UN IVERSIDADE TE CNOLÓ G IC A FE DERAL DO PARA NÁ – UTFPR DEPARTA ME NTO AC ADÊ MICO D E EL ETRO TÉCN ICA – DAELT
CURSO SUPERIO R D E TEC NO LOG IA EM ELE TRO TÉCN ICA AUTO MAÇÃO IND US TRIAL
EDU ARDO C OMUNELLO ELEO TERO J OSÉ ANTÔ NIO FRE ITAS PA ULO V ITOR AZEVE DO
EST UDO DE DES EMPE NHO DO MOTO R DE I NDUÇ ÃO T RIFÁSICO, CO NT RO LADO P OR UM GR AD ADO R DE T ENSÃO.
TRA BALHO D E CON CL US ÃO D E CUR SO
CURITIB A 2 014
EDUARDO CO MUNELLO ELEO TERO J O SÉ AN TÔN IO FR EITAS
PA ULO VITO R AZE VEDO
EST UDO DE D ES E MP E NHO DO MO TOR DE I ND UÇ ÃO T RIFÁSICO , CO NT RO LADO P O R UM GR AD ADO R DE T ENSÃO .
Tr abalho d e Conc lus ão de Cur s o de gr aduaç ão, apres entado à dis c iplina de Tr abalho de Dip lo maç ão, do Cur s o Super ior de Tec n ologia e m
Auto maç ão Indus tr ial do
Departa mento Ac adê mic o de Eletrotéc nic a – DAELT – d a Uni v er s idade Tec no lógic a Feder al do Paran á – UTF PR, c o mo r equis ito par c ial par a obtenç ão do títu lo de Tec nó logo.
Or ientador : Pr of. Dr. Walter D. Cr uz Sanc hez
CUR ITIBA 2014
EDUARDO CO MUNELLO ELEO TERO J O SÉ AN TÔN IO FR EITAS
PA ULO VITO R AZE VEDO
EST UDO DE D ES E MP E NHO DO MO TOR DE I ND UÇ ÃO T RIFÁSICO , CO NT RO LADO P OR UM GR AD ADO R DE T ENSÃO
Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Tecnólogo, do curso de Tecnologia em Automação Industrial do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).
Curitiba, 21 de março de 2014.
____________________________________ Prof. José da Silva Maia, Me.
Coordenador de Curso Tecnologia em Automação Industrial
____________________________________ Prof. Rafael Fontes Souto, Me. Coordenador de Projeto Final de Graduação
Tecnologia em Automação Industrial
BANCA EXAMINADORA
______________________________________ Prof. Walter Denis Cruz Sanchez, Dr. Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Orientador
_____________________________________ Prof. Daniel Balieiro Silva, Me. Universidade Tecnológica Federal do Paraná
_____________________________________ Prof. Roberto Luiz Schwarz, Esp. Universidade Tecnológica Federal do Paraná
_____________________________________ Prof. Rubem Petry Carbente, Me. Universidade Tecnológica Federal do Paraná
AGR AD ECIMENTOS
A Deus, nossos pais e amigos, instituição UTFPR. E ao Professor W. Sanchez, que nos ajudou no projeto.
RESUMO
ELEOTERO, Eduardo Comunello; FREITAS, José Antônio; AZEVEDO, Paulo Vítor. Estudo de desempenho do motor de indução trifásico, controlado por um gradador de tensão, 2013. Monografia (Graduação em Tecnologia em Automação Industrial), Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR. Curitiba, 2014.
Este trabalho apresenta a montagem e o estudo do desempenho de uma bancada didática com o intuito de controlar a velocidade de um motor de indução trifásico controlado por um gradador de tensão, tendo como carga uma central hidráulica. Aborda também conceitos de semicondutores, motores e gradadores de tensão para o controle de velocidade de motores de indução. É apresentado coleta de dados para a montagem de gráficos com as principais variáveis levantadas, como: tensão do MIT x ângulo de disparo, e corrente do MIT x ângulo de disparo. Discute algumas vantagens e desvantagens em relação ao uso deste tipo de controlador de tensão para a variação da velocidade de motores. E traz como resultado um estudo geral sobre a iniciativa da fabricação e montagem da bancada didática para facilitar o entendimento da área de inversores de frequência.
Palavras-chave: Gradador de Tensão. Motor de Indução Trifásico. Inversor de Frequência. Controlador de Tensão.
AB STR ACT
ELEOTERO, Eduardo Comunello; FREITAS, José Antônio; AZEVEDO, Paulo Vítor. Study of the performance of the three-phase induction motor controlled by a voltage gradador., 2013. Monografia (Graduação em Tecnologia em Automação Industrial), Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR. Curitiba, 2014.
This work paper presents the installation and performance study of a didactic workbench speed control of a three phase induction motor controlled by a voltage gradador, having as a hydraulic load center. Also discusses concepts of semiconductors, motors and gradadores voltage for speed control of induction motors. Data collection is presented for the assembly of graphs with the main variables studied, such as: voltage x MIT shooting angle, and current MIT x firing angle. Discusses some advantages and disadvantages regarding the use of this type of stress to speed change motor controller. And as a result brings a general study on the initiative of the manufacturing and assembly of didactic workbench to facilitate understanding of the area of frequency inverters.
Palavras-chave: Voltage Gradador. Three Phase Induction Motor. Frequency Inverter. Tension Controller.
LISTA DE FIGUR AS
Figura 1 - Circuito trifásico ... 21
Figura 2 – Forma de Onda do Tiristor... 22
Figura 3 – Estrutura do Tiristor ... 24
Figura 4 – Tiristor SEMIKRON SKKT 27/16 E ... 24
Figura 5 – Modelo de disparo de tiristor ... 25
Figura 6 – Modelo de disparo de tiristor ... 26
Figura 7 – Placa do Motor ... 33
Figura 8 – Placa de Controle ... 35
Figura 9 – Esquema geral do circuito ... 37
Figura 10 – Fixação da balança ... 40
Figura 11 – Fixação da balança ... 40
Figura 12 – Motor suspenso ... 41
Figura 13 – Esquema Módulo de Potência... 42
Figura 14 – Módulo Circuito de Potência... 42
Figura 15 – Fusíveis de Proteção ... 43
Figura 16 – Blocos de Tiristores ... 43
Figura 17 – Identificações endereçadas ... 44
Figura 18 – Configuração de Tisristores ... 44
Figura 19 – Diagrama de conexões da placa com o módulo de potência ... 45
Figura 20 – Identificação dos terminais de saída da placa ... 46
Figura 21 – Fonte CC ... 46
Figura 22 – Parte frontal do Painel de Comando ... 47
Figura 23 – Parte interna do Painel de Comando ... 48
Figura 24 – Alimentação geral da bancada ... 50
Figura 25 – Tensão do MIT por Ângulo de Disparo ... 55
Figura 26 – Corrente por Tensão de Disparo ... 55
Figura 27 – Rotação do MIT por Tensão de Disparo ... 56
Figura 28 – Torque por Ângulo de Disparo ... 56
Figura 29 – Torque por Rotação do MIT ... 57
Figura 30 – Tensão do MIT por Ângulo de Disparo ... 60
Figura 31 – Corrente por Tensão de Disparo ... 60
Figura 32 – Rotação do MIT por Ângulo de Disparo ... 61
Figura 33 – Torque por Ângulo de Disparo ... 61
Figura 34 – Torque por Rotação do MIT ... 62
Figura 35 – Tensão do MIT por Ângulo de Disparo ... 64
Figura 36 – Corrente do MIT por Ângulo de Disparo ... 64
Figura 37 – Rotação do MIT por Ângulo de Disparo ... 65
Figura 38 – Torque por Ângulo de Disparo ... 65
Figura 39 – Torque por Rotação do MIT ... 66
Figura 40 – Tensão do MIT por Ângulo de Disparo ... 68
Figura 41 – Corrente do MIT por Ângulo de Disparo ... 68
Figura 42 – Rotação do MIT por Ângulo de Disparo ... 69
Figura 43 – Torque por Ângulo de Disparo ... 69
Figura 44 – Torque por Rotação do MIT ... 70
Figura 45 – Tensão do MIT por Ângulo de Disparo ... 72
Figura 46 – Corrente do MIT por Ângulo de Disparo ... 72
Figura 47 – Rotação do MIT por Ângulo de Disparo ... 73
Figura 49 – Torque por Rotação do MIT ... 74
Figura 50 – Torque por Velocidade Linear do Pistão ... 74
Figura 51 – Velocidade Linear do Pistão por Ângulo de Disparo ... 75
