2. ELETRICIDADE E AUTOMAO

2.1 Problemas Energticos Atuais

Atualmente, o desenvolvimento de qualquer nao est associado produo de energia

eltrica. As naes andam preocupadas com o elevado consumo de energia eltrica. A

construo de usinas hidreltricas, principal fonte de energia eltrica em diversos pases, como o

Brasil, requer altos investimentos. As obras de uma usina, alm de caras, produzem alteraes

irreversveis no meio ambiente, tais como mudana no curso de rios, inundao de florestas,

mudanas climticas e desapropriaes. Por isso, economizar energia um dever de todo

cidado. E ns podemos fazer isso em casa e na fbrica.

2.2 Motores Eltricos

Em geral, as mquinas no produzem energia. Elas apenas convertem a energia que

recebem em outra forma de energia. As mquinas eltricas convertem energia eltrica em

energia mecnica para poderem trabalhar. Pode reparar: o liquidificador tem l um motorzinho

que gira quando ligado na tomada, o rob tem motores eltricos que so acionados para

movimentar mecanismos que erguem, giram, agarram e soltam. E outras mquinas tambm

possuem motores eltricos que so os responsveis pela converso da energia eltrica em

energia mecnica.

2.2.1 Principio de Funcionamento

O funcionamento dos motores se baseia num princpio fsico relativo ao campo magntico

gerado ao redor de um condutor quando percorrido por uma corrente eltrica. Campos

magnticos de mesma polaridade se repelem e campos magnticos de polaridade diferente se

atraem.

A finalidade de um motor eltrico gerar movimento. Assim, sua construo deve prever

peas mveis que se movimentem de acordo com o campo magntico gerado pela corrente

eltrica que percorre os condutores do motor.

Os elementos bsicos de um motor so:

Estator - pelo nome, podemos deduzir que se trata de uma parte fixa. Nesta parte do motor

normalmente existem campos magnticos fixos, criados por ms permanentes ou eletrom.

Rotor - uma parte mvel do motor, ligada ao eixo de transmisso de movimento. Nesta parte do

motor normalmente existem bobinas, percorridas por correntes eltricas que geram campos

magnticos. Em funo da polaridade, os campos magnticos submetem o rotor a foras de

atrao e repulso, produzindo o movimento giratrio do rotor.

Coletor ou comutador - esta parte do motor liga as bobinas rede eltrica, de modo que o rotor

se movimenta sem curtos-circuitos nos fios ligados rede eltrica.

Bobinas - so enrolamentos de condutores percorridos por corrente eltrica. Devido ao fluxo de

eltrons, os enrolamentos ficam submetidos a um campo magntico que interage com o campo

magntico do estator, gerando o movimento desejado.

Escovas so contatos do comutador.

Em resumo, o magnetismo de ms em movimento gera corrente eltrica em circuitos

fechados ou bobinas de condutores. Tambm ocorre o efeito contrrio: corrente eltrica num

condutor gera magnetismo ao seu redor, formando um campo magntico.

Concluindo, os motores so construdos para que se possa aproveitar os efeitos

magnticos da corrente eltrica.

2.2.2 Motores de corrente contnua

Como voc pode ver na figura a seguir, o motor de corrente contnua constitudo de uma

parte fixa e outra mvel.

A parte fixa, que chamamos de estator, possui peas fixas (sapatas polares) em torno das

quais se enrolam fios de cobre, formando bobinas. Com a passagem da corrente contnua, criam-

se plos magnticos ao redor das peas polares, que substituem os ms apresentados na

segunda figura do tpico Princpio de funcionamento. Duas escovas de grafita tambm ficam

presas ao estator e recebem os plos da tenso eltrica contnua que alimenta o motor.

A parte mvel, chamada rotor, pode girar em torno do estator, pois as bobinas do estator

so percorridas por uma corrente eltrica que chega at elas pelo comutador.

O fio movimenta-se ao ser atravessado pela corrente e faz girar o rotor. Isso acontece

devido ao magnetismo dos campos permanentes do estator, que exercem uma fora magntica

sobre os eltrons em movimento no interior do condutor, tentando modificar suas trajetrias; o

sentido da fora depende do sentido da corrente.

