Eletrônica de Potência - Acionamentos Industriais.

A eletrônica de potência é a área do conhecimento que controla e condiciona a energia elétrica por meio do controle dos equipamentos elétricos, viabilizando diversas soluções para a automação dos processos produtivos industriais.


O motor elétrico tem como objetivo transformar a energia elétrica em mecânica (giro do seu eixo).

A eletrônica de potência é a área do conhecimento que controla e condiciona a energia elétrica por meio do controle dos equipamentos elétricos, viabilizando diversas soluções para a automação dos processos produtivos industriais.


O motor elétrico tem como objetivo transformar a energia elétrica em mecânica (giro do seu eixo).

Devido ao baixo custo dos motores de corrente alternada e o desenvolvimento da eletrônica industrial, que tornou possível o controle em corrente alternada, hoje, os motores CC são considerados obsoletos, e destinados a aplicações muito específicas. Assim, os motores CA são os mais utilizados em aplicações industriais.

O motor CA tem uma série de vantagens sobre o motor CC:

• Baixa manutenção.

• Ausência de escovas comutadoras.

• Ausência de faiscamento.

• Baixo ruído elétrico.

• Custo inferior.

• Velocidade de rotação superior.

• Grande disponibilidade de fornecedores de motores CA em relação ao motor CC, o que facilita a sua aquisição.

• Não necessitam de circuitos especiais para alimentação, uma vez que a distribuição de energia elétrica é feita normalmente em corrente alternada.

Dentre os motores de corrente alternada, destacam-se os motores síncronos e os motores assíncronos.

O motor síncrono funciona com velocidade fixa. Geralmente, este tipo de motor é utilizado em sistemas de grandes potências ou quando a aplicação exige velocidade constante. Para sistemas de baixa potência, este tipo de motor não é muito utilizado, pois apresenta alto custo em tamanhos menores.

Entretanto, os motores síncronos, como trabalham com fatores de potência reguláveis, podem ajudar a reduzir os custos de energia elétrica e melhorar o rendimento do sistema de energia, corrigindo o fator de potência na rede elétrica onde estão instalados.

O motor assíncrono, também chamado de motor de indução, é utilizado na grande maioria das máquinas e equipamentos encontrados na prática. É, sem dúvida, o mais utilizado devido à sua simplicidade, robustez e baixo custo.

Sua velocidade sofre ligeiras variações em função da variação da carga mecânica aplicada ao eixo. No entanto, o desenvolvimento dos inversores de frequência, facilitou o controle de velocidade e torque desses motores.

Dentre os motores de indução, daremos ênfase aos motores de indução trifásicos (MIT).

Existem os motores de indução monofásicos que são utilizados para cargas que necessitam de motores de pequena potência, como por exemplo, ventiladores, geladeiras, furadeiras de bancada, etc.

Motores trifásicos são motores próprios para serem ligados aos sistemas elétricos de três fases e são os motores de emprego mais amplo na indústria. Oferecem melhores condições de operação do que os motores monofásicos porque não necessitam de auxílio na partida, dão rendimento mais elevado e são encontrados em potências maiores.

Partida direta de motores elétricos trifásicos de indução

Partida direta é o método de acionamento de motores de corrente alternada, no qual o motor é conectado diretamente a rede elétrica. Ou seja, ela se dá quando aplicamos a tensão nominal sobre os enrolamentos do estator do motor, de maneira direta.

Há inúmeras desvantagens com relação a outros métodos de partida, como por exemplo, um transiente de corrente e torque durante a partida.

A corrente variando de 4 a 12 vezes a nominal obriga o projetista do sistema elétrico a superdimensionar o sistema de alimentação, os disjuntores e os fusíveis.

Dependendo dos valores de pico de corrente, a tensão do sistema pode sofrer quedas. O transiente de torque faz com que os componentes mecânicos associados ao eixo do motor sofram desgaste prematuro.

A situação piora à medida que a potência elétrica do motor aumenta.

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Componentes dos Comandos Elétricos.

A principal função dos comandos elétricos é o acionamento de máquinas e equipamentos elétricos, tais como: elevadores, tornos, fresas, esteiras rolantes, etc. Onde quer que esteja acontecendo um processo de produção industrial, comandos elétricos certamente estarão presentes.

Botoeiras, fusíveis, relé, sinalizadores, contator e disjuntores são componentes dos comandos elétricos e falaremos sobre cada um deles a seguir.

