentos de tal forma que o campo magnético do estator

mantenha com o campo magnético do rotor um ângulo tão próximo de 90º quanto possível.

Essa característica limita a rotação máxima através da face nos enrolamentos.

Nos motores com excitação separada, pode-se reduzir essa limitação da rotação através do

enfraquecimento do campo de excitação.



O motor sem escovas com ímã permanente permite que se efetue uma variação das

constantes de motor mediante uma defasagem no tempo da energização das correntes nos

enrolamentos em relação à posição do rotor.

Motor de passo

O motor de passo permite que seu eixo sofra deslocamentos precisos sem que seja necessária

uma realimentação externa feita por algum dispositivo a ele acoplado. Isso caracteriza um sistema

aberto.

Essa característica de funcionamento em malha aberta é uma das mais importantes pois

permite a rotação e a parada em pontos pré-determinados.

Se, por exemplo, é necessário que o eixo gire meia volta (180), basta fornecer adequados e ele

fornece deslocamento com precisão.

Na figura a seguir, é ilustrado um motor de passo de pequenas dimensões que apresenta

como característica um passo de 7,5. Isso significa que, para que seu eixo dê uma volta completa,

são necessários 48 passos (ou deslocamentos).

Funcionamento

Normalmente, os motores de passo possuem enrolamentos que, na sua forma mais simples,

constituem-se de quatro bobinas dispostas no estator em ângulos de 90, uma em relação a outra.

O rotor é uma pequena peça de material ferromagnético que se constitui num ímã.


ESCOLA

Ao se

posiciona na

Se, n

posiciona e

completar um

Obse

A des

Verifica-se a

número de b

49SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”

energizar a bobina 1 do estator, o rotor é submetido à força do campo magnético e se

condição de menor relutância, ou seja, alinhada com o eixo da bobina.

a seqüência, a bobina 1 é desligada e a bobina 2 energizada, o rotor gira 90º e se

m linha com a segunda bobina. O mesmo acontece com as bobinas 3 e 4 até se

a volta de 360º.

rvação

crição acima refere-se a um motor de passo de 4 passos por revolução e 90º por passo.

ssim que um dos fatores determinantes do número de passos por volta corresponde ao

obinas no estator.


Se existirem n bobinas, o rotor completará uma volta em n passos. Se, ao invés de um

elemento ferromagnético, o rotor for constituído de n’ elementos (rotor dentado), o número de passos

será n . n’.

Outro fator que determina o número de passos é a seqüência de comutação das bobinas. No

exemplo mostrado, foi excitada uma bobina de cada vez. Se, ao invés disso, forem excitadas duas

bobinas contíguas de cada vez, o rotor tomará posições intermediárias. Isso dá origem a um conjunto

de novas posições intermediárias, isso dá origem a um conjunto de novas posições ou passos.

Veja na ilustração a seguir, como é possível obter o dobro dos passos, excitando-se as

bobinas da seguinte maneira:

n

e


Essa seqüência faria o motor girar no sentido horário, completando uma volta e 8 passos.

As bobinas do estator são também denominadas fases. Muitas vezes, cada fase é subdividida

um conjunto de bobinas ao longo do estator. Dessa forma, mesmo que existam muitas bobinas no

stator, eles normalmente constituem 8 fases.



Tipos de rotor

Os rotores do motor de passo são divididos em dois tipos:

• Ímã permanente;

• Relutância variável.

O rotor de ímã permanente permite obter maior força de atração entre o estator e o rotor.

Todavia, é tecnologicamente mais difícil obter um grande número de elementos do rotor previamente

magnetizados e cuja magnetização seja estável. Por causa disso, o número de passos é geralmente

menor nesse tipo de motor.

O rotor do tipo relutância variável, embora normalmente apresente menor torque, possui, em

contrapartida, características mais estáveis. O rotor de relutância variável é apenas uma peça de

material ferromagnético não imantado.



Circuitos de acionamento

Os circuitos de comando para motor de passo são circuitos de chaveamento seqüencial

geralmente seguidos de amplificadores cuja potência é determinada pelas dimensões do motor.

Experimentalmente, pode-se realizar a rotação do motor por meio de chaves comutando as

bobinas.

MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

As máquinas de corrente contínua resultaram do desenvolvimento tecnológico e das

exigências cada vez maiores dos processos automáticos de produção. Essas máquinas, por sua

grande versatilidade são largamente usadas na indústria moderna.

Nesta unidade, vamos estudas os tipos e princípios de funcionamento das máquinas de CC

empregadas na indústria.



Para melhor assimilar esse conteúdo, é necessário ter conhecimentos anteriores sobre

magnetismo, eletromagnetismo e indutores.

Geradores e motores

A máquina é um motor quando transforma energia elétrica em energia mecânica. Quando

transforma energia mecânica em energia elétrica, ela é um gerador.

Do ponto de vista da construção, motores e geradores de CC são iguais. Assim, um motor de

CC pode funcionar como gerador de CC e vice-versa.

Construção

As máquinas de CC são compostas basicamente por duas partes: o estator e o rotor.

O estator (ou carcaça) é a parte fixa da máquina. Nele se alojam as bobinas de campo cuja

finalidade é conduzir o fluxo magnético.

O estator é formado por:

• Pólos de excitação (ou sapatas polares) - constituídas por condutores enrolados sobre o

núcleo de chapas de aço laminadas;


ESCOLA SENAI

• Pólos de comutação - têm a função de evitar o deslocamento da linha neutra em carga e

reduzir a possibilidade de centelhamento. Localizam-se na região interpolar e por eles

passa a corrente da armadura (rotor);

• Conjunto porta-escova - aloja as escovas feitas de material condutor e que têm a função de

realizar a ligação elétrica entre a armadura e o exterior.

O rotor é a parte móvel que abriga as bobinas ligadas ao comutador.

• Induzido

constituíd

• Comutad

sua funçã

• Eixo - é o

Gerador de

O funcionam

seja, quando um

tensão reduzida.

Além disso,

fluxo magnético e

54 “ALMIRANTE TAMANDARÉ”

(ou armadura) - fica dentro do estator. O mais usado é o do tipo tambor. É

a por chapas de aço laminadas em cujas ranhuras se acomoda o enrolamento;

or - constituído por lâminas de cobre isoladas uma das outras por lâminas de mica;

o é transferir a energia do enrolamento da armadura para o exterior;

elemento que transmite a potência mecânica desenvolvida pela máquina.

CC

ento do gerador de CC baseia-se no princípio da indução eletromagnética, ou

condutor elétrico é submetido a um campo magnético, surge no condutor uma

a magnitude dessa tensão induzida é diretamente proporcional à intensidade do

à razão de sua variação.



O gerador de CC funciona segundo esses dois princípios. Assim, ao ser girado com velocidade

(n), o induzido (rotor) faz os condutores cortarem as linhas de força magnética que formam o campo

de excitação do gerador CC.

Nos condutores da armadura aparece, então, uma força eletromotriz induzida. Essa força

depende da velocidade de rotação (n) e do número de linhas magnéticas que tais condutores irão

cortar, ou do fluxo magnético (Φ) por pólo do gerador.

Representando a tensão induzida por EΦ (quando o gerador está em vazio), conclui-se:

EΦ = k . n . Φ

Onde:

• k é uma constante que depende das características construtivas da máquina,

• n é a velocidade de rotação,

• Φ é o fluxo magnético.

Classificação dos geradores de CC

Os geradores de CC são classificados de acordo com o tipo de ligação (excitação) para a

alimentação de suas bobinas de campo. Assim, temos:



• Geradores de CC com excitação independente - quando a corrente de alimentação vem de

uma fonte externa;

• Geradores com auto-excitação - quando a corrente de excitação vem do próprio gerador.

No gerador de CC com excitação independente, as bobinas de campo são construídas com

várias expiras de fio relativamente fino. Essas espiras são alimentadas (excitadas) por uma fonte

externa, como mostra a representação esquemática a seguir.

Quando esse gerador começa a funcionar, mesmo sem excitação, aparece uma força

eletromotriz (fem) de pequeno valor devido ao magnetismo remanente.

Durante a excitação gradativa do gerador, ocorre também um aumento gradativo do fluxo

magnético. Consequentemente, a tensão gerada eleva-se de modo gradual. Isso ocorre até que haja

a saturação magnética. Quando isso acontece, o acréscimo da corrente excitadora não aumenta

mais o fluxo magnético.

Quando o gerador é posto em carga, a tensão por ele fornecida diminui. Isto se deve a três

fatores:

• Resistência do enrolamento do induzido;

• Resistência de contato nas escovas;



• Diminuição do fluxo indutor pela reação do induzido.

Nesses tipos de geradores, para que a tensão se mantenha constante, para cada aumento de

carga deve haver, manual ou automaticamente, um aumento da excitação.

Um exemplo desse tipo de gerador de CC é o dínamo do automóvel.

No gerador de CC auto-excitado, as bobinas de campo são ligadas ao induzido. Assim, o

próprio gerador se auto-alimenta.

Tipos de geradores

Conforme o tipo de ligação entre as bobinas de campo e o induzido, os geradores são

classificados como:

• Gerador de CC em série;

• Gerador de CC em paralelo;

• Gerador de CC misto.

No gerador de CC em série, as bobinas de campo são constituídas por poucas espiras de fio

relativamente grosso, ou seja, com bitola suficiente para suportar a corrente de armadura. As espiras

são ligadas e, série com o induzido como mostra a figura a seguir.



É preciso notar que neste gerador a corrente de carga é a própria corrente de excitação. No

trabalho em vazio a fem é gerada apenas pelo magnetismo residual das sapatas polares.

Ao acrescentar carga ao gerador, uma corrente circula pela carga e pela bobina de excitação,

fazendo com que aumente o fluxo indutor e, por conseguinte, a tensão gerada.

Ao elevar-se a tensão, a corrente aumenta e, consequentemente, aumenta também o fluxo

indutor. Isso se repete até que se verifique a saturação magnética, quando a tensão se estabiliza.

Observações

• Antes da saturação magnética, a tensão pode alcançar valores perigosos.

• Para evitar que a tensão se eleve, quando se acrescenta uma carga ao circuito, coloca-se

um reostato em paralelo com a excitação.

No gerador de CC em paralelo, as bobinas de campo são ligadas em paralelo com o induzido.

Elas são formadas por várias espiras de fio relativamente fino, cuja bitola varia de acordo com a

potência do motor. Essa bitola deve ser suficiente para suportar a corrente do campo paralelo.



A corrente de excitação provem de uma pequena parcela da corrente do gerador e pode ser

controlada por um reostato ligado em série com o campo magnético.

Assim que o gerador entra em funcionamento, a tensão geradora em vazio é devida ao

magnetismo remanente. Essa tensão faz circular uma corrente pela bobina de excitação, o que, por

sua vez, reforça o fluxo magnético e eleva a tensão gerada até o ponto de saturação do fluxo. É

neste momento que a tensão se estabiliza.

A corrente do gerador deve alimentar tanto a carga como a bobina de campo, pois ambas

estão em paralelo. Assim, a tensão gerada diminui com o aumento de carga.

A cada aumento de carga há uma diminuição na excitação e, consequentemente, uma queda

na tensão. Se ocorrer um curto, ocorre também uma elevação instantânea da corrente. Em seguida,

o gerador deixa de gerar energia, pois a tensão nos terminais será nula, não havendo, portanto,

excitação.

No gerador de CC misto, a excitação é efetuada por dois enrolamentos. Um deles é constituído

por poucas espiras de fio grosso ligadas em série com o induzido. O outro é formado por várias

espiras de fio fino ligadas em paralelo como o induzido.



Neste gerador, a tensão mantém-se constante, tanto em carga como em vazio, já que ele

reúne as características dos geradores em série e em paralelo.

A tensão gerada é controlada através de reostato em série com a bobina de campo em

paralelo e de reostato em paralelo com a bobina de campo em série.

Observação

A relação entre as tensões em vazio e em carga de qualquer tipo de gerador é denominada de

tensão de regulação e é dada em porcentagem pela seguinte fórmula:

EtEt -Eo

Motor de corrente contínua - funcionamento

O funcionamento do motor de corrente continua baseia-se no principio da reação de um

condutor, colocado num campo magnético fixo, ao ser percorrido por uma corrente elétrica.


ESCOL

A interação entre o campo magnético fixo e o campo magnético produzido pela corrente que

circula no condutor provoca o aparecimento de uma força. É essa força que impele o condutor para

fora do campo magnético fixo. As figuras a seguir ilustram esse princípio.

De acordo com a figura, de um lado do condutor há uma diminuição das linhas magnéticas. Do

lado oposto há um acúmulo dessas linhas. Estas provocam o aparecimento da força magnética, que

é a responsável pelo movimento do condutor.

O motor de corrente contínua funciona sob o mesmo princípio. Nele existe um campo

magnético fixo formado pela bobinas de campo. Há também condutores instalados nesse campo (no

rotor), os quais são percorridos por correntes elétricas.

A figura a seguir mostra como aparece o movimento girante em motores de CC.

61A SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”



Podemos observar que a corrente que circula pela espira, faz isso nos dois sentidos: por um

lado, a corrente está entrando e, por outro, saindo. Isso provoca a formação de duas contrárias de

igual valor (binário), das quais resulta um movimento de rotação (conjugado), uma vez que a espira

está presa à armadura e suspensa por mancal.

