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Universidade Federal do Rio de Janeiro
Desenvolvimento de Programa em LabVIEW para Estimação de Parâmetros de um
Motor de Indução Trifásico
Arnaldo Severino de Luna Junior
2017
DESENVOLVIMENTO DE PROGRAMA EM LABVIEW PARA ESTIMAÇÃO DE
PARÂMETROS DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
Arnaldo Severino de Luna Junior
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte
dos requisitos necessários à obtenção do título de
Engenheiro.
Orientador: Elkin Ferney Rodriguez Velandia
Rio de Janeiro
Janeiro 2017
DESENVOLVIMENTO DE PROGRAMA EM LABVIEW PARA ESTIMAÇÃO DE
PARÂMETROS DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
Arnaldo Severino de Luna Junior
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL
DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA
OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Examinada por:
________________________________________________
Prof. Elkin Ferney Rodriguez Velandia, D.Sc
(Orientador)
________________________________________________
Prof. Antonio Carlos Ferreira, Ph.D
________________________________________________
Prof. Flávio Goulart dos Reis Martins, M.Sc
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
JANEIRO 2017
Luna Júnior, Arnaldo Severino de
Desenvolvimento de Programa em LABVIEW para
Estimação de Parâmetros de um Motor de Indução
Trifásico / Arnaldo Severino de Luna Júnior - Rio de
Janeiro: UFRJ/ESCOLA POLITÉCNICA, 2017
XV, 86:il.;29,7cm
Orientador: Elkin Ferney Rodriguez Velandia
Projeto de Graduação –
UFRJ/POLI/Engenharia Elétrica,2008
Referências Bibliográficas: p. 85-86
1.LabVIEW 2. Motor de Indução Trifásico 3.
Instrumentos 4 Ensaio com motor I. Velandia, Elkin
Ferney Rodriguez II. Universidade Federal do Rio de
Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia
Elétrica III. Desenvolvimento de Programa em
LABVIEW para estimação de parâmetros de um motor
de indução trifásico
v
“Se sabemos exatamente o que vamos fazer,
para quê fazê-lo?”
Pablo Picasso
vi
Agradecimentos
Agradecer é o ato de manifestar gratidão; reconhecer. Através do agradecimento é
possível ver a importância da pessoa na sua trajetória. Assim, vejo necessário render
graças as pessoas que foram importantes nesse meu caminhar. A conclusão dessa
etapa não seria possível sem a ajuda incondicional da minha família, especialmente
minha mãe. Nada seria possível sem o suporte dos meus familiares.
À minha mãe, Maria, devo sempre agradecer pelos conselhos durante esses anos.
Sem a sua ajuda não sei se seria possível realizar esse sonho. Sempre esteve ao meu
lado me auxiliando até mesmo em decisões que não caberia a ela tomar. Esteve e
estará sempre torcendo por mim.
Ao meu pai, que fez quase o impossível para poder realizar o meu sonho. E sempre
esteve presente compartilhando seu conhecimento.
Minha vó Júlia também foi peça importante nesse quebra-cabeça. Sempre muito
inteligente, foi com ela que aprendi a nunca desistir quando a adversidade surge em
nossas vidas.
Agradeço aos meus amigos que estiveram comigo todo esse tempo. Foram anos de
muito suor, lágrimas e felicidades. Especialmente a Thais e Natalia, que estiveram ao
meu lado grande parte da graduação e compartilharam todos esses momentos. Sem
vocês, parte desse trabalho não seria possível.
Agradeço ao meu orientador, Elkin, por todos os momentos que pode me proporcionar
um enorme aprendizado. O tempo dedicado e a paciência de me ensinar é algo
impagável que levarei para a vida.
Agradeço aos técnicos do Laboratório de Máquinas pelo ajuda, disponibilidade e
ensinamentos no período que passei no laboratório realizando os ensaios desse
projeto.
vii
Agradeço a Deus por ter me dado essa oportunidade de conviver e viver intensamente
essa Universidade.
viii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
DESENVOLVIMENTO DE PROGRAMA EM LABVIEW PARA ESTIMAÇÃO DE
PARÂMETROS DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
Arnaldo Severino de Luna Junior
Janeiro/2017
Orientador: Elkin Ferney Rodriguez Velandia
Curso: Engenharia Elétrica
Conhecer adequadamente o funcionamento e as características de um motor de
indução ajudam a determinar o seu melhor ponto de operação, otimizando seu uso
dentro de um processo industrial. No Brasil, a Associação Brasileira de Normas
Técnicas – ABNT define uma gama de ensaios e procedimentos que devem ser
realizados, em um motor de indução, com o objetivo de avaliar o seu comportamento.
O presente trabalho foi desenvolvido para auxiliar na obtenção dos parâmetros do
modelo de um motor de indução trifásica, através dos ensaios clássicos da ABNT para
motores de indução.
Para a obtenção dessas características foi desenvolvido um programa para
automatizar a tomada de dados e apresentá-los de forma a facilitar a avaliação do
motor de indução. A aquisição de dados será feita através de uma placa de aquisição
com auxílio de instrumentos que serão analisados para determinar o seu
comportamento.
Palavras-chave: Motor de indução trifásico, LabVIEW, Transdutores, Ensaio em um
motor de indução.
ix
Abstract of Undergraduate Project presented to Department of Electrical Engineering of
POLI/UFRJ as partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.
SOFTWARE DEVELOPMENT IN LABVIEW FOR PARAMETER ESTIMATION OF A
THREE-PHASE INDUCTION MOTOR
Arnaldo Severino de Luna Junior
Janeiro/2017
Advisor: Elkin Ferney Rodriguez Velandia
Course: Electrical Engineering
The knowledge about the operation and characteristics of an induction motor is
important to determine the best point of operation.
In Brazil, a Brazilian Association of Technical Standards - ABNT defines a range of
tests and procedures that are performed in an induction motor. The goal is evaluate the
state of the machine.
This project was developed to estimate the parameters of a three phase induction
motor model. For that, a software was created for the automation of the data
acquisition.
The data was sent to a hardware with the aid of sensors. Then, the software is capable
to analyze the data to delivery to the user.
Keywords: Three-phase induction motor, LabVIEW, Sensors, Induction motor tests
x
Sumário
Lista de Figuras ........................................................................................................... xii
Lista de Tabelas ......................................................................................................... xv
1. Introdução .......................................................................................................... 1
1.1 Motivação ............................................................................................................ 1
1.2 Objetivo .......................................................................................................... 2
1.3 Organização do trabalho ..................................................................................... 3
2. Aspectos Teóricos .................................................................................................... 4
2.1 Motor de Indução Trifásico .................................................................................. 5
2.1.1 Circuito equivalente ................................................................................... 8
2.1.2 Norma ABNT ........................................................................................... 12
2.1.3 Ensaios ................................................................................................... 13
2.2 Máquina de relutância ....................................................................................... 17
2.3 Instrumentação.................................................................................................. 17
2.3.1 Encoder ................................................................................................... 17
2.3.2 Sensor de Torque .................................................................................... 19
2.3.3 Transdutor de Tensão e Corrente............................................................ 20
3. LabVIEW ............................................................................................................... 23
3.1 Introdução ......................................................................................................... 23
3.2 Princípios de Programação ............................................................................... 25
3.2.1 Aquisição de dados ................................................................................. 31
3.2.2 Pós Processamento ................................................................................ 35
3.3 Software desenvolvido ...................................................................................... 38
4. Bancada e Ensaios ................................................................................................ 52
4.1 Descrição da bancada .................................................................................. 53
4.2 Ensaios ............................................................................................................. 57
4.2.1 Encoder ................................................................................................... 57
4.2.2 Ensaios sensor de torque ........................................................................ 59
4.2.3 Ensaios transdutores de tensão e corrente ............................................. 63
4.2.4 Ensaio MI ................................................................................................ 73
4.2.4.1 Ensaio CC......................................................................................... 74
xi
4.2.4.2 Ensaio a vazio .................................................................................. 77
4.2.4.3 Ensaio com rotor bloqueado ............................................................. 81
4.3 Circuito equivalente estimado ............................................................................ 83
5. Conclusões e Trabalhos Futuros ............................................................................ 89
5.1 Conclusões ....................................................................................................... 89
5.2 Trabalhos futuros .............................................................................................. 90
6. Referências Bibliográficas ....................................................................................... 92
7. Anexo 1 – Circuito de Aquisição ............................................................................ 94
8. Anexo 2 - MAVOWATT .......................................................................................... 97
xii
Lista de Figuras Figura 1 - Exemplo de rotor bobinado ........................................................................... 6
Figura 2 – Exemplo de gaiola do rotor tipo gaiola de esquilo com anéis e barras
destacados ................................................................................................................... 6
Figura 3 - Circuito equivalente de um MI ....................................................................... 8
Figura 4 Circuito de Thevenin para cálculo da corrente no rotor ................................. 11
Figura 5 - Circuito para ensaio CC do MI .................................................................... 14
Figura 6 -Defasagem de 90° entre os canais A e B .................................................... 18
Figura 7 - Geração de pulsos através de um sensor fotossensível ............................. 19
Figura 8 - Ponte de Wheatstone presente no sensor .................................................. 20
Figura 9 - Painel frontal ............................................................................................... 23
Figura 10 - Interface de programação ......................................................................... 24
Figura 11 - Exemplo de controle (à esquerda) e indicador (à direita) .......................... 25
Figura 12 - Exemplo de um subVI. Na parte superior está o bloco do subVI e abaixo o
que foi construído dentro dele ..................................................................................... 26
Figura 13 - Paleta flutuante Tools ............................................................................... 27
Figura 14 - Paleta flutuante Controls ........................................................................... 27
Figura 15 - Paleta flutuante Functions ........................................................................ 28
Figura 16 - Estruturas de Loops disponíveis ............................................................... 29
Figura 17 - SHIFT REGISTER .................................................................................... 30
Figura 18 - Características dos tipos de dados disponíveis no LabVIEW .................... 31
Figura 19 - Conexão dos sensores ao Computador sendo realizada por uma CAD .... 32
Figura 20 - Exemplo doas opções disponíveis para o bloco de leitura ........................ 35
Figura 21 - Blocos disponíveis na biblioteca de aquisição .......................................... 35
Figura 22 - Exemplo de criação de vetor ..................................................................... 37
Figura 23 - Blocos para programação da gravação .................................................... 38
Figura 24 - Fluxograma principal do programa desenvolvido ...................................... 39
Figura 25 - Fluxograma do pós processamento .......................................................... 40
Figura 26 - Programa para sinal de saída digital ......................................................... 41
Figura 27 - Sinal de saída do programa em 1ms/DIV.................................................. 41
Figura 28 - Sinal de saída em 2,50ms/DIV .................................................................. 42
Figura 29 - Programa para aquisição de dados do encoder ........................................ 42
xiii
Figura 30 - Programa para aquisição das tensões dos instrumentos .......................... 43
Figura 31 - Programa exemplo para ilustrar processo de armazenamento ................. 44
Figura 32 - Cálculo dos parâmetros do ensaio CC ...................................................... 46
Figura 33 - Cálculo das médias dos parâmetros CC ................................................... 46
Figura 34 - Cálculo da potência ativa .......................................................................... 47
Figura 35 - Cálculo dos parâmetros do ensaio com rotor bloqueado .......................... 48
Figura 36 - Cálculo do fator de potência ..................................................................... 48
Figura 37 - Primeira aba do painel frontal ................................................................... 49
Figura 38 - Aba com procedimento e ação para ensaio CC ........................................ 50
Figura 39 - Aba com procedimento e ação para ensaio a vazio .................................. 50
Figura 40 - Aba com procedimento e ação para ensaio com rotor bloqueado ............. 51
Figura 41- Aba com informação sobre o modelo do motor ensaiado e opção para
gravação dos dados de todos os ensaios ................................................................... 51
Figura 42 - Bancada de estudo com máquinas e sensores indicados ......................... 52
Figura 43 - Esquema da bancada em estudo ............................................................. 54
Figura 44 - Placa motor de indução trifásico da bancada ............................................ 55
Figura 45 - Placa máquina de relutância da bancada ................................................. 55
Figura 46 - À direita da figura (a) estão os transdutores de tensão e corrente. Na parte
superior está a fonte de 15V e à esquerda está a borneira utilizada para a aquisição. A
figura (b) representa o esquema de um par de transdutores de tensão e corrente. .... 56
Figura 47 - Gráfico Velocidade vs frequência. Nele está a comparação entre valores
obtidos pelo programa desenvolvido e o tacômetro óptico em diferentes frequências. 58
Figura 48 - Sensor de torque utilizado na bancada ..................................................... 59
Figura 49 - Gráfico T x n. Comparação dos dados obtidos com o programa
desenvolvido e o Display ............................................................................................ 61
Figura 50 - Gráfico T x n com calibração dos dados aquisitados pelo programa ......... 61
Figura 51 - Ensaio realizado com o sensor de torque para verificar sua linearidade ... 62
Figura 52 - Transdutor de tensão utilizado .................................................................. 63
Figura 53 - Circuito condicionador de sinal do transdutor de tensão ........................... 65
Figura 54 - Gráfico para verificação se linearidade do transdutor de tensão 1. Nesse
gráfico é apresentado a relação entre tensão de alimentação e a tensão de medição.