Figura 52 – Tensão do MIT por Ângulo de Disparo ... 77
Figura 53 – Corrente do MIT por Ângulo de Disparo ... 77
Figura 54 – Rotação do MIT por Ângulo de Disparo ... 78
Figura 55 – Torque por Ângulo de Disparo ... 78
Figura 56 – Torque por Rotação do MIT ... 79
Figura 57 – Torque por Velocidade Linear do Pistão ... 79
Figura 58 – Velocidade Linear do Pistão por Ângulo de Disparo ... 80
Figura 59 – Torque por Velocidade Linear do Pistão ... 82
Figura 60 – Mesa de apoio ... 87
Figura 61 - Tubo retangular de ferro ... 88
Figura 62 - Apoio manual ... 88
Figura 63 - Roda com trava ... 89
Figura 64 – Multimedidor MD 4040 ... 90
Figura 65 – Taco-Gerador WEG ... 92
Figura 66 – Placa de Identificação Taco-Gerador WEG ... 92
LISTA D E TABEL AS
Tabela 1 - Dados à vazio ... 54
Tabela 2 - Pressão de trabalho do conjunto hidráulico ... 58
Tabela 3 - Dados em Regime Permanente a 5 bars ... 59
Tabela 4 - Dados em Regime Permanente a 7,5 bars ... 63
Tabela 5 - Dados em Regime Permanente a 10 bars ... 67
Tabela 6 - Dados em modo automático – Avanço do Pistão ... 71
LISTA D E SÍMBOLOS E AB REVIAT UR AS
N.m – Newton por metro V – Tensão
I – Corrente s – Segundo
m/s – Metro por Segundo W – Potência Ativa VA – Potência Aparente VAR – Potência Reativa
LISTA D E ACR ÔNIMOS
MIT – Motor de Indução Trifásico
UTFPR – Universidade Tecnológica Federal do Paraná CA – Corrente Alternada
FP – Fator de Potência RPM – Rotação por Minuto
ICA MIT – Corrente de entrada para o MIT VCA MIT – Tensão de entrada para o MIT CC – Corrente Contínua
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 ... 13 1.1 TEMA ... 13 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS ... 15 1.3 OBJETIVOS... 16 1.3.1 Objetivo Geral ... 16 1.3.2 Objetivo Específico ... 16 1.4 JUSTIFICATIVA ... 17 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 18 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 19 CAPÍTULO 2 ... 20 2.1 INTRODUÇÃO ... 20 2.2 GRADADORES DE TENSÃO ... 20 2.2.1 Introdução 20 2.2.2 Tipos de Gradadores de Tensão ... 212.2.2.1 Controle de Tensão por Ângulo de Disparo ... 21
2.2.2.2 Controle de Disparos por Ciclos Inteiros ... 22
2.3 SEMICONDUTORES... 23
2.3.1 Tiristores 23 2.4 CIRCUITOS DE DISPARO E CONTROLE ... 25
2.5 MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS ... 26
CAPÍTULO 3 ... 29
3.1 INTRODUÇÃO AO CAPÍTULO ... 29
3.2 DIMENSIONAMENTO DA CARGA ... 29
3.2.1 Definição do Cilindro Hidráulico ... 29
3.2.2 Dimensionamento da Bomba Hidráulica ... 30
3.3 DIMENSIONAMENTO DO MOTOR ... 31
3.4 DIMENSIONAMENTO DO CIRCUITO DE POTÊNCIA ... 34
3.5 SELEÇÃO DA PLACA DE DISPARO ... 34
CAPÍTULO 4 ... 36
4.1 INTRODUÇÃO ... 36
4.2 ESQUEMA E CIRCUITO ELÉTRICO GERAL ... 36
4.2.1 Esquema Geral do Circuito ... 36
4.3 CENTRAL HIDRÁULICA (CARGA) ... 37
4.5 CIRCUITO DE POTÊNCIA ... 41
4.6 CONEXÃO DA PLACA DE CONTROLE COM O CIRCUITO DE ... 45
4.7 PAINEL DE COMANDO ... 47
CAPÍTULO 5 ... 49
5.1 INTRODUÇÃO ... 49
5.2 ROTEIRO DE TESTE DA BANCADA ... 49
5.2.1 Alimentação do Sistema ... 49
5.2.2 Procedimento para Coleta de Dados ... 49
5.2.3 Excitação da Placa de Controle ... 51
5.3 ACIONAMENTO DA CARGA ... 52
5.4 ANÁLISE E COLETA DE DADOS ... 52
5.4.1 Motor à Vazio ... 52
5.3.2 Motor em Regime Permanente a 5 bars ... 57
4.3.3 Motor em Regime Permanente a 7,5 bars ... 62
4.3.4 Motor em Regime Permanente a 10 bars ... 66
4.3.5 Motor em Modo Automático – Avanço do Pistão ... 70
4.3.6 Motor em Modo Automático – Retorno do Pistão. ... 75
CAPÍTULO 6 ... 81 6.1 CONCLUSÕES ... 81 6.2 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 84 REFERÊNCIAS ... 85 APÊNDICES ... 87 ANEXOS 96
CAPÍTULO 1
1.1 TEMA
Os motor es elétri c os de induç ão, MIT’s1, s ã o de gr ande i mpor tânc ia no mei o ind us tr ial, on de s ão c omu men te us ados . Iss o v em do fa to de que os MIT’s poss uem u m a mp lo c a mpo de ap lic aç ões , e m difer entes s egmentos da indús tr ia, c omér c io e tran s por te, s endo enc ontr ados na for ma de pequ enas c ombinaç ões que ex igem pouc a potênc ia, até gigantesc as máquinas o nde as potênc ias r equer idas s ão maior es .
O c ontr ole do tor que e v e loc idad e nos mo to res de induç ão tri fá s ic os é r ealizado atr av és da v ar iaç ão d a: tens ão de ali men taç ão; fre qüênc ia de ali mentaç ão; tens ão e freqüênc ia; r es is tênc ia do r otor ou c or r ente d o es tator. O método mais utili zado é o de c ontr ole de tens ão e fr eqüênc ia , que é real i zado a tr av és de c onv ers or es de fr eqüênc ia, onde a c or r ente altern ada CA é reti fi c ada, torn ando - s e tens ão c ontínua CC, par a que, na etapa d e inv ers ão, o c irc u ito inv er sor c ontr olado atr av és de PW M2 s enoidal v olte a ser CA, por é m c o m fr eqüênc i a , a mplitud e e tens ão v ar iáv eis , reali zando ass i m o c o ntrole de v eloc i dade.
O c o ntrole da v eloc idade atr av és de tens ão de ali mentaç ão é u ma das alter nativ as par a a v ar iaç ão da v eloc i dade, s endo util izado u m c irc uito bas eado em G rad ador es d e t ens ã o par a a pa r ti da de motor es . Os Gr adador es s e c ar ac te riza m por s er uma i n terfac e dir eta entr e a fonte e a c ar ga, is to é, o gr adador per mite o c hav eame nto dir eto da tens ão de for ma dir eta s e m algu m outr o pr oc ess amento eletr ônic o
1
MIT é uma abreviação de motores de indução trifásico. 2
O circuito PWM é utilizado para controlar a velocidade dos motores de corrente contínua.
inter mediár io da tens ão de ali menta ç ão, q ue s er ia a re ti fic aç ão da tens ão e inv ers ão par a que a tens ão v olte a s er alter nada, por ém c o m fre qüênc ia difer ente par a o c ontr ole de v eloc idade. Um mode lo de gr adador que é c omu mente utili z ado é a c hav e So ft Star ter3, utili zad a no c irc uito de potênc ia c om o us o d e Ti ris tores pa ra par tidas de motor es CA. Co m a v a riaç ão do ângulo de dis par o d es ses s emi c ondutor es é c ontrol ada a tens ã o efic az d is ponibil i zada no mo tor ; ass im obté m- s e u ma c ur v a s uav e de partida do motor, min i mi zand o u ma ev entual s obr ec a rga na r ede. Após a v eloc idad e c hegar ao nív el no mina l, é utili z ado u m c ir c uito by pass4, para não s o brea quec er os c omp onentes . Por é m, nes s e c as o, esse c i rc uito nã o per mite o c ontr ole pleno da v eloc idade do motor, dev endo s er utiliza do u m g rada dor pleno, de modo que é hav er á um c ir c uito c o m par ti da s uav e e v ar iaç ão de v eloc idade pr atic a mente linea r, o n de pode - se tr abalhar c om u ma a mpla faix a de v e loc idade do mot or, v is to que a Soft Star ter é des tinada à ac eler aç ão, des ac eler aç ão e pr oteç ão de MIT’s . Tais func ional idades podem ter s u bdiv is ões c omo: ra mpa d e tens ã o, r ampa de c or r ente, c ontr ole de torq ue, e tc . Por é m, o gr adador é mais s imp les , podendo ter ou não es s as fu nç ões , e a v eloc idade/tor que é dependente da s olic itaç ão de po tê nc ia pela c ar ga, s endo ess a nec es s idade notada pelo oper ador, que de ac or do c om a le itur a e i nterpr etaç ão de s ens or es ins talado s no c irc uito, par a a med iç ão de tens ão, c or r ente, v eloc idade, pode c or r igir a v eloc i dade do modo qu e melhor atender a nec ess idade.