Essas forças não são constantes em todo giro. À medida que o condutor vai se afastando do

centro do pólo magnético, a intensidade das forças vai diminuindo.

Nos motores, para que haja força constante, as espiras colocadas nas ranhuras da armadura

devem estar defasadas entre si e interligadas ao circuito externo através do coletor e escova.

Quando o rotor do motor de CC começa a girar, condutores de cobre cortam as linhas

magnéticas do campo. Em conseqüência, uma força eletromotriz induzida força a circulação de

corrente no circuito da armadura, no sentido contrário à corrente de alimentação do motor.

A força eletromotriz induzida, por ser de sentido contrário à tensão aplicada, recebe o nome de

força contra-eletromotriz (fcem).

O valor da força contra-eletromotriz induzida (EO) é dado por:

EO = n . Φ . k

Onde n é a rotação; Φ é o fluxo magnético; k é a constante da máquina.


ESCOLA SENAI “AL

A corrente total que circulará pela armadura (Ia) será dada por:

Ia = Ra

EO - E

Onde:

• E é a tensão aplicada,

• EO é a força contra-eletromotriz,

• Ra é a resistência.

Tipos de motores

Como acontece com os geradores, os motores também são classificados segundo o tipo de

ligação de seus campos, ou seja: motor de CC em série, motor de CC em paralelo, motor de CC

misto.

No motor de CC em série, as bobinas são constituídas por espiras de fio relativamente grosso

ligadas em série com o rotor (induzido).

Por causa da aç

indutor e à corrente que


ão magnética, neste motor, o conjugado é diretamente proporcional ao fluxo

circula pelo induzido.



Estes motores possuem arranque vigoroso. A partida e a regulagem de velocidade podem ser

feitas por meio do reostato intercalado no circuito.

No arranque, o valor da corrente e, por conseqüência, o fluxo magnético são elevados. Isso

fornece um alto conjugado ao motor.

Esse tipo de motor é indicado para casos em que é necessário partir com toda a carga. Por

isso, eles são usados em guindastes, elevadores, e locomotivas, por exemplo.

Como tendem a disparar (aumentar a rotação), não é recomendável que esses motores

funcionem a vazio, ou seja, sem carga.

No motor de CC em paralelo, as bobinas de campo são constituídas por muitas espiras de fio

relativamente fino e ligadas em paralelo com o induzido.

O reostato da armadura (Ra), ligado em série com o induzido, limita a corrente no momento da

partida. E o reostato de campo (Rc), ligado em série com as bobinas do campo magnético, regula a

velocidade dentro de determinado limite. Na partida, o cursor do reostato Rc deve estar no ponto

médio para possibilitar o ajuste de velocidade. A resistência do reostato Ra, por sua vez, deve estar

intercalada no circuito.

Pela ação eletromagnética, o conjugado é proporcional ao fluxo e à corrente. No momento da

partida, a corrente no induzido deve ser limitada pelo reostato, o que diminui o conjugado. Por isso,

recomenda-se que esse tipo de motor inicie seu funcionamento em vazio, ou seja, sem carga.

O motor de CC em paralelo é empregado, por exemplo, em máquinas-ferramentas.



No motor de CC misto, as bobinas de campo são constituídas por dois enrolamentos montados

na mesma sapata polar. Um desses enrolamentos é de fio relativamente grosso e se liga em série

com o induzido. O outro, de fio relativamente fino, se liga em paralelo com o induzido.

Este tipo de motor apresenta características comuns ao motor em série e ao motor em

paralelo.

Assim, seu arranque é vigoroso e sua velocidade estável em qualquer variação de carga. Pode

também partir com carga.

Na partida, a resistência do reostato do campo paralelo (RC) deve estar totalmente intercalada

no circuito. Isso permite que o motor se comporte como motor em série sem o perigo de disparar,

mesmo quando a carga é pequena ou nula.

Por sua vez, o reostato da armadura (Ra), ligado em série com o induzido, limita a corrente no

momento da partida. Após a partida, o cursor RC é deslocado para ajuste da velocidade.

Esses motores são empregados em prensas, estamparia, etc.

Comutação

Nos motores e geradores de corrente contínua, a ligação da armadura com o circuito externo é

feita por meio de escovas que se apoiam sobre as lâminas do coletor.



Quando se alimenta o motor ou se retira a corrente gerada pelo gerador, as escovas fecham

durante a rotação, no mínimo, duas lâminas do coletor em curto. Isso provoca um faiscamento.

Esse faiscamento acontece porque, no momento em que a escova está comutando de uma

lâmina para outra, a corrente que circula na bobina tem seu sentido invertido.

As figuras a seguir ilustram esta situação.

Para que o motor ou o gerador não sejam danificados, devido ao faiscamento, o curto deverá

ocorrer quando a bobina estiver passando pela zona neutra do campo magnético, já que aí não há

tensão induzida.

Por causa da reação do induzido, o ponto de comutação no motor e no gerador é móvel e varia

de acordo com a carga.



Reação do induzido

Nas máquinas de CC, quando não circula corrente no induzido, o campo magnético produzido

pelas bobinas do estator é constituído por linhas retas, e a densidade do fluxo é praticamente

uniforme.

Quando uma corrente é aplicada ao induzido com uma fonte externa qualquer e se interrompe

a corrente das bobinas do estator, o campo magnético produzido no induzido será constituído por

linhas concêntricas.


ESCOLA SE

Quando a máquina estiver em funcionamento e com carga, ou seja, quando a máquina estiver

com corrente circulando nas bobinas do estator e nos condutores do induzido, seus campos

magnéticos interagem formando um novo campo magnético com as linhas destorcidas e sem

uniformidade.

Nas ex

circula no indu

O inver

induzido, têm

Isto pod

dos campos m

68NAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”

tremidades polares A e D, as linhas do campo magnético, criado pela corrente que

zido, têm sentido oposto ao campo produzido pela corrente que flui do estator.

so acontece nas extremidades B e C, onde as linhas do campo magnético, criado pelo

o mesmo sentido das linhas produzidas pelo estator.

e ser observado quando analisamos as figuras a seguir, as quais indicam os sentidos

agnéticos do estator do rotor.


ESCOLA SENAI “AL

Em conseqüênci

A e D e uma intensifi

compensa a redução q

redução do fluxo magné

Assim, para evita

fluxo total, o deslocame

Identificação do

Os bornes da p

normalizada.

A tabela a se

correspondentes para a


a, ocorre uma redução das linhas nos campos magnéticos das extremidades

cação nas extremidades B e C. Todavia, a intensificação em B e C não

ue se verifica em A e D. Isto se deve à saturação magnética que provoca a

tico total.

r o faiscamento, a reação da armadura ou induzido provoca a redução do

nto da linha neutra e a necessidade de deslocamento das escovas.

s terminais das máquinas de CC

laca de ligação das máquinas de CC obedecem a uma nomenclatura

guir mostra as designações dos elementos da máquina com seus

norma DIN (alemã) e para a norma ASA (americana).

Elemento Norma

DIN ASA

Armadura ou induzido

Campo de derivação

Campo em série

A.B.

C.D.

E.F

A1 A2

F1 F2

S1 S2



Veja agora um exemplo da placa de máquina de CC conectada para funcionar como motor

misto de acordo com a norma ASA.

FUNDAMENTOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS

Amplificador operacional

Os amplificadores operacionais são um exemplo característico de circuito eletrônico fornecido

sob a forma de circuito integrado.

Neste capítulo você terá informações detalhadas sobre os amplificadores operacionais, suas

características e modo de utilização. Com essas informações, você será capaz de utilizar e reparar

equipamentos que os empreguem.

Para aprender esses conteúdos com mais facilidade, você deverá ter conhecimentos

anteriores sobre circuito integrado e relação de fase entre sinais.

O amplificador operacional, também chamado de AO, é um CI com características que o

aproximam às de um amplificador ideal.



É um circuito vers

instrumentação, circuitos i

sinais.

A denominação “am

utilizados inicialmente para

Terminais do ampli

O símbolo utilizado

sentido do fluxo de sinal.

conexão com o circuito ext

Existem fundamen

amplificadores operaciona

• Dois terminais de

• Um terminal de s

• Um terminal de e

• Um terminal de e

Veja a distribuição d


átil, aplicável em muitas áreas específicas da eletrônica, tais como:

ndustriais, circuitos de áudio, circuitos eletrônicos para cálculo e filtros de

plificador operacional” deve-se ao fato de que esses circuitos foram

realizar operações matemáticas como adição, subtração e multiplicação.

ficador operacional

para representar o amplificador operacional é um triângulo que aponta no

Ao triângulo são acrescentados terminais que apresentam os pontos de

erno.

talmente cinco terminais que fazem parte de todos os tipos de

is:

alimentação;

aída;

ntrada não-inversora;

ntrada inversora.

esses pinos na figura a seguir.



Terminais de alimentação

Os amplificadores operacionais apresentam uma característica singular em relação às tensões

de alimentação, ou seja, eles são alimentados por duas tensões simétricas (por exemplo: +15 e -

15V).

A figura a seguir ilustra uma forma comum de alimentação de um AO a partir de uma fonte

simétrica.

Observe que os AOs não são ligados diretamente ao “terra” ou 0V da fonte simétrica. O próprio

circuito interno do componente obtém o terra. (Figura a seguir)


ESCOLA SENAI “ALM

Isso não significa

necessitem de terra. O te

Veja na figura a se

ao terra.

Terminais de entr

A finalidade de u

contínuas quanto alterna

como são ligadas as sua

73IRANTE TAMANDARÉ”

que os outros componentes ou circuitos que estejam ligados ao AO não

rra para o circuito externo é fornecido no terminal 0 de fonte simétrica.

guir um exemplo de um circuito onde existem componentes externos ligados

ada

m amplificador operacional é realizar uma amplificação tanto de tensões

das. Isso acontece de tal forma que a relação de fase depende da maneira

s entradas.


ESC

Assim, os amplificadores operacionais possuem duas entradas de sinal:

• Uma entrada inversora, indicada pelo sinal “-” no símbolo do componente;

• Uma entrada não-inversora indicada pelo sinal “+”.

Para os sinais ou tensões aplicadas na entrada inversora (-), o AO se comporta como um

amplificador com relação de fase de 180º entre saída e entrada, ou seja, se o sinal aplicado na

entrada “-” torna-se mais positivo, o sinal de saída torna-se mais negativo. (Figura a seguir)

Para os sinais aplicados à entrada não-inversora (+), o AO se comporta como um amplificador

com relação de fase de 00 entre a saída e a entrada, ou seja, se o sinal aplicado na entrada “+”

torna-se mais positivo, o sinal de saída torna-se mais positivo.




Quando o sinal é aplicado entre uma entrada e outra, o AO atua como amplificador diferencial,

amplificando a diferença entre as duas tensões de entrada.

Características do amplificador operacional

As características (ou parâmetros) de um AO são informações fornecidas pelos fabricantes.

Elas possibilitam ao usuário determinar entre diversos AOs aquele que melhor se aplica à sua

necessidade.

As características mais importantes são:

• Impedância de entrada;

• Impedância de saída;

• Ganho de tensão diferencial em malha aberta;

• Tensão offset de saída;

• Rejeição de modo comum;

• Banda de passagem.

Essas características podem ser analisadas segundo dois pontos de vista: considerando o AO

como ideal ou considerando-o como real. Por isso, as características a seguir serão analisadas

segundo uma comparação entre o ideal e o real.

A impedância de entrada é aquela que existe entre os terminais de entrada do amplificador

operacional. É denominada Zi.

Um amplificador operacional ideal deve apresentar impedância de entrada infinita (Zi = ∞).

Nesse caso, as entradas de sinal não absorvem corrente, operando apenas com tensão.

ZiVi Ii =



Como Zi = ∞ , Ii = ZiVi Ii = , logo Ii = 0

Os amplificadores operacionais reais têm uma impedância de entrada da ordem de vários

megaohms (MM).

Devido a esse alto valor de Zi, os amplificadores operacionais reais podem ser considerados

como ideais em relação à impedância de entrada. Essa aproximação do ideal permite que se admita

que as entradas de um AO real não absorvam corrente.

A impedância de saída é a impedância do estágio de saída do AO (Zo). No nível de circuito

equivalente, a impedância de saída pode ser representada como um resistor em série com o terminal

de saída (Zo). (Figura a seguir)

Um amplificador operacional ideal deve apresentar impedância de saída nula (zero Ω ), ou

seja, comporta-se como uma fonte de tensão ideal para a carga, sem resistência interna. (Figura a

seguir)



Isso permite que a tensão na saída de um AO ideal dependa apenas dos sinais de entrada e

da amplificação, sendo independente da corrente solicitada pela carga. (Figura a seguir).

Em um amplificador operacional real, a impedância de saída existe e pode variar desde poucos

ohms (5Ω , por exemplo) até valores como 1000Ω . Essa impedância atua como uma resistência

interna e provoca uma queda na tensão de saída.

Portanto, a tensão VO na saída de um AO real depende:

• Das tensões nas entradas;

• Do ganho do AO;

• Da corrente solicitada pela carga.

Observação

Através de recursos externos ao AO, em alguns casos, pode-se reduzir a impedância de saída

para menos de 1Ω .

O sinal a ser amplificado por um AO pode ser aplicado de três maneiras:

• Entre entrada inversora (-) e terra;

• Entre entrada não-inversora (+) e terra;


ESCOLA SENAI “AL

• Entre as duas entradas.