No gráfico (b) é possível ver a linearidade na faixa de 0-10V ..................................... 66
Figura 55 - Gráfico para verificação se linearidade do transdutor de tensão 2. Nesse
gráfico é apresentado a relação entre Tensão de alimentação e a tensão de medição
................................................................................................................................... 67
xiv
Figura 56 - Gráfico para verificação se linearidade do transdutor de tensão 3. Nesse
gráfico é apresentado a relação entre tensão de alimentação e a tensão de medição 67
Figura 57- Comportamento dos 3 transdutores de tensão utilizando valores aquisitados
pelo programa desenvolvido ....................................................................................... 69
Figura 58 – Transdutor de corrente utilizado na bancada ........................................... 69
Figura 59 - Curva para verificação da linearidade na transformação da grandeza feita
pelo transdutor de corrente 1 ...................................................................................... 71
Figura 60 - Curva para verificação da linearidade na transformação da grandeza feita
pelo transdutor de corrente 2 ...................................................................................... 71
Figura 61 - Curva para verificação da linearidade na transformação da grandeza feita
pelo transdutor de corrente 3 ...................................................................................... 72
Figura 62 - Ensaio de calibração realizado com valores aquisitados pelo programa
desenvolvido ............................................................................................................... 73
Figura 63- À esquerda está a temperatura do motor antes do ensaio e à direita está a
temperatura ao final do ensaio .................................................................................... 75
Figura 64 - À esquerda está a temperatura do motor antes do ensaio e à direita está a
temperatura ao final do ensaio .................................................................................... 76
Figura 65 - Tensões de linha aquisitadas .................................................................... 78
Figura 66 - Correntes de linha aquisitadas .................................................................. 78
Figura 67 - Defasamento entre a tensão e a corrente da fase A ................................. 79
Figura 68 - Valores e tensões e correntes medidas pelo MAVOWATT ....................... 79
Figura 69 - Valores de potência e fator de potência medidos pelo MAVOWATT ......... 80
Figura 70 - Diagrama fasorial das tensões e correntes ............................................... 80
Figura 71 - Dados de tensões e correntes medidos pelo MAVOWATT ....................... 82
Figura 72 - Dados de potência e fator de potência medidos pelo MAVOWATT .......... 82
Figura 73 - Circuito equivalente obtido com parâmetros estimados pelo programa
desenvolvido ............................................................................................................... 84
Figura 74 - Circuito equivalente obtido com parâmetros estimados pelo MAVOWATT 84
Figura 75 - Curva T x n ontida através dos parâmetros estimados ............................. 85
Figura 76 - Curvas de T x n com informação dos pontos de máximo torque ............... 86
Figura 77 - Forma de onda da tensão e da corrente na carga puramente resistiva ..... 87
Figura 78 - Circuito utilizado para aquisição da tensão pelo transdutor de tensão ...... 94
Figura 79 - Resposta em frequência do circuito utilizado ............................................ 96
xv
Lista de Tabelas Tabela 1 - Regra para divisão da reatância entre estator e rotor ................................ 16
Tabela 2 - Comparação entre os tipos de laços para so transdutores de efeito Hall ... 22
Tabela 3 - Dados de parte de um ensaio para verificação da resposta observada pelo
dinamômetro de mola ................................................................................................. 63
Tabela 4 - Valores utilizados no circuito da figura 53 .................................................. 65
Tabela 5 - Dados obtidos pelo programa desenvolvido em temperatura 'fria' ............. 74
Tabela 6 - Valores obtidos através de multímetro e amperímetro para aferição do
programa desenvolvido ............................................................................................... 75
Tabela 7 - Dados obtidos da aquisição em uma temperatura superior ao ensaio
anterior ....................................................................................................................... 76
Tabela 8 - Dados obtidos através de multímetro e amperímetros ............................... 76
Tabela 9 - Dados obtidos pela aquisição .................................................................... 77
Tabela 10 - Comparação dos valores obtidos pelo LabVIEW e MAVOWATT ............. 81
Tabela 11 - Comparação dos dados aquisitados pelo LabVIEW e medidos pelo
MAVOWATT ............................................................................................................... 82
Tabela 12 - Comparação de parâmetros calculados pelo LabVIEW e com os dados
medidos pelo MAVOWATT ......................................................................................... 83
Tabela 13 - Comparação de dados entra o programa desenvolvido e o MAVOWATT 87
Tabela 14 - Valores utilizados no circuito de aquisição ............................................... 95
1
1. Introdução
1.1 Motivação
As máquinas elétricas possuem algumas classificações, sendo a mais tradicional
delas em três grupos: corrente contínua, síncronas e de indução. Por mais que
sejam diferentes, seus princípios físicos são bastantes similares.
A escolha do motor ideal depende da sua aplicação levando em conta diversos
fatores como: torque de partida, controle de velocidade, características da carga,
relação custo benefício, entre outros.
As máquinas de corrente contínua (motor cc composto cumulativo) são mais
utilizadas quando é necessário um conjugado de partida elevado [1]. As máquinas
síncronas tem um custo elevado comparada a uma máquina de indução e são
utilizadas para alta potência, por isso são empregadas em geração de energia
como usinas hidrelétricas e termelétricas.
As máquinas de indução são bastante utilizados na indústria devido ao baixo custo
de manutenção, além do seu rendimento elevado quando comparado a motores de
corrente continua. O que o torna versátil para uma ampla variedade de aplicações,
por exemplo, em bombas e sistemas de elevação entre outros.
Ter o conhecimento das características da máquina de indução é importante para
suas aplicações. Para isso, é necessário ensaiar a máquina para determinar o
melhor ponto de operação, verificar se há algum curto circuito nos enrolamentos ou
até mesmo garantir que as informações descritas pelo fabricante estejam precisas.
Para fazer esse tipo de avaliação pode-se usar diversos programa para aquisição
de dados. O LabVIEW, por exemplo, é uma linguagem de programação gráfica
desenvolvida pela National Instruments que é muito usada em sistemas de teste e
2
aquisição e de fácil integração com hardware de controle e medição para diversos
barramentos (PXI, PCI, USB, Ethernet).
A utilização de software para a aquisição e análise dessas informações facilita a
avaliação e o comportamento do motor de indução. O programa utilizado nesse
trabalho visa tornar fácil a compreensão do motor através de uma interface
amigável com o usuário.
É através dele, que o usuário irá visualizar a relação de torque, velocidade,
tensões e correntes em um motor de indução de forma simples e direta.
1.2 Objetivo
O objetivo desse trabalho é desenvolver um software capaz de exibir dados em
tempo real de um motor de indução trifásico acoplado a uma máquina de
relutância. Os dados exibidos poderão ser armazenados na memória do
computador para outras finalidades a serem definidas pelo usuário.
O conjunto em análise será dotado de sensores para medição de velocidade,
toque, tensão e corrente. Através dos dados fornecidos por eles será possível
compreender o comportamento do motor de indução trifásico e determinar suas
características elétricas.
Um trabalho desenvolvido no mesmo laboratório (MORAES – 2012) utilizava um
programa desenvolvido em LabVIEW para o levantamento de curvas
características de um motor de indução com enrolamento Dahlander.
Similar a esse trabalho supracitado, o projeto desenvolvido neste trabalho tem o
intuito de desenvolver um programa capaz de estimar os parâmetros de um motor
de indução trifásico através de grandezas aquisitadas de uma instrumentação
montada na bancada de estudo.
3
1.3 Organização do trabalho
Esse trabalho foi estruturado para melhor compreensão da análise de um motor de
indução.
No capítulo 1 é apresentado a motivação deste trabalho.
No capítulo 2 é feita uma revisão sobre os aspectos teóricos que são essenciais
para a compreensão do que será abordado/adotado nos capítulos seguintes. São
apresentados fundamentos teóricos sobre o motor de indução trifásico assim como
informações sobre a máquina de relutância utilizada. É feita também uma
descrição sobre os instrumentos de medição utilizados mostrando suas vantagens
e desvantagens.
No capítulo 3 é apresentado o programa utilizado para aquisição. É feita uma
pequena introdução sobre o LabVIEW e suas funcionalidades. É explicada,
também cada parte do programa de aquisição que foi desenvolvido para esse
projeto.
Os ensaios que podem ser realizados em um motor de indução são descritos e
comparados no capítulo 4. É nessa parte do trabalho que analisamos os
instrumentos para garantir a sua resposta.
No capítulo 5 é apresentada a conclusão do projeto desenvolvido assim como os
trabalhos futuros que possam ser desenvolvidos. O capítulo 6 apresenta as
referências bibliográficas.
4
2. Aspectos Teóricos
A abordagem deste capítulo serve para elucidar pontos fundamentais para a
compreensão dos próximos capítulos. Serão apresentados fundamentos teóricos dos
principais itens utilizados na bancada de estudo.
A bancada de estudo pode ser dividida em três itens principais: motor de estudo,
instrumentação e sistema de aquisição e pós-processamento de dados. O motor
utilizado corresponde a um motor de indução. Já a instrumentação usada para medir
as grandezas mecânicas e elétricas do motor se baseia em 4 tipos de equipamentos:
um encoder, um sensor de torque, transdutores de corrente e transdutores de tensão.
Uma compreensão adequada de cada um destes equipamentos é necessária para que
as funções e conexões criadas no software desenvolvido consigam representar
fielmente o que se deseja medir.
De modo geral, os transdutores convertem o sinal de grandeza física em uma
grandeza de tensão ou corrente. Nos transdutores utilizados, com exceção do
encoder, a transformação é sempre realizada para tensão [2,3]. Os transdutores de
corrente e tensão necessitam de um condicionamento de sinal pois a conversão
efetuada por eles gera um sinal com amplitude incompatível com o conversor
analógico-digital. Identificar a sua linearidade ou não-linearidade é imprescindível para
determinar a faixa de operação.
O sistema de aquisição e pós-processamento de dados é composto por um hardware
dedicado à aquisição de dados e um software que os analisará de forma adequada.
Nesta última etapa, os dados serão enviados a uma Interface Homem Máquina – IHM
que interagirá com o usuário, possibilitando que o mesmo defina algumas operações
que podem ser realizadas com os dados, tais como visualização e/ou armazenamento.
5
O objetivo desse trabalho não é aprofundar no estudo dos equipamentos utilizados na
instrumentação e nem sua construção. O conhecimento do funcionamento dos
mesmos se faz necessário para garantir que as medições e as suas aquisições
estejam corretas.
2.1 Motor de Indução Trifásico
A Máquina de Indução (MI) tem o circuito equivalente muito semelhante ao circuito
equivalente de um transformador. O comportamento elétrico de um MI também
transforma corrente e tensão.
O MI apresenta duas partes principais: o estator e rotor. O estator é a parte fixa da
máquina e é onde se encontram os enrolamentos de armadura que são alimentados
por correntes e tensões alternadas, as quais produzem um campo magnético girante
dentro da sua estrutura. É sabido que o estator de um motor de indução é igual ao
estator de uma máquina síncrona (enrolamentos defasados eletricamente em 120°). Já
o rotor é a parte móvel dessa máquina. A corrente que circula pelo rotor é induzida
pelo campo magnético produzido pelo estator.
Quando alimentado por uma fonte equilibrada, o campo magnético gerado dita a
velocidade síncrona de acordo com o número de polos que possui a máquina,
conforme a equação 1:
rpm (1)
Em que é a velocidade síncrona e é a frequência elétrica da alimentação da
armadura.
O rotor de uma máquina de indução pode ser construído de duas formas: Rotor
bobinado ou Rotor Gaiola de esquilo.
6
O rotor bobinado possui enrolamentos com o mesmo número de polos presentes no
estator, os quais são conectados por meio de anéis coletores isolados, que são
montados sobre o eixo, e escovas que permitem que esses enrolamentos estejam
disponíveis externamente. A figura 1 mostra um exemplo de rotor bobinado.
Figura 1 - Exemplo de rotor bobinado
Através das escovas é possível adicionar resistências ao rotor de forma a controlar o
fluxo de corrente. Na partida, por exemplo, resistores podem ser ligados em série com
os enrolamentos do rotor de forma a aumentar a resistência efetiva e aumentando
assim o conjugado para altos escorregamentos.
O rotor de gaiola de esquilo é construído a partir de barras condutoras encaixadas em
ranhuras no ferro do rotor e curto-circuitadas por anéis condutores, como é mostrado
na figura 2:
Figura 2 – Exemplo de gaiola do rotor tipo gaiola de esquilo com anéis e barras destacados
Anéis
Condutores Barras
Condutora
s
7
No caso do rotor de gaiola de esquilo, para que haja uma corrente induzida no rotor, a
velocidade de rotação do mesmo deve ser diferente da velocidade síncrona que pode
ser calculada pela equação 1, em rpm, ou pela equação 2, em radianos por segundo:
rad/s (2)
A diferença entre a velocidade do campo magnético e a do rotor é chamada de
velocidade de escorregamento (rpm). Já a razão entre a velocidade de
escorregamento e a velocidade do campo magnético é chamada de escorregamento e
pode ser calculado através das equações 3, 4,5 e 6:
(3)
(4)
(5)
(6)
Em que s é o escorregamento, ns é a velocidade síncrona em rpm, nm é a velocidade
mecânica em rpm, ωm é a velocidade mecânica e ωm é a velocidade síncrona, ambas
em radianos por segundo. Já fr é a frequência do rotor e fe é a frequência elétrica da
alimentação da armadura.
Na partida, no motor de indução com rotor de gaiola, a corrente induzida é máxima e a
frequência do rotor é igual a síncrona, pois está parado e o escorregamento é máximo
(s=1). Como o campo produzido pelas correntes do rotor gira com a mesma velocidade
que o campo do estator, o conjugado de partida faz com que o rotor gire no sentido de
rotação do campo induzido, já que o campo induzido vai tentar se alinhar magnético do
estator. Se esse conjugado for suficiente para se opor a rotação criada pela carga no
8
eixo, o motor irá atingir sua velocidade de operação, mas sem ultrapassar a velocidade
síncrona. Caso contrário, os condutores da gaiola estariam estacionários em relação
ao estator e não haverá indução.
À medida que o escorregamento aumenta, o conjugado também aumenta até um valor
máximo. Um conjugado elevado exige uma corrente também elevada que pode
danificar a isolação do material utilizado nos enrolamentos. Devido a essas limitações
físicas o conjugado tende a diminuir após atingir seu valor máximo.
Se o rotor girar na velocidade síncrona, as barras do rotor estariam estacionárias, não
existiria velocidade relativa em relação ao campo magnético do estator e não haveria
tensão induzida. Sem a tensão induzida, não há corrente e não haverá campo
magnético no rotor, o que levaria ao conjugado ser zero e o rotor perderia velocidade.
[4]
2.1.1 Circuito equivalente
Para facilitar a compreensão do MI, consideraremos uma máquina trifásica em estrela
e em regime permanente. Assim, o que for desenvolvido para uma fase, equivale para
as outras duas (defasando em ± 120° cada uma), já que as correntes e tensões são
expressas em valores por fase. Vale ressaltar que para análise de transitórios o
circuito equivalente é diferente e não será abordado nesse trabalho.
Figura 3 - Circuito equivalente de um MI
9
Os parâmetros desse circuito são:
R1 resistência dos enrolamentos do estator
X1 reatâncias de dispersão dos enrolamentos do estator
RC grandeza para representar perdas
XM reatância de magnetização
X2 reatância de dispersão do rotor referida ao estator
R2/s resistência do rotor referida ao estator
Todos os fenômenos elétricos do rotor, quando vistos a partir do estator, tornam-se
fenômenos que possuem a frequência do estator. [4]. Assim, resistência e a reatância
do rotor estão referidas ao estator pois deve-se levar em consideração o movimento
relativo entre o estator e o rotor na construção do circuito equivalente. O rotor real
(tensões e correntes na frequência do escorregamento) será representado por um
rotor equivalente estacionário (tensões e correntes na frequência do estator). Devido a
essa simplificação, os parâmetros do rotor estão referenciados ao estator.
Como as tensões e frequências são diferentes, é importante que no circuito
equivalente a impedância do rotor seja referida ao estator conforme equação 7. É
necessário fazer uma transformação levando em consideração o número efetivo de
espiras de armadura e do rotor, do mesmo modo que para um transformador
(7)
Através do circuito equivalente descrito anteriormente, é possível determinar algumas
características de desempenho do MI, como os diferentes valores de corrente,
velocidade e perdas quando carga e conjugado são alterados.
10
A potência total transferida do entreferro entre rotor e estator, , muda de acordo com
o valor de corrente, I2, e escorregamento, s. Essa relação pode ser observada na
equação 8
(8)
Em que R2, é a resistências do rotor.