Ao girar, o fio perde o contato com as escovas ligadas ao comutador. Entretanto, este

movimento logo coloca um novo par de terminais de fio em contato com as escovas, e o rotor

continua em movimento.

O comutador funciona como uma combinao automtica de chaves que mantm a corrente

sempre no mesmo sentido no condutor. Para inverter o sentido de rotao do motor basta inverter

a polaridade da tenso eltrica aplicada s escovas.

Motores de corrente contnua podem movimentar cargas pesadas, desde que possuam uma

construo resistente. So empregados em guindastes, elevadores, locomotivas, prensas,

estamparias e mquinas-ferramenta.

2.2.3 Motores universais de corrente alternada

Os motores de corrente alternada podem ser ligados diretamente rede eltrica. Graas

maneira como so construdos, aproveitam o efeito da corrente alternada para funcionar.

A figura a seguir mostra estator e rotor de um motor de corrente alternada. Ele muito

parecido com o motor de corrente contnua, pois pode funcionar tambm com este tipo de

corrente. Por isso recebe o nome de motor universal, pois funciona com corrente alternada ou

contnua.

Em um motor de baixa potncia (at 500 watts), muito utilizado em mquinas como

liquidificadores, enceradeiras, aspiradores de p, serras e lixadeiras.

Quando o motor universal recebe corrente alternada, h uma mudana no sentido da

corrente nas bobinas do estator e nos fios, mas essa variao no altera o sentido de giro do

motor. S possvel inverter o sentido do movimento de rotao trocando as ligaes das

escovas pelas bobinas do estator. Assim, o campo magntico fixo muda de polaridade.

2.2.4 Motores de induo de anel

Existem tambm os motores de corrente alternada sem escovas. So chamados motores de

induo. Nestes motores, o magnetismo do estator, ao variar com a corrente alternada que o

atravessa, induz correntes no rotor. Essas correntes induzidas no rotor formam ao seu redor um

magnetismo que se ope ao magnetismo do estator. Assim, o motor tende a ficar parado!

Se o rotor estiver em movimento, por inrcia ele continuar girando, pois, como os campos

se anulam, o resultado das foras zero. Desta forma, o motor de induo, para funcionar,

necessita de um empurrozinho para sair da inrcia, do estado parado. Como estamos falando

de automao, claro que esta mozinha no ser dada por um homem, mas por uma

alterao na construo do motor, que permitir a partida automtica.

2.2.5 Motores de induo de bobina auxiliar

Outros motores utilizam uma bobina auxiliar, que d aquela mozinha no incio. H duas

bobinas no estator: uma de fio mais grosso e com grande nmero de voltas ( a bobina principal)

e outra de fio mais fino e com poucas voltas, usada somente na partida.

Este motor gira porque h uma diferena entre os magnetismos gerados nas bobinas.

Enquanto a bobina auxiliar est operando, o magnetismo decorrente da diferena entre as duas

bobinas vai mudando de posio e fazendo o rotor girar.

Depois da partida, um interruptor automtico existente no motor corta a corrente da bobina

auxiliar e o motor continua funcionando normalmente, apenas com o magnetismo da bobina

principal.

Motores de induo de anel tm potncia mxima na faixa dos 300 watts, e so usados

para acionar cargas leves. Os de bobina auxiliar chegam a 600 watts. E, por encomenda, pode-se

obter motores de potncia ainda maior.

2.2.6 Mquinas trifsicas

Os motores de corrente alternada, de que tratamos at aqui, funcionam com uma s tenso

eltrica: 110 V, 220 V ou outras. Estas tenses so aplicadas por meio de dois fios, um deles

chamado fase e o outro neutro. Motores que funcionam assim so chamados monofsicos.

As turbinas das hidreltricas produzem trs tenses, porque tm trs bobinas com seus

centros distanciados cerca de 120 graus um do outro. As tenses se apresentam em trs fases e

suas variaes so descompassadas (atrasadas umas em relao s outras), embora variem

sempre no mesmo ritmo (60 vezes por segundo). Esse sistema chamado trifsico, e muito

usado em instalaes industriais.