Quando o sinal é aplicado entre uma entrada e a outra, o amplificador atua como amplificador

diferencial, amplificando a diferença entre as duas tensões de entrada.

Nessa condição o ganho obtido entre saída e entrada é denominado de ganho de tensão

diferencial e pode ser de dois tipos: em malha aberta e em malha fechada.

Nos “databooks” (circuitos lineares) os fabricantes fornecem o ganho de tensão diferencial em

malha aberta (Ad), que é a amplificação fornecida pelo AO quando não há ligação externa entre o

terminal de saída e entrada (sem realimentação).

O ganho de tensão diferencial em malha aberta de um AO ideal deve ser infinito (Ad = ∞).

O ganho de tensão diferencial em malha aberta em um AO real varia entre 103 e 109. Nos

manuais este ganho normalmente é expresso em decibéis:

db = 20 . logViVo

O ganho fornecido por um AO pode ser diminuído desde o valor Ad (ganho diferencial em

malha aberta) até o valor 1, se necessário. Essa redução é obtida pela realimentação fornecida por

componentes externos ao AO e que interligam a saída com a entrada.

Veja o circuito amplificador com AO e com componentes para realimentação (malha fechada).

(Figura a seguir)




Observação

Esta é uma das características mais importantes de um AO: o ganho em malha fechada

definido somente pelos componentes externos que fazem a realimentação.

A tensão offset de saída é qualquer valor de tensão que esteja presente na saída de um AO

que tem as entradas aterradas (a zero volt).

Em um AO ideal, a tensão offset de saída é nula, ou seja, a saída deve estar a “zero volt” se

ambas as entradas forem levadas ao potencial de terra.

No AO real a tensão offset é da ordem de poucos milivolts.

Alguns amplificadores operacionais têm terminais que possibilitam, através de circuitos

externos, ajustar a tensão de saída para zero quando as entradas forem levadas ao potencial de

terra. Este ajuste normalmente é denominado de “offset null”. A figura a seguir mostra símbolo de um

AO com dois terminais específicos para esse ajuste.

A rejeição de modo comum (CMRR) é a capacidade que um amplificador operacional tem de

não amplificar tensões que sejam comuns às duas entradas porque não há diferença a ser

amplificada.

A rejeição de modo comum também é conhecida como ganho de modo comum (AVCM).

Um amplificador operacional ideal deve ter uma rejeição de modo comum infinita (CMRR = ∞),

amplificando apenas a diferença entre a tensão das duas entradas.


E

Um amplificador operacional real amplifica também as tensões comuns aos dois terminais de

entrada, mas com ganho muito menor (centenas de vezes menor).

Como o ganho diferencial não é constante ao longo de todas as faixas de freqüências

amplificadas, denomina-se banda de passagem a faixa de freqüências em que o ganho do circuito se

mantém até 70% do ganho máximo (que corresponde a - 3db em relação ao máximo). O gráfico a

seguir mostra o ganho de um AO em função da freqüência amplificada.

de

até

es

ap

am

74


Por esse gráfico se observa que até 5Hz o ganho do AO é constante (106dB = 20000). A partir

5Hz, o ganho decresce com aumento da freqüência até que em 1MHz, o ganho é igual a 1.

Existem configurações de ligação do AO que permitem estender a banda de passagem para

centenas de quilohertz e até mesmo megahertz, no caso de alguns amplificadores operacionais

peciais.

Amplificador operacional 741

Um dos amplificadores operacionais mais usados na atualidade é o 741. Seu campo de

licação é tão extenso que um grande número de fabricantes de circuitos integrados produz

plificadores operacionais com características e designações praticamente idênticas (MA 741, LM

1, MC 741, SN 72741).



Uma análise comparativa entre o 741 e um AO ideal mostra que, em muitas características o

741 pode ser considerado como “ideal”. Isso é mostrado na tabela a seguir.

Característica Ideal 741

Impedância de entrada (Zi) ∞ (Ω) 2MΩ

Impedância de saída (Zo) 0 (Ω) 75Ω

Ganho em malha aberta (Avol) ∞ 106dB (200000)

Rejeição de modo comum ∞ 90dB

Outras características

Além das características internas importantes, os manuais trazem especificações relativas aos

fatores externos ao amplificador operacional. Esses valores são máximos e, se excedidos, podem

danificar permanentemente o componente. São eles:

• Tensão de alimentação: + 22V;

• Dissipação de potência: 500mW;

• Tensão de entrada: + 15V (tensão máxima que pode ser aplicada entre uma entrada

inversora ou não-inversora e o terra. Em qualquer caso, não deve exceder a tensão de

alimentação);

• Tensão de entrada diferencial: + 30V (tensão máxima que pode ser aplicada entre as duas

entradas: inversora e não-inversora);

• Duração de curto-circuito na saída: indefinida (o AO LM741 tem um circuito interno de

proteção contra sobrecarga);

• Temperatura máxima de operação: 0ºC a 700C.

Observação

As características apresentadas correspondem ao AO LM 741.



Ajuste de offset de saída

A figura a seguir mostra a disposição dos terminais do 741 nos encapsulamentos circular e

DIL.

Os dois terminais indicados com a designação “offset null” são utilizados para a correção do

offset na tensão de saída através do circuito externo.

A figura a seguir mostra o AO 741 com o circuito externo necessário para o ajuste da offset da

tensão de saída.

Circuitos lineares com amplificador operacional

No capítulo sobre o amplificador operacional, foram apresentadas características fundamentais

do AO e também o ajuste de offset de saída, necessária para o seu correto funcionamento.



Neste capítulo serão apresentados circuitos aplicativos que utilizam amplificadores

operacionais e que são muito usados em equipamentos industriais.

Para ter sucesso no desenvolvimento dos conteúdos e atividades deste capítulo, você deverá

ter conhecimentos anteriores sobre amplificador operacional e Leis de Ohm e Kirchhoff.

Característica de transferência de um AO

O ganho de um AO em malha aberta (sem realimentação) é altíssimo, atingindo valores da

ordem de 10.000 ou mais.

Assim, se uma diferença de 10 milivolts for aplicada entre as duas entradas de um AO com um

ganho de 10.000, por exemplo, a tensão de saída será:

Vo = (VA - Vs) . Ad

Como Va - Vb = 10mV, Vo = 0,01 . 10.000 = 100 V

Portanto, Vo = 100V.

Entretanto, como a maioria dos AOs é alimentada a partir de fontes de baixa tensão (± 15V,

por exemplo), a tensão de saída nunca sobe além do valor de alimentação.

Quando a tensão de saída de um AO atinge um valor igual (ou próximo) à tensão de

alimentação, diz-se que ele atingiu a saturação.



Como um AO é alimentado por tensões simétricas, a saturação pode ocorrer tanto para a

tensão de saída positiva quanto para a negativa. Essas situações são chamadas de saturação

positiva e saturação negativa.

Quanto maior for o ganho em malha aberta (Ad) de um AO, menor será a tensão entre as

entradas para levá-lo à saturação.

Característica de transferência do amplificador operacional

Colocando-se em gráfico o comportamento do AO, obtém-se o resultado mostrado a

seguir.(Gráfico a seguir)


ESCOLA

Esse

Nesse

negativos),

amplificada

Essa

característic

Devid

denominada

Um A

Vo é uma ré

O grá

funcionamen


gráfico é denominado de característica de transferência do AO.

gráfico enquanto a tensão entre as entradas está abaixo de 15mV (positivos ou

a tensão de saída obedece à equação Vo = Vi . Ad e corresponde a uma versão

do sinal Vi.

equação resulta em um comportamento linear (reta inclinada) na região central da

a de transferência.

o à linearidade da tensão de saída em função da tensão de entrada, esta região é

de região linear.

O funcionando como amplificador deve trabalhar somente na região linear, onde a tensão

plica amplificada da tensão Vi.

fico a seguir mostra a característica de transferência de um AO com as três regiões de

to.



Amplificação da região de operação linear

Devido ao alto ganho de malha aberta, a região linear é muito estreita, situando-se entre

alguns milivolts positivos e negativos. (Gráfico a seguir)

Isso significa, por exemplo, que, se um AO sem alimentação fosse usado como amplificador de

sinais, o sinal de entrada teria que estar limitado a poucos milivolts.

Com a utilização da realimentação negativa, a região linear de operação de um AO pode ser

ampliada através da redução do ganho.

A realimentação negativa consiste em fazer retornar uma parte do sinal de saída para a

entrada inversora, através de um circuito externo.

Veja na figura a seguir um amplificador operacional com um divisor de tensão externo (R1 e

R2) que faz a realimentação negativa.



Supondo-se, por exemplo, um circuito com ganho de tensão Av = 100, estabelecido por R1 e

R2 e com alimentação de + 15Vcc. (Figura a seguir)

A tensão Vo está limitada aos valores + 13V aproximadamente. Para que se obtenha +13V na

saída com um circuito com ganho 100, é necessário aplicar + 0,13V ou - 0,13V à sua entrada.

0,13V . 100 = + 13V

Vo = Vi . Av ⇒ ou

-0,13V . 100 = - 13V

Comparando-se as características de transferência de um AO em malha aberta e em malha

fechada com ganho 10, no exemplo, verifica-se a amplificação da região linear de alguns milivolts até

13mV. (Gráfico a seguir)


Os gráficos mostram como a redução do ganho permite um aumento da região linear

Circuitos lineares

Os circuitos que usam AOs na região linear são chamados de circuitos lineares. Como

exemplo desse tipo de circuito, podemos citar:

• Amplificador inversor;

• Amplificador não-inversor;

• Somador.

Amplificador inversor

O amplificador operacional possui uma entrada inversora de sinal que permite sua utilização

como amplificador de sinal com inversão de fase de 1800 entre saída e entrada.

n


Para que o AO opere na região linear, é necessário acrescentar a malha de realimentação

egativa ao circuito. A figura seguinte mostra a configuração de um amplificador inversor com AO.


ESCOLA SENAI “AL

Observação

Para maior clarez

Ganho do ampli

O ganho (Ad) d

realimentação. Esta de

isso, vamos considerar

não absorve corrente d

Uma vez que n

impedância de entrada


a da figura, foram omitidos os terminais de alimentação e offset.

ficador inversor

o amplificador inversor depende apenas dos componentes da malha de

pendência pode ser comprovada com base numa análise do circuito. Para

a impedância de entrada como ideal (infinita). Desse modo, a entrada do sinal

o circuito externo.

ão há circulação de corrente na entrada do AO, a queda de tensão na

é nula. (Figura a seguir)



V2 = 0

V1 = Ii . Zi

Como Ii = 0, então V1 = 0V

Tanto a entrada não-inversora (aterrada) como a inversora têm potencial de 0V. Embora a

entrada inversora (-) não esteja ligada fisicamente ao terra, seu potencial é nulo.



Esse ponto é denominado de terra virtual. (Figura a seguir)

Quando se aplica uma tensão à entrada do amplificador inversor, uma corrente circula no

resistor R1. Como se considera o terra virtual a 0V, o valor desta corrente é dado pela Lei de Ohm.

I = 1R

Vi

Vi = I . R1

Uma vez que a entrada do amplificador operacional não absorve corrente, a mesma corrente

que circula no resistor R1 passa através de R2. (Figura a seguir)



O resistor R2 está ligado entre a saída do circuito e o terra virtual (0V) de forma que a queda

de tensão em R2 é igual à tensão de saída Vo. Esta tensão pode ser calculada pela Lei de Ohm.

Vo = I . R2

Como dispomos das equações de Vo e V1, pode-se determinar a equação do ganho do circuito

amplificador inversor.

Av = ViVo

1

2

R . IR . I

Av =

Observação

O sinal negativo (-) na frente da expressão indica a inversão de fase (180º).

Simplificando o termo I, comum ao denominador e ao numerador, tem-se a equação pronta:

Ad = 1

2

R R

A equação mostra que o ganho do circuito depende apenas dos componentes que compõem a

malha de realimentação.


ESCOLA SENAI “A

A figura seguinte mostra um amplificador inversor com ganho - 10 (10 com inversão de fase).

O resistor R3 nã

R3 = 2 1

2 . 1

RRR R

+

Impedância de

Admitindo-se q

do circuito (Zi) será o

93LMIRANTE TAMANDARÉ”

o influencia no ganho e seu valor deve ser igual ao paralelo R1 e R2.

entrada do amplificador inversor

ue o terminal de entrada inversora é um terra virtual, a impedância de entrada

próprio valor de resistor onde se aplica o sinal, ou seja, Zi = R1.



Impedância de saída do amplificador inversor

A impedância de saída (Zo) do amplificador inversor é sempre muito menor que a impedância

de saída do próprio AO.

Os valores típicos de Zo são menores que 1Ω.

Amplificador não-inversor

Para a obtenção de um amplificador não-inversor, utiliza-se a entrada não-inversora do AO, o

que resulta em Vo em fase com Vi. (Figura a seguir)

A malha de realimentação (R2 e R1) é necessária para manter o AO na sua região linear de

funcionamento.

Ganho do amplificador não-inversor

O ganho (Av) do amplificador não-inversor normalmente é determinado considerando-se o AO

como ideal, ou seja, apresentando os seguintes valores:

• Impedância de entrada (Zi) = ¥;

• Impedância de saída (Zo) = 0Ω ;

• Ganho diferencial (Ad) = ¥.