As perdas Joule no rotor estão relacionadas com a sua resistência podendo ser
obtidas da equação 9:
(9)
A potência mecânica está relacionada com as potências do entreferro e do rotor e
pode ser calculada pela equação 10:
(10)
É possível notar que um MI com escorregamento elevado não é eficiente.
Um outro parâmetro a ser analisado é o conjugado eletromecânico que está
relacionado com a potência mecânica, expressos nas equação 11 e 12:
(11)
(12)
Como podemos ver, existe uma relação entre conjugado e velocidade. É através do
Teorema de Thevenin aplicado ao circuito equivalente que poderemos enfatizar essa
relação.
11
Para isso, basta substituir a parte do circuito referente à tensão de alimentação por
uma fonte de tensão complexa Vth e aos parâmetros do estator por uma impedância
em séries Zth.
Para facilitar a demonstração, a resistência que representa as perdas no núcleo será
desconsiderada. Desta forma, as equações 13 e 14 apresentam a relação entre os
parâmetros do circuito e o Teorema de Thevenin.
(13)
(14)
Pode-se então calcular a corrente que circula no rotor através do circuito da figura 4
através da equação 15:
Figura 4 Circuito de Thevenin para cálculo da corrente no rotor
(15)
Com a corrente do rotor, o conjugado pode ser determinado conforme equação 16:
12
(16)
Com essa equação, é possível calcular o conjugado máximo, que acontece quando
R2/s recebe toda a potência. Assim, o conjugado máximo não depende da resistência
do rotor conforme equação 16 e sim da impedância de Thevenin e da reatância do
rotor como mostra a equação 17
(17)
Após a compreensão da influência de cada parâmetro do circuito equivalente nas
características do MI, é necessária uma metodologia de ensaio para sua determinação
e/ou estimativa. [3]
2.1.2 Norma ABNT
Para a realização dos ensaios que podem ser realizados em um MI devem ser
identificadas as normas estabelecidas pela ABNT (Associação Brasileira de Normas
Técnicas), as quais estabelecem procedimentos para a execução de tais ensaios.
Procedimentos que garantem uma adequada medição e reduzem os erros no cálculo,
além de estabelecer níveis de segurança tanto dos equipamentos como dos usuários.
A norma brasileira que estabelece os ensaios de máquinas girantes, especificamente
de motores de indução trifásicos é a Norma 5383 parte 1 publicada em fevereiro de
2002. Nela é possível compreender cada ensaio que pode ser feito sobre um MI para
se obter um grau ótimo nas características a serem observadas. Essa norma foi
baseada em publicações de outros órgãos internacionais que possuem a mesma
finalidade da ABNT no Brasil (IEC 60050-411:1996, IEEE 043:1974, IEEE 112:1991,
IEEE 118:1978 e CSA-C390-M:1985) [4].
13
A ABNT descreve a aplicabilidade dos ensaio ao MI para determinação de suas
características e verificação da sua conformidade. Alguns dos ensaios que podem ser
realizados a um MI são: medição de resistência de isolamento; Medição de resistência
do enrolamento (Ensaio CC); Ensaio dielétrico; Ensaio a vazio; Ensaio com rotor
bloqueado; Medição da tensão rotórica; Ensaio de partida; Ensaio de elevação de
temperatura; Perdas totais; Perdas no estator; Perdas no rotor; Perdas no núcleo;
Perdas por atrito e ventilação; Perdas suplementares; Rendimento; Ensaio ao freio;
Ensaio de conjugado máximo; Ensaio de sobre velocidade; entre outros. [5].
O foco desse trabalho é a determinação/estimação dos parâmetros do MI. Assim, os
ensaios que serão realizados são: Ensaio CC; Ensaio a vazio e o Ensaio com rotor
bloqueado. Cada um desses ensaios apresentam uma metodologia de execução para
que o resultado obtido seja o mais fiel possível.
2.1.3 Ensaios
O resultado do ensaio CC é o valor da resistência do enrolamento do estator do MI.
Nele deve-se [4] aplicar uma fonte CC aos terminais do enrolamento, limitando a
corrente até 15% do valor nominal a no máximo 1 minuto para evitar elevação da
temperatura.
Como os dois terminais de cada um dos 3 enrolamento estão disponíveis, a resistência
pode ser calculada da seguinte forma de acordo com a figura 5 através da equação
18:
(18)
Em que é a resistência ôhmica do enrolamento sob ensaio
V é a tensão aplicada ao enrolamento
14
I é a corrente do enrolamento
é a resistência interna do transdutor de corrente
Figura 5 - Circuito para ensaio CC do MI
O ensaio deve ser repetido pelo menos de 3 a 5 vezes com diversos valores de
corrente e tomando nota da temperatura no início e no fim de cada ensaio. Faz-se a
média aritmética dos valores de resistência obtidos em cada ensaio e desconsidera-se
valores discrepantes de 1% do valor médio[5].
Já o Ensaio a vazio, também chamado de ensaio de perdas no núcleo, atrito e
ventilação, deve ser realizado com frequência e tensões nominais sem carga acoplada
e fornece informações em relação a corrente de excitação e perdas a vazio. A corrente
do rotor produz conjugado suficiente para vencer as perdas por atrito e ventilação. Por
serem pequenas, as perdas no rotor podem ser desprezadas.
Como o fator de potência a vazio de uma máquina de indução é pequeno, a potência
reativa a vazio da máquina é muito maior que a potência de entrada a vazio. Assim,
podemos fazer a aproximação da equação 21:
(19)
15
Neste ensaio, a corrente a vazio é a média das correntes obtidas. A leitura da potência
de entrada é o total das perdas no motor a vazio. Se dessa potência forem subtraídas
as perdas do estator o resultado são as perdas por atrito e ventilação e no núcleo[5].
O último ensaio essencial para a determinação dos parâmetros do MI é o ensaio com
rotor bloqueado. Neste ensaio, os cuidados com relação à segurança devem ser
redobrados. A proteção da máquina deve estar em boas condições para que não haja
danos nem a máquina nem a quem está realizando o ensaio. Por esse motivo, o
sentido de rotação deve ser determinado antes de iniciar o ensaio, já que determinará
a forma como o rotor será travado. Além disso, o motor deve estar a temperatura
ambiente.
Deve ser realizado com correntes e frequências nominais e para fornecer informações
sobre a impedância de dispersão. Se o interesse for na partida (s=1) deve-se utilizar
frequência nominal com corrente próxima a partida[5]. Se o interesse for em
características nominais aplica-se tensão reduzida que gere uma corrente nominal
com frequência reduzida já que R e X mudam com baixas frequências.
A norma especifica 4 métodos para a medição das grandezas do ensaio:
1. Ensaio da impedância com rotor bloqueado aplicando frequência inferior ou
igual a 25% da nominal e corrente nominal.
2. Ensaio da impedância com rotor bloqueado com frequência igual a 100%, 50%
e 25% da frequência nominal e corrente nominal
3. Ensaio de impedância com velocidade acima do ponto de conjugado máximo
4. Ensaio da impedância com rotor bloqueado com tensão reduzida e valor de
corrente nominal[5].
Através desse ensaio, a determinação dos parâmetros do circuito equivalente é
finalizada. Pode-se calcular a impedância de rotor bloqueado através da equação 20:
16
(20)
Em que é a impedância de rotor bloqueado, e são tensão e corrente de
rotor bloqueado, respectivamente. A resistência de rotor bloqueado e a reatância
de rotor bloqueado dependem do fator de potência [5].
O valor da resistência do rotor ( é obtido através da equação 21 que relaciona a
resistência encontrada no ensaio CC ( .
(21)
A reatância de rotor bloqueado ( depende da frequência do ensaio( Já o
valor da reatância tanto do estator ( quanto do rotor ( depende da categoria do
MI. O valor da reatância de rotor bloqueado pode ser obtido através da equação 22.
(22)
Assim, dependendo do valor do conjugado de partida e da corrente de partida, essa
relação entre as reatâncias é obtida através da tabela 1[5]:
Tabela 1 - Regra para divisão da reatância entre estator e rotor
Tipo de rotor
Rotor bobinado 0,5 0,5
Classe A 0,5 0,5
Classe B 0,4 0,6
Classe C 0,3 0,7
Classe D 0,5 0,5
17
2.2 Máquina de relutância
A máquina de relutância consiste de um estator com enrolamentos de excitação e um
rotor magnético com saliências sem enrolamentos. O seu funcionamento se baseia no
conjugado de relutância que ocorre quando o rotor tenta se alinhar com a onda de
fluxo do estator [3]. Isso acontece, pois a polarização dos polos do rotor é a única fonte
de torque, ou seja, o conjugado de relutância é o conjugado induzido pelo campo
externo no rotor levando ele a se alinhar a esse campo. Esse alinhamento acontece
pois os fluxos presentes no estator e no rotor da máquina tendem a minimizar a
relutância do sistema. Para isso, uma força é criada para tal ação.
Surge, então, um conjugado entre os campos magnéticos que gera uma rotação. A
orientação se dá de acordo com os ângulos entre os polos adjacentes do campo
magnético externo e o campo magnético induzido no rotor. O conjugado aplicado ao
rotor é proporcional a sen2φ em que φ é o ângulo elétrico entre os eixos magnéticos
[1].
Devido ao conjugado de relutância, essa máquina pode ser utilizada como carga.
Como o rotor da máquina vai tentar se alinhar ao campo externo, o conjugado gerado
será um conjugado contra eletromotriz se essa máquina estiver acoplada a um motor.
Quanto maior o campo magnético externo, maior o conjugado contra eletromotriz.
2.3 Instrumentação
2.3.1 Encoder
O encoder é um equipamento eletromecânico que pode ser chamado de gerador de
impulsos. A maioria dos encoders geram sinais elétricos em forma de trem de pulsos,
gerando uma quantidade exata de pulsos em uma rotação, podendo ser traduzidos em
18
movimento, direção e/ou posição [6]. Existem dois tipos de encoder; incremental e
absoluto. Ambos são bem similares na sua construção.
O encoder absoluto possui diversos sensores fotoelétricos que combinados formam
um sistema binário. Deste modo, não é necessária a contagem de pulsos para
descobrir a posição.
Já o encoder incremental é o mais utilizado por ser mais simples e mais barato quando
comparado ao absoluto. Além da contagem de pulsos para posterior determinação da
velocidade, frequência e outras grandezas, também é possível determinar o sentido de
rotação devido a defasagem de 90º entre os dois sinais oriundos do encoder. A figura
6 ilustra essa defasagem. Se o canal B estiver na frente do canal A o encoder está
girando no sentido anti-horário. Se o inverso acontecer, o sentido de giro é horário.
Figura 6 -Defasagem de 90° entre os canais A e B
O encoder funciona com uma barreira de luz infravermelha. A luz emitida é
interrompida ou não por N ranhuras em um disco. Cada passagem por uma ranhura é
captada por um sensor fotossensível que produz um pulso de acordo com a tensão de
alimentação (tensão CC). A forma como esse pulsos são gerados pode ser observada
na figura 7.
19
Figura 7 - Geração de pulsos através de um sensor fotossensível
2.3.2 Sensor de Torque
O sensor de torque é utilizado para medir o torque que a máquina acoplada a ele
produz quando uma carga é aplicada ao seu eixo. O funcionamento do sensor de
torque se baseia na medição da força aplicada a ele que é transformada em um sinal
de tensão pelo extensômetro. Esse sinal varia de acordo com a mudança de
resistência que ocorre devido à deformação ocasionada pela carga.
O extensômetro é conectado em uma ponte de Wheatstone que tem a função de
compensar o efeito da temperatura e cancelar efeitos de outras cargas. A medição é
realizada diversas vezes enquanto a força é aplicada [7].
Através da figura 8, é possível compreender como um sinal de tensão é obtido. Nos
terminais A e D é aplicada uma tensão e todos os valores das resistências são iguais,
com isto a diferença de potencial vista entre os terminais B e C é zero. Quando uma
força é aplicada, um desbalanço acontece nessa ponte devido à variação da
resistência do extensômetro e uma tensão é gerada nos terminais B e C.
Em máquinas rotativas, o torque acontece em movimentos rotativos. Assim, o sensor
deve transmitir essa informação para um terminal estacionário. Para que essa
20
transmissão aconteça, o sensor de torque vem dotado de anéis deslizantes e
transformadores rotativos para que, através de um terminal, seja possível a coleta de
dados [7]
Figura 8 - Ponte de Wheatstone presente no sensor
Esse instrumento irá auxiliar na visualização do torque assim como fornecer a tensão
correspondente ao torque gerado pelo MI ao LabVIEW através dessa ponte que é
parte integrante do sensor e não será projetada.
2.3.3 Transdutor de Tensão e Corrente
Os transdutores de tensão e de corrente utilizados na bancada de estudo são
transdutores de efeito Hall. Quando ambos estão sob a aplicação de um campo
magnético, há uma resposta com variação na tensão de saída. O efeito Hall é o que
ocorre quando a corrente tem sua trajetória desviada pela ação de um campo
magnético. Esse desvio faz com que a tensão de Hall possa ser aproveitada em outro
circuito, sendo proporcional à intensidade do campo que cria [8].
21
A diferença entre os transdutores de corrente e o de tensão se dá na sua construção,
pois ambos realizam uma transformação da grandeza, como se fosse um pequeno
transformador.
O sinal de saída é diretamente proporcional ao campo magnético que passa pelo
transdutor, ou seja, o valor da tensão de saída aumenta com o aumento do campo
magnético e diminui com a redução do mesmo. Porém, existe um limite de saturação
imposto pela fonte de alimentação. A sensibilidade do transdutor é dependente da
tensão de alimentação.
Geralmente, os transdutores de efeito Hall possuem três pinos: 2 pinos de alimentação
VCC e um pino do tipo coletor aberto que precisa de uma resistor. O valor mínimo
dessa resistência é função da corrente máxima de saída [9].
Existem dois tipos de transdutores de corrente: laço aberto ou laço fechado (tipo
janela). Os dispositivos de laço aberto são mais simples e o elemento Hall é montado
no gap presente na estrutura. Essa construção apresenta muitas desvantagem quando
comparado do dispositivo de laço fechado. Neste último, o condutor em análise está
no meio do núcleo envolto por bobinas. Quando a corrente surge, uma tensão é
amplificada e aplicada a bobina, de modo que o campo dessa bobina anule o campo
gerado na corrente que passa no condutor. A tabela 2 apresenta características dos
dois tipos. [9]
22
Tabela 2 - Comparação entre os tipos de laços para os transdutores de efeito Hall
Laço Aberto Laço Fechado
Baixo custo na medição de corrente
elevadas (>100 A)
Maior exatidão em condições de elevação
de temperatura
Baixo consumo Apresenta como saída um sinal de
corrente
Tamanho e peso menores na medição de
correntes elevadas
Responde a sinais alternados de alta
frequência (>150kHz)
Não sofre danos em condições de sobre
corrente O sinal de saída pode ser convertido
23
3. LabVIEW
3.1 Introdução
O LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbech) é um ambiente de
programação baseada numa linguagem gráfica G desenvolvido pela NI (NATIONAL
INSTRUMENTS). Os principais campos de aplicações do software são em medições e
automações [10].