O merc ado de equipa mentos , par a c ontr ole de máq uinas elétr ic as , pr atic amen te ex c luiu e ss e modelo de c irc u ito dos equi pa mentos indus tr iais , dev ido ao gr adador s er um for te ger ador de harmônic as , fic ando ass i m o mer c ad o v ol tado total mente para os inv ers or es e So ft
Starter ’s .
3
Os Soft-Starters (partida suave) são chaves de partida estática, projetadas para a
aceleração, desaceleração e proteção de motores elétricos de indução trifásicos, através do controle da tensão aplicada ao motor.
4
O circuito by-pass é um desvio do caminho normal do circuito, onde a carga receberá um nível nominal de tensão, isto é, a carga ficará diretamente conectada com a fonte.
Dev ido ao s e u mo delo c ons tr utiv o, o gr adador de tens ão pode rá s er u m bo m ex emp lo de es tu do para dis c iplinas que env olv am c ontr ole de v eloc id ade d e motore s , s endo que os G r adador es s ão mais s imples e de melhor entendi me nto c o mpa r ados aos inv ers or es e c ic lo c onv ers o res , uma v ez que s eu c ir c uito é mais s imp les e o c i rc uito de potênc ia s e res ume a u m ar r anjo de Ti r is tor es .
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS
O c ontrol e de v eloc ida de de motor es e létr ic os ab range u ma a mp la ár ea de aplic aç ões . Nes te tr abalho s er á tratad o o c ontr ole de v eloc i dade d o MIT, atr av és da v ar iaç ão da tens ã o de alimentaç ão c om Gr adador es de tens ão, pelas s e guintes r azões :
O s div ers os equipa mentos ( inv e rs ores , s oft s tar ter, s e rv o -motor es , máq uinas elétr ic as , c ontr ole eletr ônic o, etc .) que s ão es tudados nas difer entes d isc ipli nas do c urs o s ão a pres entados c omo "c aix as pretas ", ou s eja, não s ão ex pl ic ados detalhada mente. Entr e tanto, eles pre c is am s er entendidos de maneir a ma is c ompleta, is to é, en te nder o c irc uito de potênc i a, o c irc uito de c ontro le, as inter fac es par a mediç ã o, o s oftwa re ass oc iado e não s omente a s ua oper ação e para metri zaç ão;
A dific ulda de d o apr endi zado, quando é es tudado o c ontr ole de v eloc id ade de MIT c o m inv ers or es de fr eqüênc ia, normal mente é mini mi za da quan do s e utili za m os G rad adore s de tens ão , uma v ez que es s es s ão c ons tr utiv amente mais s imples ;
U ma r a zão de s ua li mi tada apl ic aç ão é o fato d ess e c irc uito ger ar h armônic as na r ede el étric a;
Identif ic a r aplic aç ões onde poss am s er u ti li zados os Gr adador es de tens ão;
Fome n tar pes quis as s obr e s e o gra dador poder ia s ubs ti tu ir a Soft Star te r e m ba ix as potênc ias , onde s ej a nec es s ár ia uma
maior v ar iaç ão de v eloc idade s em a pr ec is ão r equer ida pelo Soft
Starter ;
A v eloc ida de do MIT é d ependente da fr equênc ia e númer o de pólos do motor ; por é m s e a c ar ga nec ess ita de uma v ar iaç ão da v eloc idade, o gr adador não é uma opç ão?
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Montag e m de u ma banc ada didá ti c a, para o c ontr ole de v eloc i dade do motor de indu ç ão tr ifás ic o que ac ion a u m c ilin dro hidr áulic o, onde é c ontr ola da a v eloc idade atr av és de um c ir c uito gr adador de tens ão de alimentaç ão.
1.3.2 Objetivo Específico
Lev antamento teór ic o e pr átic o de Gr adad ores de tens ão; Montage m da banc ada de ope raç ão;
Montage m do c ir c uito de potênc i a c om Tir is tor es ;
Montage m de tac o- ger ador para a me diç ão de v eloc idade;
Utili zaç ão de u m Mul ti medi dor par a a mediç ão da tens ã o e d a c or r ente;
Utili zaç ão do dina mô metro par a medir o to rque ger ado pelo motor ;
Utili zaç ão de p lac a de c i rc uito dig ital pa r a o dis paro dos Tir is tor es ;
Tes te de v alidaç ão;
Montage m de u m c o njunto hidr áulic o que s er á utilizado c omo c ar ga, s endo c ompos to por : bo mba hi dr áulic a , c i lindr o e c omando
hidr áulic o;
Car ac ter izaç ão do g rada dor quando é ac oplada u ma c ar ga ao motor, nes te c as o, o c onjunto hidr áuli co;
Anális e do c o mp orta mento d a c arga c o m o c o ntrole de v eloc i dade r ealizado p elo gr adador ;
Anális e de r es ul tados .
1.4 JUSTIFICATIVA
E m dec or r ênc ia dos pr oblemas c itados , s e enc ontr a muita dific ulda de, p rinc ipal men te no que s ito de anális e dos c irc uitos dos equipa mentos que c ontr olam os motor e s , p ois tes tav a -s e s u as funç ões , mas não os c irc uitos intern os . Com is s o, fic av a c omp ro metido o entendi mento dos c ir c uitos a nalis ados , u ma v ez qu e por s erem c ir c uitos de pro dutos c omer c iai s , s ua análise é li mi tada e c o mplex a, c o mo ta mbé m po rque as doc umen ta ç ões de tais equ ipa mentos s e refer em, na maior ia das v ezes , s obre s ua oper aç ã o e r ar amente s obr e s eu func ionamento.
Então par te- s e para o des env olv imen to do c irc uito bas ea do em gr adador, v is to que tanto o c irc uito de potên c i a qua nto o c ontr ole do gr adador s ão mais s i mpl es do que o s c irc uitos PW M e i nv ers or es , o que tor na inter ess ante o es tudo teór ico e pr átic o de s eu fun c ioname nto.
Outr a ques tão qu e tor na nec ess ár io ess e es tudo é: ex c eto o c irc uito s er um ger ador de har mônic a s , ex is te outr o mot iv o pel o qual ess e c irc uito foi pra ti camente des c ar tado do mer c ado em fav or ec imen to de outr os c irc uitos e p rodutos c ome rc i ais ? Se não ex is tem motiv os , ex is tem outras a plic aç ões que podem utili zar G rad ador es de tens ão? O c irc uito não é uma opç ã o par a o c o ntrole de v eloc i dade para motor es que nec ess i ta m d e v ar iaç ão de v eloc idade para atender deter minadas c ar gas de baix as potênc i as ?
A inc lus ã o do c urs o de Tec nolog ia e m Auto maç ão no DAELT obr iga o depar ta mento a inc or por ar nov as dis c iplina s e i nfraes trutur a de la bora tó rios na ár ea de c ontr ole de v elo c idade; ass i m, o p rotótip o do gr adad or c ontr ibuir á c om es sas ativ idad es ac adêmic a s de labor atór io s end o utiliza do na ár ea de automaç ão, ac io namentos elétr ic os , c on tr ole de v eloc idad e, e ntre outr a s .
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
O tr abalho foi inic iado dev ido à nec es s idade de apr es entaç ã o de u m tr abalho de c onc lus ão de c urs o nes ta Univ ers idade, e ta mbé m dev ido a um intere s s e no ass unto, pelo qual s e pr etende i nic iar um es tudo ma is apr ofundado s ob r e o te ma, foc ando a pes quis a e m eletr ônic a de potênc ia e máquina s e létric as . Co m is s o hav e rá e mbas a mento par a es tudar os s emic ondutor es a s er em util i zados . J á o es tudo d e máqui nas elétr ic as ter á foc o n os motor es elétr ic os CA de induç ão tr ifás ic o – MIT.
O pr otótipo s e dar á a par ti r de um pr ojeto mec ân ic o de uma es tr utur a adaptada , no qu al o motor não s er á fix ado na bas e, mas a par tir do eix o, difere nte mente d a c ar ga ( c onjunto hidr áulic o) que s e rá fix ada na bas e da es tr utura . Sendo as s im, quando d e s eu func ionamento, o motor tender á a gi rar. Entr etanto, para des c obr ir o tor que ger ado, fix ar á u m d ina mô metr o pres o ra dialmente ao motor a fi m de i mpedir que ele gir e, ass i m s er á po ss ív el lev antar a forç a que o motor es tar á aplic ando no din a mô metr o. Medind o o br aç o fix o no moto r até o dina mô metro, junta mente c o m a for ç a ger ada, hav er á então c omo c alc ul ar o torque ex erc ido pelo motor.
Montag e m do pr otótipo:
Criaç ão de um es b oç o do tr abalho;
c omp onentes e c irc uitos a s er em util i zad os ; Co mpr a dos c omponentes ;
Montag e m do c ir c uito ; Pri me ir os tes tes ;
Tes te fin al c o m lev a ntamento de dado s ; Relatór io final c o m aná l is e dos dados .
