Montagem de uma bancada didática de acionamento CC para estudo do comportamento de um simulador de carga

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

CRISTOFER SUREK RODRIGUES FERNANDO HENRIQUE XAVIER DA COSTA

RELSI PEREIRA DOS SANTOS

MONTAGEM DE UMA BANCADA DIDÁTICA DE ACIONAMENTO CC PARA ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE UM SIMULADOR DE CARGA

TRABALHO DE CONCL USÃO DE CURSO

CURITIBA 2016

FERNANDO HENRIQUE XAVIER DA COSTA RELSI PEREIRA DOS SANTOS

MONTAGEM DE UMA BANCADA DIDÁTICA DE ACIONAMENTO CC PARA ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE UM SIMULADOR DE CARGA

Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, apre sentado à discip lina de Trabalho de Dip lomação, do Cu rso Superio r de Tecnologia em

Automação Industrial do

Departamento Acadêmico de

Eletroté cnica – DAELT – da Unive rsidade Tecn ológica Federa l do Paraná – UTFPR, como requisito parcia l pa ra obte nção do títu lo de Tecnólogo.

Orientado r: Prof. Dr. W alter D . Cru z Sanche z

CURITIBA 2016

FERNANDO HENRIQUE XAVIER DA COSTA RELSI PEREIRA DOS SANTOS

MONTAGEM DE UMA BANCADA DIDÁTICA DE ACIONAMENTO CC PARA ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE UM SIMULADOR DE CARGA

Este Trabalho de Diplomação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Tecnólogo em Automação Industrial, do Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.

Curitiba, 09 de março de 2016.

____________________________________ Prof. Ednilson Soares Maciel, Me.

Coordenador de Curso

Departamento Acadêmico de Eletrotécnica

____________________________________ Prof. Rafael Fontes Souto, Me.

Responsável pelo Trabalho de Diplomação da Tecnologia Departamento Acadêmico de Eletrotécnica

BANCA EXAMINADORA

________________________________ Prof. Walter Denis Cruz Sanchez, Dr. Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Orientador

_____________________________________ Prof. Ubirajara Zoccoli, Me

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

_____________________________________ Prof. Gilberto Wolff, Dr.

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

_____________________________________ Prof. Jaime Favretto, Me.

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

A nossos pais e amigos. E ao Professor W. Sanchez, que nos ajudou muito no trabalho.

RODRIGUES, Cristofer Surek; COSTA, Fernando Henrique Xavier da; SANTOS, Relsi Pereira. Montagem de uma bancada didática de acionamento CC para estudo do comportamento de um simulador de carga. 2016. 74f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2016.

Este trabalho apresenta a montagem e o estudo de desempenho de uma bancada didática de acionamento CC para o estudo do comportamento de um simulador de carga. Aborda conceitos de semicondutores, motores e geradores 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: torque, velocidade, tensão e corrente. Discute algumas vantagens e desvantagens em relação ao uso deste tipo de acionamento, e a caracterização do comportamento do motor quando é acoplada uma carga. E como resultado do trabalho é demonstrada a iniciativa da montagem da bancada didática para facilitar o entendimento do comportamento da carga com o controle da velocidade de forma prática, e analisado o comportamento do conjunto dos equipamentos utilizados, é possível verificar que o conteúdo teórico estudado sobre o assunto se comprova nos testes práticos, de acordo com os resultados obtidos. Tais resultados comprovam que o recurso utilizado para a simulação foi satisfatório, funcionou da forma proposta e atende as necessidades didáticas.

RODRIGUES, Cristofer Surek; COSTA, Fernando Henrique Xavier da; SANTOS, Relsi Pereira. Mounting a didactic stand CC drive to study the load simulator behavior. 2016. 74f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2016.

This paper presents the assembly and performance study of a didactic DC drive benchtop for the study of load simulator behavior. Also discusses concepts of semiconductors, motors and generators for speed control of induction motors. Data collection is displayed for mounting graphics with the main variables raised, such as torque, speed, voltage and current. Discusses some advantages and disadvantages compared to the use of this type of drive, and characterization of engine performance when a load is coupled. And as a result of work is demonstrated initiative Mount didactic bench to facilitate understanding of load behavior with speed control in a practical way, and analyzed the equipment of the assembly behavior used, it can be seen that the theoretical contents studied about it is proven in practical tests, according to the results obtained. These results show that the resource used for the simulation was satisfactory, worked as proposed and meets the educational needs.

Figura 1 - Curva característica de magnetização da máquina CC ... 19

Figura 2 - Relação Torque/Potência x Velocidade e Corrente de Armadura/Campo x Velocidade... 20

Figura 3 - Relação Torque x Velocidade ... 21

Figura 4 - Retificadores ... 22

Figura 5 - Circuito de potência do Conversor CA/CC com carga resistiva ... 24

Figura 6 - Ângulo de disparo: 0 graus ... 24

Figura 7 - Ângulo de disparo: 30 graus ... 25

Figura 8 - Ângulo de disparo: 60 graus ... 25

Figura 9 - Ângulo de disparo: 75 graus ... 25

Figura 10 - Esquema da bancada ... 26

Figura 11 - Montagem 01 ... 27

Figura 12 - Montagem 02 ... 28

Figura 13 - Montagem 03 ... 28

Figura 14 - Placa de acrílico ... 29

Figura 15 - Descrição do conector de sinais e controle do CTW-04 ... 30

Figura 16 - Bloco diagrama do conjunto CTW - 04 ... 31

Figura 17 - Acionamento trifásico - 1 quadrante... 32

Figura 18 - Acionamento do conversor com o potenciômetro eletrônico ... 32

Figura 19 - Acoplamento do Tacômetro ... 33

Figura 20 - Acoplamento do Multimedidor ... 33

Figura 21 - Acoplamento do Dinamômetro ... 34

Figura 22 - Acoplamento do Superdrive ... 34

Figura 23 - Conversor CA-CC ... 36

Figura 24 - Estrutura interna do Conversor CA-CC ... 36

Figura 25 - Placa de especificações do conversor ... 36

Figura 26 - Motor 01 ... 37

Figura 27 - Motor 02 ... 37

Figura 28 - Tacômetro ... 38

Figura 29 - Multimedidor ... 39

Figura 30 - Tela do Superdrive ... 40

Figura 31 - Esquema de medição de tensão de campo da carga com multímetro .... 43

Figura 32 - Bancada pronta ... 44

Figura 33 - Esquema elétrico de montagem... 45

Figura 34 - Monitoramento 01 ... 48

Figura 35 - Monitoramento 02 ... 48

Figura 36 - Monitoramento 03 ... 49

Figura 37 - Monitoramento 04 ... 49

Figura 38 - Monitoramento 05 ... 50

Figura 39 - Gráfico da Corrente de armadura x Velocidade ... 51

Figura 40 - Gráfico do Torque x Velocidade ... 52

Figura 41 - Gráfico do Ângulo de disparo x Velocidade ... 53

Figura 42 - Gráfico do Ângulo de disparo x Velocidade ... 54

Figura 43 - Gráfico do Ângulo de disparo x Força ... 55

Quadro 1 - Especificações do dinamômetro ... 38

Quadro 2 - Especificações do tacômetro ... 39

Quadro 3- Parâmetros utilizados ... 42

Quadro 4 - Cargas dos ensaios ... 44

Quadro 5 - Relação dos valores de tensão de campo e os valores de torque da carga equivalentes ... 44

Quadro 6 - Valores obtidos... 46

fcem – Força contra eletromotriz; mm – Milímetros;

V – Tensão; N – Newton;

kgf – Quilograma/força; rpm – Rotações por minuto; kB – Quilobyte;

RS-232 – Padrão de protocolo para troca serial de dados binários; N.m – Newton/metro;

T – Torque;

VA – Volt-ampere;

Var – Volt-ampere reativo; W – Watts;

P – Potência ativa; Q – Potência reativa; S – Potência aparente;

Ω – Velocidade da máquina, em rad/s; B – Constante de atrito, em Nm/rad/s; 𝐾_𝑣 – Constante de tensão, em V/A-rad/s; 𝐾𝑡= 𝐾𝑣 – Constante de torque;

𝐿_𝑎 – Indutância do circuito de armadura, em H; 𝐿𝑓 – Indutância do circuito de campo, em H;

𝑅𝑎 – Resistência do circuito de armadura, em Ω;

𝑅_𝑓 – Resistência do circuito de campo, em Ω; TL – Torque da carga, em Nm; 𝑉_𝑎 – Tensão de armadura, em V; 𝐼𝑎 – Corrente de armadura, em A; 𝐼_𝑓 – Corrente de campo, em A; Pd – Potência desenvolvida; Td – Torque desenvolvido; Vp – Tensão de pico;

𝑖𝑎 – Corrente instantânea de armadura, em A;

𝑖_𝑓 – Corrente instantânea de campo, em A; α – Ângulo de disparo, em rad.