Com essas aproximações, que não prejudicam o resultado prático, a equação do ganho do

amplificador não-inversor é:

Av =

+

1

2

RR

1

Nessa equação dois aspectos são importantes:

• A ausência do sinal negativo, que indica que o sinal de saída está em fase com o sinal de

entrada;

• Se R2 for muito maior que r1, a equação pode ser simplificada para:

Ad = 1

2

RR

Impedância de entrada do amplificador não-inversor

No amplificador não-inversor, o sinal de entrada é aplicado diretamente à entrada não-

inversora. Desta forma, a impedância de entrada (Zi) é a própria impedância de entrada.

Impedância de saída do amplificador não-inversor

A impedância de saída Zo do amplificador não-inversor também é sempre menor que a

impedância de saída do próprio AO (Zo).

Os valores típicos são menores que 1Ω.

Circuitos aritméticos com amplificador operacional

Circuitos aritméticos com AO são circuitos capazes de realizar operações aritméticas como

soma e subtração.



Circuito somador

O circuito somador é aquele capaz de fornecer na saída uma tensão igual à soma das tensões

aplicadas nas entradas.

Considerando-se que a entrada inversora não absorve corrente e que o ponto A no circuito é

um terra virtual, pode-se analisar o comportamento do somador.

Aplicando-se duas tensões (V1 e V2) nas entradas, circularão as correntes I1 e I2, cujos

valores são:

I1 = 1

1

RV

I2 = 2

2

RV


ESCOLA SEN

As correntes I1 e I2 se somam no nó A e circulam através do resistor R3, uma vez que a

entrada do AO não absorve corrente.

A tensão

Vo = - (I1

Se os va

Vo = - (I1

Como I1

Vo = - (V

97AI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”

de saída é dada pela Lei de Ohm:

+ I2) R3 ou Vo = - (I1 . R3) + (I2 . R3)

lores de R1, R2 e R3 são iguais, tem-se:

. R) + (I2 . R)

. R = V1 e I2 . R = V2, então:

1 + V2)



A tensão de saída é numericamente igual à soma de V1 e V2, porém o sinal é negativo devido

ao uso de entrada inversora.

Se for necessário obter as somas de V1 e V2 com o sinal correto, pode-se usar um

amplificador inversor com ganho 1 após o somador.

Deve-se tomar cuidado quando uma das tensões a ser somada for negativa, pois a corrente

desta entrada será diminuída das demais.

O circuito somador pode ser constituído com qualquer número de entradas. (Figura a seguir)


ESCOLA

CIRCU

O con

analisarmos

controle de

fornecem ins

Os ci

comparam-n

responder p

Neste

partir de am

externos sã

proporciona

Para

conhecimen

Tipos

Na in

montagem, c


ITOS DIFERENCIADORES E INTEGRADORES

ceito de controle é bastante antigo e utilizado a todo o instante pelo ser humano. Se

nossas atividades do dia-a-dia, perceberemos que a todo momento estamos fazendo um

ssas atividades, pois os nossos sentidos (visão, audição, tato, olfato, paladar) nos

truções para mudarmos os rumos dos nossos atos.

rcuitos controladores funcionam sob esse mesmo princípio: eles recebem o sinal,

o com um valor preestabelecido e informam de que maneira a variável de saída deve

ara equilibrar novamente o sistema.

capítulo estudaremos esses circuitos. Veremos que, geralmente, eles são montados a

plificadores operacionais. Veremos também que, dependendo de como os componentes

o ligados ao amplificador, eles definirão a ação do controlador que poderá ser de ação

l integral e derivativa.

aprender com mais facilidade o funcionamento desses circuitos, é necessário ter

tos anteriores sobre amplificadores operacionais.

de controle

dústria o controle está presente nas máquinas operatrizes, linhas automáticas de

ontrole de qualidade, robôs etc.



Em geral, um sistema de controle pode apresentar:

a) Entradas que representam os comandos dados ao sistema;

b) Perturbações que são as variáveis que causam as mudanças não esperadas;

c) Saídas que devem ser controladas pelo sistema.

Uma das classificações dadas aos sistemas de controle está baseada no fato do sistema

possuir realimentação ou não.

Assim, chamamos de sistema de controle sem realimentação, ou de malha aberta, àquele que,

baseado nos valores de entrada, toma uma decisão para comandar as variáveis de saída.

Por sua vez, sistema de controle com realimentação, ou de malha fechada, monitora

constantemente as variáveis de saída, e esses valores são levados em consideração no comando

dessas mesmas variáveis.

Existem ainda sistemas que são projetados com a capacidade de captar perturbações e

comandar as saídas a fim de anular ou diminuir seu efeito.

Um exemplo de controle de sistema é o controle de temperatura de uma estufa. O

aquecimento da estufa é conseguido por meio da aplicação de uma tensão nos resistores. A

quantidade de calor liberado pelos resistores é diretamente proporcional à potência elétrica aplicada

que, por sua vez, depende da tensão que será considerada à entrada do sistema. A temperatura

dentro da estufa é a saída do sistema porque representa a variável a ser controlada.

Controle em malha aberta

Para controlar o sistema apresentado no exemplo acima, faz-se um gráfico da temperatura

interna da estufa em função da tensão aplicada aos resistores. O circuito é então montado com um

potenciômetro devidamente calibrado com o qual seria selecionada a temperatura desejada. Um

circuito de potência alimentaria os resistores.


ESCOLA SENAI “AL

Apesar da simplic

• Necessidade

comportamen

• Ausência de i

a perturbação

Controle em ma

O circuito de mal

deve-se colocar um se

temperatura.

Se a temperatura

vez, aumenta a tensão

O inverso aconte

o aumento e informa a

reduza a temperatura d

Veja na figura a s


idade na execução, esse sistema apresenta as seguintes desvantagens:

de calibração periódica do circuito, em virtude das variações do

to do sistema com o passar do tempo;

munidade às perturbações. No exemplo do controle de temperatura da estufa,

seria o ato de abrir a porta, o que modifica a temperatura da estufa.

lha fechada

ha aberta pode ser aprimorado se for executado em malha fechada. Para isso,

nsor no interior da estufa que informa a todo o instante o valor real da

da estufa diminuir, esse sensor informa ao circuito de controle e este, por sua

da fonte, forçando a temperatura da estufa a aumentar.

ce se a temperatura aumentar acima do valor estabelecido. O sensor detecta

o circuito de controle para que a tensão seja reduzida e, conseqüentemente,

a estufa.

eguir o diagrama de blocos desse circuito.


ESCOLA

Bloc

Os

blocos, um

Ess

preestabel

novamente

Ger

Dependen

controlado

Bloc

Ess

entrada o

de saída p

102 SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”

o controlador

circuitos de controle de malha fechada são formados por vários blocos. Dentre esses

dos mais importantes é o bloco controlador.

e bloco tem a função de receber o sinal de realimentação, compará-lo com o valor

ecido e informar de que maneira a variável de saída deve responder para equilibrar

o sistema.

almente, os blocos controladores são montados a partir de amplificadores operacionais.

do de como os componentes externos são ligados ao amplificador, eles definirão a ação do

r que poderá ser proporcional, integral ou derivativa.

o controlador com ação proporcional

e tipo de bloco é constituído por um amplificador operacional que, ao receber em sua

sinal de erro enviado pelo sensor da variável de saída, aciona imediatamente os estágios

ara estabilizar o sistema. Sua resposta não inclui variáveis dependentes de tempo.



Veja o esquema de um controlador de ação proporcional, suas formas de onda e sua resposta

de saída.

Um inconveniente nesse tipo de controlador é a necessidade de existir sempre um sinal de erro

na entrada para que exista um sinal na saída.

Se na entrada do controlador não existir erro, a saída também não apresentará nível de saída,

e os estágios de saída não serão acionados. Isso pode ser visto nos intervalos 3 e 4 do gráfico

apresentado ao lado da figura anterior.

Bloco controlador com ação integral

Na figura seguinte está representado um circuito do bloco de ação integral.


E

ap

co

co

da

co

en

sa

um

ca


Analisando o circuito da figura acima, é possível perceber que a tensão de entrada está

licada diretamente no resistor R, e a tensão de saída será a tensão sobre o capacitor devido ao

nceito de terra virtual do amplificador operacional.

Como a tensão de entrada é diferente de zero, ela gera uma corrente que passa por C, pois a

rrente na entrada do operacional é praticamente zero devido à sua alta impedância.

Assim sendo, essa corrente carrega ou descarrega o capacitor C, dependendo da polaridade

tensão de entrada (VE).

Quando a tensão VE é zero, a saída do operacional não se altera porque, não havendo

rrente no capacitor, este permanece estável.

Assim, quando esse circuito é empregado como controlador de tensão, VE será a diferença

tre o valor ajustado para a variável de saída e o valor enviado pelo sensor da variável de saída. A

ída VS será o valor utilizado para reajustar a variável de saída.

Com esta análise, conclui-se que a presença de um bloco integrador em um sistema provoca

a reação mais lenta na resposta, pois ao aparecer uma tensão de erro na entrada, a tensão no

pacitor sai do zero e vai se ajustando gradativamente de acordo com a constante de tempo.



Observa-se também que não há necessidade da existência de sinal de erro na entrada para

que exista saída, pois, uma vez carregado o capacitor, ele se mantém carregado e garante o nível de

saída.

Bloco controlador com ação derivativa

Esse tipo de bloco controlador também é constituído por amplificador operacional dentro da

faixa de variação do erro, podendo produzir a correção antes que o erro se torne demasiadamente

grande.

O circuito do bloco derivativo básico é mostrado na figura seguinte.

Devido ao terra virtual, o capacitor está com um terminal conectado à massa. Um valor de

tensão aplicado a VE força uma corrente através de R e C, já que o amplificador não absorve

corrente.

Surge, então, na saída um pulso de tensão bastante alto e de curta duração, provocado pela

carga do capacitor. Esse pulso é de curta duração porque a constante RC é pequena e, logo que o

capacitor se carrega, a corrente não circula mais pelo circuito.



Observando o gráfico ao lado do circuito da figura anterior, vemos que, se o valor de tensão

aplicado à entrada variar continuamente, como nos intervalos 3 e 4 e 4 e 5, a saída permanecerá

estável em um nível constante, e o valor desse nível dependerá da quantidade de variação de tempo.

Se essa variação for rápida, o patamar da saída será grande; se essa variação for lenta, o

patamar terá um valor menor.

Devido à característica de responder somente à faixa de variação do erro e não ao valor de

erro, esse tipo de controlador deverá ser usado sempre em conjunto com outro controlador integral

ou proporcional.

Circuitos PI, PD e PID

Os circuitos controladores PI (de ação proporcional e integral), PD (de ação proporcional e

derivativa) e PID (de ação proporcional, integral e derivativa) combinam as características dos blocos

de ação proporcional, integral e derivativa.

São circuitos que também utilizam o amplificador operacional, e suas saídas garantem

resposta rápida quando o erro é detectado.

Controlador com ação proporcional e integral (PI)

É um bloco cuja saída combina as características do bloco proporcional e do bloco integral. É

formado por um amplificador operacional, e sua saída garante resposta rápida e ausência de erro na

entrada à medida que os sistema se estabiliza.

O esquema a seguir mostra um circuito PI e suas formas de onda.



Observando as formas de onda do sinal de entrada e saída, vemos que, no instante em que

aparece o sinal de erro na entrada, a saída responde rapidamente com um valor que é o mesmo da

entrada, porém amplificado. Esse valor continua aumentando enquanto durar o sinal de erro.

Quando cessa o sinal de erro na entrada, há uma queda na saída, referente ao sinal

amplificado e mantém-se um nível referente ao tempo de duração do erro. Esse nível se mantém na

saída devido à carga do capacitor.

Controlador de ação proporcional e derivativa

É também constituído por um amplificador operacional, e suas características são as mesmas

do controlador proporcional e do controlador derivativo.

Esse circuito responde à ocorrência de erro de forma rápida e com ganho altíssimo,

continuando a responder de acordo com a variação de erro.

A ilustração a seguir mostra um controlador PD e seus respectivos sinais de entrada e saída.



Analisando os gráficos ao lado da figura acima, vemos a característica do controlador, ou seja,

com um sinal quadrado de entrada, a saída responde rapidamente, vai a um valor máximo e

decresce exponencialmente (correspondendo à parte derivativa), parando em um nível que

corresponde à parte proporcional do controlador.

Controlador de ação proporcional integral e derivativa

Esse controlador reúne as características dos controladores proporcional, integral e derivativo.

Responde rapidamente às variações na entrada de acordo com a faixa de variação de erro e garante

a não existência de sinal de erro. A figura seguinte mostra o circuito e suas formas de onda de

entrada e saída.



Pelas formas de onda, pode-se observar que o circuito responde com as três ações:

proporcional, integral e derivativa.

CONTROLE ELETRÔNICO DE POTÊNCIA

Introdução

Muitos processos e acionamentos industriais requerem alimentação contínua variável. Quando

a fonte de alimentação é CA, pode-se usar um dos circuitos retificadores já estudados.

Entretanto, existem situações em que a tensão disponível é CC e para obter um valor variável,

utilizam-se tradicionalmente duas técnicas: a inserção de uma resistência variável entre a fonte e a

carga ou a conexão de um conjunto motor-gerador.