O objetivo do LabVIEW é acelerar a produtividade de engenheiros através da redução
do tempo gasto durante a programação. Já que a linguagem gráfica torna simples
visualizar, criar e modificar sistemas de engenharia.
O programa é dotado de duas áreas ou telas de trabalho. A primeira é a interface com
o usuário (painel frontal), conhecida como Interface Homem Máquina – IHM, que pode
ser observada na figura 9 e a outra é a interface de programação (diagrama de blocos)
que pode ser observada na figura 10. Cada uma delas possui bibliotecas próprias o
que facilita o uso do programa[10].
Figura 9 - Painel frontal
24
Figura 10 - Interface de programação
Analisando um pouco mais a área de programação, é possível observar que a
biblioteca está dividida em módulos de acordo com uma ampla variedade de
aplicações. Em cada um desses módulos existem blocos para operações usuais como
operações matemáticas e trigonométricas e blocos para aplicações específicas como
filtragem de sinal, aquisição e controle de dados.
Em contraste à linguagem de programação convencionais baseadas em texto, em que
as instruções determinam a execução do programa, o LabVIEW utiliza o fluxo de
dados, em que eles determinam a ordem de execução. Ao utilizar uma programação
por diagrama de blocos, o layout visual passa a ser mais intuitivo reduzindo o tempo
de programação.
Já na IHM ou painel frontal são inseridos componentes gráficas e botões virtuais que o
usuário pode interagir livremente. Nessa interface há a troca de informações entre o
programa e o usuário, sendo possível aproximar essa interface a um osciloscópio, em
que o usuário consegue definir e escolher o que deseja visualizar dentro das opções
disponíveis. O usuário controla as variáveis de entrada através dos controles e
25
consegue visualizar em tempo real os dados nos indicadores de saída ou nas telas de
visualização.
A interface de programação ou diagrama de blocos é responsável pelo algoritmo
utilizado pelo VI (Virtual Instrument) para obtenção das informações. As funções
utilizadas na implementação são representadas por blocos conectados por linhas que
definem o fluxo de entrada e saída dos dados. Essa interface se assemelha a um
fluxograma e as decisões geradas pelo usuário impactam na execução das funções.
3.2 Princípios de Programação
O conjunto das duas interfaces compõem o VI, que são os arquivos com toda a
informação do programa. No painel frontal, estão todos os controles e indicadores
(terminais interativos) de entrada e saída do VI. Os controles, que podem ser
representado por botões, são responsáveis por simular dispositivos de entrada e
fornecem dados para o diagrama de blocos. Já os indicadores simulam dispositivos de
saída e exibem os dados que a interface de programação aquisita e/ou gera. Um
exemplo de controles e indicadores do LabVIEW está ilustrado na figura 11.
Figura 11 - Exemplo de controle (à esquerda) e indicador (à direita)
26
Na interface de programação constrói-se o código que irá controlar os objetos do
painel frontal. Entre os objetos que podem ser encontrados incluem-se terminais,
subVI, funções, constantes e ligações. A vantagem do LabVIEW está na natureza
hierárquica do VI. Após a criação de um VI, é possível utilizá-lo como um subVI dentro
de outro VI. O subVI é, então, um subsistema dentro do programa principal. É um
bloco que não existe dentro da estrutura do LabVIEW, pois é criado pelo programador
para gerenciar alterações e depurar o software rapidamente.
O subVI é de fácil identificação na interface do programa devido a sua imagem do
bloco ser determinada pelo programador. Por ser um subsistema, é possível definir
diversas entradas e saídas de acordo com a necessidade. A figura 12 mostra um
subVI e o que está dentro do mesmo.
Figura 12 - Exemplo de um subVI. Na parte superior está o bloco do subVI e abaixo o que foi construído dentro dele
27
Para a programação dos VI e subVIs, o LabVIEW é dotado de paletas gráficas
flutuantes para ajudar na criação e execução dos VIs. As três paletas são Tools,
Controls e Functions.
Tools – Disponível no painel frontal e no diagrama de blocos é nessa paleta
que estão as funções disponível na versão do LabVIEW utilizado. Permite que
o usuário opere os controles, conecte objetos, edite textos, entre outros. Ela
pode ser vista na figura 13.
Figura 13 - Paleta flutuante Tools
Controls – Disponível no painel frontal com controles e indicadores. É dividida
em diversas categorias voltado para IHM como pode ser vista na figura 14.
Figura 14 - Paleta flutuante Controls
28
Functions – Disponível no diagrama de blocos, dividida em diversas categorias.
Essa paleta permite a construção do código adicionando, manipulações,
operações, entre outras. Suas opções podem ser vistas na figura 15.
Figura 15 - Paleta flutuante Functions
Qualquer bloco criado na IHM gera o seu par na interface de programação. Porém, na
interface de programação, não acontece da mesma forma.
Por ser uma programação gráfica, as diversas funções utilizadas em programações
por linhas de código foram construídas na plataforma de forma intuitiva. Por exemplo,
quando deseja-se verificar se um dado é maior ou igual a outro, basta utilizar um bloco
de comparação.
Quando uma determinada operação é acionada com frequência durante a execução
do programa é possível usar estruturas de Loops. Essas estruturas estão divididas em
diversos tipos, assim como em outras linguagens de programação, e servem para
garantir a repetitividade e/ou continuidade da ação definida pelo usuário.
29
A figura 16 mostras as estruturas disponíveis no LabVIEW. Foram identificadas as 4
estruturas utilizadas nesse trabalho. A primeira, identificada pelo número 1, é a
representação de um laço FOR, em que uma ação é executada repetidas vezes até a
condição limite, identificada com a letra N no canto esquerdo superior. A condição i, no
canto esquerdo inferior do laço, funcionar como contador e determina o número de
iterações em que se encontra.
Figura 16 - Estruturas de Loops disponíveis
O laço WHILE, identificada na figura 16 pelo número 2, também é utilizado para
manter o programa em execução até que uma condição de parada seja atingida ou
estipulada. Desta forma, há a garantia da continuidade até que a condição de STOP
for acionada. A variável i, no canto inferior esquerdo, tem a mesma função que no laço
FOR.
Uma funcionalidade interessante do laço WHILE é a opção SHIFT REGISTER, sua
representação pode ser vista na figura 17. Com essa função é possível fazer com que
a informação do ciclo anterior fique disponível no ciclo atual para ser acessada. Para
1
1 2
1
4
1 3
1
30
isso, basta conectar o terminal de saída do fluxo de dados da variável desejada ao
SHIFT REGISTER que se encontra no lado direito do laço.
Figura 17 - SHIFT REGISTER
O laço destacado pelo número 3 na figura 16 identifica uma dos laço de importância na
execução do programa desenvolvido. O TIMED LOOP é o laço responsável por
garantir que cada ciclo acontece em 1 ms. Isso garante que a aquisição de todos os
dados acontece de forma sincronizada. Se uma ação executa sua tarefa antes das
outras, ela deve aguardar o término das demais para voltar a ser executada.
O quarto laço destacado na figura 16 pelo número 4, é o laço CASE STRUCTURE
onde podemos ter várias opções de programação. Na sua estrutura de inicial, o laço
CASE STRUCTURE possui duas opções, TRUE ou FALSE, e a estrutura executa
fluxo diferentes de acordo com a escolha booleana realizada.
Por ser uma linguagem gráfica, o fluxo de dados se dá pela conexão entre os blocos.
Isso significa que um nó no diagrama de blocos só é executado quando todos os nós
anteriores (entradas) estão disponíveis. Quando um nó completa a execução, ele
fornece os dados para o terminal de saída e transmite para o próximo nó. No controle
de fluxo a ordem sequencial dos blocos determinam a execução do VI.
Essa conexão é feita por linhas que representam os dados sendo transmitidos. Elas
apresentam cores e grossuras diferenciadas de acordo com o tipo e quantidade de
informações contida em cada dado, respectivamente. Além da cor, o símbolo de cada
bloco também trazem informações a respeito do dado. A conexão entre blocos deve
ser realizada entre terminais da mesma natureza. Existe então, uma relação entre
31
cores e o tipo de dado no fluxo. Sinais booleanos, por exemplo são sempre na cor
verde. Essa relação entre cores e tipo de dado (booleano, numérico, arrays, string e
clusters) pode ser observada na figura 18.
É possível perceber também, na figura 18 as diferentes grossuras das conexões que
são formadas por mais de um valor como arrays, clusters, ou seja uma maior
quantidade de informação sendo transmitida.
Figura 18 - Características dos tipos de dados disponíveis no LabVIEW
3.2.1 Aquisição de dados
Para a aquisição de sinais, é necessário um dispositivo conversor que deve ser capaz
de coletar grandes quantidades de informações com uma elevada velocidade de
processamento.
Os sistemas de aquisição DAQ da NI baseados em PC utilizam a capacidade de
processamento, sistemas de visualização e conexão com computadores da indústria.
32
Essa tipo de conectividade melhora o custo benefício, além da flexibilidade quando
comparados a sistemas comuns de medição [11].
A figura 19 ilustra como é feita a conexão dos sensores ao sistema DAQ da NI.
A escolha do hardware DAQ deve seguir alguns critérios de acordo com a aplicação
que será utilizada. Sua função é a interface entre o computador e sinais externos.
Deve digitalizar sinais analógicos de entrada de forma que um computador possa
interpretá-los. Geralmente, deve-se verificar o número de canais disponíveis, a
frequência de amostragem, a resolução e os níveis de entrada.
Um conversor analógico-digital (CAD) é responsável pela transdução de um sinal
analógico em digital em um instante no tempo. Ele utiliza amostras coletadas em um
taxa predeterminada do sinal analógico, que é contínuo no tempo, para reconstruir o
sinal original de forma digital [11].
Segue abaixo algumas características que os hardwares devem possuir:
Entradas/Saídas analógicas: possuem dois modos de aquisição: comum e
diferencial. O modo comum é o que apresenta maior chance de apresentar erro
na aquisição, sendo utilizado para sinais de maior amplitude. Isso acontece
pois uma tensão de modo comum surge entre a referência e o terra.
O modo diferencial se baseia em duas entrada, o que não gera uma tensão de
modo comum e sendo útil para o sinal de menor amplitude.
Frequência de amostragem: determina a velocidade que são produzidas as
amostras ou conversões analógicas-digitais. Quanto maior a frequência, melhor
será a reconstrução do sinal ou a aparência com o sinal original, mas aumenta
Sensor Dispositivo DAQ Computador
Figura 19 - Conexão dos sensores ao Computador sendo realizada por uma CAD
33
o fluxo de dados para o processador. Deve-se achar um ponto ótimo entre
essas duas características.
Resolução: número de bits que o conversor utiliza para quantificar o sinal
analógico. Quanto maior o número de bits maior a precisão da conversão
realizada.
Níveis de entrada: Limites dos sinais de entrada, podendo ser unipolares ou
bipolares.
Portas digitais: entrada e saídas digitais. Utilizadas para controlar o processo.
O parâmetro mais importante são o número de linhas disponíveis, a velocidade
que se pode transferir os dados e a capacidade de controle de diversos
dispositivos.
Contadores/Temporizadores: Contar a produção de um determinado evento,
gerar bases de tempo para processos digitais ou geração de pulsos.
Além do hardware, é necessário também programar a aquisição das informações
pertinentes ao programa a ser desenvolvido. Para isso, o LabVIEW apresenta uma
livraria específica de blocos voltados para a aquisição e geração de informação.
Esse conjunto de blocos facilitam a programação do software assim como ajudam
na identificação dos parâmetros.
O processo de aquisição no programa deve ser feito de forma minuciosa. É
necessário identificar, para o LabVIEW, etapa por etapa desde a criação de tarefas
e canais, até a interrupção do processo e limpeza da memória.
Os blocos voltados para a aquisição podem ser vistos na figura 23 e o processo de
aquisição, de modo geral, se dá em 6 etapas. São elas:
1. Criação de tarefa: O bloco responsável pela criação de tarefas faz com que
o LabVIEW crie virtualmente os canais disponíveis no hardware. Este bloco
pode ser visualizado na figura 21.
34
2. Criação de canais para medição: Esse bloco é responsável pela
identificação dos canais que serão utilizados, pelo modo de aquisição que
será adotado e pela definição dos valores máximos e mínimos esperados,
além da unidade a ser adotada pela grandeza a ser medida.
O modo de aquisição interfere nos canais disponíveis do hardware. Existem
3 modos: diferencial, RSE e NRSE. O primeiro, como o próprio nome diz,
faz a medição da grandeza de forma diferencial, sendo necessário dois
canais. Nesse modo, não é considerado o referencial da placa.
O segundo modo de aquisição realiza a medição da grandeza de um canal
com o referencial da placa. Desta forma, utiliza-se um canal analógico e
qualquer canal terra do hardware.
O modo NRSE tem o mesmo princípio que o modo RSE, porém seu
referencial não é o referencial da placa e sim um porta que pode apresentar
um potencial diferente de zero.
3. Início da aquisição: Após a identificação dos canais, a tarefa que foi criada
no passo 1 é executada inicia-se o processo de medição.
4. Leitura do sinal: Nessa etapa, o sinal aquisitado em cada canal é lido pelo
programa. Sua leitura depende da configuração do bloco utilizado. O bloco
apresenta, de modo geral, as 4 opções a seguir, que também podem ser
observadas na figura 20:
4.1 Configuração do tipo de sinal: Analógico; Digital; Contador
4.2 Quantidade de canais: 1 canal ou múltiplos canais
4.3 Quantidade de amostras: 1 amostra ou múltiplas amostras
4.4 Saída: Numérica ou forma de onda
35
Figura 20 - Exemplo doas opções disponíveis para o bloco de leitura
5. Parar aquisição: para que a tarefa criada pare de ser executada é
necessário um bloco que interrompa a execução da tarefa.
6. Limpar tarefa: bloco responsável pela retirada da tarefa da memória.
Além desses blocos, existem outros blocos voltados para a aquisição, com diversas
funcionalidades. Nesse trabalho, não houve necessidade da utilização de todos os
blocos disponíveis na aba ou modulo de aquisição de dados.
Figura 21 - Blocos disponíveis na biblioteca de aquisição
3.2.2 Pós Processamento
O bloco utilizado para leitura da aquisição possui uma porta de saída com os dados
digitais da amostra realizada sobre o sinal analógico. É com essa informação que
serão calculados os parâmetros do MI conforme os ensaios a serem realizados. Para
1
2
3
4
5 6
36
isso, é necessário compreender o comportamento da aquisição, pois o fluxo de dados
deve ser processado de forma coerente para se obter o resultado esperado.