2.2.7 Motor eltrico trifsico

O estator do motor trifsico possui trs enrolamentos, distantes 120 um do outro. So

preparados para receber as tenses do sistema trifsico.

Quando as tenses eltricas do trifsico, atrasadas entre si, so aplicadas s trs fases do

estator, forma-se um magnetismo que vai mudando de posio e gira conforme o tempo vai

passando.

Esse magnetismo giratrio induz correntes no rotor. A partir da, j sabemos o que

acontece: o magnetismo fora o rotor, sustentado por mancais que acompanham seu movimento.

Nos fios do rotor bobinado pode-se ligar resistncias externas que permitem controlar a corrente

no rotor. Altas correntes significam altas velocidades. Os motores trifsicos so utilizados em

aplicaes que requerem acionamento de cargas pesadas, como guindastes, pontes rolantes e

equipamentos transportadores.

Podem ser ligados em tenses eltricas de 220 V, 380 V, 440 V e 760 V.

2.2.8 Posio e velocidade dos motores eltricos

Os motores eltricos usados em sistemas de automao geralmente requerem algum

controle. Pense num rob que retira uma pea usinada de um torno CNC e a coloca sobre a

bandeja de um veculo de transporte.

Seus movimentos seriam:

saindo de uma posio conhecida, partir e acelerar;

ao aproximar-se de uma posio favorvel de ataque pea, desacelerar at parar;

aproximar-se da pea a baixa velocidade;

parar e agarrar a pea;

partir de volta e acelerar;

desacelerar at parar numa posio favorvel para soltar a pea no veculo;

soltar a pea.

Os motores eltricos envolvidos neste movimento devem ter controle de velocidade (para

acelerao e desacelerao) e de posicionamento. So controles crticos porque se o rob se

aproximar da pea numa trajetria errada, dependendo da velocidade de aproximao poder

colidir com algum acessrio ou quebrar a pea. O mesmo poderia acontecer na hora de soltar a

pea. Em outras situaes, esses controles so determinantes para a qualidade e confiabilidade

do trabalho produzido pelas mquinas. Para fresar uma pea numa mquina CNC, costuma-se

utilizar trs motores eltricos: um para movimentos horizontais, outro para movimentos verticais e

um terceiro para movimentos em profundidade. O controle de velocidade e de posicionamento

dos trs motores mantm as peas dentro de especificaes quanto posio de furos,

profundidade de cavidades etc.

O controle de velocidade e de posicionamento feito em ciclos de realimentao

(feedback), nos quais a posio e a velocidade de deslocamento constituem informaes

importantes para o controle do motor.

Motores eltricos utilizados em ciclos de realimentao normalmente j vm com sensoriamento

acoplado ao seu eixo. Neste caso, o motor passa a receber a designao de servomotor, pois

torna-se um escravo total do ciclo de realimentao. Existem servomotores de corrente contnua

e de corrente alternada.

Ao receber os sinais eltricos dos sensores, o mdulo de controle opera de modo a variar

a potncia eltrica do motor. Isto costuma ser feito alterando-se os valores das tenses eltricas

entregues ao motor ou, ainda, controlando-se o tempo durante o qual o motor recebe essas

tenses.

Hoje, o elemento de comparao construdo por meio de computador ou, no mnimo, com

dispositivo eletrnico com caractersticas de computador. O computador deve estar preparado

com um programa capaz de receber sinais (na forma de tenses eltricas), compar-los com

valores pr-estabelecidos e devolver sinais para o controle assumir as aes necessrias em

relao ao motor: partir, acelerar, desacelerar, parar, conforme o caso.

2.2.9 Motor de passos

Os ciclos de realimentao, que incluem sensores para indicar a posio e a velocidade do

motor, tornam complicado aquilo que parecia simples.

Para girar um motor at uma determinada posio, com velocidade controlada, so

necessrios equipamentos sofisticados. Entretanto, existe um tipo de motor que, como veremos,

no requer sensoriamento, pois se comporta muito bem: o motor de passos.