DSCE – Departamento de Sistemas e Controle de energia; FEEC – Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação; UNICAMP – Universidade Estadual de Campinas;

UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina; CC – Corrente contínua;

1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 Tema ... 13 1.2 Problema e premissas ... 14 1.3 Objetivos ... 15 1.3.1 Objetivo Geral ... 15 1.3.2 Objetivos Específicos ... 15 1.4 Justificativa ... 15 1.5 Procedimentos metodológicos ... 16

1.6 Estrutura do relatório de pesquisa ... 16

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 17

2.1 Introdução ... 17

2.2 A máquina CC ... 17

2.2.1 Introdução ... 17

2.2.2 Características básicas das máquinas CC ... 17

2.3 Acionamentos CC ... 21 2.4 Controle de velocidade ... 22 2.4.1 Conversor CA/CC ... 23 2.4.2 Conversores controlados ... 23 3 DESENVOLVIMENTO ... 26 3.1 Esquema mecânico ... 26 3.1.1 Introdução ... 26

3.1.2 Montagem e funcionamento da bancada ... 26

3.1.3 Acoplamentos e suportes de medidores ... 29

3.2 Projeto da parte elétrica ... 29

3.2.1 Diagrama elétrico ... 29

3.2.2 Diagramas do conversor ... 30

3.3 Montagem do sistema de medição ... 33

3.3.1 Montagem do tacômetro ... 33

3.3.2 Montagem do Multimedidor ... 33

3.3.3 Montagem do dinamômetro ... 34

3.3.4 Conexão com o Superdrive ... 34

3.4.2 Conversor CA-CC ... 35 3.4.3 Motores CC ... 37 3.4.4 Dinamômetro ... 37 3.4.5 Tacômetro ... 38 3.4.6 Multimedidor ... 39 3.4.7 Superdrive ... 40 4 ENSAIOS ... 41 4.1 Introdução ... 41 4.2 Determinação de constantes ... 41

4.2.1 Determinação da resistência de armadura (Ra) ... 41

4.2.2 Determinação da indutância de armadura (La) ... 41

4.2.3 Determinação da constante (Ke) ... 41

4.2.4 Determinação da constante (Kt) ... 41 4.3 Parametrização do conversor ... 42 4.4 Ensaios realizados ... 43 4.4.1 Definição de cargas ... 43 4.4.2 Procedimentos ... 44 4.4.3 Objetivo ... 45 4.5 Valores obtidos ... 45

4.6 Gráficos de análise dos ensaios ... 50

5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES ... 56

5.1 Conclusões ... 56

5.2 Sugestões para TCC futuros ... 57

REFERÊNCIAS ... 58

APÊNDICES ... 59

APÊNDICE A – Diagrama elétrico ... 60

1

INTRODUÇÃO

Neste Capítulo são abordados os tópicos relacionados a proposta do Trabalho de Conclusão de Curso. Estes tópicos são: tema, problema, objetivos, justificativa e procedimentos metodológicos.

1.1 Tema

Os sistemas de velocidade controlada de máquinas são muito usados, inicialmente utilizou-se redutores de velocidade, freios eletromagnéticos e hidráulicos até o surgimento dos semicondutores. Tal surgimento permitiu a criação de equipamentos estáticos que até a década de 90 dominavam, com acionamentos CC, as aplicações de sistemas de variação de velocidade.

A corrente contínua gerada através de conversores retificadores decresceu com o advento dos inversores de frequência e ficou restrita a aplicações em sistemas automotivos e geração de energia por fontes alternativas.

O conversor CC é uma alternativa às aplicações em que o inversor não corresponde as exigências de torque, velocidade ou posição, dessa maneira se revelando uma solução simples.

Existem quatro modos de um acionamento CC atuar no controle de velocidade. Esses "modos" são chamados de quadrantes.

- Quadrante I: O torque e velocidade positivos, o que significa que a máquina está se comportando como motor e girando em um sentido. Este modo de operação é conhecido como motorização direta.

- Quadrante II: A velocidade é negativa e o torque é positivo, o que significa que o motor se comporta como um gerador, este modo de operação é de frenagem reversa.

- Quadrante III: Tanto o torque como a velocidade são negativos. Isso quer dizer que o sistema continua funcionando como motor, porém, houve uma inversão no sentido da rotação.

- Quadrante IV: A velocidade é positiva e o torque é negativo, o que significa que o motor se comporta como um gerador, este modo de operação é de frenagem direta.

Nos acionamentos industriais os quatro modos de operação do acionamento CC estão presentes, assim a bancada ao ser implementada no presente trabalho deve emular aqueles tipos de acionamentos permitindo obter o comportamento nos diferentes modos de operação.

Já os conversores são classificados em classes no que se refere ao quadrante de operação:

• Classe A: opera somente no I quadrante. • Classe B: opera somente no IV quadrante. • Classe C: opera no I e IV quadrante. • Classe D: opera no I e II quadrante. • Classe E: opera nos quatro quadrantes.

Neste trabalho será utilizado um retificador totalmente controlado e permitirá obter os quatro modos de operação.

1.2 Problema e premissas

Frequentemente, professores e discentes nas Universidades são expostos a novas formas de ensino. A teoria traz inúmeros conceitos concretos sobre a área de cada curso, que faz com que os alunos busquem a prática para a assimilação do conteúdo estudado.

Cursos nas áreas de tecnologia e engenharia estão direcionando cada vez mais o ensino experimental em laboratórios com máquinas e equipamentos específicos em bancadas didáticas, que simulam situações operacionais similares aos encontrados em sistemas industriais. Para o caso específico das disciplinas que englobam os conhecimentos na área de acionamentos CC e controle de velocidade, a Universidade possuí um déficit em relação a tais equipamentos didáticos.

Com esse direcionamento, que visa atender à necessidade do ensino prático, elaborou-se o seguinte problema a ser solucionado pela presente pesquisa:

 Como simular os conhecimentos teóricos adquiridos nas diversas aulas sobre acionamentos CC, de forma prática?

Assim, este trabalho tem como objetivo o aumento do conteúdo do Laboratório na área de acionamentos CC com a montagem de uma bancada didática de um conversor CA/CC para estudos de seu comportamento com uma carga simulada.

Será realizado um estudo para mostrar como o acionamento CC se comporta trabalhando a vazio e com carga, observando-se o controle e a robustez do sistema. Para que tal estudo seja realizado, os parâmetros de torque, velocidade, tensão e corrente serão medidos. E com os resultados obtidos poderá ser disseminado o conhecimento através de uma bancada que irá auxiliar a parte prática das aulas. Dessa forma, os discentes podem chegar mais próximos do ambiente industrial, o qual é o foco do curso.

1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo Geral

Montar uma bancada didática, para o estudo do comportamento de um acionamento CC com simulador de carga.

1.3.2 Objetivos Específicos

 Conhecer e dominar o uso do Conversor CA/CC;

 Montar da bancada de operação;

 Realizar adaptações necessárias ao conversor, motor e carga para viabilizar as medições e registros de grandezas elétricas e mecânicas.

 Testes de validação;

 Montar o gerador CC que será utilizado como carga;

 Caracterizar o comportamento do motor quando é acoplada uma carga, neste caso, o gerador CC;

 Realizar testes e análise do comportamento da carga com o controle de velocidade;

 Realizar a análise de resultados.

1.4 Justificativa

Conforme exposto no item 1.2 Problemas e premissas, há muita dificuldade, principalmente no quesito de análise dos acionamentos CC. Com isso, ficava comprometido o entendimento dos conceitos analisados, uma vez que por serem equipamentos comerciais, conversores e motores, sua análise é limitada e complexa, como também, porque as documentações de tais equipamentos se referem, na

maioria das vezes, à operação e raramente sobre seu funcionamento.

