SERVOMOTORES

TEORIA 20 Servo Acionamentos Introdução: O desenvolvimento desta tecnologia ocorreu durante a Segunda Guerra Mundial. O pós-guerra trouxe aumento da qualidade e maior expectativa de vida, uma crescente preocupação com a saúde e a ecologia, uma maior competição entre as empresas, novos produtos e serviços. É evidente que todos estes fatores, que no momento mencionado ainda em evolução, trouxeram uma demanda cada vez maior de produtos e serviços que no passado não eram oferecidos ou até não eram realizados. Esta demanda cada vez maior de produtos e serviços, criou uma crescente necessidade de aumento da produção industrial, mantendo-se e, se possível, aumentando-se os níveis de qualidade, cada vez maiores, nos produtos. Estas solicitações de incremento de produção em todos os segmentos do mercado exigiram o desenvolvimento de um novo produto, mais dinâmico, robusto e preciso. Vamos imaginar a seguinte situação: você, profissional responsável pela produção de uma determinada empresa, por motivos de concorrência, demanda ou por redução de custos apenas, deseja incrementar sua capacidade produtiva, basicamente agilizando seus processos produtivos. Como proceder? Uma das possibilidades seria renovar seu maquinário substituindo as máquinas antigas por outras mais novas e mais rápidas, mas, com custo altíssimo este procedimento pode ser facilmente descartado. Uma alternativa seria utilizar algumas técnicas de Retrofitting nas máquinas atuais, o que, além de mais barato, permite a utilização das mais modernas tecnologias em acionamentos para a solução de incremento de produção com qualidade. Figura 1 - Servomotor síncrono SEW-EURODRIVE e servoconversores SEW-EURODRIVE. Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 261 Nestes Retrofittings, umas das tecnologias mais utilizadas é o servo acionamento, composto por servomotor mais servoconversor. O QUE E É UM SERVOMOTOR? O Servomotor é uma máquina síncrona composta por uma parte fixa (o estator) e outra móvel (o rotor), até aqui nenhuma novidade. O estator é bobinado como no motor elétrico convencional, porém, apesar de utilizar alimentação trifásica, não pode ser ligado diretamente à rede, pois utiliza uma bobinagem especialmente confeccionada para proporcionar alta dinâmica ao sistema. O rotor é composto por ímãs permanentes dispostos linearmente sobre o mesmo e com um gerador de sinais chamado “RESOLVER” instalado para fornecer sinais de velocidade e posição. Observe a figura 2. Figura 2 - Servomotor. Quais as características de um servomotor? De um servomotor são exigidos, entre outros, dinâmica, controle de rotação, torque constante e precisão de posicionamento. As características mais desejadas nos servomotores são o torque constante em larga faixa de rotação (até 4500 rpm), uma larga faixa de controle da rotação e variação (até 1:3000) e alta capacidade de sobrecarga (3 x Mo). Estas características são facilmente obtidas através do modo de controle CFC (Current Flux Control), especialmente desenvolvido para a otimização de servomotores nos servoconversores da linha MOVIDRIVE®, MOVIDRIVE® Compact e MOVIDYN®, da SEW-EURODRIVE. Atente para a figura 3. Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 262 Figura 3 - Características requeridas do servomotor. O Torque nominal (CMO) de um motor é determinado pelas seguintes características construtivas do motor. C MO = P ⋅ 0,955 n O Torque máximo (Mmáx) é 3 x Mo do motor. Em função da potência do servoconversor utilizado, o Torque máximo que se pode alcançar também poderá ser menor. Os servomotores devem possuir momento de inércia da massa do rotor, menor do que em relação aos motores assíncronos trifásicos, devido às grandes solicitações de dinâmica. Um dos artifícios mais utilizados são os cortes transversais no rotor, através destes cortes reduzse a massa de inércia do rotor. Na tabela 1 é dado um quadro comparativo para um servomotor. Tabela 1 - Comparação entre motores para servomotor. Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 263 Um fator essencial para o uso dos servomotores nas aplicações em sejam necessárias velocidade e sincronismo dos eixos é a elevada qualidade e a energia dos ímãs permanentes de Terras-Raras (Neodímio-Ferro-Boro) utilizados, que permitem suportar altas sobrecargas sem o risco de desmagnetização, graças também à tecnologia de encapsulamento utilizada para fixá-los ao eixo do motor. Como funciona um servomotor? Os servomotores são máquinas síncronas, compostas de seis pólos no estator, de alimentação trifásica, ímãs permanentes Terras-Raras, dispostos linearmente sobre a face do rotor e um sensor analógico chamado resolver para realimentação de posicionamento e velocidade. Figura 4 - Cortes transversais no rotor Sua alimentação, apesar de trifásica, não pode ser efetuada através da rede convencional, pois possui um bobinamento totalmente especial, confeccionado para proporcionar uma alta dinâmica ao motor através de um fluxo eletro-magnético totalmente diferente do proporcionado