Aula_01

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18/03/2015 
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Curso de Engenharia de Controle e Automação 
 
 
Disciplina: Conversão Eletromecânica de Energia 
 
 
Prof. João Carlos Cruz Melo 
 
 
2015 
Objetivo 
 
 
 Apresentar os principais conceitos e particularidades 
dos dispositivos utilizados na conversão 
eletromecânica de energia 
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Conteúdo Programático 
 
1. Princípios básicos dos transdutores. 
2. Transdutores eletromagnéticos. 
3. Máquinas girantes básicas. 
4. Funcionamento das máquinas elétricas. 
Referências Bibliografias 
 
- SIMONE, Gilio Aluisio. Conversão Eletromecânica de Energia. – São Paulo/SP: 
Editora Érica, 1999. 
 
- ANDREY, João Michel. Eletrônica Básica : teoria e prática. – São Paulo/SP: 
Editora Rideel, 1999. 
 
- FALCONE, Aurio Gilberto. Eletromecânica Volume I. – São Paulo/SP: Editora 
Blucher, 2011. 
 
 
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Conversão Eletromecânica de 
Energia : 
 
Utilização de Transdutores na 
Instrumentação 
 
 
 
 Consiste no conjunto de dispositivos e técnicas 
utilizados para monitorar e/ou controlar fenômenos 
físicos que ocorrem em um sistema termodinâmico 
(processo). 
Instrumentação 
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 O termo instrumentação pode ser utilizado para fazer 
menção à área de trabalho dos técnicos e engenheiros 
que lidam com processos industriais (técnicos de 
operação, instrumentação, engenheiros de 
processamento, de instrumentação e de automação), 
mas também pode referir-se aos vários métodos e 
técnicas possíveis aplicadas aos transdutores. 
Instrumentação 
 
 
 Para controlar um processo industrial (independente 
de qual o produto fabricado ou sua área de atuação) é 
necessária a medição e o controle de uma série de 
variáveis físicas e químicas, e para isso se utiliza da 
instrumentação. 
Instrumentação 
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 Exemplo de um processo industrial 
Instrumentação 
 
 
 Um transdutor é um dispositivo que permite à energia 
de um sistema controlar a energia de outro sistema. Ou 
seja, um dispositivo que converte um tipo de energia 
em outro. 
Transdutores 
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 Principais características estáticas de um Transdutor 
 
• Características que definem os parâmetros relevantes da 
transformação do sinal de entrada para um sinal de 
saída (função de transferência). 
• A maioria dos transdutores possuem a relação entrada / 
saída não-linear. É necessário haver linearidade numa 
faixa de interesse (onde vão operar). 
 
 
 
 
Transdutores 
 
 Principais características estáticas de um Transdutor 
 
• Torna-se necessário o uso de funções matemáticas para 
a linearização. Ex:1/X, Xm, logX, AX+BX3 
 
 
 
 
Transdutores 
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 Principais características estáticas de um Transdutor 
 
 Linearidade: esse conceito se aplica a sensores 
analógicos. É a curva de saída do sensor, a partir da 
grandeza medida. Buscam-se respostas proporcionais às 
entradas, para facilitar a montagem do circuito de 
interface, porém nem sempre isso é possível, pois 
alguns tipos de transdutores são não-lineares. 
 
 
Transdutores 
 
 Principais características estáticas de um Transdutor 
 
 A figura abaixo mostra a diferença entre um sensor 
linear e um não-linear: 
 
 
Transdutores 
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 Principais características estáticas de um Transdutor 
 
• Faixa de medida(range): conjunto de valores da variável 
medida que estão compreendidos dentro do limite 
superior e inferior da capacidade de medida ou de 
transmissão do transdutor, sem destruição ou 
imprecisão do mesmo. Ex: um voltímetro mede de 100 a 
300V; 
 
 
Transdutores 
 
 Principais características estáticas de um Transdutor 
 
• Alcance (span): é a diferença algébrica entre o valor 
superior e inferior da faixa de medida do transdutor. Ex: 
se a faixa de medida do transdutor é 100V a 300V, o 
alcance é 200V; 
Transdutores 
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 Principais características estáticas de um Transdutor 
 