Este motor, como diz o nome, gira a partir de combinaes de tenses que so aplicadas

em suas bobinas. Na realidade, para que eles funcionem, necessria a informao de quantos

passos o motor deve se deslocar, a partir da posio original. Portanto, no necessrio um

sistema de sensoriamento para verificar a posio em que o motor se encontra, pois ele sempre

estar a N passos da posio de origem (N o nmero de passos indicado pelo controlador).

A preciso do deslocamento destes motores indicada pelo valor de cada passo, dado em graus.

Por exemplo: se um motor de passos tem preciso de 1,8, isto significa que, em cada

combinao de tenso aplicada ao motor, ele se desloca 1,8, ou seja 1/200 avos de uma volta

completa. Para o motor dar uma volta completa de 360, necessrio que o controlador gere 200

combinaes de tenses, isto , 200 passos.

A potncia desses motorzinhos pequena, por isso sua aplicao principal o

acionamento de cargas leves. Utilizam-se motores de passos em perifricos de computador

(impressoras, plotters, acionadores de disco). Tambm aparecem em robs transportadores de

cargas leves, e mesmo em algumas mquinas-ferramenta CNC de pequeno porte.

3. ATUADORES E VLVULAS

3.1 Introduo

Alm dos motores eltricos, existem outras formas de obter energia mecnica. Pense, por

exemplo, na roda dgua. A gua chegava por uma calha e caa sobre uma roda cheia de ps

espalhadas em todo seu contorno, fazendo-a girar. O eixo dessa roda pode ser ligado a alguma

outra mquina, como um moedor de milho, por exemplo, que usava a energia mecnica para

realizar seu trabalho.

Observe que neste exemplo no chegamos nem perto de eletricidade. Porm, utilizamos o

que chamamos de fluido: gua, na roda dgua. Foi essa presso, ou seja, essa fora distr ibuda

sobre a rea das ps que fez com que a roda girasse. Dessa forma, podemos usar fluidos

(lquidos e gases) sob presso para produzir energia mecnica. Em outras palavras, podemos

transformar a energia de presso dos fluidos em energia mecnica.

3.1.1 Evoluo tecnolgica

O ramo da tecnologia dedicado ao estudo das mquinas que utilizam leo sob presso

passou a chamar-se Hidrulica. Quando o fluido utilizado ar sob presso ou ar comprimido,

como mais comumente chamado, estamos no campo da Pneumtica.

Mas no ficamos totalmente livres da eletricidade. Se voc pensou que poderia esquec-la,

enganou-se. que na indstria, para pressurizar o ar ou o leo, so necessrias outras

mquinas: compressores, no caso de ar, e bombas hidrulicas, para o leo. E adivinhe o que

movimenta essas mquinas? Isso mesmo, motores eltricos.

Como voc pode ver, embora em hidrulica e pneumtica no se transforme energia

eltrica diretamente em energia mecnica, a utilizao de energia eltrica ocorre numa etapa

anterior, quando a transformamos em energia de presso do fluido.

3.1.2 Atuadores

Com o passar do tempo, o homem criou e aperfeioou mecanismos cuja funo

transformar energia de presso de fluidos em energia mecnica. Esses mecanismos so

denominados atuadores, pois sua funo aplicar ou fazer atuar energia mecnica sobre uma

mquina, levando-a a realizar um determinado trabalho. Alis, o motor eltrico tambm um tipo

de atuador.

A nica diferena, como j observamos, que ele emprega energia eltrica e no energia

de presso de fluidos. Os atuadores que utilizam fluido sob presso podem ser classificados

segundo dois critrios diferentes:

Quanto ao tipo de fluido empregado, podem ser:

- pneumticos: quando utilizam ar comprimido;

- hidrulicos: quando utilizam leo sob presso.

Quanto ao movimento que realizam, podem ser:

- lineares: quando o movimento realizado linear (ou de translao);

- rotativos: quando o movimento realizado giratrio (ou de rotao).

J os atuadores rotativos podem ser classificados em:

angulares: quando giram apenas num ngulo limitado, que pode em alguns casos ser maior que

360.

contnuos: quando tm possibilidade de realizar um nmero indeterminado de rotaes. Nesse

caso, seriam semelhantes roda dgua e ao catavento mencionados anteriormente. So os

motores pneumticos ou hidrulicos.