pela rede. Este fluxo eletromagnético só pode ser fornecido pelo servoconversor através de um modelamento matemático que leva em consideração todas as características do servomotor, esta é a razão de apenas ser possível a utilização de servomotores e servoconversores de mesma marca. Só assim é possível fornecer o fluxo mais apropriado para o servomotor ter a melhor dinâmica. Φ REDE = V 380 = = 6,33 f 60 Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 264 Outro importante ponto é a seqüência de fase adotada: em alguns servomotores, a seqüência SERVOMOTOR - SERVOCONVERSOR deve ser observada com atenção, pois a sua inversão causa falha no servoconversor de Monitoração de rotação. Veja a figura 5. Devido a estarmos trabalhando em malha fechada, quando da inversão o servoconversor detecta a incompatibilidade entre os sinais do campo girante do servomotor com os sinais gerados pelo resolver. Desta forma, o servoconversor entende que o campo girante do servomotor está em um sentido e o resolver no sentido oposto, portanto, a seqüência U/V/W do servomotor deve ser a mesma seqüência U/V/W do servoconversor. Figura 5 - Sequência de fase. Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 265 Atente-se também para a utilização de servomotores e servoconversores de mesmo fabricante, pois no modo operacional SERVO, específico para servomotores síncronos, os dados dos servomotores necessários para este modo operacional (SERVO) estão memorizados nos servoconversores, e só assim é possível obter a melhor performance através do modelamento matemático do servomotor. O que é o Resolver? O resolver é um sistema de realimentação analógico composto por um estator e um rotor, mas seu funcionamento é oposto ao do motor, ou seja, funciona como um gerador. Seu rotor gira através da ação do eixo do rotor do servomotor e faz com que a ação do campo eletromagnético do rotor exerça influência direta sobre o bobinamento do estator do resolver, o qual se encontra subdividido em dois estatores, defasados 90° graus entre si, gerando sinais senoidais que funcionam como realimentação de posição e velocidade para o servoconversor. Observe as figuras 6 e 7. Figura 6 - "Resolver" Figura 7 - Ação do campo eletromagnético de "resolver". Outro ponto a se ressaltar é o fato do alinhamento do resolver. Por se tratar de um sensor de alta resolução e precisão, o seu alinhamento é algo fundamental para seu perfeito funcionamento, portanto, é aconselhável não mexer em seu sistema de fixação devido à sua complexidade de Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 266 montagem. Na figura 8, o alinhamento. Quando comparado a outros sistemas de realimentação disponíveis no mercado (encoder incremental e encoder absoluto), o resolver tem suas características ressaltadas, principalmente quanto à sua robustez e insensibilidade às vibrações e altas temperaturas. Observe a tabela 2. Na figura 9, o encoder incremental. Figura 8 - Manutenção do alinhamento. O resolver é um gerador de sinais dos mais resistentes, tanto em sua mecânica, quanto em sua estrutura elétrica. Normalmente os defeitos mais comuns são na parte de ligação: 1. Inversão dos canais de sinal; 2. Cabo de sinal inadequado (impedância muito alta); 3. Deslocamento do ponto zero do resolver, este acontece quando pessoal não habilitado retira o resolver na desmontagem do servomotor. Tabela 2 - Quadro comparativo "resolver" x "encoder". Figura 9 - Encoder incremental O SERVOCONVERSOR: Usamos o termo “Conversor Estático” para designar genericamente circuitos de eletrônica de potência que operam na mudança da tensão e da forma de onda de uma fonte de energia elétrica por meio de uma seqüência de comutações de interruptores estáticos (chaves Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 267 semicondutoras como tiristores, transistores bipolares, MOSFETs, IGBTs, GTOs, etc). Os circuitos retificadores controlados, circuitos choppers, circuitos inversores e os circuitos conversores de fase (que permitem o acionamento de um motor trifásico a partir de um sistema de alimentação monofásico) são alguns exemplos de conversores estáticos. Usa-se também o termo “Drive”, mas para designar genericamente o equipamento que realiza o acionamento elétrico de motores. Drive é um equipamento para utilização em aplicações industriais nos mais variados segmentos. Os drives são divididos em diversas famílias, por exemplo, conversores de freqüência (inversores), soft-starters e servoconversores. Os soft-starters são equipamentos de eletrônica de potência que atuam como chaves de partida estática, projetadas para acelerar e desacelerar e proteger motores elétricos de indução trifásicos. Os inversores de freqüência são equipamentos destinados a controlar e variar a velocidade de motores elétricos de indução trifásicos. Já os servoconversores são equipamentos para utilização em aplicações industriais onde se necessita elevada dinâmica, controle de torque, robustez, precisão de velocidade e posicionamento, contribuindo