• Zona morta: é a máxima variação que a variável pode 
ter, sem provocar variações na indicação ou sinal de 
saída de um transdutor ou em valores absolutos do 
range do mesmo. 
Ex: para uma faixa de -50C a 50C com zona morta de 1%, o 
transdutor não apresentará variações de temperaturas 
inferiores ou iguais a 1C; 
Transdutores 
 
 Principais características estáticas de um Transdutor 
 
• Velocidade (ou tempo) de resposta: trata-se da 
velocidade com que o sensor fornece o valor da variável. 
O ideal é que o sensor possua uma resposta 
instantânea, pois uma resposta lenta pode prejudicar 
bastante a eficiência do sistema de controle; 
 
Transdutores 
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 Principais características estáticas de um Transdutor 
 
• Acurácia (ou Exatidão): é o maior valor de erro estático 
(erro do processo em regime permanente) que um 
transdutor pode ter ao longo de sua faixa de trabalho. 
Refere-se a medidas livres de erro, ou ao grau de 
conformidade entre o objeto medido e o padrão. 
Transdutores 
 
 Principais características estáticas de um Transdutor 
 
• Precisão: descreve as proximidades das medidas. A 
proximidade dos resultados que foram obtidos 
experimentalmente da mesma forma. 
Transdutores 
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 Principais características estáticas de um Transdutor 
 
• Exatidão x Precisão: 
Transdutores 
 
 
 Quanto à operação, existem dois tipos de transdutores 
 
1. Transdutores Ativos 
2. Transdutores Passivos 
 
Transdutores 
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 Transdutores ativos 
 
 Se o transdutor gerar uma tensão que é relacionada 
com a quantidade de energia entrando num sistema, 
diz-se que é um Transdutor ativo. 
Transdutores 
 
 Transdutores ativos 
 
 Para entendermos melhor como funcionam os 
transdutores ativos, Vamos exemplificar os 6 métodos 
básico de gerar tensão: por atrito, por processo 
químico, por efeito piezoelétrico, por deslocamento de 
campo através de um condutor, por processo 
fotoelétrico e por efeito termoelétrico 
Transdutores 
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 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão por atrito 
Transdutores 
 
 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão por atrito 
 
 Esfregando uma vareta de vidro com um pano de seda, 
faz com que tanto o pano como a vareta tornem-se 
eletrizados, gerando eletricidade estática. 
Transdutores 
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 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão por ação química 
Transdutores 
 
 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão por ação química 
 
 Toda vez que dois tipos diferentes de metais são 
mergulhados em ácido ou solução de alcalina, é gerada 
uma tensão entre eles. Isto, em princípio, é usado na 
fabricação de baterias e pilhas 
Transdutores 
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 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão pelo efeito piezoelétrico 
Transdutores 
 
 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão pelo efeito piezoelétrico 
 
 Certos materiais, como os cristais de quartzo, sais de 
Rochelle e o titanato de bário, irão gerar uma tensão 
sobre a superfície quando estiverem sob pressão ou 
sob a ação de uma força. Isto é chamado método 
piezoelétrico. 
Transdutores 
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 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão pelo efeito piezoelétrico 
 
 O valor da tensão gerada depende da intensidade da 
força da pressão e também do tipo de material usado. 
As tensões geradas geralmente são muito pequenas. 
Transdutores 
 
 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão por deslocamento de campo através 
de um condutor 
Transdutores 
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 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão por deslocamento de campo através 
de um condutor 
 
 Quando existe um movimento entre um campo 
magnético e um condutor, é gerada uma tensão. Um 
ímã permanente é deslocado para dentro e para fora 
de uma bobina assim gerando uma tensão sobre os 
terminais da bobina. 
Transdutores 
 
 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão por deslocamento de campo através 
de um condutor 
 
 Essa tensão gerada pelo movimento do campo 
magnéticoe um condutor mostra o princípio da lei de 
Faraday. A intensidade dessa tensão depende do 
número das espiras de fio da bobina, da força do ímã e 
da velocidade de deslocamento do ímã. 
Transdutores 
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 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão por processo fotoelétrico 
Transdutores 
 