3.1.3 Atuadores lineares

Os atuadores lineares so conhecidos como cilindros ou pistes. Um exemplo de pisto

uma seringa de injeo, daquelas comuns, venda em farmcias. S que ela funciona de

maneira inversa dos atuadores lineares.

Numa seringa, voc aplica uma fora mecnica na haste do mbolo. O mbolo, por sua

vez, desloca-se segundo um movimento linear (de translao), guiado pelas paredes do tubo da

seringa, e faz com que o fluido (no caso, o medicamento) saia sob presso pela agulha. Ou seja,

est ocorrendo uma transformao

de energia mecnica em energia de presso do fluido.

Agora vamos inverter o funcionamento da seringa. Se injetarmos um fluido (gua, por

exemplo) pelo ponto onde a agulha acoplada ao corpo da seringa, o mbolo ir se deslocar

segundo um movimento linear. Estaremos, ento, transformando energia de presso do fluido em

energia mecnica. A sim, teremos um atuador linear.

Cilindros hidrulicos e pneumticos tm construo muito mais complexa do que simples

seringas de injeo, pois as presses dos fluidos e os esforos mecnicos so muito maiores.

Como esses cilindros realizam operaes repetitivas, deslocando-se ora num sentido ora em

outro, devem ser projetados

e construdos de forma cuidadosa, para minimizar o desgaste de componentes e evitar

vazamento de fluidos, aumentando, assim, sua vida til.

Os cilindros pneumticos e hidrulicos encontram grande campo de aplicao em

mquinas industriais, automticas ou no, e outros tipos de equipamentos, como os utilizados em

construo civil e transportes (guindastes, escavadeiras, caminhes basculantes).

3.1.4 Atuadores rotativos

Os atuadores rotativos, conforme classificao anterior, podem ser angulares ou

contnuos. Os atuadores rotativos angulares so mais conhecidos como cilindros rotativos.

Nos atuadores lineares, como voc viu, o movimento do pisto de translao. Muitas

vezes, no entanto, o movimento a ser feito pela mquina acionada requer do atuador um

movimento de rotao.

Basicamente, esses atuadores podem ser de dois tipos: de cremalheira e de aleta rotativa.

O primeiro tipo constitui-se da unio de um cilindro pneumtico com um sistema mecnico. Na

haste do pisto de um atuador linear usinada uma cremalheira. A cremalheira aciona uma

engrenagem, fazendo girar o eixo

acoplado a ela. No cilindro de aleta rotativa, apresentado na figura, uma p ou aleta pode girar de

um determinado ngulo ao redor do centro da cmara do cilindro. A aleta, impulsionada pelo

fluido sob presso, faz girar o eixo preso a ela num ngulo que raramente ultrapassa 300.

Os atuadores rotativos contnuos so mais conhecidos como motores pneumticos ou

hidrulicos, conforme o fluido que os acione seja ar comprimido ou leo.

Um motor hidrulico ou pneumtico consta de um rotor ao qual fixado um eixo. Ao longo

da periferia do rotor existem ranhuras radiais, onde deslizam pequenas placas de metal

denominadas palhetas. As palhetas so mantidas em contato com a parte interna do corpo do

motor por meio de molas denominadas balancins ou pela ao da fora centrfuga que age sobre

elas quando o rotor gira.

Na carcaa do motor existem dois orifcios, respectivamente para entrada e sada do

fluido sob presso. Ao entrar na cmara em que se encontra o rotor, o fluido sob presso empurra

as palhetas do rotor. O rotor gira e, conseqentemente, o eixo preso a ele tambm. Esse

movimento de rotao ento utilizado para acionar uma outra mquina.

3.1.5 Vlvulas

Vimos que para os atuadores funcionarem necessrio que o fluido (leo ou ar

comprimido) chegue at eles. Ainda no explicamos como isso ocorre, porm no difcil

imaginar uma tubulao de ao, borracha ou outro material ligando o compressor ou a bomba

hidrulica ao atuador. Se o ar ou leo contiverem impurezas que possam danificar os atuadores,

ser preciso acrescentar um filtro no caminho. Se o ar contm muito vapor dgua, ento

acrescenta-se tubulao o que denominamos purgador, para separar a gua do ar.