Será desenvolvida uma bancada com as adaptações necessárias, visto que utilizando o gerador CC é mais fácil de variar a carga e obter os resultados necessários, o que torna interessante o estudo teórico e prático de seu funcionamento.

A inclusão do curso de Tecnologia em Automação no DAELT obriga o departamento a incorporar novas disciplinas e infraestrutura de laboratórios na área de acionamentos elétricos CC. Portanto, a bancada contribuirá com essas atividades acadêmicas de laboratório sendo utilizado na área de automação, acionamentos elétricos, controle de velocidade, entre outras.

1.5 Procedimentos metodológicos

A bancada será construída a partir de uma estrutura de alumínio adaptada fornecida por um fabricante, na qual o motor será fixado na base da estrutura e outros componentes serão fixados na placa perpendicular à base.

A montagem da bancada se dará a partir da: realização de um levantamento de dados/informações e, de preços no mercado, referente aos equipamentos e componentes a serem utilizados, a fim de obter-se total entendimento de seu funcionamento na bancada; compra dos componentes que serão utilizados; montagem da bancada diretamente no local onde ela permanecerá; testes iniciais envolvendo toda a funcionalidade do protótipo; teste final com levantamento de dados e relatórios; relatório final com análise dos dados e sugestões de melhoria.

1.6 Estrutura do relatório de pesquisa

Esta pesquisa está estruturada em cinco Capítulos. O primeiro refere-se à introdução ao tema, ao problema e premissas, aos objetivos, à justificativa e, aos procedimentos metodológicos. O segundo trata da fundamentação teórica de assuntos pertinentes ao tema. Por sua vez, no terceiro são abordadas as etapas que possibilitaram a montagem da bancada. O quarto trata dos ensaios necessários para comprovar o funcionamento adequado da bancada. Finalmente, no quinto Capítulo apresentam-se as conclusões e sugestões para futuras pesquisas, seguidas das referências e os apêndices.

2

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 Introdução

Nesse capítulo é abordada a fundamentação teórica correspondente a acionamentos CC, com suas características, seus métodos de controle e suas utilizações. Serão fundamentados os conceitos das máquinas CC, abordando sua capacidade, aplicações e características. E além disso, a utilização do controle de velocidade. Essa fundamentação é para um entendimento do funcionamento do trabalho final proposto.

2.2 A máquina CC 2.2.1 Introdução

A energia elétrica mais utilizada atualmente, na distribuição e no transporte, é a corrente alternada. Porém os motores de corrente contínua possuem grandes aplicações nas indústrias e são capazes de realizar trabalho com preciso controle de velocidade, necessitando o uso de retificadores e controladores para sua utilização de acordo com suas características.

2.2.2 Características básicas das máquinas CC

Quando em uma máquina CC de excitação separada é alimentado o circuito de campo com uma corrente (𝐼_𝑓) e a armadura com uma corrente (𝐼_𝑎), a máquina desenvolve uma força contra eletromotriz (fcem) e um torque, para vencer o torque da carga a uma determinada velocidade. A corrente de campo 𝐼_𝑓 de uma máquina CC de excitação separada é independente da corrente da armadura 𝐼_𝑎 e qualquer variação na corrente de armadura não produz qualquer efeito na corrente de campo. A corrente de campo normalmente é muito menor que a corrente de armadura. (RASHID, 2013, p. 26).

As equações que descrevem as características de uma máquina CC de excitação separada podem ser determinadas acordo a partir das equações abaixo. A corrente instantânea do campo 𝑖_𝑓 é descrita de com a equação número 1:

𝑉𝑓 = 𝑅𝑓𝑖𝑓+ 𝐿𝑓 𝑑𝑖𝑓

A corrente instantânea da armadura pode ser determinada a partir da equação 2:

𝑉𝑎 = 𝑅𝑎𝑖𝑎+ 𝐿𝑎 𝑑𝑖𝑎

𝑑𝑡 + 𝑒𝑔 (2)

A força contra eletromotriz, que também é conhecida como tensão da velocidade, ou simplesmente fcem, e é expressa na equação 3:

𝑒_𝑔 = 𝐾_𝑣𝜔𝑖_𝑓 (3) O torque desenvolvido pela máquina é determinado na equação 4:

𝑇_𝑑 = 𝐾_𝑡𝑖_𝑓𝑖_𝑎 (4) A equação 5 determina o comportamento mecânico do conjunto máquina CC e carga:

𝑇𝑑 = 𝐽 𝑑𝜔

𝑑𝑡 + 𝐵𝜔 + 𝑇𝐿 (5)

Para as equações 1, 2, 3, 4 e 5 as variáveis são:

ω = velocidade da máquina, em rad/s; B = constante de atrito, em Nm/rad/s; 𝐾_𝑣= constante de tensão, em V/A-rad/s; 𝐾𝑡= 𝐾𝑣 = constante de torque;

𝐿_𝑎= indutância do circuito de armadura, em H; 𝐿𝑓= indutância do circuito de campo, em H;

𝑅𝑎= resistência do circuito de armadura, em Ω;

𝑅_𝑓= resistência do circuito de campo, em Ω; 𝑉_𝑎= tensão de armadura, em V;

𝐼𝑎= corrente de armadura, em A;

𝐼_𝑓= corrente de campo, em A.

Em condições de regime permanente, as derivadas no tempo dessas equações são zero e as grandezas médias de regime permanente são expressas na equação 6: 𝑉_𝑓= 𝑅_𝑓𝐼_𝑓

A relação entre a corrente de campo 𝐼_𝑓 e a fcem 𝑒_𝑔 é não linear devido à saturação magnética. A relação é conhecida como curva característica de magnetização da máquina CC. Essa curva pode ser notada na Figura 1, onde é possível notar a relação citada, entre a corrente de campo 𝐼_𝑓 e a fcem 𝑒_𝑔. A velocidade de uma máquina CC de excitação separada pode ser calculada de acordo com a equação 8:

𝜔 =𝑉𝑎−𝑅𝑎𝐼𝑎

𝐾𝑣 =

𝑉𝑎−𝑅_𝑎𝐼𝑎

𝐾𝑣𝑉𝑓/𝑅𝑓 (8)

Figura 1 - Curva característica de magnetização da máquina CC Fonte: Rashid, 2013

Na prática, para uma velocidade menor do que a velocidade nominal, as correntes de armadura e do campo são mantidas constantes para alcançar a demanda do torque e a tensão da armadura 𝑉𝑎 é variada para controlar a velocidade. Para uma

velocidade maior que a nominal, a tensão da armadura é mantida no valor nominal e a corrente de campo é variada (diminuída) para controlar a velocidade. Entretanto a potência desenvolvida pela máquina é mantida constante.

O campo de uma máquina CC pode ser conectado em série com o circuito da armadura, e esse tipo de máquina é chamada de máquina ou motor em série. Na Figura 2 nota-se que o torque é constante até a velocidade nominal da máquina (região chamada de torque constante) e que a partir dessa velocidade (região chamada de potência constante), o torque diminui proporcionalmente ao aumento de velocidade. Nota-se também que a corrente de campo tem um comportamento semelhante ao torque, enquanto a corrente de armadura é sempre constante independentemente da região.

Figura 2 - Relação Torque/Potência x Velocidade e Corrente de Armadura/Campo x Velocidade Fonte: Rashid, 2013

O circuito de campo é projetado para suportar a corrente da armadura. As grandezas médias em regime permanente são determinadas a partir da equação 9:

𝑒𝑔 = 𝐾𝑣𝜔𝐼𝑎

𝑉_𝑎 = (𝑅_𝑎+ 𝑅_𝑓)𝐼_𝑎+ 𝑒_𝑔 = (𝑅_𝑎+ 𝑅_𝑓)𝐼_𝑎+ 𝐾_𝑣𝜔𝐼_𝑓

𝑇_𝑑 = 𝐾_𝑡𝐼_𝑎𝐼_𝑓

= 𝐵𝜔 + 𝑇𝐿 (9) A velocidade da máquina em série pode ser determinada a partir da equação 10:

𝜔 =𝑉𝑎−(𝑅𝑎+𝑅𝑓)𝐼𝑎

𝐾𝑣 𝐼𝑎 (10)

A velocidade pode ser variada controlando-se a tensão da armadura 𝑉_𝑎 ou a corrente da armadura, que é uma medida da demanda do torque. Isso indica que uma

máquina em série pode fornecer um torque elevado, especialmente na partida; por isso, as máquinas em série são comumente utilizadas em aplicações de tração.