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
Prev ê-s e a s eguinte es trutur a par a o trabalho:
Capítulo 1 - Intr oduç ão e apr es entaç ão do tema, pro ble mas objetiv os e metodologi a de pes quis a;
Capitulo 2 - Gr adador es : c onc eitos e tipos ;
Capitulo 3 - Motor es de induç ão tr ifás ic os : c onc eitos ; Capítulo 4 - Se mi c ondutor es ;
Capitulo 5 - Cir c uito de di s par o e c ontrole: c onc e itos e tipos ; Capitulo 6 - Pr oc edimentos Metodo lógi c os ; Des cr iç ão d o p roc ess o
de pes quis a;
Capitulo 7 - Cole ta e aná lis e de dados ; Capitulo 8 - Cons i dera ç ões finais ; Capitulo 9 - Refer ênc ias .
CAPÍTULO 2
2.1 INTRODUÇÃO
Nes s e c apitul o s e a bord a a fund a mentaç ão teór ic a c or r es pondente a bombas hid rául ic as de des loc amento pos itiv o motor es d e induç ão tri fás ic os e dos c irc uitos Gr adador es de tens ão. Es s a fundamentaç ão é par a u m e nte ndi mento do func iona mento d o pr ojeto pr opos to.
2.2 GRADADORES DE TENSÃO
2.2.1 Introdução
Gr adado res de tens ão ( BARBI I., 200 0) , ta mbé m deno min ado de Con tr olad ores de Tens ão ( RASHID M.H., 1 999) , s ão c ir c uitos eletr ônic os que utiliza m dis pos itiv os se mic ondutor es par a a pas s age m pr ov is ór ia da tens ã o par a c ar ga. Es s a pas s agem tr abalha na fr equênc ia da re de de e nerg ia elétri c a, poré m a t ens ão fic a pr oporc ional ao te mpo de c ond uç ão do c ompo nente s emi c ondutor. Os dis pos itiv os mais c omu mente util i zados ne ss es c i rc u itos s ão os Tir is tor es . Em baix a potênc ia s e faze m o us o de TRIACS, e e m potênc i as mais elev adas é utili zad o o SCR.
Gr adado res s ão c onv ers ores es tátic os c om a funç ão de v ar iar a tens ão alter nada efic az. A c ar ga é c oloc ad a d ireto c om a fonte, s e m u m tra ta mento inter mediár io de en ergi a (B ARB I I., 2000) .
Nes te tr abalho s e utilizar á o model o d e Contr olador Tr ifás i c o de Onda Co mple ta , que é u m dis pos itiv o muito s i mp l es dev ido a não nec es s idade de c i rc uitos de c omu taç ão adic iona is ( RASHID M.H., 1999) . O mot iv o do fác il entendimento e da s implic idade do c ir c uito do Con tr olad or de Tens ão foi o p r inc i pal o bjetiv o do tr abalho.
2.2.2 Tipos de Gradadores de Tensão
2.2.2.1 Controle de Tensão por Ângulo de Disparo
O tipo de c ontrol e p or fas e é o c o ntrole d a ten s ão pelo dis pa ro do c omp onente de ac ord o c om o c ic lo da r ede, o nde o c o mponente irá c onduzir por um per íodo menor ou igual ao tempo do s e mi -c ic lo da tens ão de r ede. É o modelo util i zado par a o c ontrol e de v eloc idade de motor es , e ta mbé m o ti po de c ir c ui to ma is d ifundido par a as s ituaç ões que nec es s item de c ontrol e de tens ão a bas e de G r adador es .
O c irc ui to é compos to por u m c ir c uito de dis par o d os s emic ondutor es de potênc ia, figur a 1, podendo ess e s er analógic o o u d igital, o c irc uito de potênc i a c om os Tir is tor es es pec ífic os para c ada aplic aç ão, e os dev idos c onec tor es e c omp onentes s ec u ndár ios .
Figura 1 - Circuito trifásico Fonte: RASHID, M.H., 1999.
Há de s e perc eber que os Tir is tor es ir ão c o nduzir tan to no c ic lo negativ o quanto no c ic lo pos itiv o, gar antindo as s i m u m ma ior c ontr ole da tens ão de s aída par a a c ar ga.
ele es tá dis par ando par a a c ar ga.
Figura 2 – Forma de Onda do Tiristor Fonte: RASHID, M, 1999.
Seu func iona mento é: a r ede elé tr ic a CA oper a e m u ma fre quênc ia c onhec ida, no Br as i l c om 6 0hz, c o m pequenas v ar iaç ões que não ger am inter fer ênc ias em c irc uitos c omuns . Es s a alter nânc ia da tens ão entr e pos itiv a e negativ a, faz co m que a tens ão cr uze o 0v, ess a mudanç a de fas e , li mita o períod o de c onduç ão de ener gia pelo s emi c ondutor, s endo nec ess ári o outro puls o fo rnec ido pela plac a de c ontr ole.
2.2.2.2 Controle de Disparos por Ciclos Inteiros
É utili zado qua ndo a c ons tante de tempo te m u m períod o mui to s uper ior à fr eqüê nc ia dis poni bili zada na r ede CA, onde s i mples me nte é ligado e des ligado o for nec i mento da ener gia dis ponív el na c ar ga c om u m per íodo alto, nor mal mente d e alguns c ic los da r ede CA dis poni bili zada. Es s e ti po de c ir c uito é u ti lizado e m s is te ma s de aquec imento r es is tiv o.
por c ontr ole de fas e, s ão normal men te enc ontr ados e m s is te mas de aquec imento de gr andes potênc ias .
Es s e mod elo de c irc uito lev a v antagem s obr e o c ontro le p or fas e, u ma v ez qu e e s s e c ir c uito não dis torce a r ede da ener gia elétr ic a, pois as har môni c as ger adas s ão menor es s e c ompa rada s ao c irc uito de fas e.
2.3 SEMICONDUTORES
Se mic on dutore s , n o modo ele menta r, s ão materia is que s e s itua m entr e os elementos eletri c amente c ondutor es e os nã o c on dutores , ou s eja, em de te r minadas c ir c uns tânc i as po de m s er c ondutores elétr ic os e m outra s c i rc uns tanc ias tor nam- s e is ola ntes . Os el e mentos mais c omu mente util i zado s s ão o s ilíc io Si e g er mânio Ge.
Par a que o s emic on dutor oper e em u m c irc uito elé tr ic o ele dev e s er um c ris tal pur o, par a en tã o s er dopa do ( ins erç ão de impur e zas no c r is tal) e s e tr ans for mar e m u m c ondutor, a dopage m pode c r iar bas ic a mente do is tipos de nov os c ris tais , os tipos N, n egativ os e os tipo P pos i ti v os , quando juntos , na ju nç ão dos dois tipos é c r iado uma c ama da c ha mada de c a mada de d epleç ão , ess es dois tipos s ão r es pons áv eis pela c ri aç ão dos el e mentos de e s tado s ólid o, a par tir dess e ponto fo ram des e nv olv ido s div ers os e le mentos , entr e eles , diodos , tr ans is tores e Tir is tor es .
2.3.1 Tiristores
Os Tir is tor es s ão um gr upo d e c omp onentes s emic ondutor es de multic a madas , c ompos tos por uma e s trutur a c o m no míni mo q uatro c ama das s emic ondutor as , tr ês ter mi na is de l igaç ão e três j unç ões s emi c ondutor as , v ide figur a 3. Tra balha m por meio de c hav eamen to , ou s eja, q uando a tens ão de anodo f or mai o r que a tens ão de c atodo
Va> V k, e ac ontec er à c on diç ão c or r eta n o ter mina l de gatilho tens ã o e c or r ente (puls o) , o s emic ondu to r ini c ia a c onduç ão. A par tir des s e mo men to o gatilho pe rde a fun ç ão, e o tir is tor irá c ondu zir até que a tens ão de c a to do fique maior que a de ano do, quando is s o oc orr e, o tir is tor deix a de c ond uzir Va< Vk.
Figura 3 – Estrutura do Tiristor Fonte: Eletrônica Didática (2013).
A s eg uir u m ex emp lo de u m tir is tor da mar c a SEMIKRON modelo SKKT 27/16 E, c onfor me figur a 4.
Figura 4 – Tiristor SEMIKRON SKKT 27/16 E Fonte: Próprio autor.
2.4 CIRCUITOS DE DISPARO E CONTROLE
São o s dis pos itiv os que atua m no c o ntr ole dos equipa men to s de potênc ia, c ontr olam o te mpo de c ond uç ão do tir is to r v ar iando o ângulo de dis paro dos Ti ris tores . Uma v ez que nec es s itam de u m puls o no gatilho de dis par o. Por é m, os dis paros dos c omponentes s ã o um tanto quanto c omplex os , u ma v ez que os mes mos dev e m s e r ac ionados de ac or do c om a fr equênc ia natur al d a r ede el é tric a dis ponív el, ou s eja, dev e hav er um s in c ro nis mo entr e o d i s par o do c omponen te par a c o m o s emi -c i c lo que s er á c ontr olado, por ém e m s is tema s trifás ic os hav e rá de ter u m s inc r onis mo dos 3 c irc uitos de dis pa ro par a que eles fique m defas ados entre s i c om f or ma de 12 0 g raus.