Os ensaios a serem realizados para a estimativa dos parâmetros do MI levam em
conta a tensão, a corrente e o fator de potência dos sinais a serem aquisitados. Cada
ensaio possui a sua especificação conforme a norma. Porém, algumas ações são
comuns para todos os ensaios.
Uma das técnicas de aquisição de dados que é utilizada neste trabalho é baseada na
aquisição de amostras separadamente, as quais podem ser agrupadas em vetores de
tamanho fixo que podem ajudar na realização do pós-processamento ou simplesmente
podem ser utilizados para ver o histórico de dados de uma forma gráfica.
A utilização dos dados em forma de vetores se torna interessante pois, a análise dos
dados digitais irá se basear em um conjunto de amostras e não exclusivamente em um
dado único. A figura 22 ilustra como é formado o arranjo da construção desse vetor e
sua utilização no programa desenvolvido. Nela, o vetor proveniente do bloco de
visualização, que é constituído pelos dados de cada canal aquisitado, é separado em
elementos, conforme o número de canais.
Esse elemento, então, é inserido em um vetor fixo com espaço para 100 amostras. A
atualização desse vetor acontece a cada ciclo. Para não perder a informação das
últimas iterações, utiliza-se um bloco de rotação. Este bloco faz com que o elemento
mais antigo desse vetor fixo seja apagado para que um novo elemento seja inserido.
O bloco responsável pela rotação está configurado com uma constante -1 para que o
primeiro elemento do vetor seja 0. Assim é possível garantir que nesse vetor, não haja
uma perda de informação no início do processo.
37
Figura 22 - Exemplo de criação de vetor
É através desse conjunto de amostras que as grandezas utilizadas nos ensaios são
calculadas. Isso também possibilita a visualização da grandeza no tempo.
O programa desenvolvido também possui uma funcionalidade importante que é a
gravação das informações para análise posterior. O arquivo com as informações da
aquisição segue o padrão determinado pelo programador e que determina quais
valores serão armazenados. Cabe ao usuário definir o nome do arquivo e o local de
destino para armazenamento.
Para esse objetivo, o LabVIEW também possui uma biblioteca que foca na gravação
das informações. A figura 23 mostra o blocos disponíveis nessa biblioteca.
38
Figura 23 - Blocos para programação da gravação
O bloco 1 é responsável pela criação ou abertura do arquivo de texto. Nele determina-
se o caminho que será utilizado assim como o nome do arquivo, caso ele não exista.
O bloco 2 é responsável pela gravação das informações. Ele recebe as informações
do bloco 1 e executa a gravação. Os dados devem ser convertido em STRING antes
de serem enviados ao bloco 2. Já o bloco 3 fecha o arquivo, para garantir que nenhum
outra informação seja inserida e finaliza o processo de gravação.
3.3 Software desenvolvido
O software foi desenvolvido de acordo com a grandeza de saída de cada sensor
utilizado. Os transdutores de tensão, corrente e torque apresentam saídas em forma
de tensão. Já a saída do encoder se dá em trem de pulsos que no caso desse
instrumento, há um bloco específico para encoders e utiliza portas digitais.
A forma de programação utilizada, com laços WHILE, faz com que a execução das
leituras de cada grandeza só seja interrompida por decisão do usuário. Desta forma, é
possível acompanhar o estado do sistema como um todo.
1 3
2
39
O programa se baseia em três linhas de fluxo principais: aquisição do encoder;
aquisições de tensão e uma saída digital. A partir desses dados, o programa
desenvolvido realiza as medições e calcula os parâmetros do MI com base nas
amostras. Para melhor compreensão do programa a figura 24 apresenta um
fluxograma com as etapas que foram implementadas.
Figura 24 - Fluxograma principal do programa desenvolvido
40
A etapa de pós processamento pode ser analisada conforme figura 25:
Além dos fluxos de aquisição e geração de sinal, existe também o fluxo de gravação
das informações aquisitadas. Esse fluxo só é executado por decisão do usuário.
O único dado de saída presente no programa desenvolvido está sendo utilizado para
auxiliar na medição do tempo de execução de cada ciclo do programa. A definição do
tempo de execução é importante para o desenvolvimento do programa, já que definirá
os tipos de sinais que podem ser aquisitadas.
Como a maior frequência do sistema será 60Hz, de acordo com o Teorema de
Nyquist, a taxa de amostragem deve ser no mínimo duas vezes o valor da frequência
máxima alcançada pelo sinal analógico [12]. Assim a frequência máxima de
amostragem deve ser 120Hz. Nessa frequência, o ciclo do sinal aconteceria em
8,33ms. Definindo o tempo de amostragem em 1ms, tempo mínimo que o hardware
consegue aquisitar, será garantido o mínimo de 16 amostras por ciclo. Assim, esse
Figura 25 - Fluxograma do pós processamento
41
canal digital é uma garantia que o sistema está realizando todas as tarefas dentro do
tempo definido e garantindo um mínimo de amostras coerente.
A figura 26 ilustra a programação para o sinal de saída digital. Nela, é possível
identificar o canal utilizado, e a lógica envolvida para a geração do sinal digital.
Figura 26 - Programa para sinal de saída digital
Durante os ensaios, foi acompanhado o comportamento do canal digital para garantir o
tempo de execução sem perda de amostras. A figura 27 apresenta o sinal visualizado
com o auxílio de um osciloscópio. As escalas de tensão e de tempo são de 5 V e 1 ms,
respectivamente. Nesta imagem é possível verificar que todas as mudanças do sinal,
de nível baixo para nível alto ou vise versa, tem uma duração de 1 ms,
aproximadamente.
Figura 27 - Sinal de saída do programa em 1ms/DIV
42
Já na figura 28, a escala de tempo do osciloscópio foi alterado para 2,5ms por divisão
para verificar se há alguma perda de amostra. Nesse quadro, não há nenhuma perda
de informação.
Figura 28 - Sinal de saída em 2,50ms/DIV
Para a aquisição dos dados digitais enviados pelo encoder, a aquisição utiliza um dos
contadores do hardware para realizar a medição de velocidade e posição. Como o
instrumento é dotado de 3 canais de saída (A, B e Z), é necessário que os 3 canais
estejam configurados, por isso a necessidade de um bloco DAQmx Channel como
pode ser visto na figura 29.
Figura 29 - Programa para aquisição de dados do encoder
43
Dentro do laço WHILE, foi criada uma lógica para identificar tanto a posição quanto a
velocidade. A posição foi identificada através da média das amostras. Já a velocidade,
utilizou-se esse valor de posição comparando com o valor da iteração anterior. Com o
auxílio de um bloco que mede o tempo de execução do laço, foi possível transformar
esse valor médio de amostra em uma valor rpm conforme equação 23.
(23)
O próximo programa é relativo a aquisições de tensões. Neste caso, são linhas de
comando para aquisição das informações dos transdutores de tensão, corrente e
torque. O processo de aquisição foi explicado no item 3.2.1. O bloco de criação de
canais foi configurado para 3 entradas diferenciais transdutores de tensão) e 4
entradas RSE (3 transdutores de corrente e 1 sensor de torque) conforme figura 30.
Desta forma, foram utilizados 6 canais para a aquisição de tensão, 3 canais para a
aquisição do sensor de corrente e 1 canal para o sensor de torque totalizando 10
canais analógicos da borneira.
Figura 30 - Programa para aquisição das tensões dos instrumentos
O bloco responsável pela leitura das informações foi configurado para tensão, com
múltiplos canais e múltiplas amostras e saída como numérico. Assim, o canal de saída
44
possui informação de todos os instrumentos conectados aos canais predefinidos no
formato de vetor.
O nó da saída de informação do bloco de leitura é conectado ao subVI responsável
pela separação dos dados de cada instrumentos para o seu respectivo vetor assim
como o cálculo de alguns parâmetros importantes para o ensaio com MI, como por
exemplo, tensões e corrente eficazes, potência real, potência aparente, fator de
potência, frequência e fase dos sinais senoidais.
Além desses programas voltados para a aquisição e geração de dados, nesse trabalho
também foi realizada uma programação voltada para armazenar os dados coletados. A
explicação da ação de cada bloco utilizado foi feita no item 3.2. A figura 31 ilustra
apenas as etapas da programação. O programa de gravação possui a opção de alterar
o caminho identificado inicialmente, assim como o nome do arquivo a ser utilizado para
a gravação.
Figura 31 - Programa exemplo para ilustrar processo de armazenamento
A figura 31 é um exemplo do programa de gravação. Nela, o programador define
algumas características, como o local de gravação, o nome do arquivo e a
identificação dos dados a serem armazenados. Quando esses dados passam para o
laço WHILE, o usuário ganha a possibilidade de alterar alguns parâmetros como o
caminho, nome do arquivo e o momento da gravação.
45
Para facilitar a compreensão do programa, o passo a passo de construção será
enumerado abaixo:
1. No primeiro bloco, o programador identifica o local da gravação, define se o
arquivo será aberto ou criado e se será lido ou escrito.
2. O bloco seguinte é responsável por dar um cabeçalho as informação que
serão armazenadas. Como essa informação está fora do laço WHILE, o
usuário não consegue modificá-la. Esse bloco de gravação só aceita dados
no formato string. Assim, todo dado que será armazenado deve ser
convertido para esse formato de texto.
3. A primeira estrutura CASE apenas possibilita a o armazenamento da
informação sem modificações do usuário.
4. A segunda estrutura CASE só é acionada se o usuário desejar alterar o
caminho ou o nome do arquivo. Assim, a utilização de um bloco para fechar
qualquer arquivo de gravação em aberto no programa se faz necessário.
Foram realizados 3 programas adicionais para: Ensaio CC, Ensaio a vazio e Ensaio
com rotor bloqueado. Esses programas são responsáveis pelo pós processamento dos
dados para a estimativa dos parâmetros do circuito equivalente de um MI.
Foram utilizados dois subVIs para o cálculo dos parâmetros CC em que o primeiro
armazena em uma matriz os dados de cada repetição, como pode ser visto na figura
32, e o segundo calcula a média dos parâmetros dessa matriz. A figura 33 mostra a
lógica para o cálculo das médias.
No primeiro subVI a entra de dados Vcc e Icc, são os vetores obtidos no pós
processamento. Nesse subVI é feita a média dos valores desses vetores e então
calculado os valores de potência e resistência.
46
Figura 32 - Cálculo dos parâmetros do ensaio CC
Figura 33 - Cálculo das médias dos parâmetros CC
Além do ensaio CC, foi realizado o ensaio a vazio, nele foram aquisitadas as
informações de tensão e corrente e calculadas as potências ativa e a reatância a vazio
da máquina. Essas informações foram armazenadas em uma vetor. Nesse ensaio, não
houve necessidade de um subVI.
47
Os valores de corrente e tensão são eficazes e obtidos através do bloco RMS. Já o
valor da potência ativa foi obtida através da multiplicação da forma de onda da tensão
e da corrente.
Um exemplo dessa operação pode ser visto na figura 34 Nela as entrada de Tensão e
corrente são os vetores de 100 amostras de cada canal aquisitado.
Figura 34 - Cálculo da potência ativa
48
Já em relação ao ensaio com rotor bloqueado, devido a diversas contas necessárias
para determinação dos parâmetros do circuito equivalente, utilizou-se um novo subVI
conforme figura 35.
Figura 35 - Cálculo dos parâmetros do ensaio com rotor bloqueado
Esse subVI possui 3 entradas: Tensão e corrente eficazes e o fator de potência.
A figura 36 ilustra o cálculo do fator de potência. Uma das formas de calcular o fator de
potência é através do triângulo das potências. Assim, basta obter o resultado da razão
entre as potências ativa e aparente. Foi necessário apenas atentar para o tipo de
ligação envolvida nesse cálculo. Como a ligação do MI é delta, é necessário subtrair
30° do valor de potência encontrado da razão entre as potências, já que o cálculo foi
feito com amostras de linha.
Figura 36 - Cálculo do fator de potência
49
Munido dessas informações, foi possível agrupar os controles e indicadores por
ensaio. O painel frontal do programa foi dividido, então, em abas para melhor
organização e visualização das informações.
De acordo com a divisão realizada nas abas é possível observar os valores de cada
grandeza, assim como executar a ação do ensaio para que o programa possa realizar
as rotinas programadas.
Na figura 37 é possível ver as abas do painel frontal. Na primeira aba é possível
observar os dados gerais de aquisição, assim como a opção de gravar essas
informações no tempo. As três abas seguintes são abas relacionadas aos ensaios que
podem ser realizados ao MI para estimação dos parâmetros do seu circuito
equivalente.
Figura 37 - Primeira aba do painel frontal
Na aba Ensaio CC, é possível ver a metodologia que deve ser seguida para execução
do ensaio, assim como os 3 botões responsáveis pela aquisição da informação
necessário para o cálculo da resistência do estator. Como o ensaio deve ser repetido 5
vezes, o botão de controle está programado para executar apenas 5 vezes. Essa aba
pode ser visualizada na figura 38.
50
Figura 38 - Aba com procedimento e ação para ensaio CC
Já em relação ao ensaio a vazio, essa aba pode ser vista na figura 39. Nela consta o
botão para o programa aquisitar as informações, assim como as grandezas que serão
armazenadas e utilizadas para o cálculo da reatância a vazio.
Figura 39 - Aba com procedimento e ação para ensaio a vazio
Já em relação ao ensaio de rotor bloqueado, essa aba (figura 40) explica como deve
ser feito o ensaio para que não haja acidentes.
51
Figura 40 - Aba com procedimento e ação para ensaio com rotor bloqueado
Na última aba, que pode ser visualizada na figura 41, é possível observar os valores
dos parâmetros obtidos após os 3 ensaios, assim como a opção de salvar esses
dados obtidos com os três ensaios. Dos 3 ensaios realizados, apenas no Ensaio CC
os valores armazenados serão os valores médios.
Figura 41- Aba com informação sobre o modelo do motor ensaiado e opção para gravação dos dados de todos os ensaios
52
4. Bancada e Ensaios
O desenvolvimento do software para a aquisição das grandezas relacionadas ao MI
facilitará a análise da bancada de estudo e possibilitará o armazenamento do resultado
dos ensaios para determinação/estimativa dos parâmetros do MI.
Para a realização dos ensaios foi tomado como base a norma 5383 – ABNT- que
especifica como devem ser realizados os ensaios no motor. Essa especificação visa
garantir a acurácia na medição das grandezas, assim como, as questões de
segurança também são explicitadas para que não haja risco tanto para quem esteja
realizando o ensaio quanto para o motor, que não deve ser danificado durante o
mesmo.
A norma utilizada, nesse trabalho, informa que para a realização dos ensaios, o motor
de indução deve estar em perfeito estado de conservação com todas as tampas de
proteção montadas para funcionamento normal. Na figura 42, pode-se observar a
bancada que será utilizada a qual cumpre com as exigências.
Figura 42 - Bancada de estudo com máquinas e sensores indicados
Máquina de
relutância Sensor de
torque Motor de Indução
trifásico
Encoder
53
A norma enfatiza que as tensões a serem utilizadas nos ensaios devem ser
equilibradas, com forma de onda praticamente senoidal com fator de harmônicos
inferior a 0,02.