Para uma velocidade até a nominal, a tensão da armadura é variada e o torque é mantido constante. Uma vez que a tensão nominal da armadura é aplicada, a relação torque-velocidade segue a curva característica natural da máquina e a potência permanece constante, conforme Figura 3. A partir da velocidade nominal, a corrente de campo e o torque diminuem proporcionalmente ao aumento de velocidade de forma que a potência se mantém constante.

Figura 3 - Relação Torque x Velocidade Fonte: Rashid, 2013

2.3 Acionamentos CC

Máquinas de corrente contínua têm características variáveis e são utilizadas em acionamentos de velocidade variável. As máquinas CC fornecem um torque elevado na partida e também é possível obter controle de velocidade em uma grande faixa.

Os métodos de controle de velocidade são normalmente simples e baratos quando comparados aos acionamentos CA. Com isso, as máquinas CC são em geral utilizadas em acionamentos de velocidade variável.

Devido aos comutadores, as máquinas CC não são indicadas para aplicações de velocidade elevada além de requererem mais manutenção do que as máquinas CA.

Retificadores controlados fornecem uma tensão contínua de saída variável a partir de uma tensão alternada fixa. Na Figura 4, se observa o esquemático do retificador. Devido a sua capacidade de fornecer uma tensão contínua variável, os retificadores controlados e choppers fizeram uma mudança grande nos equipamentos de controle industrial modernos e acionamentos de velocidade variável, com os níveis de potência variando de frações de cavalo-vapor a vários megawatts. Os retificadores controlados geralmente são utilizados para o controle de velocidade de máquinas CC. Uma forma alternativa seria um retificador com diodos seguido por um chopper. Geralmente, os acionamentos CC podem ser classificados em monofásicos, trifásicos e com choppers (BARBI,1986, p. 30).

Figura 4 - Retificadores Fonte: Barbi, 1986

2.4 Controle de velocidade

Vários processos industriais precisam operar com uma velocidade variável de rotação, para solucionar isso podem ser feitas a troca das polias, das caixas mecânicas de redução ou do sistema de fricção. Tais soluções resultam na parada dos processos e baixo rendimento.

Com a evolução da indústria foram desenvolvidas máquinas que necessitam controles precisos de velocidade e dinamicamente estáveis, isto é, grandes variações de carga e velocidade. Para atender essas características cada vez mais exigentes é que foram desenvolvidos os conversores estáticos a semicondutor.

Os conversores CA-CC estáticos consistem basicamente de duas pontes retificadoras controladas, que convertem a corrente alternada fornecida pela rede de energia elétrica em corrente contínua. O valor médio da tensão contínua retificada deve variar de um valor mínimo até um valor máximo conforme a necessidade de um circuito de controle. O campo e a armadura do motor CC são alimentados independentemente pelos circuitos retificadores possibilitando a ação de controle sobre a rotação e torque do motor.

O principal objetivo de um conversor CA/CC como um todo é regular a velocidade de um motor CC, tornando-o insensível a variações de carga. Para garantir esta operação deve-se aplicar um sistema de controle em malha fechada. O sinal de referência de velocidade é feito através de um nível de tensão contínua ou corrente que representará uma determinada velocidade no eixo do motor (ADAPTADO DE BARBI, 1986).

2.4.1 Conversor CA/CC

O fornecimento de energia elétrica é feito, a partir de uma rede de distribuição em corrente alternada, devido à facilidade de adaptação do nível de tensão por meio de transformadores. Em muitas aplicações a carga alimentada exige uma tensão contínua. A conversão CA-CC é realizada por conversores chamados retificadores.

Os retificadores podem ser classificados segundo a sua capacidade de ajustar o valor da tensão de saída; de acordo com o número de fases da tensão alternada de entrada; em função do tipo de conexão dos elementos retificadores. Os retificadores não-controlados são aqueles que utilizam diodos como elementos de retificação, enquanto os controlados utilizam tiristores ou transistores.

Topologias em meia ponte não são comumente aplicadas, pois a corrente de entrada tem um nível médio diferente de zero, e isso pode levar indutores e transformadores à saturação. Já as topologias em ponte completa não afetam o sistema (ADAPTADO DE BARBI, 1986).

2.4.2 Conversores controlados

Os circuitos retificadores controlados constituem a principal aplicação dos tiristores em conversores estáticos. Possuem vasta aplicação industrial,

principalmente no acionamento de motores de corrente contínua. Na Figura 5, pode-se obpode-servar o circuito de potência dos conversores controlados.

Figura 5 - Circuito de potência do Conversor CA/CC com carga resistiva Fonte: Barbi, 1986

As Figuras 6,7,8 e 9 mostram resultados, sem indutâncias de entrada, para um retificador totalmente controlado. A carga é um circuito RL (4 Ω, 16 mH), de modo que a corrente se altera à medida que se muda o ângulo de disparo e, consequentemente, a tensão média aplicada à carga. Para um ângulo de 0 grau, apresentada na Figura 6, a forma de onda é idêntica à do retificador a diodos. Esse ângulo de disparo é medido a partir do cruzamento por zero da tensão de linha. Nas Figuras 7 e 8, pode-se obpode-servar a evolução das formas de onda de acordo com o aumento do ângulo de disparo. A tensão instantânea aplicada no barramento CC pode ser negativa, o que ocorre para um ângulo de disparo superior a 60 graus, conforme Figura 9. Como não há possibilidade de inversão no sentido da corrente, uma tensão negativa leva à diminuição da corrente até sua extinção (em uma carga passiva).

Figura 6 - Ângulo de disparo: 0 graus Fonte: Pomilio, 2013

Figura 7 - Ângulo de disparo: 30 graus Fonte: Pomilio, 2013

Figura 8 - Ângulo de disparo: 60 graus Fonte: Pomilio, 2013

Figura 9 – Ângulo de disparo: 75 graus Fonte: Pomilio, 2013

Um acionamento com conversor trifásico controlado é de dois quadrantes, desde que não haja reversão no circuito de campo, e está limitado a aplicações de 1500 kW. Durante a regeneração para a inversão do sentido de fluxo de potência, a fcem da máquina é invertida através da reversão da excitação do campo. O conversor no circuito de campo deve ser controlado monofásico ou trifásico.

Com um conversor trifásico de onda completa no circuito de armadura a equação 11 dá a tensão de armadura como:

𝑉𝑎 =(3𝑉𝑝 𝑥 𝐶𝑜𝑠 α)

3

DESENVOLVIMENTO

3.1.1 Introdução

Este Capítulo trata das atividades desenvolvidas desde o início do trabalho final, descrevendo como foi realizada a montagem da estrutura mecânica da bancada, dos equipamentos e acoplamentos e, os suportes dos medidores.

3.1.2 Montagem e funcionamento da bancada

A bancada foi montada de forma didática, tendo como base uma estrutura de alumínio fabricada por uma empresa especializada em equipamentos didáticos. Tal estrutura tem em sua base rodas para facilitar a movimentação do conjunto, e para a fixação dos equipamentos, duas placas de ferro perfuradas são posicionadas no interior da estrutura de forma a possibilitar que os equipamentos sejam parafusados, conforme Figura 10 do projeto inicial.

Figura 10 - Esquema da bancada Fonte: ABG Kania, 2012

Na Figura 11 se observa a estrutura de alumínio e as placas de ferro. No centro da bancada, há uma placa de acrílico indicando onde estão ligados os terminais da

placa de controle do conversor e qual a função de cada contato. Na placa de acrílico estão fixados:

 Um botão que liga todo o sistema;

 Um botão que desliga todo o sistema;

 Uma botoeira de emergência para segurança;

 Lâmpada de sinalização; e,

 Bornes.

Na placa perfurada, estão acoplados:

 Um contator para energização;

 Um disjuntor de entrada; e,

 Cinco fusíveis de proteção, sendo três destes fusíveis são de tensão de entrada do conversor e os outros dois fusíveis são de tensão de armadura.