Nes te tr abalho s er á utili zada u ma pl ac a de c ontro le da mar c a
Semik r on, mode l o RT380T 230 /4 00, v ide figur a 5.
U ma obs erv aç ão muito i mpor tante, q u e s erá també m d is c utida no pr óx imo c a pítu lo, é qu e as fas es de entr ada nos Tiris tores dev em obr igator ia mente s er igua is as da entr ada da plac a par a qu e ex is ta o s incr onis mo entr e as fas es .
Figura 5 – Modelo de disparo de tiristor Fonte: RASHID, M, 1999.
2.5 MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS
Des de s eu inv e nto n o fina l d o s éc ulo X IX, a utili z aç ão de motor es de induç ão tr ifás ic o s tem s e difundido a mpla mente, dev ido a s eu baix o c us to de aquis iç ão, alta c onfiabilidade e s impl ic i dade de func ionamento, c o m is s o v em torna n do -s e o pr inc ipal motor do me io indus tr ial. Poré m el e s ofr e de a lgu mas c ar ac ter ís tic as qu e o desv al ori za, c omo ex e mplo: a alta c or r ente de par ti da ( IP) , c on tr ole de v eloc i dade dis pend ios a.
O motor de induç ão tr ifás ic o, de mon s tr ado na figu ra 6, pos s ui v ár ias v antagens c omerc iais /téc nic as s obr e s eus c onc or rentes , p or é m poss ui ta mbé m a lgu mas desv antagens.
Figura 6 – Modelo de disparo de tiristor Fonte: Gomes, S. 2012.
Vantagen s :
Baix o c us to d e aquis iç ã o; Alta c onfiabi l idade;
F unc ionamento s i mp les ; Tec nologia difundid a.
Des v antagens :
Co ntrole d e v eloc idad e nec es s i ta de cir c uito ex ter no;
Veloc ida de do motor de pende da fr equênc ia da r ede/nú mer o de pólos ;
Alta c or r ente de par tida ( IP) ; Di s torç ão de ener gia;
Co ntrole s de v eloc i dade dis pendi os os.
U m motor d e i nduç ão é c o mpo s to bas ic amente por duas partes , o r otor ( par te gi rante) e o e s tator ( par te fix a) . Es te é c ompo s to p or finas c hapas de aç o, em for mato de anel , c om r anhur as de modo qu e p os s am s er dis pos tos os en rola mentos , es s es, quando e m ope ra ç ão, dev erão c r iar o c ampo magné ti c o do es tator n o c ampo des s es motor es , que dev ido ao for mato do enr ola mento e c arac terís tic as da ali mentaç ão for nec ida pela r ede , tem u ma c ar ac ter ís tica difer ente. O c ampo os c ila de ac or do c om a a li mentaç ão da s tr ês fas es , e dess a os c ilaç ão , s ur ge o c amp o g iran te , gi rand o na s eguinte v elo c idade RPM = (12 0/P) x F ( P = nu mer o de pólos do motor, F = Fr equênc ia da r ede de a li mentaç ã o, no Bras il 60H z) que te m funda menta l i mportânc ia no func i ona mento d o motor, s endo que o r otor pr oc ur a gira r na fr equênc ia de func iona mento dess e c ampo, por é m os dois c amp os não es tão s incr onizados , e a ess a falta d e s inc ro nia, é dado a nome de es c o rr egamento, que é a difer enç a entr e a v eloc idade do c amp o gir ante e a v eloc idade do ro to r, s endo r epr es entada pela letr a S, e c alc ulad a pel a for mula S =( n1 - n)/n1 ( onde n1=r otaç ão do c a mpo, n =r otaç ão do r otor ).
O r otor por s ua v ez, pode s er enc ontr ado e m do is tipos de c irc uitos , s endo denomi nados de:
Rotor Bo binado: r otor c ompos to de enr ola mentos ao red o r das c hapas do r otor, ess e modelo de c i rc uito ta mbé m é c omu mente deno mi nado de indu zido, s endo es s e modelo de r otor u ti li zado e m motor es que pr ecis e m de u ma gr ande inér c ia de par tida, ou quan do é nec ess ário par tida s uav es nos motore s ;
Rotor Gaiola de Es q uilo : ro to r é c omp os to de b arr as metáli c as q ue s ão dis tr ibuídas em v olta dos c onjuntos das c hapas do rotor, tais bar r as s ão inter ligas en tr e s i, por meio de anéis c ondutores . Ess e tip o de r otor é mais utili zado e m c ar gas de bai x a potênc ia, s e ndo tamb é m c on s tr utiv amente mais bar atos , s endo ess e o model o mais utili zad o e m motor es de in duç ão tr ifás ic os .
Independ ente mente d os tipos de rotor es , bobinado ou gai ola de es quilo , os c irc uitos pr es entes ness es r otor es s ão dis pos tos de modo que no r otor c r ie-s e u m c a mpo magné ti c o, s endo que ess e c ampo fic a fix o, por e m o r otor pr oc ur a g irar na v eloc idade do c amp o gir ante do es tator, c om is s o o r otor es tá e m mov imento, por é m, c o mo a v eloc idade do r otor nes se tipo de mo to r, fic a d efas ada em r elaç ão ao c amp o gir ante há o esc o rr egamento.
CAPÍTULO 3
3.1 INTRODUÇÃO AO CAPÍTULONes te c apítulo, s erã o apr es entadas as c ar ac ter ís tic as lev antadas dos eq uipa mentos par a a montage m e des env olv imento d a banc ada , inc luin do os par âmetr os utili zados no tr abalho.
3.2 DIMENSIONAMENTO DA CARGA
U m c ir c uito hidr áulic o é definido atr av és do tr abalho que s e nec es s ita ex ec utar em u m deter minado te mpo, c o m es s as i nformaç ões e p elo u s o d e fór mula s ade quadas é p oss ív el c alc ular a potênc i a total do s is tema.
Na hidr áulic a s egue-s e o pr inc ípio da c ons erv aç ão da ma té ri a ( Lav ois ie r A.) , onde a potênc ia é tir ada da r ede elétr ic a atr av és de um motor e pos ter ior mente utili zada por u m atuador.
Na s eq üênc ia s e ex plic ar á todos os pass os par a dimens ionar os c omp onentes de u m s is tema h idr áulic o.
3.2.1 Definição do Cilindro Hidráulico
Co m ba s e na for ç a nec ess ár ia esc olh e -s e um c ilind ro hidr áulic o padr ão c omer c ia l que atenda a ess a for ç a e que rel ativ amen te ofer eç a u m ba ix o c us to . Após iss o s e c alcula a pre s s ão nec ess ár ia pa ra r es ultar nes s a forç a e o v olume d o c ilindr o para pos ter ior mente deter minar o ta manho da b o mba. Para fac ilitar o traba lho os fabr ic antes já dis pon ibili za m ta belas c omo a do an ex o A.
O c ál c ulo bas e par a forç a dá -s e pela fór mula P= F/ A onde a á rea é c alc ul ada em funç ão d o diâ metr o do c ilind r o.
Co mo a intenç ão do pr ojeto em ques tão er a de apenas efetuar um mov imento e alter ar s ua v eloc ida de a par tir d a v a riaç ão d a r otaç ão do
motor elétr ic o, não er a nec ess ár ia u ma fo rç a res ultante mu ito al ta . Util i zou- s e então de u m c i l indr o de Ø 2” c om has te de Ø1 /2 ” e c ur s o de 120 mm. Um dos pr inc ipa is motiv os da es c olha des s e c ilindr o fora m o s eu baix o c us to e dimens ional per feit o par a a banc ada, e uma p erfei ta per c epç ão de a lteraç ão de v eloc idade no mes mo.
3.2.2 Dimensionamento da Bomba Hidráulica
O pr óx imo pas s o é v er ific ar o taman ho da bomba, ou s e ja, qual s er á a v azão d a mes ma, po i s s er á a v azão que i nf luenc iar á dir eta men te no te mpo de oper aç ão. Calc ul a -s e o v olume do c ilindr o e a par tir d o te mpo que ele dev e ex ec utar o tr abalho esc olhe -s e o tamanho de bo mba u m u ma tabela de u m det er minad o fabr ic ante, c o mo por ex emplo, no anex o B.
Co mo s e pode a nalis ar na tabe la do anex o B, não é infor mada a v azão e m l/ min, pois par a is s o é ne c ess ár io s abe r a r otaç ão em q ue irá tra balhar a bo mba.
Na tab ela a i nfor maç ão é o c c /r ev que é o v olume e m c m³ des loc ado pela bomba a c ada r otaç ão.
Então s e c alc u la a v azão pela fór mula Q = (n x d) /1000 , onde Q á a v a zão da bo mba e m l/ min, n é a ro taç ão do motor e létric o , d é o des loc amento da bo mba e m c m³/v er e 1000 é u ma c ons tante par a s e obter o v alor final na unidad e de l/ min.
O ide al é utili zar as bombas dentr o de um r ange de r otaç ão infor mada pelo fabr ic ante, s e ndo que c ada mode lo apre s enta s uas par tic ular idades .