 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão por processo fotoelétrico 
 
 Uma fotocélula gera uma tensão que é diretamente 
relacionada com a quantidade de luz que incide sobre 
ela. Essa tensão de saída depende da intensidade da 
luz incidente e também do tipo de material usado na 
fabricação de fotocélula. 
Transdutores 
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 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão por efeito termoelétrico 
Transdutores 
 
 Transdutores ativos 
 
 Gerando tensão por efeito termoelétrico 
 
 Toda vez que a junção de dois materiais diferentes for 
aquecida, é gerada uma tensão. O valor da tensão 
depende da quantidade de calor e também dos tipos 
de metais usados. A junção dos metais é chamada 
termopar. 
Transdutores 
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 Transdutores ativos 
 
 Os métodos geralmente utilizados em transdutores 
ativos são os por efeito piezoelétrico, por 
deslocamento de campo através de um condutor, por 
processo fotoelétrico e por efeito termoelétrico. 
Transdutores 
 
 Transdutores passivos 
 
 Os transdutores passivos produzem uma alteração na 
resistência, capacitância ou indutância diretamente 
relacionada com a energia que está sendo medida. 
Transdutores 
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 Transdutores passivos - Resistivo 
 
1. Transdutor resistivo sensível à temperatura; 
2. Transdutor resistivo variável; 
3. Transdutor resistivo fotossensível; 
4. Transdutor resistivo sensível à campo magnético; 
5. Transdutor resistivo sensível à umidade; 
6. Transdutor resistivo sensível à deformação. 
 
Transdutores 
 
 Transdutores passivos - Resistivo 
 
 Transdutor resistivo sensível à temperatura 
 
 
Transdutores 
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 Transdutores passivos - Resistivo 
 
 Transdutor Resistivo sensível à temperatura 
 
 Um transdutor sensível à temperatura é chamado de 
termistor, que ao sofrer um mudança de temperatura, 
a resistência do termistor muda. 
 
 
Transdutores 
 
 Transdutores passivos - Resistivo 
 
 Transdutor resistivo variável 
 
 
Transdutores 
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 Transdutores passivos - Resistivo 
 
 Transdutor resistivo variável 
 
 Um transdutor resistivo variável funciona com uma 
força mecânica controlando diretamente o braço do 
resistor. Conforme essa força mecânica se desloca para 
esquerda ou direita, a resistência entre os terminais x e 
y aumenta ou diminui. 
 
 
Transdutores 
 
 Transdutores passivos - Resistivo 
 
 Transdutor resistivo fotossensível 
 
 
Transdutores 
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 Transdutores passivos - Resistivo 
 
 Transdutor resistivo fotossensível 
 
 Um transdutor resistivo fotossensível possui uma 
resistência que depende da quantidade de luz que 
incide sobre o mesmo. 
 
 
Transdutores 
 
 Transdutores passivos - Resistivo 
 
 Transdutor resistivo sensível à campo magnético 
 
 
Transdutores 
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 Transdutores passivos - Resistivo 
 
 Transdutor resistivo sensível à campo magnético 
 
 Uma resistência que está diretamente relacionada com 
a quantidade e a intensidade do campo magnético 
presente é um transdutor resistivo sensível à campos 
magnéticos, também conhecido como gerador de Hall 
 
 
Transdutores 
 
 Transdutores passivos - Resistivo 
 
 Transdutor resistivo sensível à umidade 
 
 
Transdutores 
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 Transdutores passivos - Resistivo 
 
 Transdutor resistivo sensível à umidade 
 
 Uma resistência que está relacionada com o teor de 
umidade presente na atmosfera. Alterações no valor da 
resistência estão diretamente relacionadas com 
mudanças de umidade. 
 