Figura 11 - Montagem 01

Na parte inferior da estrutura de alumínio, foram montados os dois motores já acoplados e que estão fixados em uma base de madeira abaixo da bancada, pois devido ao seu tamanho e peso não é possível acopla-los na bancada, como se observa na Figura 12.

Na Figura 13 se observa o detalhe da estrutura de alumínio da bancada e suas placas perfuradas.

Figura 12 - Montagem 02

Figura 13 - Montagem 03

Ao pressionar o botão que liga a bancada é selado o contator, mantendo o sistema energizado. Pressionando o botão que desliga a bancada, a bobina do contator é desenergizada, desligando a bancada. Caso pressionada a botoeira de emergência a bancada é desenergizada e só poderá ser energizada após a botoeira de emergência voltar a posição de contato normalmente fechado.

O disjuntor, do tipo “quick-lag”, foi instalado para garantir a segurança dos usuários. Ele é desligado quando são realizadas manutenções ou as possíveis alterações de tipo de leiaute, que podem ser feitas na bancada.

3.1.3 Acoplamentos e suportes de medidores

Os equipamentos utilizados foram acoplados na bancada de forma a poder movimenta-la facilmente. O conversor CA-CC foi aparafusado às placas de ferro perfuradas de forma a ficarem fixos e em uma altura perfeita para a visualização e parametrização.

Na placa de acrílico apresentada na Figura 14, a qual contém os bornes do conversor, foi fixada às placas de ferro perfuradas por meio de parafusos, o que a deixou estável o suficiente para que os bornes e chaves sejam manobrados com segurança. O multimedidor recebeu um pequeno suporte, feito de ferro, a fim de fixa-lo próximo a placa acrílica, para facilitar sua ligação e sua visualização.

Figura 14 - Placa de acrílico

3.2 Projeto da parte elétrica 3.2.1 Diagrama elétrico

O diagrama elétrico foi desenvolvido para o melhor entendimento da montagem da bancada e para futuras alterações que possam ocorrer no projeto elétrico. Para seu desenvolvimento foi usado o software Autocad 2010 da empresa Autodesk. De acordo com a montagem descrita, foram elaborados os diagramas elétricos onde é mostrada a montagem elétrica, as entradas e saídas digitais e analógicas do conversor. No Apêndice A se apresenta o diagrama elétrico.

3.2.2 Diagramas do conversor

O conversor possui esquemas que auxiliam o modo como este deve ser manobrado, os quadrantes em que o equipamento pode atuar, identificação das entradas e saídas digitais e analógicas, seus respectivos números, além do esquema de ligação onde é mostrado como devem ser feitas as ligações de alimentação e de controle do conversor. Na Figura 15 é apresentado o diagrama de conexão dos bornes de controle do conversor CTW-04.

Figura 15 - Descrição do conector de sinais e controle do CTW-04 Fonte: WEG, 2006

Na Figura 16 é apresentado o bloco do diagrama funcional simplificado do conversor CTW-04.

Figura 16 - Bloco diagrama do conjunto CTW - 04 Fonte: WEG, 2006

Na Figura 17, observa-se o diagrama de força e comando do acionamento trifásico no primeiro quadrante do conversor CTW-04. Cabe salientar que tal diagrama é o sugerido no manual pelo fabricante e, foi o escolhido para o trabalho devido ao uso dos demais equipamentos envolvidos.

Figura 17 - Acionamento trifásico - 1 quadrante Fonte: WEG, 2006

Na Figura 18 apresenta-se o esquema de ligações do acionamento do conversor com o potenciômetro eletrônico. Este acionamento foi utilizado no trabalho.

Figura 18 - Acionamento do conversor com o potenciômetro eletrônico Fonte: WEG, 2006

3.3 Montagem do sistema de medição 3.3.1 Montagem do tacômetro

O tacogerador está mecanicamente acoplado ao eixo do motor, se situado na parte traseira do motor. Eletricamente está conectado aos bornes XC1:20 e XC1:12 e a cada acréscimo de 1 rpm de velocidade o tacogerador incrementa 0,06 VCC, podendo assim ser obtido, através dessa relação, a rotação real do motor. Na Figura 19 é mostrado o tacogerador que foi utilizado.

Figura 19 - Acoplamento do Tacômetro

3.3.2 Montagem do Multimedidor

O multimedidor foi ligado na entrada de alimentação do conversor CTW-04. Para a medição de corrente foi utilizada medição indireta, sendo que os cabos de cada fase foram passados dentro de transformadores de corrente (duas voltas de cada) e, para a medição de tensão foram conectados paralelamente ao conversor (medição direta). Na Figura 20 observa-se o equipamento.

3.3.3 Montagem do dinamômetro

Para o uso correto do dinamômetro, uma estrutura de alumínio foi preparada e fixada de modo a deixa-lo no posicionamento ideal para a medição. Tendo em vista que o equipamento utilizado só possuir um sentido correto para a medição, o equipamento precisou ser posicionado de maneira invertida. Conforme pode ser observado na Figura 21.

Figura 21 - Acoplamento do Dinamômetro

A conexão com o programa de supervisão foi feita com um cabo serial padrão protocolo RS-232 com conexão direta com computador, sendo que a conexão no dinamômetro foi feita com um conector P10. Para que a medição realizada com o dinamômetro seja o mais precisa possível, o motor 01 foi montado e acoplado em uma estrutura de ferro que possibilita seu estator girar livremente. Dessa forma, quando ligado, a carcaça do motor tenta girar, mas o dinamômetro a impede, e assim mede o torque do conjunto.

3.3.4 Conexão com o Superdrive

A conexão com o Superdrive foi realizada através de um cabo serial padrão protocolo RS-232, diretamente entre o computador e o conversor CTW-04, conforme Figura 22.

3.4 Seleção de equipamentos 3.4.1 Introdução

Nesta seção descreve-se como foi feita a escolha e seleção dos equipamentos utilizados na bancada. Porém, cabe salientar que muitos dos equipamentos utilizados já estavam disponíveis na Universidade.

3.4.2 Conversor CA-CC

O conversor utilizado neste trabalho, é da marca WEG, série CTW – 04, tendo como software a versão 1.1X.

O conversor destina-se ao acionamento de motores de corrente contínua com excitação independente, para variação e controle da velocidade em 1º quadrante ou 4º quadrante da curva de Torque x Velocidade.

O Conversor utilizado neste trabalho, tem como principais características técnicas:

 Opera em qualquer sequência de fase da alimentação (RST - RTS);

 Opera em rede trifásica de frequência 50/60 Hz;

 HMI (Interface Homem-Máquina);

 Controle de velocidade ou torque;

 Indicação das quatro últimas falhas;

 Entradas digitais isoladas (corrente bidirecional);

 Saídas digitais isoladas;

 Entradas analógicas diferenciais de (0 a 10)V ou/e (4 a 20) mA - 10 e 12 bits;

 Saídas analógicas – 8 e 12 bits;

 Saídas digitais à Relé;

 Controle da corrente de campo – Ic;

 Realimentação de velocidade por: FCEM, tacogerador CC ou encoder incremental;

 Entradas de realimentação por taco CC para tensões de taco de 9 à 350Vcc;

 Fonte de 24Vcc isolada disponível para o usuário (DI’s e DO’s);

 Fonte de (0 a 10)V disponível para o usuário (AI’s);

 Enfraquecimento de campo – +EC;

 Redes de comunicação Fieldbus (Profibus-DP e DeviceNet);

 Comunicação serial RS-232.

Na Figura 23 se a parte externa do conversor e na Figura 24 observa-se a parte interna.

Figura 23 - Conversor CA-CC

Figura 24 - Estrutura interna do Conversor CA-CC

Na Figura 25, é apresentado as especificações técnicas do conversor.

3.4.3 Motores CC

Para este trabalho foram escolhidos e utilizados dois motores CC de diferentes especificações e com diferentes funções. Um deles atua como um motor, do qual foram extraídos os resultados dos testes. O outro atua como carga (freio), e por ser mais robusto, apenas teve a sua corrente de campo alterada para os ensaios realizados. Ambos os motores são da marca WEG e nas Figuras 26 e 27 são mostrados os motores 01 e 02.

Figura 26 - Motor 01 Figura 27 - Motor 02

3.4.4 Dinamômetro

Os radicais gregos dinamo e metro significam, respectivamente, força e medida. Dessa forma, pode-se deduzir que dinamômetro é um aparelho utilizado para medir a intensidade de forças (IMPAC, 2014).