Com o advento dos semicondutores de potência, tornou-se possível a obtenção de tensão CC

variável através de dois métodos: uma associação de inversor-retificador ou um conversor CC- CC ou

“chopper”.

Neste capítulo, estudaremos alguns tipos de choppers que permitem a obtenção de tensão CC

variável diretamente de uma fonte CC. Esse tipo de circuito tem como vantagens a suavidade de

controle de tensão, a elevada eficiência, a velocidade de resposta e a possibilidade de regeneração,

pois permite o retorno de energia à fonte CC.

Controle eletrônico de potência

O controle eletrônico de potência é feito pelos conversores estáticos, ou seja, pelos

retificadores controlados (CA - CC), pelos conversores (CC-CC), pelos inversores (CC-CA) e pelos

conversores de tensão CA e cicloconversores (CA-CA).

Geralmente os conversores estáticos são usados para conversão e/ ou controle da energia

elétrica. Dessa forma, é possível um fluxo energético ou uma troca de energia entre sistemas

elétricos quaisquer.

O funcionamento externo de um conversor estático abrange as diferentes formas de conversão

de energia bem como os tipos construtivos que resultam dos circuitos e possibilidades de comandos

do fluxo de energia. Os quatro tipos de conversão de energia, ou seja, retificação, conversão CC-CC,

inversão e conversão CA-CA estão representados esquematicamente na ilustração.


Retificador CA-CC

Esse tipo de retificador converte tensão alternada em tensão contínua. Esse retificador pode

ser de dois tipos: controlado e não-controlado.

O retificador não-controlado produz tensão contínua proporcional à tensão alternada. Veja

figura a seguir.

O retificador de tensão contínua controlado funciona através de comando pulsante, ou seja,

através de fornecimento de apenas uma parte da tensão alternada que é convertida em tensão

contínua, por meio de tristores. Veja ilustração a seguir.

m

É possível também uma combinação de um retificador não-controlado com um conversor como

ostra o diagrama a seguir.



Observação

O fluxo magnético no retificador tem sempre o sentido do lado alternado para o lado contínuo.

Conversor de tensão contínua em tensão contínua (CC-CC)

Esse tipo de conversor possibilita a conversão de uma dada tensão contínua em uma outra

tensão contínua constante ou variável. A conversão pode ser direta ou indireta.

A conversão é direta quando a tensão de saída é obtida diretamente da tensão de entrada. A

tensão de saída pode assumir no máximo valores iguais à da tensão de entrada.

s

e


A conversão é indireta (ou com circuito intermediário de tensão alternada entre a entrada e a

aída) quando a tensão de saída independente da tensão de entrada.

Observação

O uso de transformador no circuito intermediário permite também uma separação galvânica

ntra a fonte geradora e o consumidor.



Inversor (CC-CA)

O inversor é um conversor de corrente contínua em corrente alternada no qual o fluxo

energético vai do lado da tensão contínua para o da tensão alternada. Dentro de um período de onda

alternada, é possível ocorrer uma rápida inversão deste fluxo.

A figura a seguir mostra o esquema do inversor auto-controlado, que alimenta uma rede cujas

características são definidas pelo inversor.

Veja, agora, um inversor controlado pela rede ligado a uma rede com características definidas.

Conversor de tensão alternada em tensão alternada (CA-CA)

Esse tipo de conversor permite a conversão de uma tensão alternada com amplitude U1 ,

freqüência f1 e número de fases M1 em outra tensão alternada com amplitude U 2 , freqüência f2 e

número de fases M 2 .

Esse conversor pode ser direto ou indireto.


O conversor direto opera sem circuitos intermediários. A entrada e a saída são ligadas

diretamente através de elementos estáticos controláveis. A tensão de saída de conversores diretos é

formada por pulsos da tensão de entrada e depende da freqüência de entrada.

i

f

f

V

u

O conversor indireto contém um retificador e um inversor interligados por um circuito

ntermediário.

Nos conversores indiretos, a freqüência da tensão de saída, em largos limites, não depende da

reqüência da tensão de entrada. Com isto, é possível manter-se uma tensão de saída constante para

reqüência e tensão de entradas variáveis.

Esse tipo de conversor é usado em geradores acionados por motores de velocidade variável.

eja diagrama e forma de onda na ilustração a seguir.


Conversor “chopper”

O conversor CC-CC ou “chopper” permite a obtenção de tensão CC variável diretamente de

ma fonte CC.


O princípio de funcionamento do “chopper” baseia-se na abertura e fechamento de uma chave

colocada num circuito alimentado por CC. Com isso, consegue-se variar a tensão média na carga.

Esta variação é conseguida, variando-se o tempo de abertura e fechamento da chave. Veja ilustração

a seguir.

c

d

d

p

u

c

q

r

c


Normalmente, a chave S é substituída por transistores ou SCRs e circuitos eletrônicos

ontrolam o tempo de condução e corte desses componentes.

Quando se utiliza transistor, o circuito é mais simples pois ele conduzirá, ou não dependendo

a polarização de base.

Com SCR, o circuito precisa ser mais elaborado porque o SCR, após ser disparado, necessita

e uma redução na corrente de manutenção para deixar de conduzir e precisa ser mantido desligado

or um tempo suficiente para que ele não volte a conduzir.

Para possibilitar o corte do SCR, utilizam-se pontes para fornecer uma polarização reversa por

m curto espaço de tempo. Essas fontes são geralmente formadas por capacitores e indutores

olocados no circuito.

Para um melhor entendimento, vamos recordar o funcionamento do capacitor e do indutor

uando alimentamos por uma tensão elétrica.

Carga do capacitor

Quando se liga um capacitor a uma fonte de CC, observa-se que no instante da ligação, ele

epresenta um curto-circuito e a corrente é máxima. A medida que suas armaduras vão se

arregando, a corrente diminui e a tensão em seus terminais aumenta. Veja ilustração a seguir.



Carga do indutor

Quando se liga um indutor a uma fonte de CC, observa-se que, no instante da ligação, ele

representa um circuito aberto. A tenção em seus terminais é máxima, mas a corrente não circula pelo

indutor. Após um período de tempo, a corrente se estabiliza e a energia é armazenada em forma de

campo magnético. Veja ilustração a seguir.

Circuito LC alimentado por CC com diodo de retorno

O circuito mostrado a seguir representa uma das configurações básicas dos circuitos de

“chopper” (ou recortador).


ESCOLA SENAI “

Funcionamen

Quando se li

indicada e a formaç

capacitor, a corrente

no indutor, a corrent

tensão igual a duas

Até que as te

devolvida pelo cap

devolvido ao capacit

ALMIR

to

ga a chave S, o capacitor começa a se carregar com a polaridade (+) e (-)

ão do campo magnético do indutor é iniciada. Decorrido o tempo de carga no

tenderia a não mais circular. Porém, devido ao campo magnético armazenado

e contínua circulando e carrega o capacitor através do diodo de retorno com uma

vezes a tensão da fonte. Nesse instante, o capacitor começa a se descarregar.

nsões do capacitor e da fonte sejam iguais, essa energia em forma de tensão

acitor é armazenada pelo indutor em forma de campo magnético que será

or descarregando-o completamente. Observe o gráfico abaixo.




Circuito LC alimentado por CC através de SCR

O circuito LC alimentado por CC através de SCR é outra configuração básica dos circuitos de

“chopper”. Neste caso, o circuito é semelhante ao anterior, apenas que a chave é trocada por um

SCR e o diodo de retorno é retirado.

Funcionamento

O funcionamento desse circuito é semelhante ao funcionamento do circuito anterior: após o

disparo do SCR, o capacitor e indutor começam a se carregar. Decorrido o tempo de carga do

capacitor, a corrente tenderia a deixar de percorrer o circuito. Todavia, devido ao campo magnético

armazenado no indutor, ela continua a circular carregando o capacitor com duas vezes a tensão da

fonte. Nesse instante, o SCR deixa de conduzir e o circuito se estabiliza com o capacitor carregando

com 2U. Veja gráficos a seguir.



Inversão da polaridade de um capacitor

Muitas vezes, nos circuitos de recortadores ou inversores, existe a necessidade da inversão da

polaridade de capacitores para possibilitar a comutação do SCR.

No circuito mostrado, vamos considerar que o capacitor está carregado inicialmente com a

polaridade (+) (-) indicada. Quando o SCR é disparado, o capacitor começa a se descarregar através

do indutor e do SCR. Quando a tensão entre seus terminais for zero, a energia acumulada no indutor

em forma de campo magnético será máxima e será devolvida ao capacitor em forma de tensão. Isso

faz com que o capacitor se carregue agora com a tensão (+) (-) indicada na figura e o SCR deixa de

conduzir.

Comutação com auxílio de indutor para carga do capacitor

O esquema mostra um circuito de comutação com auxílio de indutor para carga do capacitor.

No circuito, para garantir a carga inicial do capacitor com a polaridade (+) (-) indicada, Ta

(tiristor auxiliar) é disparado.

Quando Tp (tiristor principal) é disparado, a corrente de carga mais a corrente de descarga do

capacitor que circulam por C,L e o diodo passam por Tp.


ESCOLA SENAI

Após a descarga do capacitor, sua energia está acumulada no campo magnético do indutor e

será devolvida em forma de tensão, invertendo a polaridade de carga do capacitor para (+) (-).

Depois disso, o tiristor Ta pode novamente ser disparado para bloquear Tp e reiniciar o ciclo de

funcionamento.

A principal desvantagem desse circuito é que uma eventual falha de comutação de Tp faz com

que o capacitor se descarregue o que impossibilita comutações posteriores. Neste caso, o circuito

deve ser desligado e, quando novamente energizado, Ta deve ser disparado em primeiro lugar.

Comutação por impulso auxiliar (“Chopper “ de Mac Murray)

A ilustração a seguir mostra um circuito de comutação por impulso auxiliar.

Inicialmente, Tp é disparado e o capacitor C está previamente carregado com a polaridade (+)

(-) indicada. A corrente flui para a carga RL através de Tp.

120 “ALMIRANTE TAMANDARÉ”



Dado o disparo em T1, C se carrega através de T1, L e RL e provoca uma corrente contrária à

de carga em Tp.

Esta corrente aumenta até Ic = IL. Neste momento, a corrente se anula e Tp se abre. O diodo

Dp começa a conduzir.

Quando a corrente Ic é menor que IL, Dp pára de conduzir e D começa a conduzir devido à

fcem da carga.


ESCOLA SENA

Quando Ic = O, T1 se abre e o diodo D permanece fechando o circuito de carga.

Observação

A carga é altamente indutiva.

Quando T2 é disparado, C se descarrega sobre T2, D e L. O capacitor, então, se carrega com

polaridade contrária (-) (+), em virtude da ação do circuito oscilante LC.

Dado o dis

continua a se car

Quando Ic

Esta condi


paro em Tp, D pára de conduzir. A tensão em RL passa de 0V para +V. O capacitor

regar através de Tp, L e T2.

se anula, T2 pára de conduzir e Tp conduz a corrente de carga IL.

ção corresponde ao estado inicial, completando o ciclo de operação do chopper.



Chopper de Jones

Este circuito apresenta ótimas características de comutação devidas á tensão elevada com que

carrega o capacitor e ao aumento da corrente de carga.

Funcionamento

Na condição inicial, C está descarregado. Quando Tp é disparado, L1 induz uma corrente em

L2 que através do diodo D carrega o capacitor com a polaridade (+) e (-) indicada no diagrama.

Quando Ta é disparado, Tp recebe toda a carga do capacitor e entra em corte. Em seguida, Cé carregado com polaridade oposta (-) e (+) indicada no diagrama e Ta se desliga por comutação

natural assim que a corrente de carga do capacitor cai abaixo da corrente de manutenção (IH) deste

tiristor.

No próximo disparo de Tp, o capacitor é descarregado através de Tp, L2 e D e em seguida,

carregado em sentido reverso devido à ação da indutância entre L1 e L2, deixando-o pronto para a

próxima comutação de Ta para Tp.



Observação

O valor da carga adquirida pelo capacitor irá depender diretamente da corrente de carga, pois

quanto maior for a corrente que circula em L1, maior será a tensão em L2.

Considerando-se que o tempo de desligamento dos tiristores (toff) aumenta com a corrente, a

carga adicional recebida pelo capacitor ajuda na comutação do tiristor principal.

Circuito de disparo para “chopper”

O circuito de disparo para “chopper” dispara os SCRs do recortador. É um circuito composto

por um gerador de rampa, um comparador, um integrador e separador de pulsos e um amplificador

de pulsos.

O gerador de rampa é formado por um transistor de unijunção 2646 que funciona como

oscilador de relaxação. A carga do capacitor é feita através de uma fonte de corrente constante

(transistor BC557).

A rampa é comparada com um nível contínuo e provoca na saída do operacional pulsos

quadrados com duração que dependerá do nível contínuo ajustado no potenciômetro P1.

Os pulsos quadrados da saída do operacional passam pelo capacitor C2 e os diodos D1 e D2e aí são diferenciados e separados de modo que os positivos disparem o transistor T1 e os negativos

sejam responsáveis pela condução de T2.


E

int

do

ou

ele

se


Os pulsos positivos acontecerão sempre no início da rampa e os negativos devem aparecer no

ervalo entre dois pulsos positivos. O momento em que ocorre o pulso negativo depende do ajuste

nível contínuo no potenciômetro P1.