Botoeiras

Conhecidas genericamente como botões de comando, são utilizadas para o acionamento (ligar) e desligamento dos circuitos. Com contatos do tipo NA (normalmente aberto) e NF (normalmente fechado), permitem diversos tipos de configurações. Algumas possuem um dispositivo de retorno via mola e, nesse caso, são chamados de botões pulsadores.

O uso de cores nas botoeiras é fundamental para determinar a função de cada uma dentro de um ambiente específico. Por exemplo: verde para arranque, ligar, partida, vermelho para parar, desligar, botão de emergência, amarelo para inverter sentido, cancelar operação, eliminar condição perigosa, etc.

Fusíveis

Esse talvez seja o componente mais “popular” dentre todos porque estão presentes também em nossas residências e até em nossos veículos. A principal função desses é proteger os circuitos contra curto-circuito e queima.

Relé

Um relé nada mais é que um interruptor eletromecânico que trabalha atraindo contatos que abrem ou fecham circuitos. A atração desses contatos ocorre quando uma corrente elétrica circula pela bobina. Se a corrente é interrompida, os contatos voltam para as suas posições originais.

Sinalizadores

Parecidos com as botoeiras, como o próprio nome diz, servem para avisar (sinalizar) aos operadores um determinado tipo de situação. Cores também servem para identifica-los como, por exemplo: verde: máquina pronta para operar, circuitos e dispositivos em condições de funcionamento. Vermelho: estado de alerta e perigo, máquina em situação anormal, etc.

Contator

Com a função de controlar a passagem de altas correntes, é considerado o principal elemento dos comandos elétricos. Assim como os relés, também são compostos por bobinas que produzem campos eletromagnéticos que determinam o movimento e a mudança de posição dos contatos.

Disjuntores

Assim como os fusíveis, os disjuntores servem para proteger o circuito contra curtos-circuitos ou sobrecargas, com a diferença que esses não são descartáveis e possuem curvas características distintas.

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FONTE CHAVEADA: Melhor opção para instalação?

Você projeta sistemas de automação industrial com fonte chaveada?

Então este artigo é para você. Vamos falar sobre escolha de fontes – pedra fundamental em qualquer projeto de automação industrial – e saber mais especificamente se o uso de fontes chaveadas (SMPS, switch mode power supply) é a melhor escolha para seu projeto.

É importante contextualizar essa discussão, pois o setor tecnológico evolui a cada segundo, e não se recomenda comprar ou adotar tecnologia como se fosse um item de consumo diário. Quando você faz um projeto e especifica um equipamento, precisa ter em conta o custo ao longo do ciclo de vida.

No mercado dos componentes para automação industrial, além das fontes chaveadas, temos as tradicionais fontes lineares (LPS, linear power supply), mais antigas, e que ainda alimentam a maior parte dos sistemas de automação vigente no país – se considerarmos que, no Brasil, a idade média do parque industrial é de 20 anos (na Alemanha, é de apenas 7 anos).

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Usar uma fonte chaveada é a melhor opção para minha instalação?

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A primeira resposta sobre escolha de fontes chaveadas é SIM – se você pretende projetar um sistema de automação pronto para o futuro, não existe outro caminho a não ser usar equipamentos mais modernos.

Vamos descrever um pouco mais sobre o que você precisa considerar na escolha do tipo de fonte a utilizar.

Por que usar fontes chaveadas se as fontes lineares são mais baratas e seus projetos são mais simples?

Para responder essa pergunta, que muitos compradores ou tomadores de decisão fazem aos seus times de engenharia e projetos, precisamos dividir uma visão estratégica para o setor.

A revolução digital na indústria – Indústria 4.0, Internet das Coisas e outros jargões em moda – se resume ao avanço do software sobre o mundo dos equipamentos industriais (o hardware em si). Vamos fazer uma analogia:

§  No século passado, o DNA de um equipamento industrial estava mais próximo do DNA de uma batedeira – muito hardware, com o apoio de alguns sistemas eletromecânicos.

§  Dos anos 2000 em diante (um pouco antes ou depois, dependendo do país ou setor), o DNA dos equipamentos industriais se aproxima dos smartphones – hardware mais leve e eficiente, mas cercado de uma quantidade enorme de sensores e atuadores digitais.

Se as fontes chaveadas são o padrão absoluto nos computadores e dispositivos eletrônicos de última geração, faz sentido um sistema de automação industrial ser alimentado como se fosse um eletrodoméstico?

