Canhão De Gauss

1.Introdução

O Projeto proposto para semana da engenharia de 2013 foi o “Canhão de Gauss”, com o intuito de proporcionar um melhor entendimento das matérias cursadas neste semestre que são eletromagnetismo, controle dinâmico, circuitos polifásicos e circuitos elétricos IV e Circuitos de Micro-ondas. O projeto requer conhecimentos multidisciplinares pois envolve vários conceitos, que vão desde a confecção de bobinas, circuito de carregamento de carga de capacitores, circuito de disparo com thiristores e até um circuito de controle com sensor indutivo.

Este projeto tem como o principal objetivo demonstrar todo o conhecimento que adquirimos em sala de aula e transcrever para a prática o que foi aprendido na teoria. Com base nos estudos adquiridos, elaboramos o projeto chamado do artefato conhecido como Coilgun, que quando traduzido literalmente para o português significa arma de bobina ou mais tecnicamente falando canhão de Gauss, Tendo este nome em homenagem ao gênio da matemática e grande desenvolvedor do equacionamento para o magnetismo e eletromagnetismo.

O projeto que baseia-se no princípio do eletromagnetismo, trata-se mais precisamente falando de um acelerador magnético que tem o intuito de fazer um projétil ferromagnético disparar de um duto cilíndrico com uma velocidade extremamente alta e energia considerável. O princípio de funcionamento básica consiste em se armazenar energia ao carregar um banco de capacitores e fazer com que ele descarregue quase instantaneamente essa energia nos terminais de uma bobina, surgindo assim uma corrente instantânea muito grande, gerando uma densidade de fluxo magnético enorme em consequência disto no entorno da bobina, assim lançando o projétil fora do tubo cilíndrico com uma grande energia e velocidade.

2.Desenvolvimento

Na etapa de concepção desse projeto, houve um intenso debate acerca da filosofia do circuito de disparo, para isso utilizamos muita pesquisa que somada aos conceitos que desenvolvemos ao longo de nossa jornada no curso de Engenharia Elétrica, optamos então pelo circuito de disparo com a utilização de um tiristor de alta potência, que consiste em um retificador controlado de silício, que é capaz de chavear altas correntes sem a presença de faiscamento elétrico, pois como se trata de um circuito de alta energia, essa seria uma grande fonte de perda. Vencida essa etapa foi necessário definirmos qual tipo e dimensões elétricas dos capacitores que utilizaríamos e como confeccionaríamos as bobinas, Para os capacitores conseguimos fazer os cálculos (mostrado adiante), que resultou numa capacitância relativamente alta com tensões de 400 V e outro de 450 V, respectivamente para cada estágio, desta forma fomos obrigados pensar num circuito de carga capaz de fornecer essa tensão, pois a tensão de alimentação fornecida é de 220 VCA, paralelamente examinávamos a melhor forma de construir a bobina com ajuda dos professores, fizemos então uma bobina de fio magnético #14 AWG, com 4 camadas e 33 espiras. Depois de todo este trabalho começamos a construção do projeto.

2.1 A luz de uma ideia ou a ideia de uma luz?

Já na fase de testes do circuito de carga dos capacitores nos deparamos com um problema potencial, a corrente do transitório no instante inicial pois com os capacitores inteiramente descarregados era muito alta, o que já era esperado, porém o surto de corrente desarmaria qualquer proteção no circuito de alimentação CA, além do que existia um risco muito grande de ultrapassarmos a tensão nominal de isolação dos capacitores e estes se romperem, pois a carga seria muito rápida, o que representaria grande perigo à nossa integridade física, eis que um dos componentes do grupo tem o insight de uma ideia no mínimo genial, que seria inserir uma lâmpada incandescente em série na linha de alimentação CA do circuito de carga, a implementação deste simples componente que fez a vez do resistor do circuito RC, resolveu quase todos os problemas do circuito de carga, pois ao mesmo tempo que limitou a corrente de carga protegendo a ponte retificadora e o circuito de alimentação, produziu um fator de temporização na carga que possibilitou o monitoramento da tensão através de um voltímetro e assim pudemos controlar o valor da tensão interrompendo essa carga no momento exato, no qual se atinge a tensão nominal dos capacitores, e além disso serviu também de proteção contra curto circuitos, e se mostrou bastante eficiente quando aconteceu a queima dos thiristores de chaveamento, fato que vamos descrever em seguida.

2.2 Etapa de Controle de Disparo.

A elaboração do projeto desta etapa exigiu conhecimentos diversos de eletrônica de potência e Controle, pois tínhamos que definir como fazer o disparo do segundo estágio de forma que esse ocorresse no exato momento que o projétil adentrava a segunda bobina, pois qualquer adiantamento ou atraso, significaria uma grande perda de desempenho ou até o fracasso do lançamento, pois se no instante do disparo dessa etapa o projétil estive a frente da bonina esta provocaria uma frenagem no projétil e se pelo contrário estive antes da bobina perderia o impulso magnético que seria produzido pela referida bobina.

Partindo desse pré requisito, primeiramente tentamos inserir um circuito temporizador com CI 555, porém nos deparamos com o problema da variação dessa temporização, pois diversos fatores interferem nessa velocidade, desde a posição inicial do projétil, temperatura inicial das boninas, tensão no capacitor, etc, então essa primeira tentativa fracassou.

Já nossa segunda tentativa se baseou na implementação de um sensor que detectaria a presença do projétil entre a primeira e a segunda bonina em um ponto exato e com grande velocidade de atuação, pois o projétil adquiri grande velocidade já no primeiro estágio, inicialmente pensamos em utilizar um sensor óptico do tipo barreira, porem nos deparamos com problema dos pequenos diâmetros do projétil e do tubo de lançamento, posteriormente resolvemos então utilizar um sensor do tipo indutivo PNP 4mm, que nos testes se mostrou bastante eficiente graças ao tipo de material que utilizamos para o tubo de lançamento que é constituído de fibra de carbono e esse material é inerte a variação indutiva, de forma que não interferiu na leitura do sensor. Porém nos restava ainda o ajuste da distância entre a segunda bobina e o sensor pois existem as variáveis do tempo de atuação do sensor e o disparo do tiristor, que foi conseguido após inúmeras e cansativas tentativas, entendemos