O desempenho do MI não depende apenas da tensão e frequência. A forma de onda e
o equilíbrio entre valor e ângulo de fase das tensões interferem no desempenho.
Os instrumentos devem ter um fundo de escala o mais baixo possível para ter maior
precisão. Geralmente instrumentos eletrônicos drenam menos corrente do sistema,
porém são mais suscetíveis a ruídos, por este motivo um bom aterramento deve ser
realizado.
Antes de realizar qualquer tipo de ensaio no MI é necessário garantir que o
desequilíbrio de tensão não deve exceder 0,5%. Para isso, fazemos a média entre os
valores de cada fase. Pegamos a maior diferença entre a maior tensão e a média e
calculamos 100x diferença/média.
Os valores encontrados antes de realizar os ensaios foram VAB=219,4, VBC = 219,5 e
VCA=220,4. Realizando o procedimento especificado acima, o desequilíbrio encontrado
foi de 0,45%, valor inferior ao valor definido em norma.
4.1 Descrição da bancada
A bancada em estudo é composta por um motor de indução e uma máquina de
relutância acoplados por um sensor de torque. Como explicado no item 2.3.2, o sensor
de torque é conectado a um condicionador de sinais que possui um display. A figura
43 ilustra a bancada em estudo com todos os seus instrumentos.
54
Figura 43 - Esquema da bancada em estudo
O MI utilizado é um motor de indução trifásico produzido pela WEG modelo de alto
rendimento Plus. Esse modelo possui dois tipos de conexões de seus 6 terminais, com
isso tensões e correntes nominais variam conforme ligação. Como a tensão de
alimentação do motor será de 220V, a conexão realizada foi feita em delta com
corrente nominal de 3,08A. Esse MI apresenta velocidade de rotação de 3470 rpm
com frequência de 60Hz. Seu rendimento é de 80% com fator de potência de 0.8. Os
motores de alto rendimento Plus da WEG são de categoria N (conjugado e corrente de
partida normais) [13]
A figura 44 mostra a placa do motor de indução utilizado.
55
Figura 44 - Placa motor de indução trifásico da bancada
Já a máquina de relutância apresenta corrente nominal de 1,7 A e tensão nominal de
100Vcc. Essa informações podem ser vistas na figura 45.
Figura 45 - Placa máquina de relutância da bancada
Na alimentação do motor de indução foram introduzidos 3 transdutores de tensão e 3
transdutores de corrente. Acoplado ao eixo da máquina de relutância há um encoder,
responsável pela medição de velocidade o sensor de torque que faz o acoplamento
com o MI. Nessa máquina existe também um dinamômetro para medição de força,
distante 15cm do eixo. Na figura 46, é possível ver os 6 transdutores responsáveis
pela medição de corrente e tensão, além da fonte CC desenvolvida para alimentar
esses instrumentos.
56
(a)
(b)
Figura 46 - À direita da figura (a) estão os transdutores de tensão e corrente. Na parte superior está a fonte de 15V e à esquerda está a borneira utilizada para a aquisição. A
figura (b) representa o esquema de um par de transdutores de tensão e corrente.
Borneira
Transdutores de
corrente
Transdutores de tensão
Fonte 15V
57
Além das máquinas e instrumentos, a bancada também possui uma placa de aquisição
de dados que serve de interface entre os sinais dos instrumentos e o programa
desenvolvido no LabVIEW. O dispositivo utilizado para a aquisição de sinais (DAQ) é
uma placa PCI NI- 6220 com capacidade de adquirir sinais analógicos e gerar sinais
digitais. Ela é capaz de coletar grandes quantidades de informações com uma elevada
velocidade de processamento (250KS/s). Essa placa possui 8 canais diferenciais ou
16 canais analógicos com resolução de 16bits. Os sinais de entrada podem ser de
±0,2V a ±10V[14]
Antes de realizar os ensaios com o MI, faz-se necessário analisar cada instrumento
para verificar como é o seu comportamento em diversas situações. Assim, toda a
instrumentação foi examinada para garantir que as grandezas medidas por eles sejam
as mais reais possíveis.
4.2 Ensaios
4.2.1 Encoder
O modelo utilizado foi fabricado pela S&E sendo composto por 3 saídas (A, B e Z –
referencia) com relação de 1024 pulsos por volta. Os canais A e B são responsáveis
pela geração do trem de pulsos. A comparação desses sinais digitais determina a
velocidade, como também o sentido de giro do eixo. O canal Z determina a origem do
encoder e serve de canal auxiliar na contagem de pulsos. Sua alimentação é de 5Vcc.
Possui uma frequência de resposta de 60kHz com um limite de velocidade de 6000
rpm [15].
Para verificar a precisão do encoder utilizado na bancada, foi necessário analisar sua
linearidade frente a diferentes velocidades impostas. Para isso, com o auxílio de um
inversor de frequência, foi possível aplicar diferentes velocidades ao encoder. Como
forma de comparação ao valor obtido utiliza-se também um tacômetro óptico.
58
Foram coletadas as velocidades em diversos pontos no aumento e na diminuição da
velocidade do conjunto. Com o inversor de frequência foi possível variar a frequência
aplicada ao conjunto de 0Hz a 70Hz com um passo de 10hz. Ao total foram realizadas
40 variações de 0-70Hz, assim como no decréscimo, ou seja, foram 5 conjuntos de
aumento e diminuição da velocidade de rotação.
Após a análise das informações, identificou-se que o encoder disponível, só consegui
mensurar a velocidade, com certa proporcionalidade, até 1800 rpm. Para velocidades
acima desse valor, o encoder perdia sua referência e gerava um sinal distorcido. Como
pode ser visto na figura 47.
Figura 47 - Gráfico Velocidade vs frequência. Nele está a comparação entre valores obtidos pelo programa desenvolvido e o tacômetro óptico em diferentes frequências.
Assim, é possível garantir que o programa consegue aquisitar as informações do
encoder, porém o instrumento disponível não satisfaz a necessidade desse trabalho.
59
Por esse motivo, e por falta de outro equipamento de outro fabricante, a opção foi
tomar as informações de velocidade com o auxílio de um tacômetro óptico e
adicionados ao programa de forma manual.
Essa é a única informação inserida manualmente no software, porém, a linha de
comando para aquisição da velocidade pelo encoder já está disponível, sendo
necessário apenas a troca do instrumento.
4.2.2 Ensaios sensor de torque
O sensor a ser utilizado é o modelo 1104 produzido pela Lebow, como pode ser visto
na figura 48. Foi escolhido esse instrumentos devido à sua disponibilidade para esse
trabalho e possui as seguintes especificações:
Torque:100 libras equivalente a 10N.m
Velocidade máxima: 9000 rpm
Não linearidade: +/- 0,1% na saída
Histereses: +/- 0,1% na saída
Repetitividade: +/- 0,05% na saída
Capacidade de saída: +/- 2mV/V (nominal)
Excitação máxima: 20Vdc ou Vac RMS [16]
Figura 48 - Sensor de torque utilizado na bancada
60
Para esse ensaio, aplicou-se uma tensão de 220V no MI conforme indicação de
ligações de seus terminais, e conectamos uma fonte CC aos terminais da máquina de
relutância.
Com auxílio do dinamômetro de mola, localizado a 15cm do eixo do conjunto, o torque
gerado com o aumento da tensão CC aplicada aos terminais da máquina de relutância
pode ser calculado. O programa desenvolvido no LabVIEW também estava
aquisitando as informações conforme a conexão realizada aos terminais do
condicionador de sinais que possui um display para verificação do valor de torque.
Com esses três dados, foi possível confrontar o comportamento do sensor frente às
cargas aplicadas na bancada em estudo.
Na primeira análise identificamos que o LabVIEW aquisitava os dados de forma
proporcional ao que era disponibilizado no display e o valor calculado através do
dinamômetro.
Após a coleta de dados de diversos pontos de carga, identificou-se que o sinal que vai
para a placa de aquisição de dados proveniente do condicionador de sinal do sensor
de torque reduzia os valores por um fator de 2,22. Na figura 49 é possível observar
essa diferença entre as duas informações.
Desta forma, foi necessária a correção dos dados por esse fator para que tanto o
display, dinamômetro e o programa desenvolvido apresentassem a mesma
informação. A figura 50 apresenta a curva do LabVIEW corrigida e percebe-se que
ambas as curvas firam bem próximas.
61
Figura 49 - Gráfico T x n. Comparação dos dados obtidos com o programa desenvolvido e o Display
Figura 50 - Gráfico T x n com calibração dos dados aquisitados pelo programa
62
Esse ensaios foi realizado 5 vezes com aumento e diminuição da velocidade de
acordo com a carga aplicada através da fonte CC. Os resultados desse ensaio podem
ser visualizados na figura 51.
Figura 51 - Ensaio realizado com o sensor de torque para verificar sua linearidade
Além disso, o dinamômetro mecânico apresentou valores próximos ao visualizado no
display do condicionador de sinais quando o conjunto estava no ponto nominal. Porém,
quando a aplicação de carga sobre o eixo do MI era baixa (início e fim do ensaio) o
dinamômetro de mola não era preciso como pode ser observado na tabela 3 que
possui os dados de um dos ensaios realizado.
63
Tabela 3 - Dados de parte de um ensaio para verificação da resposta observada pelo dinamômetro de mola
Velocidade
(rpm)
Força
Dinamômetro (N)
Torque
Dinamômetro
Torque Display
(N.m)
Torque LabVIEW
(N.m)
3584 4,000 0,600 0,13 0,16
3582 4,000 0,600 0,22 0,23
3571 4,000 0,600 0,42 0,42
3554 6,000 0,900 0,75 0,75
3535 8,000 1,200 1,22 1,20
3501 12,000 1,800 1,82 1,80
3481 15,000 2,250 2,13 2,12
4.2.3 Ensaios transdutores de tensão e corrente
A medição da tensão de alimentação do MI foi realizada por meio de um transdutor de
tensão LEM LV 20-P que suporta uma tensão de 500V (contínua ou alternada), com
isolação galvânica entre o primário e o secundário como poder ser visto na figura 52.
Apresenta excelente precisão e linearidade[1]. Para a medição de tensão é necessário
que seja inserido um resistor conectado em série com o primário.
Uma desvantagem desse transdutor quando comparado a outro do mesmo fabricante
(LV 25-P) é a sua precisão que é um pouco inferior. Essa diferença é pequena e
compensa o alto custo do transdutor LV 25-P.
Figura 52 - Transdutor de tensão utilizado
64
Para os transdutores de tensão, foram realizadas variações de tensão de entrada para
cada um dos 3 transdutores. Como a tensão que o transdutor irá medir é cerca de
220V, um circuito para condicionar o sinal de saída de forma diferencial [17] dentro dos
níveis de tensão aceitados pela borneira, de ±10V, era necessário.
Para dimensionamento correto, deve-se atentar para as características nominais do
transdutor. Desta forma, o cálculo da resistência de entrada levou em conta a tensão
máxima e a corrente primaria nominal (Ip = 10mA) conforma equação 24:
(24)
Sabendo que a resistência interna do transdutor é de 250 [1], corrente máxima é
calculada na equação 25:
(25)
Assim, a corrente refletida no secundário será obtida pela relação de transformação[1]
e calculada conforme equação 26:
(26)
A potência mínima que o resistor de entrada deve suportar foi calculada na equação
27 sendo:
(27)
Já a resistência de medição, leva em conta a tensão do CAD conforme equação 28:
65
(28)
A figura 53 mostra como ficou o circuito de aquisição1 para o transdutor de tensão. Os
valores utilizados podem ser vistos na tabela 4:
Tabela 4 - Valores utilizados no circuito da figura 53
R1 27kΩ
R2 330Ω
R3 100Ω
R4 1000Ω
C1 10nF
C2 47nF
C3 47nF
Figura 53 - Circuito condicionador de sinal do transdutor de tensão
Para garantir a linearidade do transdutor, foram realizadas diversas medições de
tensão com 10 repetições. Atentou-se em variar em passos pequenos a tensão tanto
no início da curva (0V-40V) assim como no final (200V-250V). Todas as medições
foram agrupadas nos gráficos das figuras 54 (transdutor de tensão 1), 55(transdutor de
tensão 2) e 56(transdutor de tensão 3). Foram identificados apenas 1 variação de
tensão (0-250V) para demonstrar o número de amostras.
1 A análise desse circuito está disponível no Anexo 1
66
(a)
(b)
Figura 54 - Gráfico para verificação se linearidade do transdutor de tensão 1. Nesse gráfico é apresentado a relação entre tensão de alimentação e a tensão de medição.
No gráfico (b) é possível ver a linearidade na faixa de 0-10V
67
Figura 55 - Gráfico para verificação se linearidade do transdutor de tensão 2. Nesse gráfico é apresentado a relação entre Tensão de alimentação e a tensão de medição
Figura 56 - Gráfico para verificação se linearidade do transdutor de tensão 3. Nesse gráfico é apresentado a relação entre tensão de alimentação e a tensão de medição
68
O fabricante do transdutor de tensão garante sua linearidade dentro da faixa de 10-
500V. Fica evidente, através dos gráficos obtidos nesses ensaios, que o transdutor
apresentou uma excelente linearidade para tensões inferiores a 10 V. Característica
importantes, pois no ensaio CC realizado nos enrolamentos do MI a tensão sobre o
enrolamento é pequena. Pode ser observado também, que o transdutor não
apresentou histerese quanto as variações de tensão o que é esperado desse
instrumento.
Após a confirmação da linearidade do transdutor de tensão, foi necessária a calibração
do mesmo para que a informação obtida no secundário fosse a mais real possível. Um
novo ensaio foi realizado com os 3 transdutores, sendo a coleta dos dados de tensão
realizada pelo programa desenvolvido. Com os dados obtidos, identificou-se uma
saturação no transdutor 2 o que obrigou a redução da resistência R2 no circuito
condicionador do mesmo. O motivo da saturação não foi identificado mesmo utilizando
outros componentes do circuito condicionador e os transdutores sendo do mesmo lote.
Com esse novo circuito para o transdutor 2 foi possível obter as seguintes curvas
conforme figura 57.
69
Figura 57- Comportamento dos 3 transdutores de tensão utilizando valores aquisitados pelo programa desenvolvido
Para que o programa desenvolvido apresente o valor da tensão de entrada, é
necessário corrigir a aquisição por uma fator, que pode ser determinado no ensaio de
calibração. Assim, o transdutor 1 tem um fator de correção de 32,43, o transdutor 2 e
33,21 e o transdutor 3 de 33,45.