Os trimpots P2 e P3 devem ser ajustados de tal forma que, ao girarmos P1 de um extremo ao

tro, o pulso negativo se deslocará entre dois pulsos positivos consecutivos sem, no entanto, que

s coincidam.

O funcionamento do circuito e seu ajuste são esclarecidos pelas formas de onda mostradas a

guir.


ESCOL

IN

Ne

Va

velocidad

vamos a

trifásico a

Va

dos inve

dimensio

126A SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”

VERSORES

ste capítulo abordaremos o princípio de funcionamento dos inversores de freqüência.

mos iniciar nossa análise fazendo comparações entre os diversos sistemas de variação de

e – mecânicos, hidráulicos, eletromagnéticos e eletrônicos. Para uma maior compreensão,

nalisar o funcionamento do inversor six step, procurando detalhar como é montado o sistema

partir de uma tensão contínua constante.

mos comentar as técnicas de modulação PWM (as clássicas), assim como as aplicações

rsores de freqüência, curvas características, tipos de conjugados resistentes e noções de

namento.



Motores Assíncronos

Os motores assíncronos ou de indução, por serem robustos e mais baratos, são os motores

mais largamente empregados na indústria. No motor de indução, o campo girante do estator possui a

velocidade síncrona, como nas máquinas síncronas.

Teoricamente, para um motor girando em vazio e sem perdas, o rotor teria a mesma

velocidade síncrona.

Ao ser aplicado o conjugado externo ao motor, o seu rotor diminuirá a velocidade na proporção

necessária para que a corrente induzida pela diferença de rotação entre o campo girante síncrono e o

rotor passe a produzir um conjugado eletromagnético.

Princípio de funcionamento

Seu funcionamento está baseado no princípio da interação eletromagnética do campo girante

do estator e das correntes induzidas no enrolamento rotórico, quando os condutores do rotor são

cortados pelo campo girante produzido no estator da máquina.

No motor assíncrono, temos um conjunto de bobinas no estator alimentadas por uma rede

trifásica e que produzem um campo magnético girante.

Dentro desse campo está o rotor, que é constituído por um enrolamento em curto-circuito. O

movimento do fluxo magnético induz uma tensão sobre os condutores do enrolamento do rotor.

Como o enrolamento do rotor está fechado, haverá um fluxo de corrente.

Essa corrente induzida no rotor está atrasada em relação à tensão, e a interação entre a

corrente do rotor e o fluxo do estator resulta em torque na mesma direção do campo girante.

Cálculo da rotação síncrona

Ns = (120 . f) / Np

onde: Ns = rotação síncrona

Np = número de pólos.

f = freqüência



Cálculo da rotação do rotor

Nr = [(120 . f) / Np] . (1 – S)

onde:

S = escorregamento da máquina

Cálculo do escorregamento

S = [(Ns – Nr) / Ns] . 100%

Cálculo da freqüência da corrente induzida no rotor

f2 = S. f1

onde:

f 1 = Freqüência da corrente estatórica (Hz).

f 2 = Freqüência da corrente rotórica (Hz).

Observações

A vazio o escorregamento é muito pequeno, a corrente do rotor é reduzida, apenas suficiente

para produzir o torque a vazio. O fator de potência é extremamente baixo e em atraso, com cosϕ <

0,3, pois a corrente que circula pelo motor é utilizada apenas para a sua magnetização.

Quando uma carga mecânica é aplicada ao rotor, a velocidade diminui. O pequeno decréscimo

na velocidade causa um aumento no escorregamento, na freqüência da corrente rotórica, na sua

reatância e na força eletromotriz induzida.

Um aumento da corrente no rotor causa um aumento da corrente no estator (componente que

produz potência).



Com isto teremos um melhor fator de potência, tendendo a produzir mais potência mecânica e

solicitar mais potência da linha.

A plena carga o motor irá girar a um escorregamento que promove o equilíbrio entre o

conjugado do motor e o conjugado resistente da carga. O fator de potência a plena carga varia de 0,8

(em pequenos motores ) e 0,95 (nos grandes motores).

Força Eletromotriz e Corrente Induzida

Pela teoria, para motor com rotor bloqueado temos que as tensões induzidas no rotor (f.e.m.) e

no estator (f.c.e.m) são dadas respectivamente por:

E1 = 4,44.f1.n1.φm.Ke1

E2 = 4,44.f2.n2.φm.Ke2

onde:

E1 = Força contra-eletromotriz induzida no estator

E2 = Força eletromotriz induzida no rotor

ke1 e ke2 = Fator de enrolamento do estator e do rotor, respectivamente

n1 e n2 = Número de espiras do estator e do rotor, respectivamente

φm = Fluxo de magnetização

f1 e f2 = Freqüência do estator e do rotor, respectivamente

Na presença de escorregamento, temos:

f2 = S . f1

Portanto, a tensão eletromotriz induzida no rotor, em razão do escorregamento, será:



E2s = 4,44.S.f1.n2.φm.Ke2

Podemos realizar uma aproximação para a expressão a seguir, onde:

E2s = S.E2

Analisando a expressão da força contra-eletromotriz E1, temos:

φm = E1 / ( 4,44 . f1 . n1 . ke1 ). Como 4,44, n1 e ke1 são constantes, temos:

φm = E1 / ( f1 . K ). Quando variarmos a rotação do motor, a constante K não terá seu valor

alterado, portanto podemos considerar a seguinte simplificação:

φm = (E1 / f1)

Quando aplicamos o acionamento eletrônico em motores assíncronos, para mantermos o

conjugado constante devemos manter a relação volts/hertz constante, conforme a fórmula acima.

Conjugado Eletromagnético

Da interação entre a corrente do rotor e o fluxo produzido em cada pólo unitário do campo

magnético girante que concatena o condutor do rotor resulta o conjugado motor, o qual é dado por:

C = K.φm.12s.cos ϕ2s

onde:

K = Constante para unidades empregadas

Cos ϕ2s = Fator de potência do circuito do rotor

φm = Fluxo de magnetização



I2s = Corrente rotórica

Para um estudo mais aproximado da máquina, essa equação poderá ser simplificada por:

C = φm.12s

O que determina a relação entre o torque desenvolvido (solicitado) pela máquina, o fluxo de

magnetização entre o rotor e o estator e a corrente induzida rotórica, que é dada por:

12s = (S.E2) / Z2s

O conjugado desenvolvido é função do escorregamento. Com o aumento da carga aplicada ao

motor, aumenta-se o escorregamento e conseqüentemente o torque desenvolvido pelo motor até um

limite em que obtemos o conjugado máximo, e a partir do qual, aumentando o escorregamento,

aumenta-se a impedância rotórica diminuindo o conjugado

onde Z2s = 2d2

22 Sx R +

Característica conjugado x velocidade

Essa característica mostra a dependência entre o conjugado desenvolvido pelo motor e a sua

rotação. Nos motores de indução o conjugado disponível aumenta à medida que a velocidade rotórica

diminui em relação à velocidade síncrona, até a velocidade em que ocorre o conjugado. máximo.



Característica de Partida

Do desenvolvimento do modelo matemático da máquina assíncrona, demonstra-se que o

conjugado é descrito por:

CP = K . E12.[R2 / R22 + Xd2

2)]

Onde:

CP = Conjugado de Partida

k = Constante referente às unidades empregadas

R2 = Resistência Rotórica

Xd2 = Reatância Rotórica

Da equação acima podemos fazer as seguintes considerações:

A) No instante da partida o conjugado não é afetado pela natureza da carga aplicada.



B) Desde que para um dado motor de indução tipo gaiola a resistência efetiva do rotor e a

reatância de rotor bloqueado sejam constantes, a expressão pode ser escrita por:

CP = K’ . E12

Podemos observar que o conjugado de partida é apenas função da tensão aplicada no estator.

Ao reduzir-se a tensão nominal, também se reduzirá a corrente secundária e a primária. Esse

processo ainda é muito utilizado no acionamento dos motores assíncronos.

Sistemas de Variação de Velocidade

Uma das necessidades que sempre existiram, no passado, foi a variação da velocidade em

motores de indução, pois ela é fixa e está relacionada com as características elétricas construtivas do

motor e a freqüência da rede de alimentação.

Tipos de Sistemas de Variação de Velocidade

1. Variadores Mecânicos

2. Variadores Hidráulicos

3. Variadores Eletromagnéticos

4. Variadores Eletroeletrônicos

Variadores Mecânicos

Foram os primeiros sistemas utilizados para se obter uma velocidade diferente da velocidade

do motor.

Características: simplicidade de construção, baixo custo, pequena variação de velocidade

condicionada a limites (mecânicos e elétricos).



Polias Fixas

Variação discreta de velocidade, utilizada onde existe necessidade de redução ou ampliação

de velocidade, porém sempre fixa, sem a possibilidade de uma variação contínua de rotação.

Polias Cônicas

Sistema que permite a variação contínua da velocidade por meio de duas polias cônicas

contrapostas.

A variação da velocidade ocorre através do posicionamento da correia sobre a superfície das

polias cônicas.

Esse sistema é utilizado onde não é necessária uma faixa de variação de velocidade muito

ampla e não se requerem variações rápidas e precisas.

Esse sistema é utilizado com maior freqüência para pequenos ajustes de sincronismo

mecânico de baixa precisão.


ESCOLA SENAI “A

Polias Variado

Permite variaçã

flanges cônicas forma

Em seu funcion

duas flanges força

consequentemente a

135LMIRANTE TAMANDARÉ”

ras

o contínua da velocidade. Utiliza um dispositivo mecânico que consiste de duas

ndo uma polia, que pode se movimentar sobre o eixo acionado.

amento percebe-se que o movimento de aproximação ou afastamento entre as

a correia a subir ou descer, mudando o diâmetro relativo da correia e

velocidade da máquina.



Moto-redutores

Sistema de acoplamento avançado em relação aos anteriores, permite a variação discreta e

contínua da velocidade, através de um jogo de polias e engrenagens variáveis.

Limitações

A) Independentemente da variação da velocidade na saída, o motor que aciona o moto redutor

está funcionando com tensão nominal e freqüência nominal, portanto teremos desperdício

de energia elétrica.

B) Esses métodos não permitem controle a distância, têm rendimento muito baixo e são

limitados a baixas e médias potências, pois as engrenagens não suportam potências

elevadas.

Variadores Hidráulicos

Permitem a variação contínua da velocidade e foram projetados para converter a potência

hidráulica de um fluido em potência mecânica.



A conversão é feita através de um dispositivo de engrenagens planetárias ou através de

acionamento de pistões, com controle efetuado por válvulas direcionais.

Características

1. Baixa rotação (5 a 500 rpm)

2. Elevado torque

3. Permitem rotação nos dois sentidos

4. Motores de baixa potência

5. Baixo custo

Desvantagens

1. Grandes Instalações (tubulações, motores elétricos, bombas etc.)

2. Rendimento baixo

3. Alto índice de manutenção

4. Perdas elevadas nos circuitos hidráulicos


ESCOLA SENA
a) Discos de transmissão

b) Coroa com a sua abertura central

c) Colher articulada

d) Sensor com o seu diafragma

e) Mola de regulagem

f) Botão de regulagem

g) Tanque de captação de óleo

h) Intercâmbio de calor

i) Furo de alimentação do óleo

j) Eixo do motor de RPM constante

k) Eixo de RPM variável

l) Furo de saída do óleo

m) Termômetro de controle

n) Corpo

o) Tampa de montagem e inspeção



Variadores Eletromagnéticos

Embreagens Eletromagnéticas

Com os variadores eletromagnéticos mudou-se o conceito de variação exclusivamente

mecânica para variação eletromecânica.

As técnicas envolvidas estão baseadas nos princípios físicos das correntes de Foucault,

utilizando um sistema de discos acoplados a bobinas que podem ter seu campo magnético variável,

variando-se o torque e a velocidade na saída do variador.

Limitações

1. A rotação de saída é sempre a nominal do motor.

2. Nesse sistema o motor sempre estará girando na rotação nominal, proporcionando um

acoplamento inadequado (desperdício de energia), quando operamos abaixo da rotação

nominal.

3. O rendimento é muito baixo e apresenta perdas por aquecimento.

4. As manutenções preventivas são freqüentes porque existem muitas partes girantes, as

quais necessitam de ajustes constantes e substituições periódicas.



Componentes

1 - Motor 12 - Rolamento central

2 - Carcaça do variador 13 - Retentor especial

3 - Eixo do variador 14 - Rotor aranha

4 - Núcleo de bobina 15 - Bobina de campo

5 - Alçapão 16 - Parafuso para fixação do núcleo

6 - Tampa 17 - Parafuso para fixação do alçapão

7 - Gerador 18 - Rolamento da tampa

8 - Rotor 19 - Parafuso para fixação da tampa

9 - Tampa 20 - Carcaça

10 - Parafuso de fixação do motor 21 - Porca e arruela de segurança

11- Ventilador

Variadores Eletroeletrônicos

Acionamento de Motor Assíncrono de Rotor Gaiola

A variação da velocidade em Motores Assíncronos pode ser dividida em dois grupos:

1- Variação Discreta

2- Variação Contínua

* Variação discreta pode ser feita através da variação do número de pólos.

* Variação contínua pode ser feita através da variação da freqüência, tensão ou

escorregamento.