Agora pense na instalao eltrica de sua casa. Imagine-a sem chave geral, disjuntores e

interruptores de luz. Toda vez que voc quisesse acender a luz da sala, teria que subir no poste e

ligar os fios de sua casa aos da rua. E para apagar... olha voc l no poste de novo. Trabalhoso,

no?

No caso dos atuadores, se desejamos que o pisto que foi acionado para a direita volte

agora para a esquerda, temos que desligar o compressor ou a bomba, inverter as mangueiras

dos dois lados do cilindro e religar o compressor ou a bomba.

Mas existe um jeito mais fcil. Podemos direcionar o fluido dentro de um circuito hidrulico

ou pneumtico por meio de vlvulas. As vlvulas so mecanismos que permitem controlar a

direo do fluxo de fluido, sua presso e vazo (quantidade de fluido que passa por um ponto do

circuito num certo tempo). Para cada uma destas funes existe um tipo especfico de vlvula.

Nos circuitos hidrulicos e pneumticos, as vlvulas desempenham um papel semelhante ao das

chaves, disjuntores e interruptores no circuito eltrico de sua casa. As vlvulas permitem controlar

o atuador a ser acionado e o momento do acionamento da mesma forma que ao acionarmos os

interruptores de luz indicamos qual lmpada deve ou no ficar acesa.

Ao contrrio dos interruptores de nossa casa, que normalmente so acionados

manualmente, as vlvulas hidrulicas e pneumticas podem ser acionadas manualmente,

eletricamente ou por meio do prprio fluido sob presso. O caso do operador de retroescavadeira

da figura a seguir um exemplo.

Sua mquina tem vrios pistes hidrulicos, cada um deles responsvel por um

determinado movimento. A cada um dos pistes est associada uma vlvula, acionada

manualmente por meio de alavancas. O operador, ao acionar uma determinada alavanca,

determina no apenas o pisto que ser acionado mas tambm o sentido de seu movimento

(extenso ou retrao).

3.1.6 Vlvulas acionadas eletricamente

As mquinas automticas que utilizam energia hidrulica ou pneumtica no precisam

necessariamente de eletricidade para acionar suas vlvulas. Pode-se usar um conjunto de

vlvulas manuais, acionadas pelo prprio fluido sob presso, para que a mquina execute seus

movimentos e realize seu trabalho.

No entanto, utilizando-se vlvulas acionadas eletricamente, os circuitos hidrulicos e

pneumticos tendem a ficar mais simples. Alm disso, com o emprego crescente de

computadores para controlar mquinas, o uso de vlvulas acionadas eletricamente tornou-se

quase obrigatrio, uma vez que as ordens

enviadas pelo computador mquina so sinais eltricos.

As vlvulas acionadas eletricamente so normalmente chamadas solenides. Solenide

um fio eltrico enrolado num carretel. uma bobina. Quando ligamos os terminais deste fio

rede eltrica, digamos, 110 volts, acontecem alguns fenmenos fsicos chamados

eletromagnticos.

Devido a esses fenmenos, a pea denominada ncleo da bobina, localizada na parte

interna do carretel, sofre a ao de uma fora magntica e desloca-se dentro do carretel.

O carretel uma pea cilndrica com vrias ranhuras radiais. Quando se aciona a vlvula,

o carretel desloca-se em movimento linear, abrindo algumas passagens para o fluido e fechando

outras. Assim, dependendo da posio do carretel no interior da vlvula, o fluido percorre um

caminho ou outro. O carretel apresenta movimento nos dois sentidos: para a direita ou para a

esquerda.

Alm do acionamento eletromagntico, utilizado nas vlvulas solenides, os acionamentos

que comandam os movimentos do carretel podem ser:

manual: por meio de botes, alavancas ou pedais;

mecnico: por meio de batentes, roletes e molas;

pneumtico ou hidrulico: por meio do prprio fluido.