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O Princípio do Controle por Realimentação em Sua Forma Básica
Operação em malha fechada: como um regulador pode modificar a saída com base na realimentação em tempo real
Um regulador é um dispositivo que mantém uma rotação constante do motor (RPM) utilizando sistemas de controle e monitoramento em malha fechada, como captadores magnéticos ou outros dispositivos tacômetros para medir a velocidade rotacional real. O controlador do regulador é um dispositivo que, em cargas com comportamento instável (runaway), monitora como a velocidade real se desvia de um valor-alvo pré-definido. Nesse momento, o controlador calcula uma ação corretiva e envia um comando aos dispositivos atuadores do acelerador ou do sistema de combustível. Por exemplo, ocorre uma queda de 5% na RPM devido à carga, e o suprimento de combustível é aumentado instantaneamente, em questão de milissegundos. Esse ciclo de realimentação resolve o problema de controle em sistemas em malha fechada, e os sinais de realimentação compensam variáveis adicionais não contabilizadas, como atrito ou deriva térmica, que afetam a velocidade do regulador. O controle de velocidade por realimentação é extremamente importante nas aplicações de geradores, onde desvios de RPM de apenas ±0,25% causam variações na frequência da energia elétrica.
Os três elementos básicos de um regulador que são necessários para o seu funcionamento de forma estável
Os componentes necessários para um sistema estável de controle de velocidade possuem os seguintes três elementos básicos, que são interdependentes.
- O ponto de ajuste (setpoint): rotação-alvo calibrada (por exemplo, 1800 rpm para geradores de 60 Hz)
- O sinal de erro: a diferença mensurável quantificável, calculada ativamente e continuamente (a uma taxa de 50–100 vezes por segundo)
- A atuação: que pode ser realizada por sistemas mecânicos, hidráulicos ou eletrônicos, responsáveis pela execução do comando e pelos ajustes no controle de combustível (aceleração), com redução de até 70% no sistema de controle de combustível em caso de sobrevoltagem.
O ciclo completo do dispositivo regulador opera simultaneamente em três componentes interdependentes. Um controlador PID (Proporcional-Integral-Derivativo) minimiza o tempo de resposta do sistema e o desempenho geral do regulador, alcançando uma variação global de velocidade inferior a 2% com variações de carga de 0 a 100% para o controle do regulador.
Mecânica do Regulador Centrífugo de Velocidade: Medição da Velocidade pelo Equilíbrio de Forças
Massas Giratórias: Força Centrífuga versus Força da Mola em Diferentes Rotações por Minuto (RPM)
As massas giratórias rotacionam para gerar uma força centrífuga proporcional ao quadrado das rotações por minuto (RPM) do motor. Em velocidades mais elevadas, essa força supera a força resultante da mola. Como consequência, as massas deslocam-se verticalmente. No ponto de equilíbrio, onde a força centrífuga é igual à força resultante da mola, a posição vertical das massas giratórias corresponde a uma velocidade definida. Nos reguladores industriais, a 3.000 RPM, a força centrífuga é 15–20% maior que a força resultante da mola. Por esse motivo, garante-se uma resposta proporcional, ou seja, quando ocorre um pico nas RPM, uma ação corretiva é iniciada em menos de 0,2 segundo, em virtude do princípio fundamental do equilíbrio de forças na regulação de velocidade.
Acoplamentos mecânicos e controle do acelerador: Tradução do movimento em modulação do suprimento de combustível
O movimento vertical dos pesos-mosca empurra diretamente um braço do acelerador através de uma manga. Trata-se de uma tradução puramente mecânica do movimento e, por sua vez, uma redução do fluxo de combustível de 8% a 12% para cada 1 mm de movimento da manga nos motores diesel. Um rácio de alavancagem de cerca de 4:1 a 6:1 é típico neste caso. O fator mais importante deste projeto é que é absolutamente à prova de falhas e não requer nenhuma fonte de energia externa. A energia cinética do conjunto rotativo é mais do que suficiente para controlar a combustão e manter uma velocidade constante.
Análise da resposta do regulador de velocidade a condições de excesso de velocidade
O regulador de velocidade responde a condições de excesso de velocidade em que a acção de travagem do regulador está relacionada com a taxa da condição de excesso de velocidade.
O objetivo principal aqui é manter um nível de desaceleração, pois condições de excesso de velocidade podem ocorrer em decorrência do aumento da carga no regulador à medida que o motor opera com um regulador, além de aplicar uma carga no equipamento que seja maior que a carga projetada para o regulador.
Limitações Atuais dos Reguladores de Velocidade
As limitações dos reguladores de velocidade mecânicos tradicionais são as limitações inerentes à precisão do regulador mecânico, ao tempo que o regulador mecânico leva para responder à variação de carga e à velocidade com que o regulador pode responder à variação de carga. Os reguladores mecânicos utilizam sistemas de massas rotativas (flyweight) e sistemas de molas, os quais introduzem uma quantidade significativa de inércia mecânica no regulador, resultando, por sua vez, em um atraso na resposta do regulador à correção necessária, na faixa de aproximadamente (300 – 500 milissegundos). Esse resultado indica que o regulador responderá a qualquer variação de carga que exceda os critérios de projeto de aproximadamente (1 – 3%) e que o regulador de velocidade terá uma velocidade máxima limitada.
Os reguladores eletrônicos ampliam os limites do sistema de regulador ao empregar correções do sistema de regulador controlado por microprocessador na ordem de 50 milissegundos. Isso oferece uma precisão sem precedentes no controle de velocidade de ± 0,25% da velocidade-alvo. Esse controle também é mantido durante variações de carga, como a perda de carga. Tais sistemas de regulador utilizam ainda tecnologias como GPS e Assistência Inteligente à Velocidade (ISA) em áreas georreferenciadas (zonas escolares, zonas de obras), onde o controle máximo de velocidade é realizado automaticamente, sem qualquer intervenção do motorista. Também é fornecida telemetria (especialmente diagnóstica) para manutenção preditiva, além de economia de combustível de 4–7%, conforme relatado na maioria dos estudos de eficiência de frotas publicados.
Perguntas Frequentes (FAQ)
O que é um regulador de velocidade?
Um regulador de velocidade é um sistema que mantém constante o regime de rotação (RPM) do motor com base na carga do motor, regulando a posição da borboleta.
Como funciona um regulador de velocidade centrífugo?
Num regulador centrífugo de velocidade, o aumento da velocidade aciona as massas volantes equilibradas por molas. Isso inicia uma resposta do acelerador proporcional à tensão da mola acionada.
Quais são as limitações dos reguladores mecânicos de velocidade?
A maioria dos reguladores mecânicos de velocidade apresenta limitações decorrentes da inércia dos sistemas mecânicos, menor precisão, resposta mais lenta e, em todos esses aspectos, comparação com os reguladores eletrônicos de velocidade.
Como os reguladores eletrônicos de velocidade aprimoram os sistemas mecânicos?
Os reguladores eletrônicos de velocidade também apresentam tempo de resposta melhor, maior precisão e adaptabilidade em comparação com os sistemas mecânicos. Esses reguladores oferecem ainda controle de velocidade do sistema em diversas condições com maior exatidão.