Internamente, a maioria dos dinamômetros são dotados de uma mola que se distende à medida que se aplica a ele uma força. Esse equipamento ainda mensura o comportamento da carga alargada ou tensão por deformação, de uma mola, deslocamento do ar, ou extensão de ligas metálicas, que compreenderá em determinar o coeficiente de fricção entre os materiais.

Os dinamómetros são muito úteis no desenvolvimento e preparação de motores, bem como, para apurar as perdas por atrito na transmissão de potência até às rodas. O dinamômetro optado no trabalho é o da marca IMPAC, modelo FG – 6020SD, com capacidade para 20 kgf. Conforme o observado anteriormente na Figura 19.

3.4.4.1 Especificações do dinamômetro

No Quadro 1 abaixo apresentam-se as especificações mais relevantes do dinamômetro.

Display LCD, 5 dígitos, 16mm, luz de fundo

Direção do display Positiva ou reversa, selecionável pelo botão no painel frontal.

Funções Tensão e compressão

Seleção de unidade Kg, lb e Newton

Capacidade de medição 20,00 Kg/ 44.10 lb/ 196,12 Newton

Quadro 1 - Especificações do dinamômetro Fonte: IMPAC, 2014

3.4.5 Tacômetro

É um sensor de velocidade também conhecido como dínamo taqueométrico. É um aparelho que mede a velocidade de rotação (rpm) de um eixo ou um disco, seja de um motor ou de uma máquina com um sinal analógico calibrado.

É baseado no princípio do motor de corrente continua com escovas que funcionam como gerador. O campo magnético é obtido por meio de um ima permanente cujos polos encontram-se dispostos nas faces.

Utilizado em aplicações Industriais como: bomba centrifuga, transportadores, medidores de fluxo de líquido, maquinas operatrizes robótica, maquinas automáticas de soldagem entre outros. O tacogerador é muito recomendado para servo-controle de máquinas e regulagem de ajustes finos que dependem da variação de velocidade. O tacômetro utilizado neste trabalho é o da marca WEG, apresentado na Figura 28.

Corrente Máx. 0,25 A

Vrpm 0,06 VCC

Rotações por Minuto Máx. 8000 rpm

Quadro 2 - Especificações do tacômetro Fonte: WEG , 2005

3.4.6 Multimedidor

O multimedidor é um indicador microprocessado que permite a leitura de grandezas elétricas CA programadas, substituindo os mostradores analógicos e digitais individuais de tensão, corrente, potência entre outros. Ele monitora e disponibiliza em rede de comunicação Modbus RTU os valores medidos e calculados. Realiza as mesmas funções agregando uma memória interna de 256kb que permite visualização de eventos e grandezas elétricas medidas e calculadas passadas, mediante programação das mesmas (EMBRASUL, 2003).

O aparelho utilizado neste trabalho é um multimedidor de grandezas elétricas, da marca Embrasul, modelo MD4040, que se apresenta na Figura 29 e, tem as seguintes funcionalidades:

 Análise de metas e rateio de custos de energia;

 Leituras instantâneas em amplo display digital;

 Indicação de tensão de fase e tensão de linha;

 Comunicação via porta RS485 (Modbus RTU) ou Ethernet (TCP/IP);

 Integração com Power4000, PowerWeb e SMS4000.

3.4.7 Superdrive

É uma ferramenta gráfica em ambiente Windows para parametrização, comando e monitoração de drives. Permite editar, diretamente no drive, parâmetros online, ou editar arquivos de parâmetros off-line armazenados no microcomputador. É possível armazenar arquivos de parâmetros de todos os drives existentes na instalação.

O software incorpora funções para permitir upload do conjunto de parâmetros do microcomputador para o drive, como também download do drive para o microcomputador. A comunicação entre o drive e o microcomputador realiza via interface serial RS232 (ponto a ponto) ou RS485 a interligação em rede (WEG, 2014). Na Figura 30 é mostrada a tela do software onde são exibidos o gráfico e as variáveis monitoradas.

Figura 30 - Tela do Superdrive

3.4.7.1 Parametrização do Superdrive

Para a parametrização do Superdrive de acordo com o modelo de Conversor utilizado na bancada (CTW-04), se fazem necessários alguns ajustes que serão apresentados na seção 4.3.

Cabe salientar que Drive e Superdrive devem utilizar os mesmos ajustes. A DI bloqueio geral (27) deve estar em 24V (Habilita Geral) para que a comunicação possa ser realizada.

4

ENSAIOS

Neste Capítulo trata-se dos ensaios realizados no sistema de acionamento CC, descrevendo-se como foram definidas as cargas e, quais os procedimentos utilizados para a realização dos ensaios. Demonstrado assim, os resultados obtidos e, ilustrados por meio de gráficos. Foram realizados três ensaios, que serão detalhados posteriormente.

4.2 Determinação de constantes

4.2.1 Determinação da resistência de armadura (Ra)

A medição foi feita com a utilização de uma ponte RLC conectada aos terminais da armadura do motor de corrente contínua. O valor encontrado foi de 9 Ω.

4.2.2 Determinação da indutância de armadura (La)

Nesse caso, é usado um medidor de indutância, conectado aos terminais da armadura do motor utilizado. Esse método tem a vantagem de determinar rapidamente o valor da indutância, sem a necessidade de nenhum outro equipamento, como osciloscópio e fonte. O valor encontrado foi de 3,7 mH.

4.2.3 Determinação da constante (Ke)

Medindo a tensão de entrada e sabendo o valor da resistência, da corrente medida com um amperímetro e da velocidade, mensurada com um tacômetro, obtém-se a constante Ke. O valor encontrado foi de 0,84.

𝐾𝑒 = 𝑉(𝑡)−𝑅𝐼(𝑡)

𝜔(𝑡) (11)

4.2.4 Determinação da constante (Kt)

Numericamente, Kt possui o mesmo valor de Ke. Assim, se Ke já foi determinada, sabe-se também o valor de Kt.

4.3 Parametrização do conversor

Para realizar a parametrização do Conversor CA-CC são necessárias ligações corretas nas conexões do conector de sinais. Desde a montagem da bancada, foi confeccionado um sinótico onde todas as conexões estão expostas com seus devidos bornes, o que dessa forma facilita a ligação e a torna didaticamente fácil de se usar. Além disso, os parâmetros internos do conversor apresentados no Quadro 3 abaixo, foram alterados manualmente.

Para a parametrização do conversor foram observadas as seguintes premissas: a seleção de referência de velocidade é realizada através do potenciômetro eletrônico (P24=5) e, o parâmetro “tipo de conversor” (P5=0) que deve ser unidirecional.

Quadro 3- Parâmetros utilizados

P04 Modo de Operação 0 - indefinido 0 1

1 - definido 1 - Inativo

P24 Seleção da Referência de 000 - 0 ... +/-10V [10bits] 0 5 001 - 4 ... 20mA [10bits]

002 - 0 ... +/-10V [12bits] 003 - 4 ... 20mA [12bits]

004 - P56 e P57 005 - PE - potenciômetro eletrônico P65 Função da DI (XC1:37) 000 - seleção dos ganhos do regulador

de 0 1

velocidade: P39, P40 ou P48, P49 001 - comandos via serial(WBUS) ou DI

002 - funções especiais 003 - comandos via FieldBus ou DI

P83 Serial WBUS 0 - Inativa 0 1

1 - Ativa em 9600 bps

P30 Função da Saída AO - D/A(8) 000 - ( n2* ) 8 4 001 - ( n2* + AI1 + AI2 + JOG+ + JOG- ) =

n3* 002 - ( n3* - n )

003 - ( I* ) 004 - ( Alfa - Ângulo de Disparo )

005 - ( UA ) 006 - Interrupções 007 - ( Alfa* - Saída do Reg. de

Corrente) 008 - ( FCEM )

009 - limitação da corrente em função de n

P32 Rampa de Aceleração 0.0 ... 18.0s [ P14 = 1 ] 1 15,0 s 0 ... 180s [ P14 = 0 ]

P33 Rampa de Desaceleração 0.0 ... 18.0s [ P14 = 1 ] 1 15,0 s 0 ... 180s [ P14 = 0 ]

P54 Limitação de Corrente [+I] (Ver

P28) 2.0 ... 125.0% [ Incremento = 1.0% ] 25 500,0 % P55 Limitação de Corrente [-I] (Ver

P28) 2.0 ... 125.0% [ Incremento= 1.0% ] 25 250,0 %

P60 Corrente Nominal 0.1 ... 30.0A 2,5 0,4 A

P61 Corrente Mínima 0.1 ... 30.0A 0,6 0,5 A

P100 Corrente de Economia de

Campo 0.1 ... 30.0A 0,6 0,3 A

P00 Gravação dos

Parâmetros[EEPROM] 005 - grava programação 0 5 010 - grava padrão de fábrica

Unidade Parâmetro Função Range de Ajuste Padrão de

Fabrica

Alterado pelo Grupo

4.4 Ensaios realizados

4.4.1 Definição de cargas

As definições das cargas utilizadas para os testes se basearam nas alterações da corrente de campo no gerador CC, ou motor 02 (carga), foi alterada a tensão de campo. Esta tensão foi modificada com um variador de tensão acoplado a uma ponte retificadora. A saída do retificador é ligada aos bornes F1 e F2 do motor, com um multímetro foi medida a tensão, conforme a Figura 31.