O mo delo de b o mba es c olh ido fo i de u ma bo mba de engr enagens de des loc amento pos itiv o, ou també m c h amada de bo mba hidr os tátic a. Nes s e modelo de bo mba u ma v e dação mec ânic a s epar a a entr ada e s aída da bomba, e o v olu me de flu ido s ucc ionad o é tr ans fer ido par a o lado de s aída e fo rnec ido par a o s is tema. A s uc es s ão de pequenos v olumes de fluido tr ans fer idos des s a for ma pr opor c iona uma v azão be m
unifor me, independe nte do au mento de pr es s ão no s is tema , tendo ass im, u ma quant ida de de fluido pos i tiv a que é tr ans fer ida ao mes mo s is tema por unidade de r ev oluç ã o ou curs o. Como per mite m a tra ns mis s ão de potênc ia , e ss as bombas s ão ap lic adas em c ir c uitos óleos - hidr áulic os . Por apr es en tar boas c ondiç ões de traba lho e m div ers as r otaç ões ( míni ma de apr ox i mada mente 600 RP M e máx i ma de 3600) e u m v olume c ons id erado bo m par a v ar iar nos tes tes foi esc ol hido uma bo mb a do ta manho 3,1c m³ /r ev. Dentro de ss as c on diç ões é pos s ív el trab alhar c om a v azão do s is tema entr e 1,8 l/ min até 11,1 l/ min, ou s eja é pos s ív el s e obter uma boa v aria ç ão na v e loc idade r es ultante do c il indr o hidr áulic o.
3.3 DIMENSIONAMENTO DO MOTOR
Tend o e m mãos os dad os já c alc u lados anter ior mente c omo v azão e pr ess ão, o próx imo pa s s o é a c alc ular o motor elétr i c o que s e rá utili zad o par a atender as c ondiç ões s ol ic itadas . Utilizando - s e da fór mula CV= ( Q x P) /k , onde CV é a potênc ia míni ma ne c es sár ia do motor elétr ic o e m c av alo -v a por , Q é a v azão do s is te ma e m l/ min, P é a pr ess ão de tr abalho em bar ou kgf/c m² e K é u ma c ons tante que v ar ia e m funç ã o do r endi mento da bo mba , infor maç ão e s s a obtida dir eta mente dos c atálogos dos fabric antes .
Par tindo do pri nc ipio que não ex is tia a nec es s idade de r ealizar u m deter minado tra balho c o m ex c ess iv a forç a e ta mbé m por ques tões de s egur anç a, fic ou deter mi nado que a p res s ão má x i ma do s is tema foss e de 10 bars . Com bas e nes sa infor maç ão, e nas demais já c alc ul adas , dev er á utiliza r a fór mul a CV= ( Qx P) /K on de c alc ula -s e s emp re c om as infor maç ões a par ti r do tr abalho nominal , ou s eja, CV= ( 11,1 x 10) / 360, res ultando em u ma potên c ia míni ma de 0,3 cv pa ra atender as c ondiç ões s olic itadas . Como ess a p otênc ia não é um pad rão c ome rc i al de motor es e o ide al é s emp re tr abalhar c om u ma folga a té
mes mo por que fo i tes tado o motor e m div e rs as c ondiç õ es c r itic as , utili zou -s e de u m motor d e 0,5 cv doi s pólos d e tens ão 220/38 0 V tri fá s ic o do tipo ga iola da ma rc a WEG. A únic a al teraç ão r ealizada ness e c o mponente foi à ins talaç ão d e u m fla nge do tip o C - DIN que era o ideal par a atender as c o ndiç ões d e montage m.
Outr os fator es que i nduzir a m na uti li zaç ão des te motor for a m dec or r entes de alguns re quis itos pr imo rdi ais par a o tra balh o, s ão eles :
Cus to r eduzido do motor de ½ c v ;
Dev ido à s ua di mens ão, ao qual é c ompa tív el c om o ta manh o da banc ada;
A maior v eloc idade da r otaç ão do mot or per mi te u ma ma ior faix a de tr abalho e v eloc id ade do c onjunto bo mba e c ilin dro hidr áulic o.
As s im a banc ada foi di mens iona da c om u m motor de induç ão tri fá s ic o da fabr ic a nte W EG, figur a 7 . Es s e motor p os s ui as s eguintes c ar ac ter ís tic as téc nic as :
Carc aç a: 63; Potênc ia: 0,5HP; F r equênc ia: 60Hz;
Rotaç ão nomi nal: 3370 RP M; Es c orr egamen to : 6,39 %; Tens ão no minal : 220 /3 80v ; Corr ente no minal: 1,86/1,08 A; Corr ente de pa rtida: 10,4/6,01 A; Ip / In: 6,0;
Corr ente a v azio: 1,13/0,651A; Conjugado no mina l: 1,05Nm; Conjugado de par tida: 270% ; Conjugado má x i mo: 270%;
Categor ia N;
Clas s e de is olaç ão F ;
Elev aç ão d e te mper atur a: 80K;
Te mpo do r otor blo queado; 8c ( quente); F ator de s erv iç o: 1,15;
Regi me de s erv i ç o: S1 ;
Te mper atura a mb iente: - 20 +40C; Altitude: 1000 m;
Pro te ç ão: IP55;
Mas s a apr ox ima da: 6 Kg;
Mo mento de inér c ia: 0,00019 kg m² Nív el de r uído: 56 dB(A) .
Figura 7 – Placa do Motor Fonte: Próprio autor
3.4 DIMENSIONAMENTO DO CIRCUITO DE POTÊNCIA
Confor me dados do motor, n o tópic o an te rior, s er iam nec es s ár ios Tir is tor es que s upor tass em a c or r ente nominal de 1,86 A e Ip/ in ( c or rente de p ic o) de 11,16A, por ém, c o mo n o l abor atório e s tav am dis ponív eis Tiri s tore s de 32 A, for a m u ti li zados os Tir is tor es SKK T 27 da fabr ic ante Semik ron.
For am di mens ionados tr ês c onjuntos de no total s eis Ti ris tores . A s eguir s egue o d imens i ona mento dos c o mponentes :
Corr ente no minal: 27 A Corr ente G atilho: 150 mA; Nu mer o de pinos : 7;
Corr ente RMS e m c ondu ç ão: 50ª;
Te mper atura máx i ma de ope raç ão: 125°C; Te mper atura mín i ma de oper aç ão: - 40°C.
Co m bas e nos dados do motor e dos Tir is tor es , pode s e perc ebe r que o s is tema de potênc ia tir is tor izado s u porta c om fac ili dade a potênc ia ex igida pela c ar ga (c onju nto hidr áulic o). Sendo que o motor s olic i ta apenas 1,86 A e o tir is tor c ons egue for nec er até 27 A.
3.5 SELEÇÃO DA PLACA DE DISPARO
Par a a es c olha da plac a a s er u ti lizado, o pr inc ipal req uis ito a obs erv ar é que a plac a dev e c ons eguir for nec er a c orrente mín i ma d e manutenç ão de func io namento do t ir s itor, s endo ess a c or r ente míni ma do tiri s tor em ques tão de 150mA. As s im foi es c olhida a pl ac a de c ontr ole da mar c a Semik ro n, mode lo RT380T 230/400, v ide figur a 8. De ac or do c om o fabr ic ante a plac a es c olhida for nec e até 600mA par a dis par o, e ss a pl ac a també m es tav a dis ponív el n o labor atór io da
Uni v er s idade.
Outr o fator i mpor tante par a a p lac a é que de ac or do c om o fabr ic ante ela ac iona to da a gama de c ompon entes Tiris tores da
Semik r on.
Es ta pla c a poss ui alimen taç ão tanto r ede tr ifás ic a 220V quanto 380V, no c as o utiliza- s e entr ada tr ifás ic a 22 0V.
Figura 8 – Placa de Controle Fonte: Próprio autor
CAPÍTULO 4
4.1 INTRODUÇÃO
A s eguir, s erá mos trado o des env olv imen to da banc ada, c ons tan do o pas s o a pas s o da montage m, c o m o des c r itiv o dos equipa mentos utili za dos .
4.2 ESQUEMA E CIRCUITO ELÉTRICO GERAL
Par a ex emp lific ar o s is tema, s erá mo s tra do u m e s que ma e m diagr a ma de bloc os par a fac ilitar a c ompree ns ão d o as s unto. Ao av anç a r os tópic os do tra balho, s er ão des me mbr ados os mód ulos do s is tema, c ujo c ons ti tuem:
Ali mentaç ã o;
Cir c u ito de Potên c ia; Módulo d e Cont r ole; Painel de Co mando;
Cen tr al Hidr áulic a ( Car ga).
4.2.1 Esquema Geral do Circuito
Confor me figur a 9, é p oss ív el ter uma noç ão ger al do s is tema de mons trado por u m d iag ra ma de blo c os . Pode s e nota r o c irc uito de potênc ia c onec tado c om o motor, a plac a de c on tr ole, a r ede de ener gia elétr ic a, e també m o c onjunto hidr áulic o c onec ta do no motor de induç ão.