Já em relação a medição de corrente, o tipo de transdutor utilizado é o LA-55P
fabricado também pela LEM que pode ser visto na figura 58. A sua relação de espira é
50 A para 50mA [2].
Figura 58 – Transdutor de corrente utilizado na bancada
70
Os ensaios realizados para os transdutores de corrente seguem a mesma filosofia
utilizada nos transdutores de tensão, porém levando em consideração a corrente
solicitada pelo motor. O transdutor utilizado (LA-55P) possui uma relação de 1:1000 e
para aumentar a precisão do sinal a ser medido, deve-se aumentar a relação de
conversão. Para que isso ocorra, deve-se aumentar o número de voltas do condutor
pela janela do transdutor. Nesse trabalho foi adotado 5 voltas para a medição.
O transdutor foi alimentado por uma tensão CC +/-15V para que fosse possível a
transformação da grandeza elétrica. No ponto de medição, foi escolhido o menor valor
de resistência informado pelo fabricante [2]. Essa escolha foi embasada na maior faixa
disponível que o transdutor conseguiria medir sem que houvesse distorção por
saturação do seu núcleo.
A resistência utilizada foi de 56Ω o que garante uma linearidade até 15 A. O ideal seria
uma resistência menor para melhor aquisição da corrente de partida, porém não era
indicada pela folha de dados. A redução da resistência fora do indicado não garante
acurácia na medição.
Esses ensaios foram realizados com o auxílio de um banco de resistências e o
aumento e redução da tensão aplicada sobre elas. Conforme a tensão aumentava
sobre o banco de resistências, maior era a corrente que passava pelo transdutor.
Desta forma, podemos ver que os três transdutores que serão utilizados para os
ensaios possuem uma boa linearidade conforme figuras 59 (transdutor de corrente 1),
60 (transdutor de corrente 2) e 61(transdutor de corrente 3).
71
Figura 59 - Curva para verificação da linearidade na transformação da grandeza feita pelo transdutor de corrente 1
Figura 60 - Curva para verificação da linearidade na transformação da grandeza feita pelo transdutor de corrente 2
72
Figura 61 - Curva para verificação da linearidade na transformação da grandeza feita pelo transdutor de corrente 3
A linearidade foi garantida nos ensaios realizados. Percebe-se, também, que não há
histerese nesses transdutores. Já a calibração foi realizada com o auxílio do programa
desenvolvido. O passo a passo para o ensaio de calibração seguiu a mesma filosofia
do ensaio de linearidade. Os valores obtidos com esse ensaio geraram o gráfico da
figura 62. Com ele foi possível identificar o fator de proporcionalidade para que o valor
medido pelo programa seja transformado no valor real. O fator encontrado foi 3,53.
73
Figura 62 - Ensaio de calibração realizado com valores aquisitados pelo programa desenvolvido
4.2.4 Ensaio MI
A norma 5383 – ABNT- especifica diversos ensaios que podem ser realizados para
determinar as características do motor de indução. O programa desenvolvido visa
estimar os parâmetros do MI. Os valores obtidos serão calculados com base no
circuito equivalente descrito no item 2.1.1, com exceção do parâmetro Rc que será
desprezado. Para a estimativa das resistências e reatâncias do estator e do rotor do
MI serão necessários 3 ensaios: Ensaio CC; Ensaio a vazio e Ensaio de rotor
bloqueado.
A norma especifica cada etapa dos ensaios como a conexão, as medidas de
segurança e os limites de tensão e corrente para cada caso.
74
4.2.4.1 Ensaio CC
O primeiro ensaio realizado foi o ensaio CC, através da medição da tensão e da
corrente que foram tomadas simultaneamente. No motor da bancada em estudo, todos
os enrolamentos são acessíveis o que leva a medição ser feita individualmente. Se
não fossem acessíveis, a medição deve ser feita de 2 em 2 utilizando a resistência
equivalente, segundo a conexão realizada (delta ou estrela).
Esse ensaio deve ser feito em duas temperaturas distintas. Pode-se dizer que um na
temperatura fria e outra em uma temperatura quente. Para isso, deve-se utilizar o MI
na temperatura ambiente e posteriormente, deve-se medir a resistência do
enrolamento depois que o motor esteja um tempo ligado em sua tensão
nominal(quente).
Os resultados obtidos com a temperatura fria podem ser observados na tabela 5:
Tabela 5 - Dados obtidos pelo programa desenvolvido em temperatura 'fria'
Ensaio Corrente Continua
Enrolamento Vcc (V) Icc (A) Pcc (A) Rcc (ohm)
1 2,41 0,33 0,80 7,30
2 2,42 0,33 0,80 7,33
3 2,61 0,33 0,86 7,90
Rcc Médio
7,51Ω
Foi feita, também, a tomada de dados através de outros instrumentos para verificar a
acurácia da aquisição. Os valores da tabela são valores médios das 5 repetições. Os
valores médios obtidos pelos instrumentos podem ser vistos nas tabela 6.
75
Tabela 6 - Valores obtidos através de multímetro e amperímetro para aferição do programa desenvolvido
Enrolamento Vcc (V) Icc (A) Pcc (A) Rcc (ohm)
1 2,45 0,32 0,78 7,63
2 2,42 0,32 0,778 7,60
3 2,40 0,312 0,758 7,60
Média Total 2,42 0,32 0,77 7,61Ω
Nota-se que o erro entre a resistência média medida e a resistência média calculada
através do programa desenvolvido é de 1,31%.
As temperaturas no início e no final desse ensaio podem ser vistas na figura 63.
Figura 63- À esquerda está a temperatura do motor antes do ensaio e à direita está a temperatura ao final do ensaio
Como esses ensaios são os primeiros a serem realizados com esse MI, não há como
referenciar os valores obtidos para 25° conforme a norma indica. O ideal é fazer com
que a temperatura interna do MI seja 25° e realizar a medição para definir esse valor
como referência. Porém, essa redução de temperatura não foi possível para comparar
o resultado obtido.
A outra temperatura foi medida após todos os ensaios realizados com o motor e com
ele ligado durante um tempo a vazio para que a temperatura fosse mais elevada.
Os dados obtidos com o programa desenvolvido podem ser vistos na tabela 7.
76
Tabela 7 - Dados obtidos da aquisição em uma temperatura superior ao ensaio anterior
Ensaio Corrente Continua
Enrolamento Vcc (V) Icc (A) Pcc (A) Rcc (ohm)
1 3,45 0,34 1,18 10,08
2 3,42 0,34 1,16 10,08
3 3,43 0,33 1,14 10,29
Rcc Médio
10,15Ω
Os valores médios medidos pelos instrumentos podem ser vistos na tabela 8.
Tabela 8 - Dados obtidos através de multímetro e amperímetros
Ensaio Corrente Continua
Enrolamento Vcc (V Icc (A Pcc (A Rcc (ohm)
1 3,59 0,33 1,20 10,79
2 3,56 0,33 1,17 10,79
3 3,53 0,33 1,15 10,87
Rcc Médio
10,82Ω
As temperaturas antes e depois do ensaio podem ser visualizadas na figura 64.
Figura 64 - À esquerda está a temperatura do motor antes do ensaio e à direita está a temperatura ao final do ensaio
77
O erro entre as medições realizadas foi de 6,2% Valor menor que o encontrado na
temperatura fria.
4.2.4.2 Ensaio a vazio
Conforme descrito no capítulo 2 item 2.1.3, foram aplicadas tensão e frequências
nominais e feita a aquisição dessas grandezas pelo LabVIEW. Para a aferição da
aquisição, foi utilizado o MAVOWATT2 disponível no laboratório.
A tabela 9 mostra os valores obtidos com o programa desenvolvido. Nela, é possível
ver a tensão e corrente eficaz de linha assim como as perdas a vazio e a reatância a
vazio. Nesse ensaio, os valores armazenado são os valores médios.
Tabela 9 - Dados obtidos pela aquisição
Ensaio a vazio
Vrms (V) Irms (A) Pvz (W) XVz (ohm)
217,2865 1,69 176,10 128,91
É interessante também observar o comportamento das tensões e correntes de linha no
tempo. A figura 65 ilustra o defasamento entre as 3 tensões e a figura 66 o
defasamento entre as 3 correntes. Já a figura 67 mostra o defasamento entre a tensão
e corrente da fase A.
2 MAVOWATT é um instrumento analisador de rede capaz de identificar potências, fator de potência e
harmônicos. No Anexo 2 podem ser encontradas mais informações
78
Figura 65 - Tensões de linha aquisitadas
Figura 66 - Correntes de linha aquisitadas
79
Figura 67 - Defasamento entre a tensão e a corrente da fase A
Observando a figura 67, é possível verificar o defasamento entre tensão e corrente da
fase A que é de 90°.
A figura 68 mostras os valores de tensão e corrente observados no MAVOWATT.
Figura 68 - Valores e tensões e correntes medidas pelo MAVOWATT
80
Já as potências podem ser vistas na figura 69.
Figura 69 - Valores de potência e fator de potência medidos pelo MAVOWATT
Além disso, foi possível observar também os fasores de tensão e corrente, conforme
figura 70.
Figura 70 - Diagrama fasorial das tensões e correntes
81
Com esse diagrama fasorial pode-se ver que a corrente está atrasada em mais de
100° de acordo com o MAVOWATT.
Essa diferença de cerca de 10° entre a aquisição e o MAVOWATT pode ser justificada
devido ao tempo de amostragem, que por limitação de hardware é limitado a 1ms. Se
fosse possível um tempo maior, mais amostras seriam coletadas e essa diferença
acabaria sendo menor.
A tabela 10 compara os valores obtidos no programa desenvolvido e pelo
MAVOWATT.
Tabela 10 - Comparação dos valores obtidos pelo LabVIEW e MAVOWATT
Ensaio a vazio Vrms (V) Irms (A) Pvz (W) XVz (ohm)
LabVIEW 217,29 1,69 176,10 128,91
MAVOWATT 220,06 1,69 199,2 130,44
Discrepância (%) 2,26 1,09 12,60 2,17
A maior discrepância observada está relacionada a perdas do motor no ensaio.
4.2.4.3 Ensaio com rotor bloqueado
O passo a passo da realização deste ensaio foi descrito no capítulo 2 item 2.1.3. Nele,
há 4 métodos para sua realização. Devido a limitações físicas impostas pelo inversor
para controlar a frequência e a corrente, já que o inversor disponível no laboratório faz
o controle da frequência através da relação V/f, e, nessa relação, a corrente está
relacionada a tensão, não é possível obter uma frequência reduzida com a corrente
nominal. Por esse motivo, o ensaio realizado foi realizado com tensão reduzida e
corrente nominal na frequência de operação 60Hz.
Os valores medidos por meio do MAVOWATT e os valores obtidos pela aquisição do
programa desenvolvido estão dispostos na tabela 11.
82
Tabela 11 - Comparação dos dados aquisitados pelo LabVIEW e medidos pelo MAVOWATT
Ensaio Rotor Bloqueado Vrms (V) Irms (A) Fator de Potência
LabVIEW 35,47 3,10 0,85
MAVOWATT 35,59 3,08 0,69
As figuras 71 e 72 mostram os valores obtidos através do MAVOWATT
Figura 71 - Dados de tensões e correntes medidos pelo MAVOWATT
Figura 72 - Dados de potência e fator de potência medidos pelo MAVOWATT
83
Pelos dados aquisitados o ângulo entre a tensão e a corrente é de 31,45°, já de acordo
com o MAVOWATT, o ângulo entre a tensão e a corrente é de 46,37°. O que pode
justificar essa diferença é o valor da potência ativa aquisitada. Como o valor
armazenado é cerca de 15% menor do que o valor da potência ativa utilizada como
referência, conforme tabela 12, e o cálculo que o programa faz para encontrar o valor
do fator de potência leva em relação essa valor de potência ativa, o erro acaba sendo
propagado para o fator de potência. Assim, os parâmetros do circuito equivalente
também são impactados pois dependem do fator de potência.
Tabela 12 - Comparação de parâmetros calculados pelo LabVIEW e com os dados medidos pelo MAVOWATT
Ensaio Rotor Bloqueado Pbl Rbl R1 R2 Xbl X1 X2 Xm
LabVIEW 109,93 9,76 7,51 2,25 5,75 2,88 2,88 126,04
MAVOWATT 130,5 7,98 7,51 0,47 8,37 4,18 4,18 124,76
Discrepância% 15,76 22,35 -- 378,72 -31,24 -31,24 -31,24 1,02
Neste ensaio, qualquer pequena variação no fator de potência gera discrepâncias
maiores entre os parâmetros estimados. Na tabela 12 é possível verificar como essa
diferença angular ocasionou uma erro maior. Para o cálculo de R2 pelo MAVOWATT
foi assumido o valor de R1 encontrado no primeiro ensaio CC.
Esse erro tem uma propagação maior no cálculo da resistência do rotor que depende
do fator de potência. Essa diferença de cerca de 15° entre os dados gera um erro de
cerca de 378% no valor da resistência.
4.3 Circuito equivalente estimado
Através dos 3 ensaios realizados, foi possível obter o circuito equivalente do MI. O
ensaio CC foi responsável pela determinação da resistência do estator. O ensaio a
vazio e o ensaio com rotor bloqueado estimaram os outros parâmetros do o circuito
84
equivalente para esse MI. As figuras 73 e 74 apresentam o circuito equivalente
estimado obtido com os parâmetros estimados pelo programa desenvolvido e pelo
MAVOWATT respectivamente.
7,51 2,88 2,88
2,25
126,04
Figura 73 - Circuito equivalente obtido com parâmetros estimados pelo programa desenvolvido
7,51 4,19 4,19
0,47
124,76
Figura 74 - Circuito equivalente obtido com parâmetros estimados pelo MAVOWATT
A partir desses parâmetros, é possível simular o comportamento do torque do MI
frente à diferentes velocidades. Através das equações 13, 14, 15 e 16 foi possível
fazer uma comparação com as curvas obtidas através dos dados do LabVIEW e do
MAVOWATT conforme figura 75.
85
Figura 75 - Curva T x n obtida através dos parâmetros estimados
Percebe-se que o comportamento das curvas são bem diferentes. Isso evidencia que
os dados aquisitados pelo LabVIEW apresentam algum erro. Pela discrepância
calculado na tabela 12, o indício de erro está vinculado ao fator de potência já que a
resistência do rotor apresentou um valor extremamente diferente da referência.
A figura 76 mostra o ponto de torque máximo de cada curva. Neste ponto, qualquer
incremento de carga, faz com que a velocidade seja reduzida. Nela nota-se que a
curva do MAVOWATT apresenta seu valor máximo em uma velocidade diferente da
curva obtida através dos dados estimados pelo LabVIEW.
86
Figura 76 - Curvas de T x n com informação dos pontos de máximo torque
Tendo ciência do efeito desse erro e da enorme discrepância encontrada na
resistência do rotor foi realizado um ensaio com uma carga puramente resistiva para
verificar se existia algum erro na aquisição das grandezas.
Pela programação realizada no LabVIEW sabe-se que o fator de potência é calculado
através da potência ativa e da potência aparente. Como a potência aparente depende
dos valores eficazes, e a comparação realizada na tabela 11 mostra que a
discrepância entre os valores aquisitados pelo programa desenvolvido e o medido pelo
MAVOWATT é pequena, deve-se então analisar o cálculo da potência ativa.