 
Transdutores 
 
 Transdutores passivos - Resistivo 
 
 Transdutor resistivo sensível à deformação 
 
 
Transdutores 
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 Transdutores passivos - Resistivo 
 
 Transdutor resistivo sensível à deformação 
 
 Uma resistência é cimentada a um material flexível 
composto de um arame muito fino e conforme o 
esforço é aplicado, o material se deforma fazendo com 
que o fio estique. Quando esse fio estica seu diâmetro 
muda, modificando consequentemente a sua 
resistência 
 
 
 
 
Transdutores 
 
 Transdutores passivos - Capacitivo 
 
1. Transdutor capacitivo alterando o espaço entre as 
placas; 
2. Transdutor capacitivo alterando o tipo de dielétrico. 
Transdutores 
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 Transdutores passivos - Capacitivo 
 
 Transdutor capacitivo alterando o espaço entre as 
placas 
 
 
Transdutores 
 
 Transdutores passivos - Capacitivo 
 
 Transdutor capacitivo alterando o espaço entre as 
placas 
 
 Essa distância é alterada pela aplicação de uma força 
externa. Conforme a força empurra as placas 
aproximando-as uma da outra a capacitância aumenta. 
 
 
 
 
Transdutores 
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 Transdutores passivos - Capacitivo 
 
 Transdutor capacitivo alterando o tipo de dielétrico 
 
 
Transdutores 
 
 Transdutores passivos - Capacitivo 
 
 Transdutor capacitivo alterando o tipo de dielétrico 
 
 Nesse caso o nível de um fluido não-condutor está 
sendo controlado pela mudança do dielétrico do 
capacitor. Quando o tanque estiver cheio, o dieletrico 
consiste do fluido não-condutor. Esvaziando o fluido do 
tanque, acrescenta ar dielétrico entre as placas, e 
dessa forma a capacitância é reduzida. 
 
 
 
 
Transdutores 
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 Transdutores passivos - Capacitivo 
 
 Quando a capacitância de um transdutor capacitivo for 
alterada, uma alteração do circuito é provocada. Dessa 
forma pode-se utilizar a mudança de capacitância para 
alterar a leitura de um aparelho de medição 
Transdutores 
 
 Transdutores passivos - Indutivo 
 
 Em um transdutor indutivo, a energia que esta sendo 
controlada provoca uma alteração na indutância de 
uma bobina. Transdutores indutivos são também 
chamados de transdutores de relutância variável. 
Transdutores 
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 Transdutores passivos - Indutivo 
 
 A indutância de uma bobina depende do número de 
espiras do fio na bobina, a forma da bobina e o tipo de 
circuito magnético em volta do qual a bobina está 
enrolada. 
Transdutores 
 
 Transdutores passivos - Indutivo 
 
 
Transdutores 
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 Transdutores passivos - Indutivo 
 
 Com a aplicação de uma força externa deslocando um 
tarugo de ferro-doce para dentro ou para fora do 
centro de uma bobina, alterando a sua indutância. 
Transdutores 
 
 Ponte de Wheatstone 
 
 Observando a figura abaixo, é comum conectar 
transdutores passivos a um braço de circuito ponte. 
Transdutores 
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 Ponte de Wheatstone 
 
 Esse circuito ponte é chamado de Ponte de 
Wheatstone. E uma de suas mais importantes 
aplicações consiste na medição de um valor 
desconhecido de resistência. 
Transdutores 
 
 Ponte de Wheatstone 
 
 Quando a corrente entre os pontos a e b estiver em 
zero, diz-se que a ponte de Wheatstone está 
balanceada. Nesta condição a seguinte equação é 
aplicada: 
Transdutores 
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 Ponte de Wheatstone 
 
 
 
 Onde 
 R1, R2, R3 e Rx = valores de resistências nas mesmas 
unidades, tais como: ohms, kilohms ou megohms 
 Rx = um valor desconhecido da resistência. 
Transdutores 
 
 Ponte de Wheatstone 
 
 O procedimento para utilizar a ponte de Wheatstone 
para medir resistência é simples. O resistor 
desconhecido R é ligado dentro do circuito. Em seguida 
R3 é ajustado até que a corrente indicada pelo medidor 
esteja igual a zero, Isso significa que a ponte é 
balanceada. 
Transdutores 
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 Ponte de Wheatstone 
 