Figura 9 – Esquema geral do circuito Fonte: Próprio autor
4.3 CENTRAL HIDRÁULICA (CARGA)
O s is tema ou c ir c uito hidr áulic o a ss im c hamado pode s er definid o c omo u m c on junto d e c o mponentes que utili za m u m fl u ido, n es s e c as o o óleo hidr áulic o mine ral, c o mo me io de tr ans mis s ão de potênc ia a fi m de s e ex ec utar um tr abalho.
Todo e qu alquer s is tema hidr áulic o pode s er div idido e m tr ê s par tes pr inc ipai s :
Sis te ma de ger aç ão: é c ons tituído pel o r es erv atór io, fil tr os , bo mbas , motor es , ac umulador es , intens ific ador es de pre ss ão e outr os ac es s ór ios ;
Sis te ma de dis tr ibuiç ão e c ontro le: c ons tituído por v á lv ulas c ontr olador as de v azão, pr es s ão e d irec ionais ;
Sis te ma de ap lic aç ão de ener gia: aqui enc o ntra -s e os atuador es , que pode m s er c ilindr os , motor es hi dráu lic os , e osc ilador es .
Bas ic amente o c irc uito des env olv ido par a s e r ealizar os dev idos tes tes nes s e pr ojeto é c omp os to pelos s e guintes itens ab aix o:
Res erv atór io: r es pons áv el pelo ar mazen a mento do ó le o, pel a pr ec ipitaç ã o de impu re zas e pela tr oc a térmic a efetuada entre óleo c om a pa rede do res erv atór io, e pos ter ior mente, da par ede do r es erv atór io c om a atmos fer a;
F iltr o de s ucç ão: c omp onentes u ti li za dos par a i mpedir a s ucç ão de par tíc ulas s ólid as pela bo mba o que poder ia danif ic ar os c omp onentes do s is te ma;
Bo mba de en grena gens : r es ponsáv el pela ger aç ão de v azão dentr o de u m s is te ma hidr áulic o , s endo, por tanto ta mbé m r es pons áv el pelo ac ion amento do s atuad ores bas ic amente c onv er tem a energ ia mec ânic a em ene r gia hidr áulic a;
Ac opla men to : r es po ns áv el pela un ião e trans mis s ão entre o motor elétr ic o e a bomba, s ua funç ão ta mbé m é a de c or r igir o des alin hamento entr e os eix os ;
Motor elétr ic o: é a fonte d e ac ionamento do s is tema, é que m r ec ebe a energia pr ov eni ente da r ede e tr ans for ma a mes ma e m ener gia mec ân ic a atrav és de rota ç ão e tor que. É de le que s e tir a à potênc ia pa ra o c i rc uito hidr áulic o;
Bloc o Man ifo ld : é uti li za do para ofer ec er u ma maio r c o mpac taç ão ao c o njunto, pois dis pe ns a uma s ér ie de man gueir as e tubos e gr ande par te dos c omponentes s ão montados dir eta men te no bloc o;
Válv ula de alív i o: r es pons áv el pe lo co ntrole da p res s ão máx i ma do s is tema e pela pr oteç ão dos c omponentes ins tal ados uma v ez que a ti ngida a pr es s ão nela reg ulada a v álv u la abr e e des v ia o exc es s o de óleo dir etamente par a o ta nque;
Válv ula dir ec iona l el étric a: c omo o pr ópr io nome di z é que m dir ec iona o fluido do s is tema par a o c ili ndro e do c ilindr o par a o tanque, o no me elétri c o d á -s e dev ido ao c omando da mes ma s er r ealizado po r s in al elétr ic o env iado as s uas bob inas ;
Con ec tor es elétr ic os : c omponentes que apen as fac ilita m a ins talaç ão do c oma ndo da v álv ula d irec ional elétr ic a;
Manô me tro: in s tru mento uti li zado par a a leitur a da pres s ão do s is tema;
Manguei ras hidr áuli c as : res pons áv e l pel a c o nduç ão do fl uído até o ponto s olic itado e ajudam ta mbé m n a dis s ipaç ão d o c alor ;
Cil indr o Hidr ául ic o : nes s e c as o é o atuador do s is tema , r es pons áv el pela c onv ers ã o d a e nergia hidr áulic a e m ene rgi a mec ân ic a, r ealiza u m mo v imento d e av anç o e r etor no linear. A for ç a r es ul tante de um c ilind ro dá - s e bas ic amente e m funç ão da pr ess ão do s is tema e da ár ea d o c ilindr o, s eguindo a fo rmula F= P x A;
Con ex ões : r es pons áv eis pela uniã o e r e duç ão e ntre c o mponentes e tubulaç ão.
4.4 MOTOR SUSPENSO
Vis ando med i r o tor que, foi mon tado u m s upor te para mo to r c o m fix aç ão pelo eix o on de o motor fic ar ia apoiado no eix o, de mo do qu e a c arc aç a do mo to r pudes s e gir ar par a ev itar que o motor gir e. Par a is s o foi ac oplad a u ma balanç a, c onfor me figur a 10, par a i mpedi r que o motor gir e e as s im med ir a for ç a ex e rc ida, par a p os ter ior mente c alc ul ar o tor que.
Figura 10 – Fixação da balança Fonte: Próprio autor
Par a c ons tr uir o motor s us pens o, foi utili zado u m mo to r de ½ CV, c ujo eix o foi prolongado de modo que foss e pos s ív el c oloc ar um r ola mento e m c ada pon ta par a s us tentar o motor, a fi m de d i minu ir o atr ito c onfor me figur a 11.
Figura 11 – Fixação da balança Fonte: Próprio autor
Após a monta ge m do pr ojeto, a figur a 12 de mons tra a s i tuaç ão final do motor s us pens o.
Figura 12 – Motor suspenso Fonte: Próprio autor
4.5 CIRCUITO DE POTÊNCIA
Co mo já v is to no Cap ítulo 2, o c irc u ito de potênc ia é o r es pons áv el por c ontro lar a tens ã o de s aída par a o motor, u ma v ez que o mes mo é c onec tado d ireta mente, s em es tágios inter med iá rios .
Figura 13 – Esquema Módulo de Potência Fonte: Próprio autor
Par a a banc ada didátic a em ques tão, foi utili zad o u m mód ulo de potênc ia, que po ss ui:
Módulo c o mpleto do c i rc uito de potência, figur a 14;
Figura 14 – Módulo Circuito de Potência Fonte: Próprio autor
s aída, figur a 15;
Figura 15 – Fusíveis de Proteção Fonte: Próprio autor
Seis Tir is tor es ( tr ês bl oc os c ontendo do is Tir is tor es c ada) model o SKKT 27/16 E, do fabr ic ante SE MIK RO N, c onfor me figur a 16;
Figura 16 – Blocos de Tiristores Fonte: Próprio autor
identific ad as , figur a 17;
Figura 17 – Identificações endereçadas Fonte: Próprio autor
A c onfigur aç ão dos Tiri s tores foi imple mentada no modo de c ontr ole da tens ão p or âng ulo de dis par o, v id e fi gura 1 8.
Figura 18 – Configuração de Tisristores Fonte: BARBI, I, 2000.
4.6 CONEXÃO DA PLACA DE CONTROLE COM O CIRCUITO DE POTÊNCIA
U m i mpo rtante deta lhe par a o func iona mento to tal da plac a de c ontr ole é a s equênc ia de fas es da c onc es s ionár ia. Foi nec es s ár ia a identific aç ão das fas es no mó dulo de potênc ia, pois ela dev e s er mantida tanto na pla c a de c ontr ole, quanto na s a íd a para a c arg a. Cas o c ontr ár io o s is tema não entr ará e m func ionamento e a plac a de c on tr ole poder á s er danific ada. Na fi gura 19 os tr ês módulos de Tir is tor es es tão dev idamente ident ific ad os par a a conex ã o c om a plac a de c ontr ole.
Figura 19 – Diagrama de conexões da placa com o módulo de potência Fonte: Próprio autor.
A pla c a uti li zada po s s ui tr ês c onjuntos de quatro s aídas par a o c ontr ole, totalizando 12 ( doze) c onex õ es par a os Tir is tor es dev idamente identif ic ados , tanto na própr ia plac a, figur a 20 , quanto no manual u ti l i zado.
Figura 20 – Identificação dos terminais de saída da placa Fonte: Fabricante Semikron
As c onex ões e iden ti fi c aç ões s ã o pr imordi ais par a o func ionamento da p lac a, não podendo hav er nenhuma dis c r epânc ia em r elaç ão aos Tiris tore s juntamente c o m as s aídas .