No ensaio com uma carga puramente resistiva o fator de potência é unitário, assim as
potências aparente e ativa devem ser iguais. A tabela 13 apresenta os valores obtidos
tanto pelo programa desenvolvido quanto pelo MAVOWATT:
87
Tabela 13 - Comparação de dados entra o programa desenvolvido e o MAVOWATT
P S
LabVIEW 1011,39 1196,54
MAVOWATT 1166 1166
Discrepância (%)
13,26 2,62
Constata-se que existe um erro no cálculo da potência ativa pelo programa
desenvolvido. A figura 77 apresenta as formas de onda da tensão e da corrente nesse
ensaio de carga puramente resistiva.
Figura 77 - Forma de onda da tensão e da corrente na carga puramente resistiva
Pode-se ver que as formas de onda de tensão e corrente não estão acopladas. Isso
acontece devido a ligação delta. Para que as formas de onda estivessem em fase, é
necessário corrigir 30° na fase da corrente devido ao tipo de ligação.
88
Assim, como a correção da fase da corrente não foi aplicada na programação para o
cálculo da potência ativa, todos os parâmetros estimados que dependem direta ou
indiretamente dela irão apresentar uma discrepância considerável.
89
5. Conclusões e Trabalhos Futuros
5.1 Conclusões
Neste trabalho foi desenvolvido um programa em LabVIEW para estimação de
parâmetros de um motor de indução trifásico, o que nos mostrou valores satisfatórios
em alguns dos cálculos. Foram dados os primeiros passos na linguagem de
programação LabVIEW, o que nos mostrou a necessidade de conhecer o hardware
para pode utilizar o software adequadamente.
O intuito do programa desenvolvido, além de estimar os parâmetros do motor de
indução trifásico, é facilitar a interação do usuário. Sua organização em abas deixa o
programa mais organizado e de fácil utilização. Além de mostrar os dados em tempo
real, cada aba possui, também, a instrução de como realizar o ensaio.
A utilização deste software para a criação do programa desenvolvido foi interessante
devido a facilidade de programação. Por ser uma programação gráfica, a construção
do programa se deu de forma mais rápida do que em linguagens por linhas de
comando.
Para a programação dos fluxos no programa, foi necessário compreender o sinal de
saída de cada instrumento utilizado. Assim, a aquisição dos dados não apresentaria
erros.
A análise dos instrumentos foi uma decisão importante para identificação de
problemas físicos dos instrumentos. Foi através desta verificação que a decisão de
não utilizar o encoder para a aquisição da informação de velocidade foi tomada.
Os demais instrumentos apresentaram um excelente linearidade, dentro da faixa
especificada pelo fabricante. Todos eles utilizam um circuito condicionador de sinal. A
vantagem da utilização destes circuitos foi a transformação da grandeza em níveis de
90
baixa amplitude. Fato esse, importante devido a limitação imposta pela placa de
aquisição.
Foi possível identificar a importância do tempo de amostragem, fator importante para a
redução de erros na aquisição. Ter um tempo reduzido aumenta o número de
amostras e faz com que a reprodução do sinal seja mais real. A limitação imposta pelo
hardware fez com que parte dos resultados obtidos ficassem discrepantes em relação
a referência adotada.
Dos ensaios realizados no MI, o erro observado que teve maior impacto nos resultados
obtidos ocorreu no ensaio com rotor bloqueado. Nele a resistência do rotor teve seu
valor amplificado cerca 378% quando comparado a referência. Isto indicou um erro na
programação de alguma variável utilizada para a estimação desse parâmetro.
Esse erro foi justificado através de um ensaio de carga. Nele foi possível identificar
que o cálculo da potência ativa trifásica não estava levando em consideração a
defasagem de 30° proveniente da ligação delta do motor.
O ideal para o ensaio de rotor bloqueado seria realizar um ensaio com frequência
reduzida, para confrontar com os valores obtidos pela referência. Porém, não foi
possível devido a limitações impostas pelos inversores disponíveis no Laboratório que
não conseguem controlar frequência e corrente ao mesmo tempo.
5.2 Trabalhos futuros
Para trabalhos futuros, recomenda-se a correção do cálculo da potência ativa e a
estimação dos parâmetros do MI utilizado nesse trabalho.
Outra recomendação é realizar as modificações no programa para que possa ser
utilizado em outros tipos de máquinas. Neste caso, deve-se realizar as correções
adequadas e verificar se o comportamento do programa é similar. É interessante
91
também desenvolver uma nova aba para o diagrama fasorial das grandezas que estão
sendo aquisitadas.
Recomenda-se também a execução do programa em frequências diferentes para que
a frequência de ensaio seja utilizada no cálculo dos parâmetros do circuito equivalente.
Além disso, verificar o comportamento do motor frente a diferentes cargas com análise
das perdas e rendimento.
É importante também, desenvolver um plataforma que possua o controla das 3
grandezas utilizadas nos ensaios: tensão, corrente e frequência.
92
6. Referências Bibliográficas
[1] CHAPMAN, S.J. Fundamentos de Máquinas Elétricas. Porto Alegre, McGraw-Hill,
2001
[2] TRANSDUTOR DE TENSÃO LV-20P, Disponível em: http://www.lem.com
Acessado em: 30 de janeiro de 2017
[3] TRANSDUTOR DE CORRENTE LA-55P, Disponível em: http://www.lem.com
Acessado em: 30 de janeiro de 2017
[4] FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, JR, C. Máquinas Elétricas com Introdução a
Eletrônica de Potência. Porto Alegre, Ed Bookman,2006
[5] NBR 5383 1: 2002 - Máquinas Elétrica girantes Parte 1: Motores de indução
trifásicos. Brasil: NBR,2008
[6] ENCODER, Disponível em: http://www.ni.com/tutorial/7109/pt Acessado em: 15 de
outubro de 2016
[7] SENSOR DE TORQUE, Disponível em:
http://www.fedtec.com.tw/files/Lebow2006_catalog.pdf. Acessado em: 20 de Janeiro de
2017
[8] HALL EFFECTS SENSOR, Disponível em: http://www.eletronics-
tutorials.ws/electromagnetism/hall-effect.html Acessado em: 10 de janeiro de 2017
[9] LA-55P, Disponível em: http://www.eletrica.ufpr.br/edu/Sensores/20091/LA+55-
P.html. Acessado em: 10 de janeiro de 2017
[10] LÁZARO, A.M Labview 6i. Programación gráfica para el control de
instrumentación, Madrid, PARANINFO, 2001
[11] DATA ACQUISITION, Disponível em: http://www.ni.com/data-acquisition/what-
is/pt/ Acessado em: 01 de novembro de 2016
[12] TAXA DE AMOSTRAGEM, Disponível em http://www.ni.com/white-paper/2709/pt/
Acessado em: 20 de dezembro de 2016
93
[13] MOTORES ELÉTRICOS WEG, Disponível em: http://www.weg.net Acessado em:
30 de janeiro de 2017
[14] PLACA DE AQUISIÇÃO PCI NI 6220, Disponível em:
http://www.ni.com/datasheet/pdf/en/ds-15 Acessado em: 20 de janeiro de 2017
[15] ENCODER INCREMENTAL E30, Disponível em:
http://www.seinstrumentos.com.br/pdf/cat-encoders.pdf Acessado em: 30 de janeiro de
2017
[16] SENSOR DE TORQUE MODELO 1104, Disponível em:
http://www.ni.com/pdf/manuals/Model_1100_Datasheet.pdf Acessado em: 30 de
janeiro de 2017
[17] KARNIKOWSKI, D.C., 2013, Desenvolvimento de um Sistema de Medição de
Sinais Elétricos, dissertação, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio
Grande do Sul, Rio Grande do Sul, RS, Brasil
94
7. Anexo 1 – Circuito de Aquisição
O circuito da figura 78 ilustra a topologia utilizada para o circuito de aquisição do
transdutor de tensão. Através dele é possível obter a função de transferência.
Figura 78 - Circuito utilizado para aquisição da tensão pelo transdutor de tensão
Sendo:
Então:
95
Através da função de transferência é possível obter a resposta em frequência
conforme a figura 79 utilizando valores da tabela 14
Tabela 14 - Valores utilizados no circuito de aquisição
R2 330Ω
R3 100Ω
R4 1000Ω
C1 10nF
C2 47nF
C3 47nF
96
Figura 79 - Resposta em frequência do circuito utilizado
97
8. Anexo 2 - MAVOWATT
MAVOWATT 30 POWER
Visa
Unpack and Fire Away
98
High Performance for Standard Applications
The MAVOWATT 30 three-phase mains disturbance analyzer unites basic functionality with a simple user interface.
The eight independent input channels are controlled via the
touch- screen. Mains type is detected and a configuration is
selected during automatic setup, and the instrument is
immediately ready for use. The user can select length and
type of data collection including troubleshoot- ing, data
logging and mains quality monitoring, as well as energy and
load distribution. The MAVOWATT 30 samples each signal at a
rate of
256 values per period, can be equipped with optional RS
232, Ethernet or USB port and complies with currently
valid standards.
EN50160 – Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution
networks IEC / EN 61000-4-7 – General guide on harmonics and interharmonics
measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment
connected thereto
IEC 61000-4-15 Flickermeter – Functional and design specifications
IEC 61000-4-30, class A – Power quality measurement methods
American standards IEEE 1159, IEEE 519 and IEEE1453 are fulfilled as well.
System Testing
The MAVOWATT 30 can be used to
easily determine whether or not this
is possible with the existing
installation. The instrument is
equipped with high performance
functions for TRMS value triggering,
acquisition of low and mid-
frequency transients and trigger
linking between channels. In this
way, for example, it can be
substantiated that uninterruptible
power supplies function correctly.
Real-time measurements during
maintenance and initial start-up
provide the user with information
for fine tuning operating equipment.
Troubleshooting
The unique display panel at the MAVOWATT
30 provides immediate information
regarding on-site mains quality. Numerous
mains monitoring data are acquired,
analyzed and displayed in color- coded
fields. Critical areas are highlighted in red,
and can thus be quickly identified
Energy Monitoring
. The MAVOWATT 30 is an
outstanding tool for tracking
energy and includes monitoring
of consumption, load profiles,
peak loads and making
operations for large loads with
the goal of reducing costs.
Furthermore, energy costs can
be easily traced and allocated to
the appropriate processes or
departments. And this is the
basis for responsible use of
valuable resources.
99
8 differential inputs
Certified to IEC 61000-4-30 class A
Unique operating concept with touch-
screen
Automatic setup/detection of measurement
type / mains type
Automatic analysis/evaluation of measurement
results in a matter of just seconds
Automatic report generation with ultramodern
PC software
Measurement data are displayed in real-time in oscilloscope, multimeter and event views, and as a
frequency spectrum or phasor diagram. By touching the screen with a finger or the entry wand, data can
be viewed and the display can be zoomed in on detected disturbances in order to obtain further details
and an automatic events description. Measured values saved to the memory card can be transferred to a
computer for evaluation, analysis, visualization and reports generation with market-leading Dran-View
software.
Harmonics
as well as in production systems,
generate harmonics on the one
hand, and are sensitive to them
on the other. And harmonics do
indeed cause small, usually
imperceptible power fluctuations
which add up to considerable
damage in the long-term. Current
harmonics emitted from a single
source can cause interference
throughout the entire network,
without the network being
affected itself. The MAVOWATT
30 acquires detailed harmonics,
interharmonics and subharmonics
for effective troubleshooting of
complex problems which are
caused by these events.
Flicker
Starting up arc furnaces, big induction
machines and other large loads which
generate continuous current surges causes
a mains disturbance event known as flicker.
Flicker typically occurs in systems which are
relatively smooth in comparison with the
power required by the load, in combination
with considerable, short-term current
fluctuations. The MAVOWATT 30 acquires
flicker which is perceived by the user as
light fluctuation in accordance with IEC/EN
61000-4-15.
Mains Quality Monitoring
The MAVOWATT 30 was
developed in compliance with
the strictest mains quality
standards including EN
50160, IEC 61000-4-30
class A and IEEE 1159. A
statistical overview is
generated in order to quickly
check for adherence to
international standards
regarding supply power
quality, and to evaluate mains
quality. In no time at all, the
MAVOWATT 30 provides a
snapshot of more than 13 key
parameters including
asymmetry, voltage
fluctuation and harmonics.
100
Unique analysis support with simulator for
harmonics and separate scaling of
voltage, current and power harmonics
Rescue kit for correcting time stamps,
reversing the measuring probes, changing incorrect
connection types and modifying scaling factors
without having to gather data all over again.
Export from any data source to PQDIF format
(IEEE 1159.3), and Dran-View Enterprise can even
import COMTRADE files from contactor relays
Two versions: Pro for standard users and Enterprise
for advanced experts
Visualization
101
Technical Data
Measured Parameters
4 differential voltage inputs, 1 to 600 VTRMS
, AC/DC, ± 0.1% rdg. ± 0.05% of the range, 256 samples per period, 16 bit ADC
4 inputs for current sensors, 0.1 to 6000 ATRMS
depending on sensor, AC/DC, 0.1% rdg. + CTs, 256 samples per period, 16 bit
ADC
Frequency range: 45 to 65 and 15 to 20 Hz
Phase lock loop – standard PQ mode
Monitoring / Compliance
EN50160 electrical supply quality / IEC 61000-4-30 class A / IEEE 1159
Long-term monitoring / continuous data logging with min., max. and mean values
Mains Quality Trigger
Period by period analysis
RMS values in ½ period steps
L-L, L-N, N-PE changes in RMS values: voltage dips, overvoltages, voltage interruptions
RMS value recordings for voltage and current / waveform recordings
30 pre-cycles and 100 post-cycles
Low and medium frequency voltage/current transients
Parameters for evaluating harmonics
Trigger link for voltage and current channels
Characterization of RMS value events per IEC / EN 61000-4-30 or IEEE 1159
Distortion / Power / Energy
W, VA, VAR, TPF, DPF, consumption, energy etc.
THD / harmonic spectrum (U, I, P), interharmonics TID / interharmonic spectrum (U, I) up to 63rd per IEC / EN 61000-4-7
Flicker Pst, Plt, floating Plt per IEC / EN 61000-4-15
Crest factor, K factor, transformer derating factor, telephone interference factor
Asymmetry (max. deviation from RMS values) and sequence components
Available Languages
German English French Italian Spanish Swedish Finnish Chinese (simplified) Chinese (traditional)
102
Japanese Korean
General Technical Data
Dimensions (H x W x T): 203 x 300 x 64 mm, weight: approx. 1.9 kg
Operating temperature: 0 to +50° C, storage temperature: -20 to +55° C, atmospheric humidity: 10 to 90%, no condensation
System clock with quartz movement, resolution: 1 second
Power pack / charger: 90 to 264 V AC, 47 to 63 Hz
Display: color LCD touch-screen
Memory