Mais lógica – e mais dados – demandam energia mais eficiente para seu projeto de automação

Assim como nos carros mais modernos (os veículos Tesla são enormes baterias sobre rodas!), a automação industrial de última geração requer mais energia para atender à complexidade dos projetos – equipamentos interconectados, sensores, leitores, atuadores, interfaces etc.

A demanda de energia dos sistemas de automação mais modernos e complexos é amplamente compensada, entre outros fatores:

§  pela redução do consumo nas operações industriais em si (o “hardware”);

§  na redução dos desperdícios de energia em momentos de pouco valor agregado ao processo e;

§  no próprio diagnóstico e otimização constante do desempenho proporcionado pelos sistemas mais inteligentes.

Fonte chaveada – mais potência, estabilidade e eficiência para a automação industrial.

 

Se a automação industrial moderna – (leia-se, pronta para a Indústria 4.0, com mais uso de software e de informação digital para otimizar o desempenho dos equipamentos industriais) demanda mais energia, isso significa que a energia de entrada precisa ser mais aproveitada.

Quanto maior a potência demandada por um sistema, maior é a vantagem no uso da fonte chaveada, pois esta permite escalabilidade maior, com menor peso e tamanho. E isso faz muita diferença! Como em qualquer sistema digital, a parte lógica tende à miniaturização e as características físicas dos sistemas de automação (peso, tamanho, portabilidade, acesso) não podem ser uma limitação ao sistema industrial como um todo (vide o tamanho das baterias).

A fonte chaveada possui alto nível de aproveitamento de energia – da ordem de 80% a 90%! – em relação às fontes lineares, cuja eficiência varia entre 30 e 60%. Resumindo, uma fonte de alimentação chaveada bem especificada, converte energia de entrada com muito mais eficiência e menor custo.

Em resumo: se as fontes chaveadas são ligeiramente mais caras do que as fontes lineares, esse custo é mitigado pelo tamanho, peso, quantidade de componentes e pela eficiência do sistema como um todo.

Dissipação de calor, interferência eletromagnética e outros fatores.

As fontes lineares, com menor nível de eficiência, eliminam a potência dissipada na conversão através de calor, o que vai demandar cuidados adicionais de refrigeração em seu sistema de automação. Mais um ponto para a fonte chaveada, que não apresenta esse problema.

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Por outro lado, as fontes chaveadas, em seu processo de operação, geram interferência eletromagnética (EMI), o que pode interferir no funcionamento de outros mecanismos, em especial os componentes analógicos – sensores, medidores – presentes em um sistema. Esse problema, entretanto, é mitigado no projeto das fontes, através de blindagens metálicas, de outras técnicas de aterramento, blindagem e layout do próprio painel. O que torna importante utilizar sua fonte chaveada de um fabricante reconhecido e com qualidade.

Proteção contra falhas

Mais um ponto a favor do uso da fonte chaveada: os sistemas modernos de automação, como discutimos aqui neste artigo, possuem muito mais operações lógicas em relação à operação física do equipamento em si. Isso aumenta o risco de interrupção parcial ou total de um processo industrial por conta de instabilidade no fornecimento de energia.

Sistemas alimentados por fonte chaveada podem resistir a falhas na rede AC por alguns instantes, sem interromper o funcionamento do sistema. (e, convenhamos, falhas de rede podem ocorrem a todo o momento, esteja o sistema operando em uma região inóspita de agricultura, mineração, construção, extração de petróleo ou mesmo em uma instalação industrial dotada de ótima infraestrutura).
Nesses casos, as fontes chaveadas protegem a operação e a qualidade da energia fornecida ao sistema, minimizando ou eliminando os problemas de interrupção nas operações industriais, o que não é possível com o uso de fontes lineares – nestas últimas, a falha de rede AC significa a falha do painel.

No fim das contas, qual a melhor opção?

Escolher a melhor fonte a adotar em um projeto eletrônico requer, mais do que conhecimento sobre as características de cada produto, um entendimento sobre as condições de operação e do sistema em que esse produto será inserido.
As fontes lineares seguem no mercado – e ainda são aplicáveis em projetos mais simples, onde há presença prioritária de equipamentos analógicos e menor demanda de energia (ou seja, onde a perda de energia não gera um grande impacto no custo e desempenho do sistema de automação).