Para os Motores Assíncronos a relação entre velocidade, freqüência, número de pólos e

escorregamento é expressa por:

Nr = [120.f.(1 – S) / Np]



Analisando a fórmula, podemos ver que para variar a velocidade de um motor assíncrono

podemos atuar nos seguintes parâmetros:

Np = Números de pólos (Variação discreta)

S = Escorregamento (Variação contínua)

f = Freqüência da rede de alimentação

Variação do Número de Pólos

Existem três formas de variar o número de pólos de um motor assíncrono:

1. Múltiplos enrolamentos separados no estator

2. Um enrolamento com comutação polar

3. Combinação dos dois anteriores

Motores de duas Velocidades com Enrolamentos Separados

Esse método apresenta a vantagem de combinar enrolamentos com qualquer número de

pólos, embora seja limitado pelo dimensionamento eletromagnético do núcleo (Estator/Rotor).

Motores de Duas Velocidades com Enrolamentos por Comutação de Pólos

O sistema mais comum é a Ligação Dahlander, que implica uma Relação de pólos de 1:2, com

conseqüente relação de rotação de 1:2.

Podemos obter esse sistema de três formas diferentes:

• Conjugado Constante: o conjugado nas duas rotações é constante e a relação de potência

é da ordem de 0,63:1. Nesse caso o motor tem sua ligação de triângulo para dupla estrela.

• Exemplo: Motor de 0,63/1cv IV / II pólos.



• Potência Constante: nesse caso a relação de conjugado é de 1:2 e o motor possui uma

ligação de Dupla Estrela para Triângulo.

• Exemplo: Motor de 10/10cv IV / II pólos.

• Conjugado Variável: nesse caso, a relação de potência será de aproximadamente 1:4. É

muito aplicado a cargas como bombas e ventiladores, e sua ligação é em estrela para dupla

estrela.

• Exemplo : Motor de 1/4cv IV / II pólos.

Resumo das Ligações

Variação do Escorregamento

A variação do escorregamento de um motor de indução com rotor gaiola é obtida pela variação

da tensão estatórica. É um sistema pouco utilizado, pois gera perdas rotóricas e a faixa de variação

da velocidade é pequena.

O controle de velocidade em motores de gaiola por meio da variação da tensão aplicada é

utilizado nas seguintes aplicações:



Aplicação de curta duração, por exemplo, partida lenta de máquinas, através da chave

compensadora ou soft start.

Faixa de Potência típica: 1 a 50 Kw

Faixa de regulação de velocidade: 1 - 20

Faixa de variação de velocidade: 500 – 3000 rpm

Inversores Estáticos de Freqüência

O mais eficiente método de variação e controle de velocidade nos motores de indução, com

menores perdas, consiste na variação da freqüência da fonte alimentadora através dos inversores de

freqüência, em que o motor pode ser controlado de modo a prover um ajuste contínuo de velocidade

e conjugado com relação à carga mecânica.

Como visto anteriormente, sabemos que o conjugado é dado por

C = φm.I2

E o fluxo magnético é dado por:

φm = (V1 / f1)

Ou seja, para conservar a intensidade de fluxo magnético constante, a relação volts/hertz deve

ser mantida constante.

Como Funciona o Inversor de Freqüência:

Para iniciar a análise iremos considerar o arranjo mais freqüente, que corresponde aos

inversores PWM (Pulse Widht Modulation).


E

su

aju

AC

se

ele

se


Para produzir tensões e freqüências variáveis a energia elétrica sofre duas transformações

cessivas, de AC (rede elétrica) para DC e posteriormente de DC para AC (tensão e freqüência

stáveis).

A partir dessa tensão DC (tensão do link DC) é que deverá ser produzida uma tensão trifásica

de freqüência e tensão variáveis, utilizando a técnica de modulação PWM.

O circuito que efetua essa transformação é chamado de inversor, e é construído a partir de

is chaves eletrônicas.

Será adotado o nome de chaves eletrônicas, pois existem diversos tipos de componentes

trônicos (semicondutores) que podem ser utilizados com essa finalidade.

Os dispositivos mais utilizados são BJT , MOSFET , GTO e IGBT.

Para exemplificar o funcionamento do Inversor é necessário analisar o funcionamento do

guinte circuito:



O circuito apresentado possui 8 configurações possíveis de operação, das quais 6 são estados

estáveis e os 2 restantes são estados neutros, conforme a figura a seguir.

ESTADO 1 ESTADO 2 ESTADO 3

Condução T1,T2,T3 Condução T2,T3,T4 Condução T3,T4,T5



ESTADO 4 ESTADO 5 ESTADO 6

Condução T4,T5,T6 Condução T5,T6,T1 Condução T6,T1,T2

Existem dois estados neutros, por exemplo, as chaves 1,3,5 estão todas ligadas ou as chaves

2,4,6 estão ligadas. Nos dois casos a tensão aplicada no motor será nula.

Analisando o funcionamento do circuito, podemos construir a tabela de engatilhamento do

circuito:

ESTADO T1ON/OFF

T2ON/OFF

T3ON/OFF

T4ON/OFF

T5ON/OFF

T6ON/OFF

1

2

3

4

5

6

7

8

Com o auxílio do circuito da figura a seguir, vamos calcular a tabela das tensões para cada

uma das configurações de um inversor PWM:


ESCOLA

Estado

1

2

3

4

5

6

7

8

Ger

Ana

efetuar os

chamado d

147 SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”

VR zero VS zero VT zero VRS VST VTR VRN VSN VTN

ação dos Pulsos de Disparo

lisando a Tabela nos estados de 1 a 6, podemos construir um Contador Síncrono para

disparos das chaves eletrônicas. Desta forma, estaremos construindo um Inversor

e Six Step (Seis Passos).



Construção do Contador Síncrono

Tabela do Flip Flop JK

J K QF Saída Futura

0 0 QA

0 1 0

1 0 1

1 1 QA Invertida

Construção da Tabela do Flip Flop JK para a Montagem do Contador Síncrono

QA QF J K

0 0 0 X

0 1 1 X

1 0 X 1

1 1 X 0

QA = Estado anterior da saída 1 = Estado ligado X = Condição irrelevante

QF = Estado futuro da saída 0 = Estado desligado

Tabela do Contador Síncrono

T1 T2 T3 T4 T5 T6

Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 J5 K5 J4 K4 J3 K3 J2 K2 J1 K1 J0 K0



Aplicando o Mapa de VEITCH KARNAUGHT

Entrada J5

Q5,Q4,Q3

000 001 011 010 110 111 101 100

Q2,Q1,Q0

000

001

011

010

110

111

101

100

Entrada K5

Q5,Q4,Q3

000 001 011 010 110 111 101 100

Q2,Q1,Q0

000

001

011

010

110

111

101

100



Entrada J4

Q5,Q4,Q3

000 001 011 010 110 111 101 100

Q2,Q1,Q0

000

001

011

010

110

111

101

100

Entrada K4

Q5,Q4,Q3

000 001 011 010 110 111 101 100

Q2,Q1,Q0

000

001

011

010

110

111

101

100



Entrada J3

Q5,Q4,Q3

000 001 011 010 110 111 101 100

Q2,Q1,Q0

000

001

011

010

110

111

101

100

Entrada K3

Q5,Q4,Q3

000 001 011 010 110 111 101 100

Q2,Q1,Q0

000

001

011

010

110

111

101

100



Entrada J2

Q5,Q4,Q3

000 001 011 010 110 111 101 100

Q2,Q1,Q0

000

001

011

010

110

111

101

100 X X X X X X X X

Entrada K2

Q5,Q4,Q3

000 001 011 010 110 111 101 100

Q2,Q1,Q0

000

001

011

010

110

111

101

100



Entrada J1

Q5,Q4,Q3

000 001 011 010 110 111 101 100

Q2,Q1,Q0

000

001

011

010

110

111

101

100

Entrada K1

Q5,Q4,Q3

000 001 011 010 110 111 101 100

Q2,Q1,Q0

000

001

011

010

110

111

101

100



Entrada J0

Q5,Q4,Q3

000 001 011 010 110 111 101 100

Q2,Q1,Q0

000

001

011

010

110

111

101

100

Entrada K0

Q5,Q4,Q3

000 001 011 010 110 111 101 100

Q2,Q1,Q0

000

001

011

010

110

111

101

100


E

Circuito do Contador Síncrono

Com a resolução do Mapa de Veitch Karnaught podemos obter o Contador Síncrono a partir

dos Flip Flops JK, conforme esquema eletrônico da figura a seguir.

de

co

se

(T


Circuitos de Acoplamento e Isolação Galvânica

Para garantir um perfeito funcionamento do circuito e sua proteção devemos utilizar os circuitos

acoplamento eletrônico.

A função principal dos circuitos de acoplamento é realizar as conexões dos circuitos de disparo

m os circuitos de potência.

Essa conexão é realizada de forma a obter uma alta isolação (chamada de isolação galvânica),

m a perda da eficiência do sinal de disparo.

Os dispositivos mais utilizados são os transformadores de pulso ou os fotoacopladores ópticos

IL 111).



Exemplos de circuitos de acoplamento

Transformadores de Pulso

TIL 111


E

Circuito básico do Inversor Six Step



ESC

Formas de Onda na Saída do Motor

Tensões nas Fases do Motor

Gráfico das Tensões VRn, VSn, VTn




Tensões na Linha de Alimentação do Motor

Gráfico das Tensões VRS, VST, VTR



Análise Global do Inversor Six Step

As tensões produzidas pelo inversor formam um sistema trifásico equilibrado conforme formas

de onda cuja freqüência pode ser controlada.

Essa técnica de acionamento possui virtudes e defeitos:

Defeitos

Em nenhum momento foi mencionado que a tensão teria seu valor variado conforme a

freqüência do acionamento. Neste circuito isso não ocorre, portanto teremos uma diminuição do fluxo

magnético da máquina e conseqüentemente teremos perda de conjugado.

Antigamente esse tipo de problema era solucionado por meio da colocação de um

transformador devidamente calculado que possuía vários tapes em sua saída e a seleção desses

tapes ocorria automaticamente, de acordo com a variação da velocidade do motor.

Outra solução muito empregada para solucionar o mesmo problema era substituir o retificador

trifásico não controlado por um controlado à base de SCR.

Nesse tipo de circuito, ao mesmo tempo que a freqüência variava no inversor os ângulos de

disparo no retificador também eram variados.

Atualmente, esses problemas foram resolvidos através da técnica de modulação PWM.

Outro problema desse circuito é o conteúdo harmônico elevado, tanto na tensão como na

corrente.

A operação do motor fica prejudicada em função da presença de conjugados pulsantes e em

função do sobreaquecimento do motor.

Virtude

O valor eficaz da tensão é o mais alto possível.



Técnicas de Modulação

Uma das técnicas primitivas de modulação era acoplar ao six step um Duty Cicle, fazendo com

que as chaves ficassem desligadas (em um dos estados neutros) durante um determinado tempo.

Com a variação do Duty Cicle controlava-se a tensão aplicada ao motor. Com a técnica do

Duty Cicle controlava-se a amplitude da tensão, mas o conteúdo harmônico não sofria alteração

comparado com o six step.

Uma possibilidade que dá origem às técnicas de modulação modernas é que os zeros

(períodos de desligamento) não devem ser distribuídos igualmente ao longo do ciclo. Devemos

distribuir os zeros de modo a diminuir o conteúdo harmônico da tensão.

Existem diversas técnicas de modulação PWM, que experimentaram um enorme progresso a

partir de 1960.

Tipos de PWM consideradas como principais pela literatura técnica

1) Natural Sampling

2) Regular Sampling

3) Optimal Sampling

4) Current Controlled PWM

Uma das técnicas clássicas é o Natural Sampling, que poderia ser implantado de forma

simples através de circuitos analógicos. Nesse tipo de técnica os períodos de desligamento eram

definidos pelo cruzamento de uma onda triangular (chamada de portadora) com uma onda senoidal

de amplitude m (índice de modulação) variável.

O número de ondas triangulares existentes por período da onda senoidal definia o número de

pulsos resultantes na saída.



A relação:

n = (número de triângulos da portadora) / (ciclos da senóide)

onde n = índice da portadora

Forma de Onda Primitiva sobrepondo ao Six Step um Duty Cicle


E

Forma de onda considerando modulação Natural Sampling


Acionamento em corrente alternada

Considerando o exemplo anterior, temos:

número de ondas triangulares = 9

ciclos da senóide = 1

n = ( 9 / 1 ) = 9

Para calcular a freqüência do sinal, devemos aplicar a seguinte relação:

F = 2.n.60

Portanto a freqüência dos pontos de recorte da onda (zeros) será:

F = 2 . 9 . 60 ⇒ F = 1.080 Hz



Formas de onda da Tensão Fase Neutro do motor e a corrente típica resultante no motor


Utilizando mais pulsos por ciclo (freqüência maior de chaveamento, que está relacionada com

o tipo de chave eletrônica) os resultados são melhores.

Supondo n = 45, temos:

F = 2.n.60

F= 2.45.60 ⇒ F = 5.400 Hz


E

Formas de onda Fase Neutro do Motor de Indução considerando PWM Natural Sampling,com n = 45.