Par a o c ontr ole de dis par o dos Tir is tor es é nec ess ár io uma exc itaç ão CC d ireta mente in s e rida n a plac a utili zad a, por u ma fonte ex ter na, modelo HY3003 D do fabr ic ante Po liter m, c onfor me figur a 21 . Es ta te ns ão CC te m c o mo obje tiv o al terar o ângulo de dis par o do Gate do Tir is tor. O u s ej a, v ar iando a fonte de tens ão dentr o de um v al or deter minado, no c as o d e 5,5 Vc c à 7,5 Vc c , o ângulo d e dis paro dos Tir is tor es s ão alter ados , e ass im a v eloc idade do mo to r pode au men tar ou di minuir. No pr óx i mo c apítulo s er á analis ada a altera ç ão de v eloc i dade a par tir d a fo nte CC ex ter na.
Figura 21 – Fonte CC Fonte: Próprio autor
4.7 PAINEL DE COMANDO
O painel de c o mando te m o ob j etiv o de c ontro lar os mo v imentos do c ili ndro hidr áulic o e per mitir a auto maç ão do s is tema atrav és do c ic lo automá ti c o. Es te s is tema foi des env olv ido, e pos ter i or mente montado, v ide figur as 22. No apênd ice C, D e E é mos trado : o c ir c uito de c o mando, o c ir c uito de for ça e os mater iais utili zados , r es pec tiv a mente.
Inter na mente o pai nel é c o mpo s to por u m d is juntor ger al que ali men ta todos os c omponentes , três c on tat ores que s ão r es pons áv eis pelo c ic lo automátic o e bor nes de li gaç ão onde s ão conec tados os c omp onentes do c irc ui to .
Figura 22 – Parte frontal do Painel de Comando Fonte: Próprio autor
Na par te ex ter na do paine l, fig ura 23, p o de-s e esc olh er en tr e r ealizar os mov ime ntos d e for ma manua l ou auto má ti c a. No c ic lo manual ex is tem duas botoeir as , uma de av a nç o e uma de retor no onde c ada qual manda ener gia dir eta me nte a s ua r esp ec tiv a bobina. J á no c ic lo automátic o por ques tões de s egur anç a, o mes mo s ó s e inic ia s e o
c ilindr o es tiv er ac ionan do um dos fi ns de c u rs o, e cada v ez que o mov imento d o c ili ndro ac io na o r es pec tiv o fim de c ur s o ac ontec e uma r ev ers ão no mov imento. Es s e c ic lo torna -s e c ontínuo até que s eja inter ro mpido atr av és da b o to eira d e des liga ou de emer gênc ia.
Figura 23 – Parte interna do Painel de Comando Fonte: Próprio autor
CAPÍTULO 5
5.1 INTRODUÇÃONes te c apítulo s er á demon s trad o o func iona mento e o c omp orta mento da banc ada , c o mo: c urv as c ar ac ter ís tic as c om as v ar iáv eis mais i mpor ta ntes obtidas a par tir de tes tes e c oleta de dados .
Vis ando v er ific ar o des empenho da ba nc ada, d a par te elétri c a e mec ân ic a, fora m r eali zados os tes te a s eguir demons tr ado.
5.2 ROTEIRO DE TESTE DA BANCADA
5.2.1 Alimentação do Sistema
Par a inic iar o fun c iona men to da banc ada, c onfor me fig ura 24, é nec es s ár io rea lizar os s egui ntes pr oc edi mentos de ali me ntaç ão:
Ali menta r c o m re de 220V tr ifás i c o a plac a de potênc ia; Ali menta r o pa in el de c ontr ole hidr áuli c o c om 220 V; Ali menta r a fonte C C c o m 127V;
Ali menta r a pl ac a eletrô nic a de c o ntrole dos Tir is tor es c o m tens ão v ariáv el de 0 a 7,5 Vc c .
5.2.2 Procedimento para Coleta de Dados
Par a u ma me lhor v is ualizaç ão dos dados r ealiza dos e m for ma d e gr áfic o, foi div idida a t ens ão de alimentaç ão e m s ete pontos : 5,5V; 5,8V; 6,1V; 6,4V; 6,7 V; 7 V; 7,3V e 7 ,5 V.
Par a c ada te ns ão de alime ntaç ão for a m c oletados os s eguintes dados :
Rotaç ão do MIT;
Veloc id ade do c ilindr o no av anç o; Veloc id ade do c ilindr o no r etor no;
Tor que do motor; Corr ente;
Tens ão de s aída AB; Tens ão de s aída BC; Tens ão de s aída CA; F ator de Po tê nc ia; Potênc ia Ativ a (W ) ; Potênc ia Reativ a ( VAR) ; Potênc ia Apar ente ( VA); Har mônic as de ten s ão; Har mônic as de c or rente.
Figura 24 – Alimentação geral da bancada Fonte: Próprio autor
5.2.3 Excitação da Placa de Controle
Par a ini c iar a par tida do s is tema é nec ess ár io ex c itar a plac a de c ontr ole, e es tá ativ ar os Tir is to res d e potênc ia. Par a q ue o motor entre e m mov imento a pl ac a de c ontro le de v e s er ali mentada c o m tens ã o de 5 a 7,5v, dev endo o oper ador não deix ar a tens ão s er i nferi or ou s uper ior a es s es l imites d e tens ões . Cas o a tens ão fique infer ior, o motor s erá ali men tado c o m baix a ten s ão e nã o s er á c apaz de gir ar, o que p ode oc as ionar a quei ma do me s mo. A v eloc idad e do motor s e rá pr opor c ional a tens ão da plac a, o u s eja, mais pr óx imo de 5v mais lento o motor, mais p róx imo de 7,5v ma ior a v eloc idade .
O tir is tor func io na c om u m puls o no g atilho e a c ada pa s s age m pelo 0V, na ondulaç ã o s enoidal da tens ão , ele s e des liga, nec ess itando ass im de u m nov o puls o no gatilho par a c o nduzir n ov amente. Co mo o s emi -c i c lo s enoidal v ai do 0° a 180°, quanto mais pr óx i mo do 0° maio r s er á o temp o de c onduç ão do c ompo nente e c on s equenteme nte ma ior tens ão s er á for nec ida pel os Tir is tor es . E qua nto mais pr óx imo do s 180° menor o te mpo de c onduç ão do c omponen te , oc as ionando ass im u ma menor tens ão for nec i da pelos Tir is tor es .
Sendo as s im, a p lac a de c ontr ole er a ali me n tada c o m tens ão de 0 a 7,5V s endo o 0V igual aos 180° fa s or iais , e o 7,5v igual ao 0° da s enoide, as s im s e c onc lui que c ada um gra u equiv ale à apr ox ima da mente 0 ,0 4167V na plac a de ali mentaç ão, e c omo foi menc i onado ac ima , a ali mentaç ão da plac a in dic ada par a o s is tema era de 5,5 a 7,5v, as s im: 5,5V equiv alem a 48°; 5,8V equiv alem a 40,8°; 6,4V equiv alem a 26,4°; 6,7V equiv alem a 19,2°; 7V equiv alem a 12°; 7,3V equiv alem a 4,8°;
7,5V equiv alem a 0°.
Ou s eja, a pla c a de c ontr ole c ontr ola os Tir is tor es de 0° à 48° , ac ima des s es v alor es de ângulos não foi tes tado por que a tens ão que fic av a disp onív el não era c apaz de ti r ar o motor da inér c ia quando ele es tav a c om c ar ga.
5.3 ACIONAMENTO DA CARGA
Ao inic iar o mov imento de r otaç ão do mo to r elétr ic o, o tor que e a r otaç ão s ã o trans mitidos à bo mb a p or me io d o ac opla mento, a qual inic ia a s ucç ão do óle o do res erv atór io env iando o mes mo para o s is tema e dis tr ibuindo por tod os os c omponentes . Lo go, inic ia - s e o tra balho da v álv ula de alív io e da v álv ula direc ional, os qu ais s ão r es pons áv eis pelo dir ec ion amento d o flu ído, s eja par a av anç a r, ou r etorna r o c ilindr o hid rául ic o, ou s imples mente par a des v iar o fluído par a o tanque.
Na s equênc i a ser ão demons trado s três tipos de ac io namentos us ados n o proj eto:
Ac iona mento e m Regi me Per manente; Ac iona mento à Va zio;
Ac iona mento e m Modo Auto mátic o. 5.4 ANÁLISE E COLETA DE DADOS
A s eguir s er ão d emons tr ados os dados lev antados da banc ad a, a par tir d e ta belas e gr áfic os .
5.4.1 Motor à Vazio
No ac ionamento a v azio o s is te ma hidr áulic o oper a s omente r ealizando a s ucç ão do óle o do tanque e c irc ulan do o mes mo por dentr o d a v á lv ula dir ec ional, e poster ior mente, dev olv endo par a o tanque. Todo es s e pr oc es s o é rea lizado s e m qu e ex is ta nenhuma
pr ess ão no s is tema, u ma v ez que o óleo c ir c ule liv r emente s e m enc ontr ar res is tênc i a ao flux o.
A potênc ia des env olv ida/s olic itada pelo s is tema é a penas pela c ar ga ger ada par a manter o gir o do motor, e para gi rar a bo mb a hidr áulic a.
Tabela 1 - Dados à vazio