Figura 31- Esquema de medição de tensão de campo da carga com multímetro

Quando se modifica o campo é modificado também o torque do conjunto. Os valores encontrados e fixados para os testes são expostos no Quadro 4.

Considerando a carga máxima que o motor suportaria em sua condição limite, foram estipuladas cinco cargas, de modo a demonstrar gradativamente o comportamento do motor e do conjunto. As cargas escolhidas foram definidas de modo a serem constantes para facilitar as medições e a análise dos resultados obtidos. No Quadro 4 são apresentadas as tensões de campo da carga, não foi feita a medição com a tensão nominal da carga que seria de 190V para não ocorrer sobre corrente e consequentemente resultar danos ao motor.

CARGAS TENSÃO DE CAMPO DA CARGA (V) CARGA 1 10 V CARGA 2 15 V CARGA 3 20 V CARGA 4 25 V CARGA 5 35 V

Quadro 4 - Cargas dos ensaios

TENSÃO DE CAMPO DA CARGA (V) TORQUE DA CARGA (Nm)

10 1,1

15 1,4

20 1,7

25 1,9

35 2,3

Quadro 5 - Relação dos valores de tensão de campo e os valores de torque da carga equivalentes

4.4.2 Procedimentos

O procedimento adotado para a realização dos testes, foi utilizar o conjunto da bancada, conforme Figura 32. Utilizou-se cinco cargas, com cinco variações de velocidade em cada, dessa forma, foram realizadas as medições das variáveis que serão apresentadas no Capítulo 5.

A velocidade apresentou alterações de acordo com o ângulo de disparo, assim, quanto menor o valor do ângulo, maior a velocidade do motor. Fato esse comprovado através de cálculos apresentados neste trabalho.

Para a coleta de dados, os instrumentos de medição foram utilizados da seguinte forma: multímetros medindo a corrente de armadura, tensão de campo, ângulo de disparo e valor de tensão do tacogerador; e, um Dinamômetro fixado em uma estrutura confeccionada pela equipe para monitorar o torque alcançado pelo conjunto. Abaixo na Figura 33, apresenta-se o esquema elétrico da montagem para os testes.

Figura 33 - Esquema elétrico de montagem

4.4.3 Objetivo

O objetivo dos testes foi o de estudar o comportamento do motor CC quando acionado por um conversor CA/CC utilizando o motor 02 como simulador de carga, levantando suas curvas características e, demonstrando assim, o funcionamento dos sistemas montados na bancada.

4.5 Valores obtidos

No quadro a seguir estão presentes os valores medidos durante os ensaios, sendo os valores de tensão, corrente, potência ativa, reativa e aparente que foram medidos com o multimedidor, valores de força medidos com o dinamômetro, valores

de velocidade medidos com o tacogerador e valores de corrente de armadura e campo medidos com multímetros e com o auxílio do próprio conversor.

Os valores contidos no Quadro 7 foram medidos por meio do Multimedidor Embrasul MD4040, do Dinamômetro e de Multímetros.

Para os testes foram usadas as seguintes variáveis:

- Velocidade: velocidade do conjunto motor gerador, medida com o tacogerador; - Tensão e corrente: medidas na alimentação do conversor;

- Potências aparente, ativa e reativa: potência aparente medida na entrada do conversor;

- Corrente de armadura: corrente medida na armadura do motor CC; - Tensão de campo: tensão medida nos bornes de campo do gerador CC; - Força: medida com o dinamômetro;

- Ângulo de disparo: medido por meio dos bornes do conversor.

Os valores de velocidade do motor 02, utilizado como carga, estão com valores iguais a zero, pois de acordo com estudos realizados previamente (vide Apêndice B), o valor de torque da carga foi constatado superior ao valor do torque do motor, por este motivo, foi definido que o motor utilizado como carga não necessitaria estar em movimento. Dessa forma, foi variada a tensão de campo da carga, variando apenas a sua magnetização.

Durante os ensaios, o Superdrive e o software do Dinamômetro estavam monitorando os valores medidos. O Dinamômetro foi utilizado para medir o valor resultante da força (torque = força x 12 cm) e os multímetros foram utilizados para medir os valores de corrente de armadura (nos terminais A1 e B2 do motor 01), ângulo de disparo (nos bornes 10 e 12 da placa de acrílico), velocidade do tacogerador (nos terminais do equipamento) e a tensão do campo da carga (nos terminais F1 e F2 do motor 02).

Na Figura 34, podem ser observadas as curvas de corrente de campo, velocidade do motor, corrente de armadura e, tensão de armadura quando o conjunto se encontra parado. Na tela à esquerda da mesma figura observa-se que o valor do torque é de 0 N. Ver faixa amarela do Quadro 6.

Figura 34- Monitoramento 01

Na Figura 35, por se tratar da mudança de velocidade ocorrer abaixo do seu valor nominal, as correntes de campo e armadura continuam constantes enquanto a tensão de armadura foi alterada. Na tela à esquerda da figura é mostrada que o valor do torque é de 0,24 N. Ver faixa verde do Quadro 6.

Na Figura 36, é mostrado o instante em que está ocorrendo a mudança de velocidade, consequentemente é alterada também a tensão de campo. Na tela à esquerda apresenta-se o valor do torque de 3,66 N. Ver faixa azul do Quadro 6.

Figura 36 - Monitoramento 03

Na Figura 37, observa-se que as correntes de campo e armadura continuam constantes, enquanto a tensão de armadura foi alterada pelo fato de ter ocorrido mudança na velocidade. Na tela à esquerda da figura é mostrada que o torque é de 13,22 N. Ver faixa rosa do Quadro 6.

Na Figura 38, as correntes de campo e armadura continuam constantes, a tensão de armadura foi alterada e fica constante assim como a velocidade do motor. Na tela à esquerda da figura é mostrada que o valor do torque é de 13,62 N. Ver faixa vermelha do Quadro 6.

Figura 38 - Monitoramento 05

4.6 Gráficos de análise dos ensaios

Foram realizados cinco ensaios, nos quais foram feitos os levantamentos de velocidade utilizando-se um tacômetro. Para medir a tensão e a corrente utilizou-se multímetros. Por sua vez, para medir, as potências aparente, ativa e a reativa foi utilizado o multimedidor. Já, o torque foi medido por meio de um dinamômetro. Finalmente, para medir a corrente de armadura, o ângulo de disparo e, a tensão de campo em função da variação das cargas, utilizou-se multímetros.

Após a realização dos ensaios, com a obtenção dos valores medidos, foi possível a elaboração dos gráficos e, a análise do funcionamento da bancada, com base nos conhecimentos teóricos e, os cálculos comprobatórios apresentados no Apêndice B.

Na Figura 39, apresenta-se o gráfico da corrente de armadura do motor pela velocidade, tais grandezas são demonstradas em amperes (A) e rotações por minuto (rpm). Para o motor desenvolver a velocidade desejada dependendo de sua carga é necessário um aumento gradativo e proporcional da corrente. O gráfico permite observar que, para manter a mesma velocidade, porém com uma carga maior, a corrente irá aumentar para produzir a velocidade requerida. Durante os ensaios foram monitorados os valores da corrente para que não fosse ultrapassado o seu valor nominal.