Mas, dado o contexto industrial atual e o caminho que estamos todos seguindo rumo a maior presença de tecnologia na indústria. Tudo indica que as fontes chaveadas serão o novo padrão para os projetos de automação industrial, e uma escolha segura para que o seu projeto de hoje esteja pronto para o amanhã. Você só precisa em escolher um modelo de fonte reconhecido por sua eficiência energética e por qualidade para evitar problemas com ruídos eletromagnéticos.

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Áreas da Engenharia Eletrônica.

Aplicações Práticas no Cenário atual da Demanda por Energia

A Engenharia Eletrônica é uma área voltada ao desenvolvimento de componentes, dispositivos, sistemas e equipamentos eletrônicos, como transistores e circuitos integrados. É a parte da Engenharia que lida com a energia elétrica em pequena amplitude.
A Eletrônica está em nosso cotidiano, presente nas mais diversas áreas: Comunicação, Transporte, Sistemas Computadorizados, Controle de Processos, Entretenimento, Segurança, Automação Predial e Industrial, Indústria de Eletrodomésticos e Equipamentos Médicos, entre muitas outras.

Enquanto o engenheiro eletricista se dedica às redes elétricas e circuitos, à automação na criação de componentes para telefonias e na projeção de usinas de produção de energia e hidrelétricas, o engenheiro eletrônico cuida de equipamentos mais delicados, de pequenas amplitudes e frequências elevadas, considerados de baixa tensão.
Essa carreira é voltada para a projeção dos aparelhos eletrônicos e o seu processo de manutenção.


Em relação ao Transporte, hoje se destaca no Brasil a demanda por energia limpa (renovável) utilizando veículos elétricos. Neste contexto, a Engenharia Eletrônica têm o papel de desenvolver sistemas e meios para o desenvolvimento de máquinas que sejam 100% limpas e que não agridam o meio-ambiente, fazendo com que a demanda por combustíveis fósseis seja menor, equalizando a matriz energética brasileira.

Depois do carro a álcool, com tecnologia 100% nacional, agora é a vez da multiplicação dos ônibus elétricos pelo país. As obras da Copa do Mundo e a necessidade, cada vez mais presente nas grandes cidades, do uso de energia limpa nos veículos de transporte urbano têm ajudado a alavancar os pedidos de veículos com tração elétrica.

Em relação à energia solar, a Engenharia Eletrônica destaca-se por desenvolver e implementar placas de células solares para a captação da energia solar, gerando energia elétrica e diminuindo a dependência por energia elétrica proveniente de hidrelétricas.

A energia solar no Brasil vem crescendo a passos largos. Existem diversos benefícios econômicos e ambientais que estão ajudando a impulsionar o crescimento desta fonte de energia renovável.

Benefícios Econômicos:

São vários os benefícios econômicos da energia solar no Brasil, abaixo listamos os mais importantes:

• Casas que possuem energia solar fotovoltaica instalada pode gerar a sua própria energia renovável e assim praticamente se livrar da sua conta de luz para sempre.

• Sistemas fotovoltaicos valorizam a propriedade.

• Quanto mais energia solar instalada no Brasil menor é a necessidade de utilizarmos as usinas termoelétricas que são caras e, menor a inflação na conta de luz.

• A indústria de energia solar no Brasil gera milhares de empregos todos os anos.

Benefícios Ambientais:

A energia solar traz diversos benefícios ambientais para o Brasil.

Se uma boa parte da população instalar energia solar nas casas e empresas, não seria mais necessário inundar áreas imensas da floresta amazônica para construir usinas hidrelétricas absurdas como a Belo Monte.

Uma usina solar de 100mwp gera energia para 20.000 casas e evita a emissão de 175.000 toneladas de CO2 por ano.

Vantagens da Energia Solar

As vantagens de se utilizar a energia solar no Brasil são inúmeras, abaixo as principais:

• A energia solar é totalmente renovável.
• A energia solar é infinita.
• Não faz barulho.
• Não polui.
• Manutenção mínima.
• Baixo custo considerando a vida útil de um sistema fotovoltaico
• Fácil de instalar.
• Pode ser usado em áreas remotas onde não existe energia.

Em relação à demanda de energia residencial, podemos incluir a Engenharia Eletrônica no controle de energia de eletrodomésticos.

Hoje, cada vez mais se busca autonomia e eficiência em máquinas eletrônicas, sendo que há casas inteligentes para a otimização do consumo de energia mensal.

Neste contexto, a Engenharia eletrônica tem como principal função projetar sistemas econômicos de energia para esta demanda.

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