Ne

qu

sis

qu

tra


Acionamento em corrente alternada)

Controle Escalar de Inversores

Muitos dos inversores de freqüência encontrados no mercado são controles em malha aberta.

ste tipo de controle o fluxo é mantido constante por meio do ajuste da curva volts/hertz.

O escorregamento do motor é considerado como grandeza fundamental. Tenta-se fazer com

e o motor nunca opere com valores altos de escorregamento, e para tanto inclui-se no controle um

tema que define os valores de aceleração e frenagem do motor.

Os valores de f1 (freqüência de referência) e de V1 (tensão de referência) atuam no controle

e realiza a síntese do PWM. Este último gera os sinais de comando que serão enviados aos

nsistores.



O controle de malha aberta puro não é adotado por nenhum fabricante porque possui vários

defeitos, entre os quais podemos citar:

a) Como iremos saber se o motor não está operando com elevados níveis de conjugado?

b) Caso o motor tente operar com alto escorregamento, como é que o controle fica sabendo?

c) Caso ocorra curto-circuito ou sobrecarga no motor, como é feita a proteção da eletrônica de

potência?

d) Durante a frenagem, quando o motor regenera (envia tensão para o link DC), como se evita

sobretensão no link DC?

Diagrama de Controle em Malha Aberta de Inversores PWM




Diagrama de Controle Típico de um Inversor PWM


O ajuste do fluxo do motor é feito em malha aberta, através da curva volts/hertz.

Consideramos inicialmente que não exista o ajuste de slip.

Medindo a corrente do motor é possível extrair, com relativa precisão, o valor do

escorregamento do motor. Com isto é possível atuar sobre a rampa de aceleração, fazendo com que

o valor de f1 aumente mais lentamente e evitando níveis elevados de escorregamento. Ao ajustarmos

a taxa de aceleração desta forma, estamos limitando a corrente do motor.

Medindo-se a corrente do motor é possível atuar diretamente sobre a síntese do PWM. Em

caso de necessidade, podemos desligar todos os transistores, o que corresponde a uma proteção

instantânea.

Quando as taxas de frenagem são muito elevadas, a tensão no link DC sobe rapidamente.

Como essa tensão está sendo medida, será possível atuar sobre a rampa de frenagem, fazendo com

que f1 (referência de freqüência) diminua mais lentamente. Ao ajustar a taxa de aceleração desta

forma estamos limitando a tensão do link DC.



Quando utilizamos o bloco ajuste de slip estamos tentando corrigir a velocidade do rotor,

aumentando ligeiramente a freqüência do campo girante. O sinal de corrente do motor atua como

Tacômetro Virtual.

Para realizar a inversão do motor basta trocar os sinais de comando dos transistores de duas

das fases do inversor.

Para evitar níveis de tensões elevados no link DC durante a frenagem é possível incorporar um

resistor de frenagem ao sistema, com seu respectivo controle.

Circuito didático de um inversor com modulação natural sampling


ESC

Formas de onda na carga

Tensões de fase VRN, VSN, VTN




Tensões de linha VRS, VST, VTR


ESCOLA SENAI “

Aplicações dos Inversores de freqüência

Limitações

A variação V/f é feita linearmente até a freqüência nominal do motor (50 a 60 Hz). Acima desta,

a tensão que é a nominal permanece constante e há então apenas a variação da freqüência que é

aplicada ao enrolamento do estator.

Curva representativa da variação V/f

Determinamos

Enfraquecimento de

torque da máquina t

Para motores

fator de redução refe

Esta medida d

Para motores

ser considerado nom

171ALMIRANTE TAMANDARÉ”

uma área acima da freqüência nominal, que chamamos de região de

Campo, ou seja, uma região onde o fluxo começa a decrescer e, portanto, o

ambém começa a diminuir.

autoventilados que operam em freqüências abaixo de 30 Hz devemos adotar um

rente ao conjugado fornecido pelo motor.

eve ser tomada para não sobreaquecer o motor.

que trabalham com ventilação forçada, o conjugado fornecido pelo motor deve

inal para freqüências de 6 a 60 Hz.



Curva Característica Conjugado x Velocidade

Motores autoventilados

Motores com Ventilação Forçada

O conjugado para motores com ventilação forçada permanece constante até a freqüência

nominal, e acima desta começa a decrescer. A potência de saída do conversor de freqüência

comporta-se da mesma maneira que a variação V/f, ou seja, cresce linearmente até a freqüência

nominal e permanece constante acima dela.


E

Curva Característica da Potência de Saída do Inversor

A curva demonstra o comportamento do conjugado x velocidade, idealizado da máquina

assíncrona em todos os quadrantes de acionamentos. Com a variação da freqüência obtém-se um

deslocamento paralelo da curva característica conjugado x velocidade em relação à curva

característica para freqüência nominal (50 ou 60 Hz).

Curva Característica Conjugado x Velocidade, em todos os Quadrantes de Acionamento




Forma Simplificada da Curva Conjugado x Velocidade

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 ⇒ V/f = constante = fluxo constante

fs > fnom: V/f = campo enfraquecido.

Fatores a serem considerados

a) Se um motor autoventilado trabalha com velocidade menor do que a nominal, terá sua

capacidade de refrigeração diminuída.

b) A corrente de saída dos inversores apresenta uma forma não perfeitamente senoidal, o que

implica harmônicas de ordem superior, que provocam um aumento de perdas no motor.


ESCOLA SENAI “

Curva Característica do Conjugado x Freqüência para uso do motor com Inversor deFreqüência

Consideraçõ

Quanto meno

estator, de modo qu

a tensão, o fluxo e c

Para que est

aumentada, através

Curva Caract


es Importantes

r a tensão e a freqüência do estator, mais significativa é a queda de tensão no

e para baixas freqüências, mantendo-se a proporcionalidade entre a freqüência e

onseqüentemente o conjugado da máquina diminuem de forma acentuada.

e fato seja evitado, a tensão do estator para baixas freqüências deve ser

da compensação IxR.

erística V/f com Compensação IxR


ESCOLA SENAI “

Para exemplificar o caso anterior, considere que em condições nominais de operação (380 V /

60 Hz) a queda de tensão sobre a resistência do estator seja de 10 volts, que é desprezível. Porém,

quando estivermos operando em baixa rotação (38 V / 6 Hz), esses mesmos 10 V correspondem a

uma perda elevada em termos de fluxo, causando uma diminuição na capacidade de produção de

torque.

Curva de Enfraquecimento de Campo para Tensões e Freqüências acima das Nominais

Aplicação do

Afirmar que um

tal carga necessita d

P = (C.n) / K

onde:

P = Potência

C = Conjugad

n = Rotação

K = Constante


s Inversores de Freqüência

a carga mecânica requer uma determinada potência P é equivalente a dizer que

e um dado conjugado C, a uma dada velocidade (rotação n).

o

relacionada às unidades empregadas



A curva de C em função de n é uma característica fundamental para o processo de seleção do

motor adequado ao acionamento, e o conjugado resistente depende da carga, mas todos podem ser

representados pela expressão:

Cc = Co + Kc.nx

Cc = Conjugado resistente da carga

Co = Conjugado da carga para rotação zero

Kc = Constante que depende da carga

X = Parâmetro que depende da carga, podendo assumir valores x = -1, 0, 1, 2

De acordo com a equação, percebe-se que o conjugado da carga varia com a rotação n

Essa variação depende do parâmetro “x”, e em função dele as cargas podem ser classificadas

em quatro grupos:

a) Cargas com conjugado resistente constante

b) Cargas com conjugado resistente linear

c) Cargas com conjugado resistente quadrático

d) Cargas com conjugado resistente hiperbólico

Tipos de Conjugados Resistentes

a) Conjugado Constante (x = 0)

Para esse tipo de carga o parâmetro x é igual a zero, ou seja:

Cc = Co + Kc



Nas máquinas desse tipo, o conjugado permanece constante durante a variação de

velocidade e a potência aumenta proporcionalmente com a velocidade. Logo:

Pc = K.n

Pc = Potência da carga

k = Constante que depende da carga

n = Rotação

Exemplos de aplicação: Equipamentos de içamento (Guindaste, Elevadores de carga),

Correias Transportadoras, Laminadores, Extrusoras, Bombas de Deslocamento Positivo,

Bombas de Pressão Controlada.

Gráfico do Conjugado x Rotação e da Potência x Rotação para Conjugado Constante

b) Conjugado Linear

Nesse tipo de carga o parâmetro x é igual a 1, ou seja:

Cc = Co + Kc.n



Nesse tipo de máquina o conjugado varia linearmente com a rotação, e a potência com o

quadrado da rotação. Assim, temos:

Pc = Co.n + Kc.n2

Exemplos de aplicação: Calandras, Freios a correntes de Foucault.

Gráfico do Conjugado x Rotação e da Potência x Rotação para Conjugado Linear

c) Conjugado Quadrático

Nesse tipo de carga o parâmetro x é igual a 2, ou seja:

Cc = Co + Kc.n2

Nesse caso o conjugado varia com o quadrado da rotação, e a potência com o cubo da

rotação. Assim, temos:

Pc = Co.n +Kc.n3

Exemplos de aplicação: Bombas Centrífugas, Ventilador centrífugo, Agitadores,

Compressores.



Gráfico do Conjugado x Rotação e da Potência x Rotação para Conjugado Quadrático

d) Conjugado Hiperbólico

Nesse tipo de carga o parâmetro x é igual a -1, ficando:

Cc = Kc / n

Nesse tipo de carga desprezamos a constante Co, pois ela teria valor infinito. Pela

expressão acima pode-se perceber que para n = 0 o conjugado seria infinito, o que não tem

sentido físico.

Na prática o fato não ocorre, porque a rotação da máquina só pode variar entre um limite

mínimo (n1) e máximo (n2).

A potência permanece constante, não varia com a rotação, ou seja:

Pc = Kc



Gráfico do Conjugado x Rotação e da Potência x Rotação para um Conjugado Hiperbólico

e) Conjugados não definidos

Neste caso a equação genérica do conjugado não pode ser aplicada, pois não podemos

determinar sua equação de maneira precisa. Logo, temos que determinar seu conjugado

utilizando técnicas de integração gráfica.

Na prática, analisa-se como conjugado constante, pelo máximo valor do torque absorvido.

Gráfico do Conjugado x Rotação para Conjugados não definidos


ESCOLA SENAI “AL

Gráficos para Dimensionamento do Inversor

Gráfico de Conjugado Disponível x Rotação em Motores Autoventilados

Operação em Am

A redução da po

da temperatura ambien

Fator de Redu


bientes com Temperatura Elevada (T > 40 o C)

tência (corrente) nominal do conversor de freqüência, em virtude da elevação

te – acima de 40 o C e limitada a 50 o C –, é dada pela relação do gráfico.

ção = 1% / ºC



Operação em Regiões de Altitudes Elevadas (ALT > 1.000 m)

Segundo a norma NBR 7094, os limites de elevação de temperatura deverão ser reduzidos de

1% para cada 100 m de altitude acima de 1.000 m. A redução da potência (corrente) nominal do

conversor de freqüência, em função da elevação a altitude acima de 1.000 m e limitada a 4.000 m, é

dada pela relação e gráfico a seguir.

Fator de Redução = 1% / 100 m

Gráfico de Fator de Multiplicação para motores em função da Temperatura Ambiente e da

Altitude

T/H 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.00010 1,0515 1,05 0,9920 1,05 0,99 0,9325 1,05 0,98 0,93 0,8830 1,04 0,97 0,92 0,87 0,8235 1,02 0,96 0,91 0,86 0,81 0,7740 1,00 0,94 0,89 0,85 0,80 0,76 0,7245 0,92 0,87 0,83 0,78 0,74 0,70 0,6750 0,85 0,80 0,76 0,72 0,68 0,65 0,6255 0,77 0,74 0,70 0,66 0,63 0,60 0,5760 0,71 0,67 0,64 0,60 0,57 0,55 0,52



Exercício de Aplicação

1) Utilizada em uma estação de tratamento de efluentes, uma bomba centrífuga necessita

operar de 150 a 900 rpm. Considerando o conjugado resistente na rotação nominal igual a

1,6 Kgfm, e o Conjugado para Rotação zero Co = 12% de Cr, rede 380 V, 60 Hz,

temperatura de trabalho 30 oC e altitude < 1.000 metros, determine o motor e o conversor

recomendados.



2) Uma esteira transportadora horizontal de uma empresa de mineração opera a uma altitude

de 2.000 metros, onde a temperatura ambiente é de 45 oC. O motor é acoplado à esteira

por meio de correias com polias em “V”, cuja relação de redução é de 2:1, e o rendimento

do acoplamento é de 97%. A faixa de variação de velocidade desejada na esteira é de 200

a 1.100 rpm. O processo de operação estabelecido determina que a esteira, para operação

com conversor, sempre parte em vazio. Em casos de emergência, que necessitem de

partida com a esteira totalmente carregada, ela é realizada com o motor ligado direto à

rede.

O conjugado resistente é de 241 Nm e a rede de é de 440 V, trifásica, 60 Hz.

Determine o motor e o conversor recomendados.

Dados:

Altitude: 2.000 m

Temperatura ambiente: 45oC

Acoplamento: correia em V

Acoplamento: 2:1

ηac = 0,97

n = 200 a 1.100 rpm

Cr = 241 Nm = 241 / 9,81 = 24,57 Kgfm

Tensão de rede = 440 V

Freqüência = 60 Hz

Documents

Conversores e Inversores