Figura 39 - Gráfico da Corrente de armadura x Velocidade 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 360 720 1080 1440 1800

Corrente de Armadura M1 - Ia (A) x

Velocidade (rpm)

Na Figura 40, mostra-se o gráfico do torque do conjunto pela velocidade do motor, tais grandezas são demonstradas em Nm e rotações por minuto (rpm). Para o motor desenvolver a velocidade desejada dependendo de sua carga é necessário um aumento gradativo da força aplicada no conjunto. O gráfico mostra que, para manter a mesma velocidade, porém com uma carga maior, a força medida através do dinamômetro aumenta, pois, a resistência encontrada pelo motor é maior de acordo com a energização do campo da carga. Os levantamentos dos gráficos foram realizados considerando a mesma velocidade em cada regime de carga. Os valores de força medidos pelo dinamômetro estavam sendo monitorados permanentemente durante os ensaios para que não superassem os limites do equipamento.

Figura 40 - Gráfico do Torque x Velocidade 0 0,5 1 1,5 2 2,5 360 720 1080 1440 1800

Torque (Nm) x Velocidade (rpm)

Na Figura 41, encontra-se o gráfico do ângulo de disparo pela velocidade do motor, tais grandezas são demonstradas em graus (°) e rotações por minuto (rpm). De acordo com o gráfico é possível verificar que quanto maior a velocidade menor o ângulo de disparo (pois o cálculo do ângulo é através do cosseno do valor, dessa forma, quanto mais próximo do valor 0 (zero), maior será a velocidade).

Figura 41 - Gráfico do Ângulo de disparo x Velocidade 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00 80,00 85,00 90,00 360 720 1080 1440 1800

Angulo de Disparo (º) x Velocidade (rpm)

Carga 1 Carga 2 Carga 3 Carga 4 Carga 5 Carga 6

Na Figura 42, o gráfico da tensão de armadura pela velocidade do motor, onde tais grandezas são demonstradas em porcentagem da tensão (%), coletada através do visor do próprio conversor e rotações por minuto (rpm). Para o motor desenvolver a velocidade requerida dependendo de sua carga é necessário um aumento gradativo da sua tensão de armadura, assim como o demonstrado com a sua corrente de armadura. Os valores da tensão de armadura também foram monitorados de forma a não exceder o seu limite nominal.

Figura 42 - Gráfico do Ângulo de disparo x Velocidade 20,00% 30,00% 40,00% 50,00% 60,00% 70,00% 80,00% 90,00% 100,00% 360 720 1080 1440 1800

Tensão de Armadura M1 (%) x Velocidade

(rpm)

Na Figura 43, encontra-se o gráfico em dispersão do ângulo de disparo pelo torque do conjunto. O gráfico possibilita verificar que quanto menor a força obtida no conjunto maior é o ângulo de disparo pois a força do conjunto é diretamente proporcional a velocidade do motor, já a velocidade do motor é inversamente proporcional ao ângulo de disparo.

Figura 43 - Gráfico do Ângulo de disparo x Força 0 0,5 1 1,5 2 2,5 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00 80,00 85,00 90,00 Tor q u e (Nm ) Ângulo de Disparo (º)

Gráfico em dispersão: Ângulo de disparo (º)

x Torque (Nm)

5

CONCLUSÕES E SUGESTÕES

Os Conversores CC são equipamentos altamente robustos, de alta precisão e confiáveis, motivos que foram levados em conta no momento da escolha dos equipamentos a utilizados.

É possível variar a velocidade da máquina através do: controle de tensão da armadura 𝑉_𝑎, conhecido como controle por tensão; de corrente do campo 𝐼_𝑓, conhecido como controle do campo; ou, de demanda da força, que corresponde a uma corrente de armadura 𝐼𝑎, para uma corrente fixa de campo 𝐼𝑓. Como não se ultrapassou a

velocidade nominal do motor, para a variação de velocidade neste trabalho, foi usada a variação de tensão de armadura 𝑉_𝑎, porém, a potência desenvolvida pela máquina permaneceu constante.

Devido ao fato do motor que simula a carga ser mais robusto que o motor utilizado com sua “função primária”, decidiu-se apenas magnetizar a carga, não precisando partir o motor em trabalho, variando dessa forma a tensão de campo. Foi alterado a tensão de campo da carga por meio do outro conversor CA/CC, realizando-se cinco mudanças de magnetização, que são as cargas necessárias aos ensaios, dentro dos limites de segurança dos equipamentos usados.

Os resultados obtidos foram compatíveis com os cálculos apresentados no Apêndice B, bem como, estão de acordo com os conteúdos ministrados nas diversas disciplinas realizadas durante o curso. Salvo pequenas variações observadas, causadas pelos equipamentos de medição, os valores comprovam o funcionamento dos equipamentos e a execução dos ensaios.

A montagem da bancada didática, a inserção de instrumentos de medição de torque e, de variáveis elétricas, será de grande valia para a Universidade. Podem a partir deste trabalho outros discentes aprofundar seus estudos na área de conversores CA/CC, a partir do que foi elaborado até o presente. Tendo em vista que a aquisição de dados, futuramente, poderá ser realizada via a bancada já montada e pronta para o uso, comunicando com os softwares dos fabricantes para o conversor e, para o dinamômetro.

Destaque-se, o mais importante é a possibilidade encontrada de simular na prática, por meio da bancada construída, os efeitos da variação de grandezas elétricas

envolvidas no funcionamento dos equipamentos constantes na mesma, além do conhecimento teórico necessário aos discentes que vierem a cursar as disciplinas, as quais utilizarão essa bancada.

5.2 Sugestões para TCC futuros

Como sugestões para dar continuidade a este trabalho, seguem algumas ideias abaixo:

- Instalação de um sistema para aquisição de dados para o motor de forma direta a um computador (Fieldlogger);

- Aquisição de um módulo Profibus para poder ocorrer a comunicação do conversor com um computador e, ser possível a criação de um supervisório com o software Elipse Scada;

- Substituição do motor que simula a carga, por um modelo de menor potência, a fim de poder simular um maior número de cargas;

- Substituição do Tacogerador por um modelo que não possua defeitos; - Aquisição de uma ponta de provas para medidas de 300 V para ser possível a medição do ângulo de disparo, por meio do osciloscópio.

Se os tópicos acima forem implementados, é possível a elaboração de mais um trabalho de conclusão de curso com base na bancada didática construída.

REFERÊNCIAS

BARBI, Ivo. Eletrônica de potência. Florianópolis, Editora da UFSC, 1986.

EMBRASUL. Multimedidor de grandezas elétricas. Porto Alegre: EMBRASUL, modelo MD4040, 2003.

IMPAC. Manual do dinamômetro modelo, FG – 6020SD, 2014.

RASHID, Muhammed H. Power eletronics: Circuits, devices & application. 4. ed. Nova York: Pearson Prentice, 2013.

POMILIO, José. A. Eletrônica de Potência, 3. ed. DSCE – FEEC, Campinas: Unicamp, 2013.

WEG. Manual do conversor CA/CC, série CTW-04, Blumenau: WEG, 2006.

WEG. Manual do tacômetro modelo Dínamo taquímetro, Jaraguá do Sul: WEG, 2005.

APÊNDICE B – Cálculos comprobatórios

Durante a realização do trabalho, por medida de segurança e no sentido de nortear os testes a serem feitos, neste Apêndice apresentam-se os cálculos comprobatórios que serviram para embasar, fundamentar e, comprovar as medições realizadas.

Para encontrar o valor de K, foram realizadas algumas medições dos valores da tensão de armadura e da velocidade com o auxílio do MS Excel, foi possível encontrar o coeficiente de inclinação da reta (valor da tangente da reta) resultante do seguinte gráfico.

Figura 44 - Determinação do valor de K

Ângulos de Disparo do Motor a Vazio:

1º Ângulo de disparo:

Va = 37,4 V  Valor medido através do parâmetro 90 do conversor CA/CC 3Vp = 3 𝑥 220 𝑥 √3 𝑉𝑎 =(3𝑉𝑝 𝑥 𝐶𝑜𝑠 α) 𝜋 37,4 = (3 𝑥 √3 𝑥 220 𝑥 cosα)/ 𝜋 37,4 = 363,8 𝑥 cosα cos α = 0,10 α = 84,2°