 Alterando o valor de qualquer resistência na ponte 
provoca uma alteraçãona corrente de a a b na ponte. 
Isso significa que, quando a ponte estiver fora de 
balanceamento mento, existe uma tensão entre esses 
dois pontos. Lembre-se de que uma tensão é 
necessária para provocar um fluxo de corrente. 
Transdutores 
 
 Ponte de Wheatstone 
 
 A Figura abaixo mostra como a ponte de Wheatstone 
pode produzir uma alteração na tensão de saída 
quando ocorre uma alteração na temperatura. 
Transdutores 
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 Ponte de Wheatstone 
 
 A alteração na temperatura provoca uma alteração na 
resistência do termistor. Quando a resistência do 
termistor altera-se, ocorre uma alteração na tensão de 
saída E porque a ponte torna-se desbalanceada. 
Transdutores 
 
 Ponte de Wheatstone 
 
 O termistor e a ponte no sistema de controle no 
próximo slide, trabalham de acordo com este principio. 
O valor da tensão está diretamente ligado ao valor de 
desbalanceamento da ponte. 
Transdutores 
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 Ponte de Wheatstone 
 
 A figura abaixo, mostra um esquema simplificado de 
um sistema de temperatura controlada. 
Transdutores 
 
 Ponte de Wheatstone 
 
 A área aquecida deve ser mantida em uma 
temperatura constante. Um transdutor é inserido na 
área aquecida e ligado a um circuito ponte. Qualquer 
alteração da temperatura dentro da área aquecida irá 
causar uma alteração na resistência do transdutor. Isto 
por sua vez irá produzir um sinal de saída do circuito 
ponte. 
Transdutores 
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 Ponte de Wheatstone 
 
 O sinal de saída do circuito ponte é levado a um 
amplificador que serve para duas finalidades: 
aumentar o sinal da ponte e modificar de modo que ele 
possa ser usado para operar o circuito de controle. 
Transdutores 
 
 Ponte de Wheatstone 
 
 O circuito de controle possui duas entradas: uma 
entrada no amplificador e outra em corrente alternada 
para operar o aquecedor na área aquecida. A potência 
para o aquecedor é ligada e desligada pelo circuito de 
controle. 
Transdutores 
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Vantagens na utilização da Ponte de Wheatstone 
 
 À primeira vista podemos achar que não houve 
vantagem em usar o termistor e o circuito de 
ponte. Vamos supor pelo contrário que o termistor 
esteja ligado dentro do circuito simples. 
Transdutores 
 
Vantagens na utilização da Ponte de Wheatstone 
 
 O termistor deve estar localizado em algum ponto 
onde é necessário controlar as mudanças de 
temperatura. Quando a temperatura varia, a 
resistência do termistor também varia. Isso provoca um 
valor diferente da tensão E sobre o mesmo. 
Transdutores 
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Vantagens na utilização da Ponte de Wheatstone 
 
 
Transdutores 
 
Vantagens na utilização da Ponte de Wheatstone 
 
 Alterando a resistência do termistor alterará a tensão 
do mesmo. A pergunta é: por que não usar esse 
circuito simples ao invés do circuito mais complexo que 
é a ponte de Wheatstone? 
Transdutores 
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Vantagens na utilização da Ponte de Wheatstone 
 
 Utilizando uma fonte de tensão contínua, se a tensão 
for um valor reduzido em volts, a corrente que flui 
atraves de R1 e do termistor será reduzida, provocando 
uma queda da tensão E sobre o termistor. 
Transdutores 
 
Vantagens na utilização da Ponte de Wheatstone 
 
 Haverá então uma alteração na tensão de saída 
independentemente do fato de que não existe 
alteração na temperatura que está sendo controlada. 
Isso significa que você obterá uma leitura errônea da 
tensão de saída. 
Transdutores 
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Vantagens na utilização da Ponte de Wheatstone 
 
 No circuito utilizando a ponte de Wheatstone isso não 
ocorre. Quando a tensão aplicada diminui, a tensão no 
ponto a diminui. Entretanto, a tensão no ponto b 
também diminui no mesmo valor. A diferença entre a 
tensão nos pontos a e b permanece a mesma. Portanto 
E não varia quando a tensão aplicada varia. 
Transdutores 
 
FIM