para o aumento da qualidade e produtividade. A mais recente tecnologia embarcada faz dos servoconversores os equipamentos mais versáteis disponíveis no mercado. Possibilidade de comunicação direta com controladores externos, comunicação nos mais variados meios Fieldbus e possibilidade de associação de múltiplos eixos numa mesma fonte de alimentação, entre outras características, fazem dos servoconversores uma excelente opção no Upgrade de máquinas e equipamentos em geral. Na figura 10, exemplar de servoconversor. Figura 10 - Servoconversores. Assim como nos conversores de freqüência, o diagrama de blocos do servoconversor figura 11 possui as mesmas características construtivas. Diferenciado apenas em seu modo Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” 268 SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 operacional SERVO específico para servomotores síncronos SEW-EURODRIVE. Os dados dos servomotores SEW necessários para o modo operacional SERVO, estão memorizados nos ser voconversores MOVIDRIVE®, MOVIDRIVE® Compact e MOVIDYN®. Figura 11 - Diagramação de blocos do servoconversor. Este modo operacional permite o controle direto do torque do servomotor em toda a extensão de rotação. O torque Mo é determinado pelo servomotor. O torque máximo MMÁX é 3 x Mo do servomotor. Em função do servoconversor (MOVIDRIVE®, MOVIDRIVE® Compact e MOVIDYN®) utilizado, o MMÁX que se pode alcançar também poderá ser menor, devido à exigência de corrente solicitada pelo servomotor e a corrente fornecida pelo servoconversor. Veja a figura 12. Figura 12 - Curvas torque x Rotação do servomotor. Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 269 A seleção da melhor relação (servomotor x servoconversor), pode ser selecionada conforme o torque e rotação do servomotor, pela corrente nominal do servoconversor. Veja a tabela 3. Tabela 3 - Características (torque x rotação do servomotor x Corrente nominal do servoconversor). A melhor combinação entre servomotor e servoconversor é aquela que satisfaz a condição de 3 x Mo. Nas condições em que ocorrem a indicação de um * , a combinação é possível, porém não com 3x Mo. Nas situações em que há solicitação de torque muito elevado, existe ainda a possibilidade da combinação dos servomotores somados aos redutores planetários de baixa folga angular, especialmente projetados para atender às mais exigentes solicitações de carga. Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” 270 SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 Estes redutores além de baixa folga angular (1 estágio: < 3’ ou < 6’e 2 estágios: < 5’ ou < 10’), possuem reduções exatas que facilitam a precisão de posicionamento, além de suportarem altos choques. A composição servomotor + redutor planetário é utilizada nas mais diversas aplicações, devido à sua excelente performance. Figura 13. Figura 13 - Servoacionamento = servomotor + redutor planetário. Transelevadores, máquinas operatrizes e máquinas em geral com alta solicitação de dinâmica e precisão de posicionamento são o principal segmento de atuação dos servoacionamentos. Observe a figura 14. Figura 14 - Transelevador acionamento Sew. Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial com Fone/Fax: (011)3641-0024 servo 271 PARAMETRIZAÇÃO E PROGRAMAÇÃO: Um parâmetro em um driver é um valor atribuído a uma variável, valor Ester que o usuário pode ler e em certos casos escrever, ou seja, programar valores que mostrem, sintonizem ou tornem adequado o comportamento do sistema (do driver e do motor) em uma determinada aplicação. A principal vantagem dos servoconversores é a sua rápida e simples parametrização, possibilitada através de seu controle manual ou através dos programas MX_SHELL® ou MOVITOOLS® . Tanto os programas quanto o controle manual, permitem selecionar o modelo específico do servomotor utilizado, sua tensão de alimentação, sua rotação nominal e rapidamente fornecem ao usuário uma otimização das melhores características do servomotor utilizado. O programa de posicionamento e seqüenciamento IPOS®, já está disponível internamente nos servo acionamentos SEW-EURODRIVE. Este programa tem um funcionamento muito similar a um CLP, ou seja, comanda as funções de seqüência e posição do servo acionamento, e sua limitação é deter-minada pelo número de entradas e saídas disponíveis no equipamento (figura 15). Outro programa disponível nos servo acionamentos SEW-EURODRIVE é o SCOPE® , um programa de visualização gráfica, onde é possível apurar as verdadeiras condições de trabalho dos servo acionamentos em tempo real. O programa SCOPE é mais uma opção existente e disponível nos programas MX_SHELL® e MOVITOOLS® da SEWEURODRIVE. CONCLUSÃO Máquinas e equipamentos em geral com alta solicitação de dinâmica e precisão de posicionamento são os ideais para a utilização dos servos acionamentos. Veja a figura 16. Figura 17 - Servo-acionamentos aplicados a desbobinadores e bobinadores através do programa IPOS® plus. Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 272